基于MCGS和PLC的中药提取自控系统研究

何军庆　郑鹏武　李朝

（1中药固体制剂制造技术国家工程研究中心，江西南昌330006）（2江西科技师范大学，江西南昌330000）

基于MCGS和PLC的中药提取自控系统研究

何军庆1郑鹏武2李朝2

（1中药固体制剂制造技术国家工程研究中心，江西南昌330006）（2江西科技师范大学，江西南昌330000）

随着现代科技的发展，越来越多的现代制药技术应用于传统中药领域，为古老的中医药注入新的活力。尤其是中药提取领域新技术的应用，使得中药提取水平有了极大飞跃。近年来迅速发展起来的以中药提取物制备中成药的生产工艺已成为中药生产工业的重要组成部分，中药提取工艺的先进与否与中药产品的安全有效有着直接的关系。本文归纳总结了国内相关文献报道，详细介绍MCGS组态软件及其在传统中药提取工艺过程中的实现与应用，并分析了该技术在中药生产应用中的优点，阐述了作者对现代中药发展的观点。

组态软件；MCGS；中药提取；自动控制

1　引言

MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，可运行于MicrosoftWindows 95/98/Me/NT/2000等操作系统。

MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能［1］。

中药中间体的生产工艺，一般是提取、过滤、浓缩、沉淀、分离、吸附、洗脱、浓缩收膏、喷雾造粒，以及配套的乙醇回收等几个工段组成。中药提取是中药生产的一个重要环节，建立中药提取自控系统可以从产品的源头上解决中药产品工艺和成分的稳定性、可靠性问题，更好地与国家GMP规范相融合，有利于保证产品质量。特别是在满足企业内部制剂需求的同时，还可以对外承揽中药提取加工业务，其生产能力强，产值高，发展前景好，将成为企业盈利的重要环节。把中药提取作为一个产业化项目，对于推动中药现代化具有重要作用。现在有不少中药现代化企业，已把中药原料药提取作为打入国际市场的突破口。

2　中药提取系统概况

2.1中药提取系统工序

提取是从药材原料中分离有效成份的单元操作，直接关系到产品有效成份的含量，影响内在质量、临床疗效、经济效益及GMP的实施。中药提取的基本方法为浸渍法（常温浸渍法、温浸法、煎煮法）、渗漉法、回流法。根据煎煮法加压与否，可分为常压煎煮法和加压煎煮法。常压煎煮法适用于一般性药材的煎煮，加压煎煮适用于药物成分在高温下不易被破坏，或在常压下不易煎透的药材。生产上常用蒸气进行加压煎煮［2］。本文所采用的中药提取为浸渍法中的加压煎煮法。

本文中药提取控制过程为：投料，开启提取罐，提取到达规定时间后，开启三足式（或碟式）离心机，待运行稳定后开启提取罐出料口阀门、螺杆泵、储罐进料阀、料泵，将药液输送至储罐；待储罐装满后或提取罐药液排尽后，关闭提取罐出料口阀门、螺杆泵、储罐进料阀、料泵。

当提取进行一段时间后，开启提取罐出料口阀门、螺杆泵、循环阀门，定时对药液进行循环，并自动记录药液循环时间。

提取过程中，当开启螺杆泵时，同时自动开启提取罐出料口阀门；当关闭出料口阀门时，同时自动关闭螺杆泵，以减少螺杆泵的损耗。当加水打开阀门时，自动显示水的流量，并记录累积流量。当温度、压强、液位超过上下限时，进行报警，并进行记录，并且当提取罐液位超过提取罐液位上限时，同时自动关闭加水和加乙醇的阀门。当开启搅拌时，自动记录搅拌时间。

当提取完成后，对提取罐进行卸渣处理，为保证卸渣过程安全，卸渣开始时，首先打开汽缸进行排气，排气完成后将旋动卸渣盖，最后将盖打开。

2.2中药提取系统控制参数

表1　加料控制参数

“溶剂加入量”和“溶剂液面”是对反应罐中溶剂的控制，可以使得提取加料过程中加料更加准确。

表2　提取控制过程参数表

对“夹套蒸汽压力”和“罐内压力”的监控可以提高提取过程的安全系数，防止提取罐由于压力过大而带来不安全因素。对“罐内温度”的监控，可以控制提取过程速度和防止提取成分的变性等因素，对“药液循环时间”和“药液搅拌时间”的监控，可以控制药液的混合程度。

表3　放料控制参数表

“暂存罐液位”是记录提取过程最终出料的直接数据。

3　中药提取的MCGS软件设计

3.1中药提取流程图的设计

中药提取流程图的设计主要是用户窗口设计，用户窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：实时数据显示、报警输出、数据与曲线图表等［3］。根据系统要求，我们设计了主窗口、加料记录、历史温度和报警属性五个用户窗口。具体制作如下：

选中“用户窗口”，新建窗口，在窗口属性中命名为“主窗口”，依次建立如图1窗口。

图1　用户窗口

双击“主窗口”，弹出主窗口版面。插入提取罐位图作为提取罐。“插入元件”中的“储藏罐”的“罐8”作为暂存罐，“泵”中的“泵32”作为料泵。采用的阀门均为“阀43”，“游标16”作为饮用水流量计。适度调整各元件大小，采用管道和流动块将以上元件相连接，建立若干标签、输入框、下拉框、标准按钮、实时曲线表，调整适宜字体大小和颜色后如图2排列。

图2　主窗口

依次在加料记录窗口建立自由表格用于记录加料记录，在历史温度窗口建立“历史曲线”记录提取罐和暂存罐历史温度，在历史压强窗口建立“历史曲线”记录提取罐和暂存罐历史压强。在报警显示窗口建立“报警显示”记录温度和压强的历史报警记录。

根据图3设计参数控制窗口。

图3　参数设置

根据图4设计卸渣窗口，其中“已关闭”和“已开启”标签重叠。

图4　卸渣控制

3.2中药提取流程的动画设置

3.2.1实时数据库设计

如图5在实时数据库中新建对象名称为：阀门开度、反应罐液位、累计流量、瞬时流量、温度1、温度2、压强、药液循环时间、暂存罐温度、暂存罐液位、夹套蒸汽压强、提取罐液位上限、提取罐液位下限、暂存罐液位上限、暂存罐液位下限、温度1上限、温度2上限、温度1下限、温度2下限夹套蒸汽压强上限、罐内压强上限的数值型数据对象，其中反应罐液位、累计流量、瞬时流量、暂存罐液位“基本属性”中“小数位”设为：2；新建对象名称为：提取罐出料口阀、浓缩阀、去碟片离心机阀、药液循环泵、循环阀、乙醇阀、饮用水阀、暂存罐阀、蒸汽阀、排气、旋盖、开盖、卸渣、搅拌的开关型数据对象；新建对象名称为：报警数据组的组对象，组对象成员增加：温度1、温度2、暂存罐温度、压强、反应罐液位、暂存罐液位。

图5　实时数据库

3.2.2运行策略设计

运行策略是指对监控系统运行流程进行控制的方法和条件，它能够对系统执行某项操作和实现某种功能进行有条件的约束。运行策略由多个复杂的功能模块组成，称为“策略块”，用来完成对系统运行流程的自由控制，使系统能按照设定的顺序和条件，进行操作实时数据库，控制用户窗口的打开、关闭以及控制设备构件的工作状态等一系列工作，从而实现对系统工作过程的精确控制及有序的调度管理［3］。根据提取流程需要本文实时数据库的设计如下。

图6　运行策略

根据图6建立打开数据窗口、提取罐出料口阀、提取罐泵、参数设置四个用户策略和卸渣的循环策略，分别用于显示所有数据窗口、关闭反应阀同时关闭提取罐泵、打开提取罐泵同时打开提取罐出料口阀。

3.2.3主控窗口设计

主控窗口是工程的主窗口感主框架。是所有设备窗口和用户窗口的父窗口，负责这些窗口的管理和调度，并调度用户策略的运行［4］。本系统主控窗口登陆界面如图7所示。具体制作如下：

图7　主控窗口

3.2.4权限设置

在菜单“工具”中单击“用户权限管理”，弹出“用户管理器”。点击“用户组名”下面的空白处，再单击“新增用户组”会弹出“用户组属性设置”；可对负责人密码进行设置；点击“用户名”下面的空白处，再单击“新增用户”会弹出“用户属性设置”，在“用户密码”，按“确认”按钮，可以增加新用户。

4　MCGS软件与下层PLC相连接

在该系统中采用西门子S7-200型PLC通过PC/PPI电缆与上位机进行连接。上位机与PLC之间的协议为PPI协议

利用PC/PPI电缆可以将计算机（组态软件）和S7-200 PLC连接起来，PC/PPI电缆连接计算机的一端为RS-232接口，连接PLC的一端为RS-485接口，计算机组态软件与PLC的连接步骤如下：

①通过PC/PPI电缆上的DIP开关，选择计算机（组态软件）与PLC通讯的波特率为19200；

②把PC/PPI电缆的RS-232端连接到计算机的串行通一讯口（COM口）；

③把PC/PPI电缆的RS-485端连接到PLC的通讯口0或通讯口1。

⑴S7-200 PLC的I/0设备地址

由于S7-200系列PLC的型号不同，设备地址的范围不同，所以对于某一型号设备的地址范围，请见相关硬件手册。地址的设定可通过编程软件STEP7-Micro/WIN来实现。

⑵S7-200系列PLC数据类型

在57-200 PLC中，可以通过自由口通讯协议与组态软件之间进行通讯的寄存器包括变量寄存器V，输入映象寄存器I、输出映象寄存器Q。

⑶自由口通讯协议

在本套系统中，通讯协议采用主从的问答方式，上位机（组态软件）为主呼方，下位机（PLC）为应答方。协议格式如下，最后一字节为校验字节，校验字节为前面所有字节的按位异或值。

5　设计结果

中药提取MCGS自动控制系统包括对提取罐和暂存罐的控制。对提取罐的控制包括加料，饮用水和蒸汽的控制，对饮用水流量进行了实时测量，对液面，温度，压强进行了实时监控；对药液循环进行了自动化控制，当提取罐出料口阀、药液循环泵和循环阀同时打开时，药液开始循环，循环开始后自动记录循环时间；对药液搅拌进行了自动化控制，当搅拌启动后自动记录搅拌时间；对卸渣过程进行了设计，依次经过排气，旋动盖子，打开盖子三个步骤。对暂存罐的温度、压强、液位都进行实时监控。在系统运行前，选中参数设置界面，对提取罐及暂存罐的液面、温度和压强的上下限值进行设置，以实现提取过程中的报警控制，本软件对参数设置进行了权限设置，仅管理员可以进行修改。相对传统中药提取，MCGS中药提取自动化控制系统使得中药提取更加方便、安全、快捷，节省了大量人力物力。

6　结束语

如何使传统中医药与世界医药接轨是我国中药产业必须解决的课题。从传统中药的特点来看，中药的提取与精制是必须解决的首要问题。中药提取就是“存其精华，去其糟粕”的过程，也是中药制药的关键所在。传统的中药提取一般是水煎法，煮沸2次，煎煮温度高、时间长、耗能大、浪费多［6］。为了解决这些问题，利用MCGS组态软件控制中药提取的过程很好的改善了以上的不足。

本文结合MCGS控制系统组态软件，详细地论述了工控组态软件的原理及其实现中药提取自动化控制具体过程。采用了MCGS一种新的控制策略方法——图形组态法，这种方法具有“所见即所得”的特性，对于熟悉传统仪表控制的工程技术人员来说，组态十分方便，解决了传统的组态软件中编程语言组态不直观的缺点。组态软件在大多数工业上都有较广的应用，具有很好的发展前景。由此可见，MCGS组态软件在中药提取应用中具有广阔的发展空间。

［1］吉红.基于MCGS的水流量标准装置计算机控制系统的研究［D］.天津：津大学，2005.

［2］仲锡铜，冯崇华，张薇.中药提取方法的特点与应用［J］.山东医药工业，2002，21（6）：23-24.

［3］许文竹.基于MCGS组态软件的水环境多因子监控系统［C］.江苏大学，2006

［4］杨轶环.现代中药提取技术进展［J］.中国药房，2006（17）：11-13.

［5］MCGS用户指南［S］.2006.

［6］刘旭海，陈小荣，魏筱华.现代中药提取与自动化控制［J］.中国中医药信息杂志，2004-10，11（10）：887-888.

MCGS Based Configuration Software and Extraction Process of Chinese Medicine PLC Automatic Control System Research

HE Jun-qing1，ZHENG Peng-wu2，LI Chao2
（1 National Pharmaceutical Engineering Center，Nanchang Jiangxi 330006）（2 Jiangxi Science&Technology Normal University，Nanchang Jiangxi 330000）

With the development of modern science and technology，an increasing number of modern pharmaceutical technology in the field of traditional Chinese medicine，ancient Chinese medicine inject new vitality.Especially in the field of Chinese medicine extract the application of new technologies，making Chinese medicine has a great leap in the level of extraction.Developed rapidly in recent years to traditional Chinese medicine extract production process of the preparation of proprietary Chinese medicine Chinese medicine production industry has become an important part of the advanced extraction technology of Chinese medicine and Chinese medicine is safe and effective products has a direct relationship.This article summarizes the relevant literature，details MCGS configuration software and its application in traditional Chinese medicine extraction process with the application and analysis of the technology in the production and application of Chinese medicine in the merits of the author of modern the development of Chinese medicine point of view.

configuration software；MCGS；Chinese extraction；automatic control

O245

A

1008-1739（2015）14-62-4

定稿日期：2015-06-26