可编程控制器在制药生产中的应用

摘 要：PLC（可编程控制器），一种广泛使用的过程控制装置。本文以制药生产行业发展为背景，简要介绍了PLC的发展历史，组成和工作原理。在此基础上介绍了可编程控制技术在制药生产中的应用，从PLC的优势出发，大致选取了一些应用于制药生产过程中的具体实例，并浅要总结了目前的不足和可能的发展方向，为该技术的进一步发展及实际应用提供参考。

关键词：过程控制技术；PLC；可编程控制器；制药生产

制药行业，一种特殊产品的生产行业，自然有着其特殊的地位和重要性。近年来，随着药品行业需求量的增加，药品GMP的颁布，以及《中国制造2025》，《医药工业发展规划指南》等医药行业相关政策的提出，传统制药行业的生产方式已难以满足现代社会和现代工业的需求，加上近年来“工业4.0”，“智能制造”，“智能工厂”等理念的提出，在制药生产当中，更加无人化，自动化，智能化的生产模式的发展便成为一种可能的趋势。[1]在此目标实现的过程中，过程控制技术便发挥了重大作用。其中PLC（可编程控制器）具有众多优势，已在食品，化工，机械等领域广泛使用，且发挥了重大作用，也必然在制药工业的发展中继续发挥及拓展其优势，推动行业发展。

2 可编程控制器简介[2]

2.1 PLC发展历史

1969年DEC公司基于“新一代控制器应具备的十大条件”研制出第一台可编程控制器PDP-14，到美国汽车制造业应用PLC控制技术取得成功，随后PLC控制技术得到了迅速的发展，各国各公司都相继推出了自己的各代产品，成功地将PLC控制技术应用于机械，化工，食品，制药，通信等众多领域，同时其功能也更趋完善，与各个学科也有了越来越深入的融合。其按控制功能的发展，可大致划分为初创，扩展，通信，开放以及现如今的渗透提升五个阶段。

2.2 PLC组成结构

PLC将各个领域成熟技术综合运用，控制系统的实际组成基本与一般微型计算机相似，包括软、硬件两部分。可编程控制器的软件是由系统软件（又称系统程序）和应用软件（又称用户程序）两部分组成。其硬件结构主要包括基本控制单元（主机模块、输入模块、输出模块、外围接口模块，电源模块等五个主要部分），扩展单元和编程器，显示器等外部设备组成。软件系统和硬件结构，缺一不可，共同组成PLC可编程控制器结构，完成其设定功能。

2.3 PLC工作原理

可编程控制器具有运行和停止两种工作状态。运行时采用不断循环地周期扫描工作方式，在一个扫描周期内，基本包括运行监控，与编程器交换信息，与数字处理器DPU交换信息，与外部设备接口交换信息，执行用户程序，输入输出等六个主要任务。

简单来说，每个工作周期内，在系统程序监控下，微处理器CPU从首条指令开始，逐条按顺序对用户任务程序进行查询、判断、执行，直至遇到结束符，程序结束，然后又返回第一条，开始新的一轮扫描，不断循环。

3 可编程控制器在制药生产中应用

3.1 PLC的优势

PLC从上世纪70年代中期初创阶段主要进行逻辑运算，计数，计时及顺序控制等，用于替代对开关量简单控制的传统继电器。快速发展到现如今各领域自动化，智能化，交叉融合的技术基础及重要支持，足以凸显其具有的先天优势和巨大的潜在发展空间。

发展至今，可编程控制器已具有众多的优势特点，大致包涵：

1.软、硬件设计从工业使用环境出发，因而使其具有高度可靠性、稳定性和极强的抗干扰能力。

2.语言简单，选择众多，编程方便灵活；信息显示，友好集中的人机界面，操作简便；自診断等功能使维修工作量减少，维修技能要求降低，检修维护更加快速容易。

3.模块化结构，设计、安装、调试、操作、维修等更加简洁灵活。

4.可根据要求进行容量、功能、应用、控制范围的灵活扩展。

5.以工业控制为设计出发点，机电一体化，体积减小，能耗降低，功能完善。

6.具有一定的信息储存功能，便于记录分析，调整修改等。

7.自动化，智能化，在操作、维修等时期减少了人的参与与工作。

3.2 PLC在制药生产中的具体应用[3][4]

PLC因上述乃至更多的优势，被广泛应用于制药生产当中，不仅体现在化学药物方面，在现代中药[5][6]，生物药[7]相关领域也有其身影；不仅体现在混合[8][9]，搅拌[10]，发酵[7][11]，干燥[12][13][14]，包衣[15][16]，包装[5][17]，配药[5][6]等具体的药物生产工艺方面，同时在生产环境的控制[18][19][20]，药物相关用具的生产等方面[21]，也发挥着重大的作用；不仅体现在整个联动工艺流程[22]的整合，改造，设计当中，对于阀门，转鼓，搅拌器等具体装置的控制，也为代替人工发挥了巨大作用……

3.2.1 PLC在发酵过程中的应用

发酵过程是制药生产尤其是抗菌素等涉及微生物的生产链的关键环节。但传统的发酵过程，依赖或部分依赖于人工技术和经验，检测不全面、不连续、不及时，发酵进程较难控制，人为干扰因素较多。随着控制技术的发展，可编程控制器应用到药品生产环节中发酵罐的发酵和提取过程，进行温度，压力，液位，空气流量，循环水流量，溶解氧含量，pH等多个生产过程重要参数的同步自动检测、调控，并且发展出带有自动消沫控制，连续自动和手动补料，以及故障出现时报警、自动补救等更加全面的、智能的生产保护功能，使具有更高的安全性，更稳定的运行，更少的成本消耗，确保产品质量，提高生产效率。[11]中国药科大学张小慧等人[7]，以国产组态软件——通用监控系统（MCGS）为上位机，采用西门子S7-200系列PLC为下位机主控器设计出具有对发酵过程多参数实时监控，过程控制，并且具有报警和数据储存等多功能的发酵过程控制系统，是现代过程控制技术和医药生产过程的有效结合，推动了发酵生产工艺的自动化发展。

3.2.2 PLC在沸腾干燥过程中的应用

随着“高效湿法制粒-沸腾干燥”生产工艺被广泛认可，沸腾干燥（流化床干燥）发展为一种可减少污染，操作方便，合乎GMP要求的生产工序。空气经净化、预热、分布等过程后，将进料的湿颗粒吹起，使悬浮呈沸腾状（流态化），利于物料流动的同时，增大与其接触面积，干热风与湿物料间进行热量和水分的交换，进而快速完成物料干燥。然而在工艺组合改进，提高生产效率的同时，需要对风量，进、排风温度，风门角度，物料量，物料温度、湿度，气囊密封，斗带的安全保护等更多且更复杂的生产工艺参数进行实时监测和调控。面对这些新的生产要求，PLC可编程控制系统再次发挥其优势。刘洁等人[13][14]采用西门子S7-200PLC和西门子PLC S7-226控制方式，设计出可解决上述生产新问题，且符合GMP要求的沸腾干燥机，针对准备、进料、干燥、清洗、附属等工艺流程选择出了最优PLC控制算法，并且指出了干燥生产过程中最优工艺参数的选择原则。PLC控制技术的发展与应用，使制药工艺生产更能满足合理化，简单化，自动化，智能化的要求，推动了现代社会工业生产的发展。

3.2.3 PLC在真空冷冻干燥过程中的应用

真空冷冻干燥，因其众多的优势，被广泛应用于药品这类特殊产品的生产。但传统冻干机，通过按钮、继电器等进行机械控制，触点繁多，电路复杂，控制延迟，精密度差，且维修不便，越来越不适合冻干工艺的广泛应用。因此，基于PLC可编程控制技术发展出的冻干系统，在实际生产中发挥了巨大的作用。滕浩[12]应用PLC技术，设计改造出可手动、自动独立运行的冻干机，能够实现主要参数设定，实时检测，采集显示，记录分析，提示和报警等功能，可靠性、自动化程度高，满足不同客户的需求。提高了冻干工艺的智能化程度，为冷冻干燥过程的自动化实现提供了参考。

3.2.4 PLC在素片包衣过程中的应用

包衣，具有增加药物稳定性，掩盖不良气味等功能，因此在药物生产当中也是十分重要的一个环节。传统包衣机采用继电器形式进行逻辑控制，虽满足了生产中对实用性的要求，但设备复杂，稳定性差，存在滞后，维修困难，难以满足日益增长的包衣工艺对于稳定性，灵活性，智能化的需求。随着PLC及配套技术的成熟，传统包衣机的模式已逐步被取代，发展出一系列应用PLC技术的新型包衣机。陈永生[15]使用三菱系列可编程控制器及配套设备进行包衣机系统的改造，消除了使用继电器的不足，加上触摸屏人机界面，自动控制变频器等，稳定了生产过程，简化了操作，取得了较好的优化效果，提高了生产的自动化、智能化性能，满足现代工艺要求，并且减少了设备保养费用等。同时，PLC技术也应用于包衣机导流板，滚轮，喷枪等具体设备部件的控制[16]，解决了对应问题，促进了包衣工艺整体的提升优化。

4 可编程控制器的不足及未来发展

可编程控制器具有众多先天优势，且在各个领域的应用中不断发掘凸显出更多的新兴优势，但作为技术发展的一个时期，其在现阶段应用当中也暴露出一些问题。例如，1.各个厂家、型号产品间的兼容性差。2.不同国家和地区间有着不同的PLC生产标准、不同的适应系统等，不利于医药企业全球化发展。3.与PLC生产设备相配套的操作人员，虽可进行一些日常的生产操作，但相应的程序设计和设备修理等技能仍有待普及等。

针对PLC在现有制药生产的不足，一方面可以通过对PLC及配套技术、设备、人员的继续提升，设计、开发出针对于制药行业特点的完整PLC系统。另一方面，也可基于PLC研究发展出更加自動，智能，全面，友好的操作系统。[23]相信在已有的基础上，通过各方面的不断努力，我国制药行业必然会达到预期目标，乃至全球制药行业定会得到极大提升，共同推进人类医药健康大发展。

参考文献：

[1]赵皎云.楚天科技：推进药品生产智能化——访楚天科技股份有限公司郑起平[J].物流技术与应用，2018，23（06）：120-122+124.

[2]林锦国，张利，李丽娟.过程控制（第三版）[M].南京：东南大学出版社，2009.

[3]刘惠玲.PLC自动控制技术在制药设备中的应用[J].化工设计通讯，2018，44（08）：194-195.

作者简介：

杨家琛，出生年1998，男，陕西省渭南市，本科生在读，中国药科大学，专业：制药工程。