中药提取过程控制系统的设计与应用

1 引言

中药生产的一个关键过程是中药有效成分的提取，要既确保提取药物成分的质量，又要提高提取过程的效率和经济性，针对不同的中药材，选择和确保合适的提取工艺条件，严格和自动地按照正确的提取工艺程序进行中药的提取，是中药生产和工艺研究的一个至关重要的环节。我校与天津大明制药设备厂合作建立“中药设备研发中心”，在项目建设中，根据工艺的实际需求，本着先进性、可靠性、实用性的原则，完成了天然药物中试生产过程各单元的计算机过程控制系统的设计与开发，成功地实现了天然药物中试生产过程各重要工艺参数的计算机自动检测和控制，其中提取单元实现了多种提取方式的全过程计算机控制，从而为科研人员今后对天然药物提取工艺和提取设备的研究提供了可靠和有效的手段。

2 提取过程的主要工艺流程和自控要求

2.1 提取工序控制

（1）加料控制

药材投入提取罐内，加入药材的5-l0倍的溶剂。用液位控制法控制溶剂加入量，流程图如图1所示。

图1 液位控制流程图

（2）动态提取

动态提取是中药提取工序的核心，要求控制罐内药液温度、保持罐内压力为常压，并管理药液循环通道内电磁阀门和手动阀门的开、关及药液循环泵和热油泵的启动和停止。提取罐控制结构图如图2所示 .

图2 提取罐控制结构图

中药提取过程通常采用的溶剂（溶媒）有水或乙醇等。提取溶剂不同，对控制需求也不一样。用水作溶剂时，放空阀要在提取过程中始终处于开启状态，即罐内压力为常值，只需要在发生意外（如排气通道堵塞）时，报警即可。醇类作溶剂时，放空阀要始终处于关闭状态，欲维持罐压为常值，其调节情况与水作溶剂时不同。

2.2 测控参数

检测参数：提取罐内的温度、提取罐内的压力、提取罐内的液位、冷却器的冷却水进口温度和出口温度，热油泵的出油口温度和进油口温度等。控制参数：提取罐温度、提取罐压力、进料控制、出料控制、循环泵、热油泵，自吸泵和出液泵的启动和停止控制等。

2. 3 自控要求

根据本项目的中试工艺不确定性的特点，提取部分的自控设计要求是在有限和固定的设备、管线的条件下，方便而灵活地实现不同提取模式的全过程自动控制，即要求既可以“水提取”，也可以“醇提取”;既可以“单罐提取” ，也可以“双罐提取”;既可以是“循环提取”，也可以“非循环提取”。提取罐加液补液、提取罐升温和恒温、药物浸取、循环提取、提取液出料、直至提取结束或再次提取的全过程都是可靠、自动地完成。

提取部分的自动控制回路主要包括了提取罐温度自动控制;提取罐定量和加液自动控制;提取罐出料自动控制;提取罐、提取液储液罐的温度自动检测;提取液储液罐的液位自动检测。一批药材的提取次数、提取温度和循环时间是由工艺确定的。本方案采用热油对具有夹套的提取罐加热，煎煮罐中的药材，同时用循环泵循环药液。

3 系统特点

在系统的总体设计、选型上保持与国内外系统同步,从而保证所采用的计算机测控系统在技术上的先进性并且与国际接轨。在考虑国内外相关系统如:霍尼韦尔控制系统、横河μXLDCS和SIEMES控制系统等后,决定选择SIEMENS控制系统.从而确保了系统的成熟性。选择西门子的系统另外一个原因是这种系统易于维护,易于扩展。对中药生产过程中，常常发生 “泡沫引发逃液”的现象。采用CTN—XM系列双液位全自动消除泡沫控制装置，其中依据电阻响应原理的泡沫探测电极具有极强的抗污染能力，因严重的污染而出现结垢的情况下，仍然能检测出液面位置，从而达到可靠有效地消除泡沫，达到控制“逃液”的目的。

4 系统的结构与配置

本文采用PROFIBUS-DP构建中药提取过程监控系统的底层网络。新型的现场总线控制系统突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭的、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案，现场总线标准有几十种。每种总线标准都有自身的特点，并在特定的应用领域显示自身的优势。过程现场总线PROFIBUS作为一种国际化、开放式、不依赖设备生产商的现场总线标准，作为全集成过程和工厂自动化的现场总线解决方案，已被广泛应用于过程控制和流程工业。PROFIBUS采用OSI模型的物理层,数据链路层。当传输速率为9.6Kbps～12Mbps时，其传输距离可以达到100m。当传输速率为1.5Mbps时，其传输距离可以达到为400m。PROFIBUS的传输介质可以是双绞线，也可以是光缆。其最多可以挂接127个子站点。PROFIBUS采用功能模块化设计，不同的应用系统使用不同的模块进行设计。底层系统结构如图3所示。在本级中系统被分为两个层次即设备控制层和监控层。