抗生素發(fā)酵生產(chǎn)自動(dòng)化可行性方案研究報(bào)告

抗生素發(fā)酵生產(chǎn)自動(dòng)化控制（DCS）工程抗生素發(fā)酵生產(chǎn)自動(dòng)化控制(DCS)工程可行性研究報(bào)告1．6項(xiàng)目簡(jiǎn)要容及實(shí)施目標(biāo)：利用計(jì)算機(jī)集散控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)公司主藥的大型醫(yī)藥企業(yè)，現(xiàn)有六條抗生素原料生產(chǎn)線(xiàn)（其發(fā)酵規(guī)模名列全國(guó)銷(xiāo)全國(guó)各地，遠(yuǎn)銷(xiāo)東南亞、意大利、西班牙、東歐等國(guó)家，國(guó)家級(jí)新藥備水平較低、營(yíng)銷(xiāo)網(wǎng)絡(luò)不夠健全、信息收集手段落后等多方面因素的影齊頭并進(jìn)的發(fā)展思路，并通過(guò)實(shí)施兼并重組、技術(shù)創(chuàng)新、設(shè)備改造、健全營(yíng)銷(xiāo)網(wǎng)絡(luò)等諸多強(qiáng)有力措施，一舉扭轉(zhuǎn)了生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的被動(dòng)局面，當(dāng)年冷靜地面對(duì)現(xiàn)實(shí)，中國(guó)加入世界貿(mào)易組織既給我們帶來(lái)了發(fā)展的機(jī)遇，的不斷開(kāi)發(fā)問(wèn)世，紅霉素原料藥的市場(chǎng)需求量相應(yīng)地得到了增長(zhǎng)，但紅大于求，一場(chǎng)沒(méi)有硝煙的價(jià)格大戰(zhàn)已經(jīng)打響；國(guó)際市場(chǎng)方面則表現(xiàn)為歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家有大量進(jìn)口中國(guó)紅霉素原料藥的跡象，但進(jìn)口的門(mén)檻較高，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求。作為紅霉素老牌生產(chǎn)廠家，我們惟有進(jìn)一步加快技術(shù)創(chuàng)新的步伐，努力降低產(chǎn)品制造成本，全面增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力，才能在如此激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下站穩(wěn)腳跟，并據(jù)此獲得出學(xué)實(shí)踐，自動(dòng)化控制技術(shù)在醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域的成功的例。雖然紅霉素具有生產(chǎn)周期長(zhǎng)、生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜、控制難度大等心。在反復(fù)考察論證的基礎(chǔ)上，我們提出了“應(yīng)用計(jì)算機(jī)自動(dòng)化技術(shù)控制發(fā)酵生產(chǎn)，改造傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝過(guò)程，提高紅霉素發(fā)酵生產(chǎn)水平”的技2000年，省電子信息系統(tǒng)推廣應(yīng)用工作小組辦公室下達(dá)了《關(guān)于申的綜合利用，其機(jī)理十分復(fù)雜，控制過(guò)程非常困難?？股匕l(fā)酵計(jì)算機(jī)控制就是通過(guò)對(duì)菌種的環(huán)境條件要求和代謝變化規(guī)律各參數(shù)的變化進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合代謝調(diào)控的基礎(chǔ)理論來(lái)有效地控制發(fā)酵，使菌種的代謝變化沿著最佳的方向進(jìn)行，以較低的能量和物料消耗生產(chǎn)更多的發(fā)酵產(chǎn)義國(guó)家，在醫(yī)藥生產(chǎn)領(lǐng)域有著很高的計(jì)算機(jī)控制水平，但為了追求巨額利潤(rùn)，發(fā)達(dá)國(guó)家一般將主要精力放在成品藥的制作、研究和控制上。我國(guó)是抗生素原料藥的生產(chǎn)大國(guó)，但生產(chǎn)技術(shù)水平落后，以手工操作方式為主，生產(chǎn)效益低。直到八十年代中期，原國(guó)家醫(yī)藥局和國(guó)務(wù)院電振辦才把用先進(jìn)的電子信息技術(shù)、控制技術(shù)改造傳統(tǒng)醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)列為“八五”、“九五”期間的工作重點(diǎn)。目前，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)在青霉素、土霉素、金霉素等產(chǎn)品的發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程中取得了較大的突破，技術(shù)水平已接近國(guó)外先進(jìn)水平。但紅霉素發(fā)酵具有周期長(zhǎng)、中間補(bǔ)料多、控制復(fù)雜3．該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)前與投入使用后，企業(yè)在生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、質(zhì)量、技術(shù)巨大沖擊，影響發(fā)酵水平；自控補(bǔ)料則是根據(jù)設(shè)定好的補(bǔ)料速度，連續(xù)均勻少量地補(bǔ)加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，由于連續(xù)補(bǔ)料對(duì)微生物生產(chǎn)環(huán)境沖擊減少，◆消沫自控：在發(fā)酵期間，有時(shí)微生物生長(zhǎng)旺盛，抬高了發(fā)酵液液位，可能會(huì)出現(xiàn)逃液現(xiàn)象。傳統(tǒng)手工控制時(shí)，常常不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)泡沫的產(chǎn)生，即便發(fā)現(xiàn)泡沫也難以加入適量的消沫劑控制逃確的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，這為優(yōu)化生產(chǎn)工藝的研究和工藝改變提供了極大的幫助。發(fā)酵過(guò)程中以往傳統(tǒng)的控制方法，均是以動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，采用最佳過(guò)程。自動(dòng)化控制技術(shù)和發(fā)酵分析計(jì)算機(jī)軟件的引入，使得研究細(xì)胞與工程水平問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)過(guò)程數(shù)據(jù)優(yōu)化成為現(xiàn)實(shí)，通過(guò)不斷的工藝優(yōu)化，可境，有利于營(yíng)銷(xiāo)戰(zhàn)線(xiàn)掌握市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)工作的主動(dòng)，我們可通過(guò)優(yōu)異的產(chǎn)品中心）成立于1993年7月，隸屬?lài)?guó)家醫(yī)藥管理局，是一家依托航天工業(yè)厚的技術(shù)力量和靈活的市場(chǎng)機(jī)制，建立了一支人員素質(zhì)高、新技術(shù)開(kāi)發(fā)18人，其余均為從事自控或相關(guān)專(zhuān)業(yè)的科技骨干。幾年來(lái)，康拓公司的◆工控產(chǎn)品質(zhì)量過(guò)硬，康拓先后研制開(kāi)發(fā)成功KT器、系列防污染控制裝置、生產(chǎn)過(guò)程控制系統(tǒng)及抗腐蝕、耐高溫控制閥2．與國(guó)外同類(lèi)系統(tǒng)或產(chǎn)品在性能、價(jià)格、服務(wù)等方面的比較可用率達(dá)到99.99%，與國(guó)外其他系統(tǒng)（如橫河X(jué)L控制系統(tǒng)，歐陸控制系統(tǒng)）相比具有很高的性能價(jià)格比，成熟性和可靠性都能夠得到保證且技術(shù)水平位居世界領(lǐng)先行列。此外，在系統(tǒng)維護(hù)方本項(xiàng)目將對(duì)我公司抗生素發(fā)酵規(guī)模較大的三個(gè)紅霉素車(chē)間實(shí)現(xiàn)計(jì)共計(jì)1495T發(fā)酵體積實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化控制及與之配套的發(fā)酵工藝氣流量、發(fā)酵液體積、尾氣中的二氧化碳和二氧化2．1．1對(duì)抗生素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)不間斷連續(xù)監(jiān)控，保證車(chē)間生2．2．2系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性：對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控信息實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)采集信號(hào)時(shí)間必須滿(mǎn)足發(fā)酵生產(chǎn)工藝要求，既采集2．2．3系統(tǒng)的安全性：系統(tǒng)必須對(duì)系統(tǒng)管理員、工程師和操作員80年代初期，控制系統(tǒng)多使用以單板機(jī)組成的微機(jī)控制裝置，與上柜中。由這些裝置構(gòu)成的系統(tǒng)多為集中式控制系統(tǒng)或分層控制系統(tǒng)。這控制系統(tǒng)豐富多彩的基礎(chǔ)。但是，這類(lèi)系統(tǒng)技術(shù)上已經(jīng)落后，不符合控DCS在我國(guó)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的DCS主要有4層結(jié)構(gòu)：第1層是I/O層；第2層是控制器層；第3層是人機(jī)接口層；第4層是都是專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，控制設(shè)備及軟件也是專(zhuān)用的，開(kāi)放程度不夠，給系統(tǒng)維DCS在設(shè)備配置上還要求網(wǎng)絡(luò)、控制器、電源甚至模件等都為冗余結(jié)構(gòu)，支持無(wú)擾切換和帶電插拔，由于設(shè)計(jì)上的高要求，導(dǎo)致DCS成本嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，單獨(dú)的PLC因缺少人機(jī)接口及信息系統(tǒng)等部分，不是一個(gè)控制系統(tǒng)。PLC由于其高可靠性及使用的方便性，占領(lǐng)著很大的市場(chǎng)由電源模件、CPU模件、I/O模件、槽在以下幾方面得到了發(fā)展：①分布式I/O連接能力PLC支持遠(yuǎn)程I/O及現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（如DeviceNet，Profibus等使PLC許多PLC支持OPC標(biāo)準(zhǔn)（objectlinkingandembeddingforprocesscontrol使軟、硬件平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信找到了一個(gè)實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。這系統(tǒng)的數(shù)字式雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)。以下技術(shù)特點(diǎn)：①系統(tǒng)的開(kāi)放性；②互可操作性與可用性；③現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性；④系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性；⑤對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適力量。由于受集團(tuán)利益的限制，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)本身目前還未形成一個(gè)單擬混合技術(shù)，成為全數(shù)字式系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)才會(huì)比DCS有很大的技術(shù)針對(duì)上述所作比較，結(jié)合公司DCS第一期工程的經(jīng)驗(yàn)得失，我們決本工程將對(duì)我公司抗生素發(fā)酵規(guī)模較大的三個(gè)車(chē)間實(shí)現(xiàn)發(fā)酵計(jì)算包括六車(chē)間14個(gè)大罐780T發(fā)酵體積、二車(chē)間14個(gè)大罐385T發(fā)酵體積和九車(chē)間10個(gè)大罐330T發(fā)酵體積共計(jì)1495T發(fā)酵體積實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)要求以系統(tǒng)的先進(jìn)性、成熟性、可適性、安全性、可靠性、2.1.1.1對(duì)抗生素發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)不間斷連續(xù)監(jiān)控，保證車(chē)間生實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)顯示、生成報(bào)表（日?qǐng)?bào)表、批報(bào)表等）及打印輸出等功系統(tǒng)選用美國(guó)HONEYWELL公司生產(chǎn)的PLANTSCAPE集散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可靠性、安全性，同時(shí)還具有易擴(kuò)展等特點(diǎn)，在發(fā)酵控參數(shù)時(shí)間從0.1秒～60秒不等，根據(jù)發(fā)酵生產(chǎn)工藝要求，采集參數(shù)時(shí)間DCS系統(tǒng)對(duì)發(fā)酵過(guò)程控制進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、按生產(chǎn)工藝要求控制參數(shù)、生成歷史曲線(xiàn)、生成日?qǐng)?bào)表或批報(bào)表及向主干網(wǎng)傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和上位機(jī)由一臺(tái)服務(wù)器（兼做操作站）和一個(gè)工作站（管理員和工程在工程師站完成。操作員站和工程師站各配置一臺(tái)打印機(jī)，可進(jìn)行報(bào)表連接數(shù)個(gè)擴(kuò)展機(jī)箱。控制器和服務(wù)器及工作站之間、控制器和控制器之接口儀表如SFP-X多功能配電器有效地將供電、信號(hào)輸入、信號(hào)輸間有害地電耦合，將干擾抑制到最小程度，將各通道之間的干器、DO傳感器、尾氣CO2傳感器、流量傳感器和稱(chēng)重傳感器等。傳感器Pt1000-150/200℃4-20mA0-0.25/0.7Mpa4-20mA2400儀表0-14PHMpa4-20mA4500儀表0-100%4-20mA4500儀表0-100%4-20mA4-20mA9m毛細(xì)4-20mA執(zhí)行機(jī)構(gòu)是DCS系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施控制的執(zhí)行器。執(zhí)行器應(yīng)滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程中的各種環(huán)境要求，耐高溫、耐腐蝕、動(dòng)作靈敏、不染菌等。采用北京康拓公司自行研制的不銹鋼波紋管隔膜汽動(dòng)閥系列產(chǎn)軟件。PLANTSCAPE服務(wù)器維護(hù)著系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，生成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，非常方便地通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)監(jiān)視、控制當(dāng)前生產(chǎn)過(guò)程AR—報(bào)警圍在發(fā)酵過(guò)程中，微生物生長(zhǎng)代謝大部分是產(chǎn)熱過(guò)程，溫度控制就是要將菌種生長(zhǎng)過(guò)程控制在一定溫度圍。通常情況下，發(fā)酵罐的產(chǎn)熱量大于散熱量，因此我們實(shí)施的控制實(shí)際上是一個(gè)降溫過(guò)程。發(fā)酵罐的體積較大，且隨著發(fā)酵過(guò)程的進(jìn)行，發(fā)酵液體積也不斷增大，因此系統(tǒng)的慣（1）式中，e(t)：控制的輸入信號(hào)，一般是指輸入信號(hào)和反饋信U(t)：控制的輸出信號(hào)，一般為受控對(duì)象的控制信號(hào)，這里指調(diào)節(jié)△u(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)HoneywellConfigration組態(tài)軟件將PID運(yùn)算“模塊”化處理，在加連鎖控制等方式?！澳K”AO是“模塊”P(pán)ID1運(yùn)算結(jié)果的賦值(△水流量等參數(shù)的控制與大罐的溫度控制過(guò)程一致，且執(zhí)行器均為調(diào)節(jié)HoneywellConfigration組態(tài)軟件連續(xù)控制圖（CCC）還實(shí)現(xiàn)了其他運(yùn)算“模塊”化，如梯形邏輯運(yùn)算、布爾運(yùn)算、算術(shù)運(yùn)算、常用函數(shù)一般說(shuō)來(lái)，抗生素發(fā)酵是一個(gè)產(chǎn)酸過(guò)程，在生產(chǎn)過(guò)程中往往采用加堿水發(fā)酵液PH值變化原因很多，主要原因是菌種2，100%e(k)>0.1PH4，0關(guān)斷備用閥e(k)<0且e(k)-e(補(bǔ)堿開(kāi)車(chē)操作入口NN采PH值，計(jì)算e(k)Ye(k)<0且e(k)-e(k-1)<0.1PH報(bào)警，關(guān)閉Ye(k)>0.1PH△u(k)=100%？按公式計(jì)算△u(k)開(kāi)閥，加堿境破壞，終止代謝，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。補(bǔ)料計(jì)量是采用等時(shí)間間隔一罐一罐地向發(fā)酵罐注入料液，而且每罐料液放料過(guò)程可以采用“脈沖流4L或2L計(jì)量罐鏡電極時(shí)，料液注滿(mǎn)計(jì)量罐4L或2L計(jì)算機(jī)給出指令，V1閥閉，V2閥開(kāi)。為保證料液勻速注入發(fā)酵罐，放料過(guò)程采用“脈沖流加”方式，分?jǐn)?shù)次開(kāi)V2，直至料液放完為止，進(jìn)入下一個(gè)補(bǔ)料周期，以次類(lèi)推。計(jì)算確定這幾個(gè)參數(shù)，與補(bǔ)料過(guò)程出現(xiàn)意外有關(guān)，計(jì)算機(jī)根據(jù)此參數(shù)進(jìn)檢測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)確定以后，進(jìn)行下位機(jī)組態(tài)，過(guò)程點(diǎn)數(shù)據(jù)留存在PLANTSCAPE數(shù)據(jù)庫(kù)中。PLANTSCAPE服務(wù)器運(yùn)行在WindowsNt網(wǎng)絡(luò)操統(tǒng)環(huán)境下，采用以太網(wǎng)（ethernet）結(jié)構(gòu)、SQL數(shù)據(jù)庫(kù)、TCP/IP協(xié)議，率、尾氣氧和尾氣二氧化碳等）畫(huà)出歷史曲線(xiàn)，根據(jù)曲線(xiàn)圖觀察各參數(shù)對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響以及多種參數(shù)的綜合作用所出現(xiàn)的現(xiàn)象從而對(duì)發(fā)酵HoneyWellMETTLERMETTLER222222套套套套套套完成二車(chē)間14個(gè)大罐和九車(chē)間10個(gè)大識(shí)工月成立項(xiàng)目實(shí)施工作小組，由公司副總經(jīng)理生武同志擔(dān)任組長(zhǎng)，生產(chǎn)總監(jiān)水龍同志為副組長(zhǎng)，小組成員由計(jì)算機(jī)中心、機(jī)動(dòng)部、供應(yīng)部和各車(chē)間相關(guān)人員組成。計(jì)算機(jī)中心主要負(fù)責(zé)方案設(shè)計(jì)、合同簽訂、計(jì)算機(jī)組態(tài)技術(shù)和控制技術(shù)的應(yīng)用、系統(tǒng)調(diào)試等工作，機(jī)動(dòng)部和車(chē)間負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)2．2．2人力保證：加強(qiáng)學(xué)習(xí)與培訓(xùn)，提高項(xiàng)目實(shí)施人員的技能水2．2．4其他條件：宣傳發(fā)動(dòng)，群策群力，改變系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境，竭要成功應(yīng)用發(fā)酵自動(dòng)化控制系統(tǒng)，就必須有一只經(jīng)驗(yàn)豐富、力雄厚的開(kāi)發(fā)和實(shí)施隊(duì)伍。為此，我們?cè)诔浞挚疾旌驼撟C的基礎(chǔ)上，擬本項(xiàng)目利用中湘XX現(xiàn)有設(shè)備和水、電、汽、氣等配套單位：萬(wàn)元項(xiàng)目名稱(chēng)項(xiàng)目名稱(chēng)計(jì)算機(jī)及控制設(shè)備儀器儀表執(zhí)行機(jī)構(gòu)分析儀器及軟件設(shè)計(jì)調(diào)試集成等輔材及配套改造等300.0062.00123456789DCSDCS實(shí)施后（6000+12000+5000）×1.08×12=298080十億35150000.0046199640.004901760.0010392000.0096643400.00324.22從上表中看，本項(xiàng)目實(shí)施后，由于紅霉素發(fā)酵技術(shù)水平的提高，使DCS實(shí)施前（6000+12000+5000）37000000.0046199640.004901760.009600000.0097701400.00353.99原材料成本動(dòng)力成本人工成本制造費(fèi)用產(chǎn)品總成本產(chǎn)品單位成本-1850000.00792000.00-1058000.00-29.7722080十億產(chǎn)品產(chǎn)量萬(wàn)元/年，新增設(shè)備所增加的折舊費(fèi)用為79.20萬(wàn)元/年，年節(jié)約成本總DCS實(shí)施前DCS實(shí)施后產(chǎn)品銷(xiāo)售量276000.00298080.0022080.00銷(xiāo)售單價(jià)427.35427.350銷(xiāo)售收入117948717.95127384615.38943589