冷凍干燥過程計算機監控系統
1引言冷凍干燥是將含水物質先凍結成固態，然后使其中水分從固態升華成氣態，以除去水分而保存物質的方法。由于這種干燥方法具有許多優點，因此在生物制品、藥品的保存等方面具有重要的意義和廣闊的應用前景。凍干過程的原理是以水的三相平衡圖為基礎的，如圖1—1所示。純水的三相平衡壓力P0＝610.5Pa，溫度T0＝0.0098℃。當壓力低于P0時，水就從固態直接轉化為氣態，凍干的基本原理就是AB線上的汽固轉化過程。真空冷凍干燥過程一般分為預凍結、升華干燥、解析干燥3個階段。冷凍干燥在冷凍干燥設備(簡稱凍干機)中實現。凍干機的結構形式多種多樣，但一般包含凍干倉、制冷系統、真空系統、加熱系統、水汽凝結器(也稱冷阱)、自動加塞系統、自動清洗系統、控制系統等幾個部分。
2系統分析與硬件設計2.1冷凍干燥過程對控制系統的要求控制系統要求采用手動和自動兩種方式實現對6m2凍干倉的凍干機進行整個凍干過程及自動加塞、自動清洗的控制。具體要求是：(1)能夠將凍干曲線數值存儲在磁盤中，并能在計算機屏幕上進行實時顯示和歷史數據顯示，且支持即時打印。這些曲線包括：A：物料溫度曲線；B：板層溫度曲線；C：水汽凝結器曲線；D：真空度曲線；(2)控制系統的測量誤差：溫度±1.0℃，真空度±10Pa，產品最終含水量±1；(3)該系統能根據不同的產品設定或修改藥品凍干曲線，在凍干過程中通過調節加熱板的溫度、供熱量、箱體真空度、水汽凝結器的溫度使物料跟蹤設定曲線；(4)對水汽凝結器的溫度進行設定，通過控制制冷機能量調節器來跟蹤設定溫度；(5)對箱體內真空度能夠設定，并通過微動閥來調節所要求的真空度；(6)故障報警及處理，包括真空機組啟動壓力，凍干過程中真空度超過設定值的報警和有關數據顯示；(7)藥品的自動加塞：在藥品和生物制品出箱前進行自動加塞密封處理，保證產品的潔凈和冷凍狀態，提高凍干制品的質量；(8)前后批量生產之間的消毒：為了防止交叉污染，在兩批量生產之間進行在位自動消毒，要求達到GMP標準。2.2監控系統的總體方案監控系統的設計目標是在保證凍干過程高效可靠運行的前提下，兼顧操作的方便性和構成的經濟性。可靠性需要控制系統同時提供手動控制和自動控制兩種方式，方便性體現控制流程的簡單明確和人機交互界面的簡潔友好。所以，整套系統采用集中控制方式，如圖2—1所示。
2.3監控系統的硬件構成冷凍干燥過程需要檢測的參數主要是溫度和壓力，其中溫度又分為高溫和低溫，因此該監控系統采用如下幾種傳感器：熱電偶、熱電阻、數字式電阻真空計。上位機選用一般商用PC機，在監控系統中上位機不直接與現場設備及儀表打交道，而是通過串行通信端口，使用RS－232C協議與下位機進行通信連接，因此普通商用機的可靠性足以滿足系統要求。下位機選用三菱公司PLC的FX2N－48MR型。其輸出直接控制執行機構，如電動閥、汽動蝶閥等，起到可編程繼電器的作用。PLC的輸入由計算機控制，以實現手動、自動兩種方式控制。監控系統的其它設備和器件有：(1)控制柜，包括手動按鈕開關、凍干過程狀態指示燈、現場設備的運行狀態指示燈等；(2)動力柜，包括控制電機與手動閥門啟停的按鈕開關和繼電器組成的控制柜；(3)打印機，完成數據報表等的實時打印與歷史數據的打印；(4)執行機構，包括各種電機、電動閥和氣動蝶閥等。所有執行機構均具有相應的手動開關，當控制系統出現故障時，可用手動方式單獨開、關任何一個閥門或電機；(5)補償導線，用于熱電偶的冷端補償。3監控軟件的編制3.1軟件設計方案監控系統要完成的工作可分為：(1)數據實時采集、處理、顯示、存儲；(2)凍干過程各階段的運行狀態、各閥門的開關狀態(包括少數電磁閥的正反轉狀態)及報警信號指示，所有信號由控制柜的面板指標燈顯示；(3)凍干工藝參數傳送與緊急情況處理時有關命令傳
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