（化工过程机械专业论文）基于plc和组态软件的多功能提取罐监控系统开发研究.pdfVIP

j1l1 e i c o n t r o l l i n gs y s t e m o nm u l t i - f u n c t i o ne x t r a c t o rb a s e do n p l ca n dc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e m a j o r ：c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y c a n d i d a t e ： w a n gy o u s u p e r v i s o r ：w e ih u az h o n g w u h a ni n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y w u h a n ，h u b e i4 3 0 0 7 4 ，p r c h i n a m a y , 2 0 0 6 ，r q j i i t p i , l 摘要 摘要 中药的提取是中药生产过程重要的单元操作，其工艺方法、工艺流 程的选择和设备配置都将直接关系到产品的质量和经济效益。多功能提 取罐是提取过程的关键设备，提高多功能提取罐的设备性能和自动化生 产水平是中药现代化生产进程的重要一步。作者结合与武汉制药机械厂 合作开发的智能提取罐项目，论述在多功能提取罐功能部件结构改造分 析的基础上设计了提取关键生产工艺的p l c 控制程序和计算机监控系 统。 由于中药的特殊性和复杂性，使得多功能提取罐的自动控制涉及较 复杂的生产工艺和生产要求。由于药材中各种有效成分的物理性质和化 h学性质的差异，导致生产过程对温度、压力、浓度、流动状态等参数的 ? 变化比较敏感，设备要满足多品种的药材，并能选择不同的流程工艺。 同时生产过程要求防火、防爆、灭菌等，因而控制系统执行元件较多， 并要进行电气转换。 运用有限元a n s y s 分析软件对提取罐下排渣门不同结构进行了强 度、密封安全性能分析，并对门的运行状态进行了监控，提高了设备的 可靠性和安全性。 本文采用f x 2 n 系列p l c ，运用与之相配的g xd e v e l o p e r7 编程软 件，通过s t l 和l a d 两种编程语言编制了下位机的控制程序，通过控制 气动阀和工艺阀及泵等，实现了提取罐常用的几种提取工艺方法( 水提、 ，醇提、回流等) 的自动控制及相关工艺参数的监测和记录。 2 厂 ： 控制系统上位机采用组态软件，实现现场数据实时记录和监控，设 武汉i ：程大学硕士学位论文 计了提取工艺模拟界面、记录查询、报警等具有w i n d o w s 风格的动态操 作画面和相关数据库。p l c 和工控机通过p r o f i b u s 现场总线组成一个 混合型的工业控制系统，发挥上级工业p c 和下级p l c 各自的优势。 关键词：多功能提取罐；有限元a n s y s ；可编程控制器p l c ； 组态软件；混合控制系统 户 一 j ，7 箩j t i ， a b s t r a c t t h e d e v e l o p m e n tr e s e a r c ho ft h em o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e m o nm u l t i - - f u n c t i o ne x t r a c t o rb a s e do n p l ca n d c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e a b s t r a c t t h ee x t r a c t i o no ft h ec h i n e s ed r u g si sai m p o r t a n tu n i to p e r a t i o n si nt h e p r o d u c t i o np r o c e s so fc h i n e s ed r u g s ，t h ec h o i c e so fe x t r a c t i o np r o c e s sf l o w a n di t s e q u i p m e n tc o n f i g u r a t i o nw i l l i n f l u e n c et h ep r o d u c t s q u a l i t ya n d e c o n o m i cb e n e f i t sd i r e c t l y t h ek e ye q u i p m e n ti ne x t r a c t i n gi sm u l t i f u n c t i o n e x t r a c t o r , i ti s a l li m p o r t a n ts t e po fm o d e r n i z e dp r o d u c t i o no ft h ec h i n e s e d r u g st oi n c r e a s et h em u l t i f u n c t i o ne x t r a c t o r se q u i p m e n tp e r f o r m a n c ea n d a u t o m a t i cp r o d u c t i o nl e v e l t h ea u t h o r , c o m b i n e sw i t ht h ep r o je c to ft h e i n t e l l i g e n te x t r a c t o rw h i c hc o o p e r a t e sw i t hw u h a np h a r m a c e u t i cm a c h i n e r y f a c t o r y , p r e s e n t st h ed e s i g no f p l c s y s t e ma n dt h es u p e r v i s i o ns y s t e mf o rt h e k e yp r o c e s si nt h ep r o d u c t i o no fe x t r a c t i o nw i t ht h es t r u c t u r er e f o r mf o rt h e e x t r a c t o r sf u n c t i o nu n i ti nt h i sp a p e r b e c a u s eo ft h ep a r t i c u l a r i t ya n dc o m p l e x i t yo ft h ec h i n e s ed r u g s ，m a k e t h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fm u l t i - f u n c t i o ne x t r a c t o ri n v o l v em o r ec o m p l i c a t e d p r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n dp r o d u c t i o n b e c a u s eo ft h e d i f f e r e n c eo ft h e p h y s i c a lp r o p e r t i e so fd i f f e r e n te f f e c t i v ec o m p o s i t i o na n dc h e m i c a lp r o p e r t y i nt h ec r u d ed r a g s ，c a u s et h ep r o d u c t i o np r o c e s st ob em o r es e n s i t i v ei n c h a n g eo ft h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，s u c ha st e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，d e n s i t y , f l o wr e g i m e ，e t c ，t h e e q u i p m e n ts h o u l dm e e tt h ec r u d ed r a g so fm a n y v a r i e t i e s ，a n dc a nc h o o s ed i f f e r e n tp r o c e d u r ec r a f t s m e a n w h i l ep r o d u c t i o n 1 1 1 q 武汉 程人学硕十学位论文 p r o c e s sd e m a n d i n gt o f i r ep r e v e n t i o n ，e x p l o s i o n - p r o o f , s t e r i l i z a t i o n ，e t c ， t h e r e f o r et h ec o n t r o ls y s t e md e m a n d sl o t so fa c t i o ne l e m e n t sa n ds h o u l d e l e c t r i c a lt r a n s i t i o n t oe n s u r et h es y s t e mo p e r a t ei nc r e d i b i l i t ya n ds t a b i l i z e d ，u s ea n s y s a n a l y s i s s o f t w a r em a k i n gs t r e n g t hc a l c u l a t i o na n da n a l y z i n gs e a ls a f e t y p r o b l e mf o rt h el o w e rd i s c h a r g eg a t eo f t h ee x t r a c t o r sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e ， a n dm o n i t o rt h eg a t e sa c t i v es t a t e w i t ht h ep l cf x 2 na n dt h ec o r r e s p o n d i n gp r o g r a m m i n gs o f t w a r eg x d e v e l o p e r7 ，t h a th e l p si nc o n t r o ls o t h v a r ep r o g r a m m i n gw i t hs t l a n dl a d l a n g u a g e ，t h e m u l t i f u n c t i o ne x t r a c t o rs y s t e mm e e t st h er e q u i r e m e n t so f a c h i e v i n g t h ea u t o m a t i cf o rd i f f e r e n te x t r a c t e dm e t h o d ( s u c ha sw a t e r e x t r a c t i o n 、 a l c o h o le x t r a c t i o n 、b a c kf l o wa n d , s oo n ) a n dt h ep r o c e s s i n g p a r a m e t e r so n l i n ed e t e c t i o na n dr e c o r d i n gb yc o n t r o la c t i o ne l e m e n ts u c ha s v a r i o u sa i r - o p e r a t e dv a l v e 、p r o c e s s i n gc a l v e 、p u m pa n ds oo n t h ec o n t r o ls y s t e mu s e sc o n f i g u r a t i o ns o t h v a r e ，r e a l i z i n gt h er e a l t i m e d a t e l o g g i n g ，s u p e r v i s i n ga n dc o n t r o l l i n g ，a sw e l l 弱v a r i o u sv i s u a lh m l w i t h w i n d o w sf e a t u r e ss u c ha sr e a l t i m ee x t r a c t i n g ，r e c o r dc h e c k i n g ，a l a r m i n g ， d y n a m i cs i m u l a t i o n ，a n dc o h e r e n td a t ab a s e p l ca n dt h ei p ca r el i n k e d t o g e t h e rv i ap r o f i b u st of o r mah y b r i di n d u s t r yc o n t r o ls y s t e m ，i no r d e rt o m a k e p r o f i to ft h eu n i q u em e r i t so f p l ca n di p c k e y w o r d s ：m u l t i f u n c t i o ne x t r a c t o r ；f i n i t ee l e m e n ta n s y s ；p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e rp l c ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ；h y b r i dc o n t r o ls y s t e m 心，妒 、酬 k 1 、| 一 ， q 凇 目录 目录 摘j 要1 a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 多功能提取罐控制系统的研究现状及研究意义1 1 1 1 多功能提取在中药生产中的重要作用l 1 1 2 多功能提取工艺现状及设备特点2 1 1 3 多功能提取罐的自动控制可行性分析4 1 1 4 多功能提取罐及其控制的研究现状6 1 1 5 多功能提取罐控制系统的研究意义。8 1 2 课题研究的目的和内容9 1 2 1 课题研究的目的。9 1 2 2 课题研究的主要内容9 第2 章多功能提取控制系统安全装置分析和罐体结构改造1l 2 1 下排渣门强度分析：i 1l 2 1 1 下排渣门的基本结构及其功能作用1 l 2 1 2 下排渣门强度分析12 2 2 下排渣门密封性能分析17 2 3 投料门和排渣门的工作状态监控设计。2 l 第3 章多功能提取控制系统的总体设计2 3 3 1 多功能提取生产工艺概述2 3 3 1 1 多功能提取系统的组成及工作原理2 3 3 1 2 多功能提取控制系统设计要求2 4 3 1 3 多功能提取控制系统的功能特点2 5 3 2 系统上位机硬件配置设计2 5 武汉工程大学硕十学位论文 3 3 下位机的选型及其模块配置2 6 3 3 1 可编程控制器p l c 的产生2 6 3 3 2 可编程控制器的特点2 7 3 3 3p l c 的应用领域及发展趋势2 7 3 3 4p l c 与其他顺序逻辑控制系统的比较2 8 3 3 5 本系统p l c 的选型及其功能模块设计3 0 3 3 6 传感器与执行机构3 3 3 4 混合控制系统与组态软件3 4 3 5 多功能提取控制系统软件开发3 5 3 6 控制系统的控制方式3 7 3 6 1 过程控制3 7 3 6 2 控制算法3 7 第4 章基于g xd e v e l o p e r7 的p l c 控制系统设计3 9 4 1p l c 模块概述与选配3 9 4 1 1f x 2 m 4 d 型p l c 模块3 9 4 1 2f x 2 n 4 a d 和f n - 4 a d p t 模拟量输入模块4 0 4 1 - 3 通信模块f x 4 8 5 p c i f 4 3 4 2g x d e v e l o p e r7 软件功能特点4 3 4 3 多功能提取系统的p l c 设计4 5 4 3 1 常压水提工艺过程分析4 6 4 3 2p l c 地址分配4 9 4 3 3p l c 的程序设计5 0 第5 章世纪星组态软件在系统中的应用5 9 5 1 世纪星组态软件简介5 9 5 1 1 世纪星的组成6 0 5 1 2 世纪星的基本功能6l 5 1 3 利用世纪星开发的基本步骤6 2 厂 - 、 y 一 气 q i 扣 ，扣 ， 目录 5 2 多功能提取实况模拟界面的设计6 4 5 3 变量记录查询界面及系统帮助界面的设计6 4 5 4 报警记录界面及历史曲线界面的设计6 5 5 5 网络组态界面的设计6 6 5 6 工程配方管理及组态报表的设计6 6 5 6 1 工程配方管理6 6 5 6 2 组态报表6 7 第6 章控制系统的通信实现。6 9 6 1 现场总线p r o f i b u s 概述6 9 6 1 1p r o f i b u s f m s 的协议结构7 0 6 1 2r s 4 8 5 传输71 6 1 3 总线存取协议71 6 2f x 2 n 系列p l c 与计算机通信方式7 2 6 3 世纪星组态软件通信实现方式7 5 6 3 1 世纪星支持的f x r s 4 8 5 协议概述7 5 6 3 2f x 2 n 与世纪星通信实现方式。7 5 6 4f x 2 np l c 与世纪星之间通信的实现步骤7 7 结语7 8 参考文献81 附录l 提取罐结构总图。8 6 附录2 控制系统的电气原理图8 7 附录3 系统运行参数变化反应图8 8 附录4 提取罐双罐模拟流程图8 9 致谢9 0 攻硕期间发表的文章情况9 1 、， 二、 ￥ 1 p ，。 、 1 i b q 加 ， 第1 章绪论 第1 章绪论 中药的提取是中药生产过程重要的单元操作，其工艺方法、工艺流 程的选择和设备配置都将直接关系到产品的质量、经济效益以及g m p 的 实施。因此，中药提取的相关理论和工艺实践已成为广大中药制药行业 技术人员极为关注的问题。研究中药提取的机理、优化提取工艺参数、 研究提取的新方法、新工艺，开发新型提取设备将是中药现代化生产与 研究的重点内容之一。 目前，国内中药企业有3 0 0 0 多家，8 0 使用提取罐生产，还有许多 对国外原料加工企业也主要使用提取设备，企业以1 - 6 吨为主要设备型 式。近1 0 年来，中成药销售额占我国药品总销售额的比例由1 3 7 增加 到2 5 ，全球天然药物的销售量以每年2 0 的速度增加，大部分的中药 原材料由我国提供2 m 1 。 提高多功能提取罐的技术水平对中药提取的生产是非常有意义的， 本文在其自动控制方面进行了一系列的探索。 1 1 多功能提取罐控制系统的研究现状及研究意义 1 1 1 多功能提取在中药生产中的重要作用 中药生产的一个关键过程是中药有效成分的提取，既要确保提取药物 成分的质量，又要提高提取过程的效率和经济性，针对不同的中药材，选 择和确保合适的提取工艺条件，严格和自动地按照正确的提取工艺程序 进行中药的提取，则是中药生产和工艺研究的一个至关重要的环节b 儿钔。 中药中间体生产过程见图1 1 所示。 中药典型生产工艺由以下几个单元操作组成：药材预处理- 有效成 武汉 ：程大学硕士学位论文 份萃取一浓缩一纯化分离一干燥一制剂。从图1 一l 可以看出，提取工艺在 i 中药提取物的制备过程中取到关键的作用，是大多数中药生产的起点。 对其设备选取及其工艺控制的要求直接影响到提取物的有效成分，对后 续工序的选取已有一定的指导作用畸m 1 。 图1 - 1 中药中间体生产工艺流程嘲 1 1 2 多功能提取工艺现状及设备特点 取 在实际生产中，应根据所用溶剂的性质、植物的有效成分性质、工 艺条件和生产规模等方面选取不同的提取方法，如在中药生产中，常用 的方法有煎煮法、浸渍法、渗漉法、回流法等，溶剂有水、乙醇溶液以 及其它的有机溶液，提取工艺过程有很大的不同。此外根据固体物料在 提取过程中的运动状态可分为静态提取和动态提取姗。 箩 ； p 、 q 、缸 | f 蠢 第1 章绪论 提取设备有多种形式，各种设备都有其适应的工艺条件、原料特性 和技术特点。根据提取生产的具体要求合理选用提取设备是提高提取生 产效率、保证产品质量的重要前提。在提取生产过程中，各种提取条件， 如温度、提取时间、操作压力、提取液的流速、浸出方法等，每种操作、 参数都要在最好的或较好的条件下进行提取生产，才能确保使生产能得 到高收率和高质量的产品口埘阳1 。提取设备可分为间歇式提取设备和连续 式提取设备，此外根据物料在提取器中的运动状态还可分为静态提取设 备和动态提取设备。常用的间歇式提取设备有多能提取罐、动态提取罐、 翻斗提取罐等；连续提取设备有u 行螺旋式提取器、螺旋推进式提取器 危扛 i o 】 1 r 0 多功能提取罐属夹套式加热的压力容器，其结构按设备外形分有正 锥形、斜锥形、直筒形三种形式。按提取方法分动态提取和静态提取二 种。按中草药提取时罐内的承压情况大致可分为真空提取、常压提取和 加压提取n l 】【l 铂。 多功能提取罐主要由罐体、出渣门、提升气缸、加料口、夹层、出 渣门、气缸等组成。多功能提取罐可用于中药材水提取、醇提取、提取 挥发油、回收药渣中的溶剂等，适用于煎煮、渗漉、回流、循环浸渍、 加压或减压浸出等提取工艺，可常温常压提取，也可高温高压或减压低 温提取n 3 儿3 ，其结构总图参见附录图i 。 设备特点：设备均为不锈钢制成，耐腐蚀，能保证药品质量；提取 时间短，生产效率高，对于煎煮只需3 0 , - 0 4 0 m i n ；消耗热量少，节约能源； 采用气压自动排渣，故排渣快，操作方便、安全、劳动强度小；既可以 单独使用，也可以串连成罐组逆流提取；有可进行自动化操作的条件n 钔。 随着现代化进程的不断深入，现有的提取的工艺方法和设备已不能 完全适应发展的需要，开发新的方法和设备成为了现代化的重要环节， 针对现有提取工艺中相对能耗大、有效成分损耗大、杂质多、效率低等 武汉工程大学硕士学位论文 问题，需要开发新方法、新工艺和新设备。 1 1 3 多功能提取罐的自动控制可行性分析 由于中药生产的特殊性和复杂性，使得多功能提取罐的自动控制涉 及较复杂的生产工艺和生产要求。中药生产中由于单方、复方的不同要 求，药材中各种有效成分的物理性质和化学性质的差异，导致生产过程 对温度、压力、浓度、流动状态等参数的变化比较敏感，设备要满足多 品种的药材，并能选择不同的流程工艺。同时生产过程要求防火、防爆、 灭菌等，因而控制系统执行元件较多，并要进行电气转换。因此增大了 控制设计的难度n 5 儿1 6 儿 1 。 随着工业技术的发展，适合中药生产过程特点的执行器和传感器已 经在其他领域得到广泛应用，如工业控制机，检测温度、压力、流量等 的各类传感器，适应生产过程防火、防爆、灭菌的工艺阀等，说明了目 前我国已具备了中药生产过程自动化的相关技术条件，但对于中药生产 过程中对提取有效成份浓度的在线检测的条件还不具备。总体来说，进 行中药提取自动控制的硬件条件已基本具备，并逐步走向完善n 阳n 引。同 时，越来越多的制药企业已意识到提取过程自动化对中药生产的重要性， 并考虑采用提取单元控制系统。 我们知道仅具备硬件条件并不能实现完美的过程控制，还必须了解 被控对象的特性，根据被控对象在生产过程中的状态( 例如压力、温度等) 决定硬件如何动作，使其按生产工艺要求的状态运行啪1 。 多功能提取罐生产的主要过程是进料、提取、出料三个过程，其中 进料、出料过程操作较简单，在多数制药厂都是用手工操作进行，如改 用自动控制，从现阶段经济性和操作上看还没有必要，而且难以实现。 因此，控制设计的重点是实现提取生产工艺的过程控制。下面以常压水 4 弋 0 0 t p 、 u j 知 q 第l 章绪论 提为例，讨论提取罐参数的可控可观性。 要求控制加热夹套内蒸汽压力p 、罐内药液温度t 、保持罐内压力p l 为常压，并管理药液循环通道内阀门开关及药液循环泵的启动和停止。 这里主要讨论p 、p l 和t 的控制问题，提取罐的控制结构图如图1 2 所示。 图中，提取罐为被控对象，它的特征不同，其控制策略亦不同。一般提 取溶剂不同，对控制需求也不一样。 图1 - 2 提取罐控制结构图 一 溶剂为水时，控制对象的状态参数主要是夹套蒸汽压力p 和罐内温 度t ，对于罐内压力，在常压时只需要控制放空阀的开启就可以达到，此 时对提取罐的特征可用下列方程组描述( 不考虑滞后影响) ： 夹套内压力方程：尸+ 妒+ a r t = b 材u( 卜1 ) 罐温方程：t + 唧t = a pp ( 卜2 ) 式中：户、于为压力p 及温度t 的变化率；u 为蒸 汽调节阀的控制作用，被控 对象的模拟框图可表示为 图1 3 。设p = x l ，t = x 2 ，系 统标准状态方程形式见公 式1 3 所示。 户 图1 3 被控对象的模拟框图 武汉，l ：程大学硕士学位论文 囊 = 乏乏 羔 + 瞄 ”= 彳 羔 + 砌 其中：彳= ：乏 ，曰= r l 2 u j l ，c = - l ! u 1l 口2 l 口2 2 j 由能控判据： b i 彳b = 瞄鞠0 ( 口2 1 6 o 棚5 么秩为2 0 ( 1 - 3 ) 由能观判据： c l a r c = 口：乏j 叭。口l - + 口2 ，口2 + ) ，秩亦为2 。 可见夹套蒸汽压力p 和罐温t 是可控可观的，铂i 、b 取决于罐的结构，它 的数值可用热力学方法计算，一般用试验方法获得。 当以醇类溶剂作溶剂时，工艺要求放空阀始终为关闭，同时由于醇 类溶剂达到沸点后势必产生蒸汽而使罐压升高，因此此时控制对象的状 态参量为夹套压力p 、罐温t 和罐压p l ，同样用上述分析方法分析，其 被控对象同样是可控可观的n 朝。 1 1 4 多功能提取罐及其控制的研究现状 国外对于植物提取物的提取的研究在近些年来主要体现在对提取工 艺的改进上，如超临界流体萃取、超声波提取、微波提取、吸附分离等， 目前在国内也逐步兴起胁凇凇1 。 由于中药的特殊性和复杂性，我国中药研发和产业化过程中还存在 诸如中药药性物质基础、药理作用等基础研究和开发薄弱，生产工艺技 术落后，工程化水平低，过程装备现代化程度低，中药企业存在一小( 规 模) 、二多( 企业数量、产品重复) 、三低( 科技含量、管理水平、自动 化生产水平) ，缺乏国际认可的标准规范控制，产品质量稳定性较差等问 题。这些问题的存在，难以使我国的中药产业实现“大品种 ，“大企业 ， 6 y r ， t p 。7 q 曩 扣 q 第1 章绪论 “大市场 ，也无法形成也“现代化”和“高技术”为特征的具有国际竞 争力的中药产品2 4 1 2 5 3 2 6 1 2 。 针对现在提取工艺中能耗大、有效成分损耗较大、杂质多、效率低 等问题，国内一些厂家开始对多功能提取系统装置作自动化改进并开始 研制提取单元自动控制系统，比较典型的是文献 4 】中提出的中药提取过 程计算机控制系统、以及一些制药机械厂开发的“智能提取罐”等。 文献【4 】中上海医药设计院与中科院成都地奥制药集团公司合作，在“国 家天然药物工程技术研究中心中试基地”，完成了天然药物中试生产过程 各单元的计算机控制系统的设计与开发，成功地实现了天然药物中试生 产过程各重要工艺参数的计算机自动检测和控制，其中提取单元实现了 多种提取方式的全过程计算机控制，提取部分的自控设计要求是在有限 和固定的设备、管线的条件下，方便而灵活地实现不同提取模式的全过 程自动控制，也即要求既可以“水提 ，也可以“醇提；既可以“单罐提 取 ，也可以“双罐提取 ；既可以“双罐并联提取 ，也可以“双罐串联 提取，既可以是“循环提取 ，也可以不是“循环提取 。提取过程的有 关参数( 如：计量罐温度、提取罐温度、计量罐加液量、提取罐加液量、 提取罐加液次数、每提取一次的时间、提取次数、循环开或停、时间和 循环次数等) 也要求是可以任意设定的。 中国科技信息：中药智能连续逆流提取设备2 0 0 4 年在哈尔滨一 次试车成功，有关专家评价，这是传统中药生产领域的重大技术突破， 是中药提取装备上一次革命性进步。据项目负责人赵传玉介绍，该设备 主要采用了高效的连续逆流浸出原理以及计算机等现代技术，具有提取 效率高、有效成分提取率高、出液系数小、提取速度快、大幅度节能等 优点，可以稳定地实现连续逆流提取工艺和生产过程在线分析与优化控 制，大幅度提升中药生产现代化水平，有效提高产品质量和工艺水平。 投入使用后的数据表明，该设备与国内中药生产企业普遍使用的多功能 武汉工程大学硕士学位论文 提取罐相比，有效成分提取率提高了1 0 - - 3 0 ，提取时间节约了3 0 ， 节约能耗5 0 以上，设备投资可节约2 0 ，更重要的是，消除了人工操 作的不稳定性，有效保证了药品质量。 武汉制药机械厂是国家2 0 世纪7 0 年代定点生产中药装备的专业厂 家，为医药、化工、食品、轻工等行业服务已有3 0 多年历史，主要生产 提取罐、贮槽、干燥器、反应器等设备。2 0 0 4 年与我校联合开发武汉市 科技局中小企业创新基金项目“智能提取罐研制 ，实现了提取单元控制 系统，主要采用研华p c l 8 1 8 l 板卡结合工业计算机( i p c ) 实现口上位 机选用世纪星组态软件进行实时监控，对于模拟量及开关量的控制采用 研华p c l 818 l 板卡进行数据采集及控制。控制系统建成后，经过反复测 试和比较，系统达到设计要求，完成智能提取罐常用中药提取工艺运行 的自动控制和生产数据的记录，并能根据用户需要进行其它工艺运行的 控制开发2 8 3 驯3 们。 1 1 5 多功能提取罐控制系统的研究意义 为了适应中药现代化的要求，对多功能提取罐的关键生产工艺实现 生产自动控制和计算机监控可以从根本上改变过去的经验控制方法，系 统设计中对节能、提高产品质量、提高设备提取效率以及设备的安全运 行等方面的实现，将促进提取设备的现代化发展。随着中药现代化的发 展，对多功能提取系统的研究将具有长远的现实意义啪，。 多功能提取罐控制系统在设计过程中综合考虑了各方面的影响因 素，严格按工艺生产要求进行，在确保产品质量和安全生产的基础上， 提高了生产效率和管理水平。相对人工操作而言，提高了提取效率，降 低了生产能耗、物耗及劳动强度，如在循环水的使用上，人工操作般 管理比较粗放，因此造成了浪费，自动操作过程中通过检测温度来调节 3 i 、i 一 ， i 一 v 嘎 第l 章绪论 流量，达到节约循环水的目的。引入在工业上广泛使用的可编程控制器 p l c ，在保证可靠性的基础了实现多条生产线的过程控制，降低了一次性 的成本投入。 1 2 课题研究的目的和内容 1 2 1 课题研究的目的 在参与智能提取罐的开发过程中，使用研华p c l 8 1 8 l 板卡及相关模 拟量模块实现提取罐的在线检测及自动控制，但由于板卡是安装在工控 机内部，控制点数受到限制，通常一台计算机只能用来处理一台提取罐， 每次只能运行一种生产工艺，而不能实现对多台提取罐的控制和多种工 艺同时进行，在一定程度上浪费了计算机的处理能力。 生产规模的扩大要求能进行对多台提取罐的自动控制，如继续采用 板卡，则需增加工控机台数，不太符合实际需要，经济上也不合理。因 此在本文中采用在工业上应用广泛的可编程控制器p l c 和工控机构成监 控系统，对所采用的f x 2 n 型p l c 而言，一台计算机最多可与1 6 台p l c 进行通信，在保证可靠性、经济基础上基本上能满足企业提取生产线的 工艺要求。 1 2 2 课题研究的主要内容 中药提取过程的自动控制系统包括硬件和软件两大部分。硬件包括 控制计算机、各种自动阀门和切换器、自动传感装置、自动检测装置等。 软件则包括计算机信息集成软件平台、集散控制系统( d c s ) 及可编程控 制( p l c ) 等。自动控制系统对提取过程的温度、流量、压力等工艺参数， 进行数据采集、分析、显示、报警和控制等，以实现各工艺操作的自动 监控2 引。 武汉_ t 程大学硕士学位论文 本文就多功能提取罐在使用中出现的问题以及提取生产过程控制的 特点，结合武汉制药机械厂的智能提取罐，结构上运用有限元a n s y s 软 件分析相关功能构件的强度和安全问题，在智能提取罐的基础上提出运 用p l c 结合工控机( i p c ) 的控制方案。设计目标如下： 一、运用有限元( a n s y s 软件) 分析方法对下排渣门的支撑梁进行 分析设计，以及投料门和排渣门工作状态的监控设计，更好地解决提取 罐密封和安全操作问题； 二、通过对上、下位机硬件配置的选型，以使控制系统设计的可靠 性和性价比都得到提高； 三、上位机采用世纪星工控组态软件，设计一组动、静态界面。完 成人机操作、现场设备的工作模拟显示、报警，以及数据保存、查询打 印等。通过对系统整个工艺流程及控制要求的分析，采用g xd e v e l o p e r7 软件，编制该系统的下位机p l c 控制程序。并实现上、下位机的实时通 信。 1 0 0 吣，- q 、一 嘎 、扣 白 第2 章多功能提取控制系统安全装置分析和罐体结构改造 第2 章多功能提取控制系统安全装置分析和罐体结构改造 多功能提取罐的下排渣门与罐体的安全密封性能是关系到提取罐能 否安全生产的关键因素，工业应用中，提取罐下排渣门主要的问题是出 现泄漏和横梁脱钩现象。调查表明，部分设备生产厂家没有较好地解决 好下排渣门的密封问题而导致生产过程中发生泄漏，部分使用厂家因操 作不当导致出现横梁脱钩现象。为了适应自动化控制及生产安全需要， 要在设备上进行改进，一方面要解决好横梁的设计保证强度和刚度，一 方面要解决门在工作状态中监控的问题。 本文运用有限元a n s y s 软件分别对下排渣门两种不同形式的横梁 进行分析设计，并且设计了两个接近开关对投料门和排渣门的工作状态 进行监控二 2 1 下排渣门强度分析 2 1 1 下排渣门的基本结构及其功能作用 目前，在武汉制药机械厂生产的多功能提取罐的排渣门的横梁主要 有以下两种结构形式，分别见图2 - 1 和图2 - 2 所示，其组装图见图2 3 所示。 设备下出料门的横梁是一不规则的组合梁，横梁结构具有如下特点： 有一个对称面；板结构；约束条件为简支梁；工作时，梁中点最大竖直 位移及强度是下出料门设计计算的主要内容，其变形和强度影响设备的 安全及出料门的性能。以3 吨提取罐为例，横梁在工作时，在受力面上 承受3 吨物料和罐内所加压力产生的载荷。 武汉l ：程大学硕七学位论文 羹秉簟糟置1 巳寸_ 图2 1 横梁结构一 1 髓 2 1 肇 ，耳l 4 萱i j 主l t t | l i 7 1 钉 i - 董 支l 秉 图2 2 横梁结构二 曩取簟支霉秉装配示意圈 l 一横莱；2 - - 开董汽缸；3 - - 簟体 4 - - 奠譬 缸；5 - - i 封一 图2 - 3 下排渣门与支撑梁组装图 2 1 2 下排渣门强度分析 工程设计中通常用材料力学方法进行计算，其结果较为保守，也欠 精确，甚至影响下出料门的性能、给设备带来安全隐患。在此我们在武 汉制药机械厂通常采用的材料力学计算的基础上，对下出料门的支撑梁 用有限元方法a n s y s 软件及工程力学的方法分别进行计算、分析、比较。 在提取罐工作状态下，图2 3 中的两个汽缸的活塞杆是不受力的， 它们只在排渣的时候起到开、关门和锁紧的作用，因此在工作状态下可 不考虑活塞杆的受力，横梁可以简化为简支梁，梁上载荷= 罐内液体重 0 0 ， k 。譬， ，、 b q o 噍 第2 章多功能提取控制系统安全装置分析和罐体结构改造 量( 3 吨) + 罐内压力( o 一2k g f c m 2 ) 。 材料力学和有限元a n s y s 软件进行分析计算时的基本条件：以图2 1 结构为例： 材料：o c r l 3 ，e = 1 9 5 g p a ，u = o 2 8 ，常温下许用应力 o = 1 3 7 m p a ， o 。= 3 5 0 m p a ，受力面在图2 - 1 所示的连接板上，要求计算梁所受的最大 载荷即罐内压力。 一、材料力学理论分析计算过程( 参照武汉制药机械厂计算过程) 船妇 对梁的简化见图2 - 4 中的( a ) 图所示，对其进行受力分析，其 所受的剪力和弯矩分别见图( 3 ) 中的( b ) 和( c ) 所示： 梁为单向应力状态，用弯曲应力 公式计算梁在x 向上的应力： r i1 i l i 靠 一 一 “l ，n 1俐办 nb 2 l ， 1 1 1 。彳矾廊 t 图2 4 梁的简化及受力图 叽一= 万m ( 2 1 ) ，如图2 - 4 ( c ) 所示：梁所受的最大弯矩在梁 的中心处m - 。= 2 8 5 7 5 p 。 运用公式( 2 - 1 ) 及o o = 1 3 7 m p a ，可以算出在梁所受的应力 达到许用应力时所受的最大的载荷： p - - = 揣- 2 8 7 6 6 4 ( n ) ( l = 抄b = 1 6 m m ，h = 1 5 0 m m , y = 7 5 姗) 相当 于罐内施加了约0 4 k g f c m 2 的压力，运用能量法中的图乘法可算出此时 梁中心处的最大变形量为y 嘲= 1 3 3 4 ( 姗) ，当梁所受的应力达到材料屈 服极限仃柚眦= o , = 3 5 0 m p a 时，梁受的载荷p 嘲= 7 3 4 9 0 8 ( n ) ，相当于罐内施 武汉t 程人学硕士学位论文 加了约0 9 4 k g f c m 2 的压力，此时梁中心点位移y 。= 3 4 1 ( r a