制药工程纯化水系统在线检测控制分析

李明斌 2023-05-16

制药用水系统具有一定的复杂性，在生产、储存以及输送等环节，如果纯化水被污染就会严重影响药品质量，因此需要构建纯化水检测系统，确保制药用水符合标准。在PLC 技术快速发展背景下，构建一套针对制药工程纯化水的在线自动检测系统，对制药用水的品质进行实时监控，确保药品质量。

Part

引言

药品生产过程中需要使用大量的纯化水，利用机械过滤器以及活性炭过滤器对自来水进行过滤，再利用中间水箱、阴阳树脂混合床以及紫外线消毒等设备对水源进行纯化。在此过程中，需要密切关注纯化水的pH 值、导电率、总有机碳等指标，采用传统的线下检测模式，不仅检测成本较高，且检测具有一定的滞后性。为了提升纯化水检测效率，利用PLC 技术设计一套在线自动检测设备，实现对制药工程纯化水质量的远程监测。

Part

制药用水持续生产过程控制

对于制药用水的控制是确保药品质量的重要基础，为了满足药品生产线生产需求，制药用水采用持续生产模式，用水系统不间断运行。

2.1

建立持续生产过程控制模型

从整体上看，对于持续生产过程的控制主要分为两个方面，即生产管理层面以及实时控制层面。前者主要包括制药企业制定的生产计划以及生产调度预案，后者主要包括药品生产管理、安全管理、供给管理等。依据上述两方面内容，构建持续生产过程控制模型。

2.2

明确制药用水系统控制目标

生产药品过程中，用水系统的控制目标主要包括8项内容：

①对于用水系统的控制要准确、灵活、快速；

②通过远程控制的模式，对制药用水系统运行情况进行实时监控；

③对控制方式进行优化，提升制水设备运行效率确，保制药用水品质符合药品生产要求；

④针对制药用水的电导率、TQC 等关键参数要进行重点监控，确保其符合药典相关参数要求，避免由于重要参数不符合要求，导致制药用水被污染，影响药品质量；

⑤利用远程控制技术，对制药用水系统中的设备、零件以及传感装置进行定期的维护与保养；

⑥利用PLC 以及信号传输器实现对于制药用水设备参数的远程控制；

⑦对制药用水系统搭配在线预警系统以及故障报修系统，确保该系统出现故障时，相关维修人员能够在第一时间进行处理，缩小制药用水系统故障影响范围；

⑧在制药用水线控制系统中内嵌储存模块，自动储存重要参数，供相关工作人员随时查阅调取[1]。

Part

制药用水自控系统适配各生产环节

每种药品的制备工艺不同，设备的选择也存在很大差异。以某制药企业制药用水系统为例，该企业将制药用水系统安装于一般区域，为该系统配备了单独的制水室，确保每个用水点都处于洁净区，制药用水生产工艺流程见图1。

图1 制药用水生产工艺流程

3.1

原水

原水环节主要由水泵、进水阀以及储水罐组成，其主要作用是对自来水进行预处理，并为纯化水系统提供持续水源。在该环节设计自动控制系统，能够确保原水的进水阀与储水罐的液位形成联锁状态，实现原水储水罐液位的自动调控。

3.2

预处理系统

预处理系统主要由软化器、杂质过滤器等设备组成。针对原水所进行的预处理工作，实际上就是对市政供水部门提供的水源，通过物理方式（膜纯化系统）进行过滤，通过这种方式降低原水的浑浊度、硬度，并对其中的污染物进行过滤，调节原水的pH 值，并降低原水氯化物含量，通过预处理环节，确保源水符合膜纯化系统用水需求，提升RO 膜强化系统工作效率以及使用寿命[2]。

3.3

纯化设备

纯化过滤器主要由EDI（系统水处理设备）检测装置、RO 膜组成，为该环节搭配自动检测系统，主要是对纯化水温度、EDI、反渗透、液位以及紫外线消毒设备运行状态等参数进行在线检测。在储存系统中，在线检测功能主要应用于对温度传感装置、进水阀、液位感应装置实时参数的监控。同时，对于储水罐与各个用水点之间连接处阀门进行状态检测。

Part

在线检测控制系统软件设计

4.1

控制系统软件设计

本次设计中，工作人员使用由供应商统一提供的编程/组态语言模块，其中包括功能图语言、梯形图语言以及结构化语言等模块，这些语言模块的共同特点是专门针对连续过程进行语言编程的计算机语言模块。实际进行软件设计工作时，相关工作人员要根据用水系统运行情况以及在线检测实际需求，灵活选择适宜的编程语言。

需要注意的是，在选择编程软件时，不仅要考虑软件与制药用水在线检测系统控制器的适配情况，还要满足GMP（生产质量管理规范）中对于药品质量的要求。因此，工作人员选择较为成熟，具有一定技术沉淀的编程软件，利用成熟的编程软件确保在不同的软件版本之间，数据能够完成读取并记录，实现代码可追溯功能以及模块测试功能。

4.2

上位机的选择

利用PLC 单片机构建控制系统过程中，对于上位机的功能有着较高的要求，为了确保上位机软件系统与硬件系统适配，研究人员选择上位机厂商提供的组态软件，即SIMENS Win CC软件，而控制系统选择SI-EMENS-S7300 型单片机。在布置上位机软件系统过程中，工作人员要检测该软件的完整性，并对其是否支持制药用水系统在线检测工作关键软件，例如批量控制（BATCH）、管理信息接口等进行验证[3]。此外，上位机软件系统还要支持GMP 对于数据记录以及电子签名等需求，方便上位机软件在今后的工作中具有良好的可拓展性。

4.3

软件功能设计

由于制药用水系统为不间断工作模式，因此在设计软件功能时要考虑该软件的实时连续控制能力，主要包括：生产管理能力、过程连锁控制、安全管理、制药用水过程I/O，参数检测、预警报警、数据记录等功能，确保该系统能够对完整的制药用水流程进行远程在线监督。

4.4

软件结构设计

本次设计遵循软件设计结构化原则，将软件分为3 个层次：顶层为制药用水系统控制层次，负责对制药用水系统的各个环节以及各种设备进行检测与监控；中间层为制药用水生产线上的各个设备单元，例如贮液罐、阀门、水泵、过滤器等；底层为每一种设备所对应的显示仪表，或者设备对应的操作单元（图2）。

图2 纯化水系统在线检测HMI界面

4.5

硬件设计

在硬件设计方面，本次设计使用了SIEMENS S7300 型单片机，该型号单片机在制药行业中运用较为广泛，在工作稳定性以及工作效率方面均有着较为突出的表现。

4.5.1 数字量输入单元

数字量输入单元最主要的作用，就是将数字信号传输至PLC单片机内，形成单片机与输入数字量信号的连接。例如用水点启动/关闭状态、变频装置工作状态等。工作人员在该单元配备了两线制接近开关模块以及信号连接标准开关模块，利用单色LED 屏幕显示操作指令的输入情况，这种设计模式的优势在于对于插槽的使用没有严格的限制，模块的插拔较为方面，工作人员能够根据信号输入地址，对插槽进行合理分配。

4.5.2 数字量输出单元

该单元的主要功能是将控制装置产生的过程变量转化为数字信号，并将数字信号传输至其他单元模块。实际工作中，当PLC 单片机生成了控制指令，其内部信号电平转换为能够被各个模块以及操作终端识别的外部信号电平，通过这种方式实现对于水泵、阀门的控制，确保控制信号能够在不同的模块之间传输[4]。本次设计在对输出单元进行选型时，使用6ES7322-1BH01-0AA0 型数字量输出单元，该设备拥有16 个信号输出通道，不仅外形设计较为紧凑，而且利用前置的连接器插槽锁定输出IP（图3）。

图3 纯化水在线检测PLC系统

4.5.3 模拟量输入单元

利用模拟量输入单元，令单片机能够连接模拟量过程信号，确保PLC 单片机能够接收流量、电导、温度、压力等数据，实现对于制药用水各环节的在线检测。工作机理：当模拟量输入单元接收到模拟信号之后，将其转变为能够被PLC 读取、记录、保存的数字信号，其格式为13 位数字+符号位，通过该模式正确记录信号接收、转换、发送的时间。在实际工作中，可以依据不同的检测需求，灵活调整模拟量测量范围，对电流、电压等基本测量范围进行调控，同时搭配PG 单元安装的STEP7 组态模块，对参数进行微调。此外，该单元还能够将超限中断发送信号传输至可编程CPU 中，确保制药用水生产过程中一旦出现故障，模拟量输入单元能够向CPU 发送故障诊断报告。

4.5.4 模拟量输出单元

量输出单元的作用是将PLC产生的数字信号转化为模拟量信号，传送至各个控制单元，通常情况下该单元与模拟量执行单元以及变频控制单元连接。本次设计中使用的模拟量输出单元拥有15位分辨率，确保各种电流、电压测量范围均可以通过参数赋值软件进行单独设置，当制药用水系统运行出现故障，可以将故障报告传送至可编程控制器中，方便运维人员进行故障排查[5]。

4.5.5 仪表与阀门

制药用水系统中的一些仪表、阀门与药品直接接触，为了避免药品发生变质，设计人员在选择仪表以及阀门时，需要对其耐温性能进行严格把控，同时优化仪表与阀门的布局，避免出现死角。

Part

结语

制药工作需要大量纯化水，为了避免药品受到污染，需要对纯化水的品质进行实时检测。传统的纯化水线下检测方式效率较低，无法有效控制成本。为了解决这一问题，某制药企业相关研究人员尝试利用PLC 技术，建立一套制药工程纯化水在线检测系统，使用SI-EMENS-S7300 型PLC 单片机作为检测系统的处理器，搭载3 层系统框架，实现对于数字量输入/输出单元、模拟量输入/输出单元以及仪表阀门的有效连接，确保纯化水质量始终符合制药需求。

参考文献

［1］魏宗玉.浅谈生物制药中纯化水处理与应用［J］.广东化工，2022，49（6）：104-106.

［2］冀辉，张红春.某制药企业水平衡测试及节水评价［J］.山东化工，2022，51（2）：143-146，149.

［3］颜若曦，曹轶，翟铁伟.药品生产企业质量控制实验室要点与缺陷分析［J］.中国医药工业杂志，2021，52（9）：1253-1258.

［4］张洪渠.制药纯水制备和分配的工艺优化措施［J］.化工设计通讯，2021，47（7）：70-72.

［5］何将军.制药用水系统设计实践［J］.科技创新导报，2020，17（12）：78-80，82.