1.1  概述 

中藥提取過程復(fù)雜，直接影響藥品品質(zhì)。因此，近些年來國內(nèi)外對(duì)于中藥制取研究主要集中在改進(jìn)提取工藝上，諸如超臨界超聲波提取、流體萃取、吸附分離、微波提取等先進(jìn)提取工藝應(yīng)孕而生，目前正在我國逐步興起。 由于我國傳統(tǒng)中藥提取工藝還處于手工或半自動(dòng)化，工藝參數(shù)難以精確控制，而且中藥本身具有復(fù)雜性和特殊性，所以我國中藥研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化過程中存在諸多問題，比如科技含量低，生產(chǎn)工藝落后；產(chǎn)品品種

重復(fù)，藥物有效成分含量低、雜質(zhì)多、質(zhì)量不穩(wěn)定；中藥生產(chǎn)企業(yè)以中小規(guī)模為主、廠商較多，管理有待提高，硬件設(shè)備自動(dòng)化程度低下；缺乏國際認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，用藥多建立在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，不能與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)

接軌。為振興我國中藥產(chǎn)業(yè)，中藥提取必須改變現(xiàn)狀，走高科技、現(xiàn)代化的道路，提高中藥品質(zhì)，擴(kuò)大企業(yè)規(guī)模，開拓國際市場(chǎng)。 目前，為了改進(jìn)提取工藝，節(jié)能增效，提高中藥品質(zhì)，國內(nèi)一些廠家開始研發(fā)中藥提取自動(dòng)化控制系統(tǒng)及智能提取單元。 成都地奧制藥是隸屬于中科院的集團(tuán)公司，與上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院合作，

共同研發(fā)中藥生產(chǎn)自動(dòng)化設(shè)備，并在“國家天然藥物工程技術(shù)研究中心中試基地”，利用計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了天然藥物生產(chǎn)過程中各操作單元主要工藝參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)控。 2004年，“中藥智能連續(xù)逆流提取設(shè)備”在哈爾濱研發(fā)完成。該設(shè)備采用現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)以及連續(xù)逆流浸出原理，大大提高了提取效率，大幅降低了能耗，加快了提取速度，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量和工藝水平。該設(shè)備不僅實(shí)現(xiàn)了中藥提取的在線分析，還實(shí)現(xiàn)了一定程度的智能控制。該設(shè)備的成功研制被認(rèn)為是中藥提取裝備領(lǐng)域中一次里程碑式的進(jìn)步。 

       2004年，武漢制藥機(jī)械廠與武漢工程大學(xué)聯(lián)合研制智能提取罐，開發(fā)了提取單元控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于IPC、PLC以及組態(tài)環(huán)境，構(gòu)建了上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，采用板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及控制，可實(shí)現(xiàn)常見中藥提取工藝

的自動(dòng)控制、配方智能選取、工藝參數(shù)自整定、對(duì)歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄自行保存和追憶。 

1.2  課題目的及意義 

目前，我國中藥提取還停留在人工或半自動(dòng)化生產(chǎn)，工藝參數(shù)難以精確控制，藥品質(zhì)量得不到保證，難以滿足 GMP 規(guī)范的要求。為了改變這一現(xiàn)狀，利用 PLC、IPC 以及工控組態(tài)軟件等現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)和先進(jìn)控制技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)中藥提取生產(chǎn)線進(jìn)行改造，大大增強(qiáng)可靠性，控制更為精確，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)中藥提取工藝的自動(dòng)化、智能化，有以下實(shí)際意義： 

1. 成功運(yùn)用 PLC、IPC、組態(tài)軟件以及 PROFIBUS 技術(shù)構(gòu)建 FCS，改造傳統(tǒng)中藥提取生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了中藥提取智能化，提高了控制精度和可靠性。 

2. 實(shí)現(xiàn)中藥提取智能化控制，系統(tǒng)可智能選擇配方，調(diào)整工藝參數(shù)，保存和追憶歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警記錄，自行設(shè)定、打印生產(chǎn)報(bào)表，以及故障自診斷等。 

3. 系統(tǒng)可擴(kuò)充性良好，兼顧生產(chǎn)線機(jī)組的集成控制、生產(chǎn)線各單元操作的分離控制等多種操作模式，具備網(wǎng)絡(luò)通信接口，可方便實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集中管理企業(yè)生產(chǎn)信息。 系統(tǒng)在確保產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，提高了生產(chǎn)效率和管理水平，降低了生產(chǎn)消耗和工人勞動(dòng)強(qiáng)度。系統(tǒng)將工業(yè)上廣泛應(yīng)用的可編程控制器 PLC 和組態(tài)平臺(tái)相結(jié)合，大大增強(qiáng)了可靠性和直觀性。 

1.3.1  集散控制與現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù) 

日益擴(kuò)大的生產(chǎn)規(guī)模，愈加先進(jìn)的加工工藝，對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性和功能提出了更為嚴(yán)苛的要求，因此將原來孤立的控制單元整合起來，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程全局化就顯得尤為重要，為了解決這個(gè)問題，集散控制系統(tǒng)（DCS,Distributed  Control  System）應(yīng)運(yùn)而生。DCS 是基于微型處理器的，它綜合了 3C 技術(shù)，設(shè)計(jì)理念是“分散控制、集中管理”。因此它具有控制性能優(yōu)越、管理能力強(qiáng)大，可靠性高、通用靈活性好等優(yōu)勢(shì)，如今廣泛應(yīng)用于過程控制工程。 

作為底層通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)總線可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)微機(jī)化測(cè)控儀表及設(shè)備之間的多節(jié)點(diǎn)串行雙向數(shù)字通信?，F(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)了僅用一對(duì)通信線即可連接多臺(tái)數(shù)字化智能設(shè)備，打破了傳統(tǒng)“一對(duì)一”的模式，用數(shù)字量、雙向、多變量取代模擬量、單向、單變量傳輸；用先進(jìn)的智能儀表替代傳統(tǒng)的功能單一的現(xiàn)場(chǎng)模擬儀表；傳統(tǒng)的集中式控制站由分散式虛擬控制站取代，智能儀表等測(cè)控設(shè)備在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)更多的分擔(dān)控制功能；變革

傳統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)、信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。 

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) FCS 由集散控制系統(tǒng)衍生而來，它以現(xiàn)場(chǎng)總線為紐帶，構(gòu)成底層控制網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)著生產(chǎn)運(yùn)行測(cè)量和控制的特殊任務(wù)，是一種新型的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。FCS 實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)總線通信網(wǎng)絡(luò)的集成，徹底改變了傳統(tǒng) DCS 的模式，1-1 所示，將傳統(tǒng)的集中式 DCS控制站分化零散，由工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能設(shè)備分擔(dān)其控制任務(wù)，以構(gòu)成分散的控制回路，真正意義上實(shí)現(xiàn)了完全徹底的分散控制,  充分利用和發(fā)揮了各種設(shè)備的性能。 

常見的 FCS 標(biāo)準(zhǔn)有：PROFIBUS(Process  Fieldbus)  、CAN 總線（Control Area Network）、基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線 FF（Foundation Fieldbus）。其中 PROFIBUS 作為德國國家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用十分廣泛，它由三

部分組成：PROFIBUS-FMS、PROFIBUS-PA、PROFIBUS-DP。其中PROFIBUS-DP 是一種用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信的網(wǎng)絡(luò)，具有速度快，成本低等特點(diǎn)，物理介質(zhì)一般為 RS-485 雙絞線，某些場(chǎng)合也用光纜，通信

模式為廣播（控制指令）或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（用戶數(shù)據(jù)傳送），主要應(yīng)用于分散 I/O 和現(xiàn)場(chǎng)控制器間的通信。  

管理層通信網(wǎng)絡(luò)采用基于 TCP/IP 的以態(tài)網(wǎng)系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)管理級(jí)計(jì)算機(jī)與監(jiān)控級(jí)計(jì)算的信息交互。擁有相應(yīng)權(quán)限的人員方可訪問管理層系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。組態(tài)系統(tǒng)與 office 可完美兼容，能夠方便快捷的將通用數(shù)據(jù)格式的存檔數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)到管理層計(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息集中化管理。整個(gè)以太網(wǎng)絡(luò)具有安裝方便、配件較少、成本低廉、易于維護(hù)、通用性好等優(yōu)勢(shì)。 

第2章 中藥提取智能生產(chǎn)線總體設(shè)計(jì) 

2.1  生產(chǎn)工藝概述 

中藥提取智能生產(chǎn)線工藝流程主要包括提取、濃縮、萃取、層析、干燥，如圖 2-1 所示。 

不同的藥材需要制定不同的提取工藝，常見的提取工藝有滲漉法、煎煮法、浸漬法等；濃縮工藝有球形真空濃縮、蒸發(fā)濃縮、三效濃縮、膜濃縮等；干燥工藝有真空干燥、噴霧干燥、凍干、烘干等。中藥提取智能生產(chǎn)線擁有充分的柔性，通過選配相應(yīng)的輔助設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)多種生產(chǎn)工藝和不同形態(tài)物料的提取，可以生產(chǎn)散、顆粒劑、丸、片劑、膠囊等不同類型的產(chǎn)品。中藥提取智能生產(chǎn)線機(jī)組如圖 2-2 所示： 

2.2  系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 

針對(duì)中藥提取工藝高效率、高精度、智能化的要求，本文基于先進(jìn)的 FCS 控制技術(shù)架構(gòu)中藥提取智能生產(chǎn)線系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。 在現(xiàn)代自動(dòng)控制系統(tǒng)中，為了充分利用和發(fā)揮各種控制設(shè)備的性能，更多地將繁重的邏輯控制、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)或歷史數(shù)據(jù)查尋、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)報(bào)表生存、報(bào)警處理、報(bào)表打印等工作在不同的控制設(shè)備中實(shí)現(xiàn)；現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)日趨成熟，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) FCS正在興起，并且有逐漸取代傳統(tǒng) DCS 的趨勢(shì)。FCS 將傳統(tǒng) DCS 的控制站化整為零，分散分布到各臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)字化智能設(shè)備中，完全意義上實(shí)現(xiàn)了徹底的分散控制，F(xiàn)CS  體系結(jié)構(gòu)如圖 2-3 所示： 

根據(jù)工藝條件和實(shí)際需求，本論文所構(gòu)建的中藥提取智能生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)在 FCS 控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上做了一定簡化，其控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖 2-4 所示。 

系統(tǒng)分為集中管理級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí),分別基于 IPC 和 PLC 系統(tǒng)構(gòu)成上下位機(jī)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)由多個(gè)控制單元組成，分別完成生產(chǎn)線中提取、濃縮、萃取、層析、干燥等單元操作的獨(dú)立控制；系統(tǒng)各控制單元

之間的通信網(wǎng)絡(luò)由現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成。體現(xiàn)了整個(gè)生產(chǎn)線系統(tǒng)中單元設(shè)備的獨(dú)立操作性及組網(wǎng)控制的可擴(kuò)展性。 

該系統(tǒng)體系由上下位機(jī)以及通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間以及監(jiān)控級(jí)與管理級(jí)之間的通信；上位機(jī)及組態(tài)環(huán)境實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)控、報(bào)警、數(shù)據(jù)處理、歷史曲線等功能；下位機(jī) PLC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)操作單元的控制。