图1  S7 400系统结构

本文介绍了应用西门子SIMATIC S7系统为中药企业提取生产装置DCS系统的设计思想，对系统的典型控制回路的方案进行了详细说明，采用该系统可为企业带来巨大的经济效益，提高企业生产装置的自动化水平。

某制药集团从2002年开始对原有旧装置进行扩能改质改造，使装置的加工能力提高到3000t/y中药提取生产线的自动化控制，完成工艺过程操作的自控以及生产过程的日常管理等功能。同时在提高收率、改善产品质量和改造工艺操作、降低装置能耗等方面都进行了相应技术改造，以满足控制水平适应装置生产的需要。

系统组成

采用德国西门子公司SIMATIC S7集散控制系统完成生产过程的自动控制，该系统具有开放性网络结构、操作和工程技术环境标准化、化工过程自动化与工厂自动化、高可靠容错系统的新一代DCS系统，并具有结构简单、系统稳定、功能强大、配置灵活、方便等特点。

系统总体设计思想

根据该装置总点数886点，其中132套控制回路（调节回路54套，控制回路78套），153套测量回路，温度信号110点，数字输入260点，数字输出231点及其他非两线制回路等。为满足系统长期、稳定、安全运行要求的需要，在系统结构设计中采用以下设计思想：

(1) 采用西门子SIMATIC S7控制器作为控制站，控制和测量信号平均分配给各SIMATIC系列I/O各节点；

(2) 系统使用了6台操作员站和1台工程师站通过工业以太网总线方式，与控制器6ES7 416采用现场PROFIBUS DP总线，将各操作站、工程师站将现场连接成为一个网络，实现了控制器与I/O模件之间的数据交换与通讯；

(3) 工程师站采用WinCC和step7软件，使之具有工程师站/操作站双重功能。

(4) 扩展余量大，现有设备I/O模件留有15％备用量，当系统增加10％左右的操作站和控制站时，系统的通讯量和负载量仍可满足要求。

系统硬件配置

操作站和工程师站均采用Dell PC机，其基本配置为P4 1.8G、512M内存、40G硬盘、21"纯屏，1280×1024显示器（当时为最高配置），现场控制站选用现场6ES7 416为主控制器，通过Profibus-DP总线的与现场通讯模块组成，实现数据通讯和系统控制。多台153通讯接口模块组成17个节点， I/O模块采用AI331模拟输入模块，AO332模拟输出模块，AI331热电偶输入模块，DI321/DO322数字输入输出模块，选用ET200S系统来电机控制的启停，并带有多台打印机作为报表打印。其结构如图1所示。

软件配置

操作站软件运行在Windows 2000 Professional中文版操作系统环境下，操作站上安装WinCC监控软件，通过工业以太网系统从现场控制器获取有关参数和设备状态信息，操作员能够观察实时的物理参数、历史趋势、操作记录和报警等，实现对设备启停、过程回路操作和参数调整的集中管理。由于数据库为全局数据库，所以各操作站之间可以共享数据和画面，并且每台操作站之间可通过操作权限设置实现互为备用功能。

图2  模糊PID控制回路方案图

工程师站/操作站同时安装STEP7组态和WINCC监控软件，在此软件中可组态系统硬件配置，编辑操作的流程图画面、动态画面、机泵状态显示、趋势、历史监视、报表打印等功能。所有图形和组态都在同一文件中储存，并以项目树的结构显示，在工程师站上依据系统要求键入工程组态内容并进行保存及下载到各个操作站以完成应用程序的生成。此外，还可以离线编程或在线修改参数，并可进行仿真调试。

设置工程师、管理员、操作员三种口令级别，防止非本装置人员误操作而影响系统运行。

模糊自整定控制

煎煮工序是将中草药在提取罐中把有效成分提取出来，为此，提取罐内温度是提取过程中的重要工艺参数，因为温度高了不仅会造成较大的热能损耗，同时还会造成药物成分被蒸发掉（易发挥的药材），而温度低了，则不能保证药液充分渗出，无疑会造成原料的浪费。同时从提取过程的热能消耗考虑，提取液的出料和排渣保持在较低的温度，以免带走过多的热量。因此，提取温度按工艺要求的曲线，进行程序控制，以提高提取的效率。温度值受加热蒸汽压力、蒸汽量、罐内介质状态、传热效果等多种参数影响，由于非线性、时变及纯滞后的特性，设置了以罐内温度为主参数、以加热蒸汽压力为前馈量的反馈，选择复杂模糊复合控制系统，即模糊自整定控制，控制蒸汽阀门的开度，控制算法上采用模糊控制理论为基础，克服各种因素的影响，同时也保护了提取罐夹套在异常情况下，不受过高蒸汽压力的损伤，实现提取罐温度智能程序控制，也达到了节能降耗的目的。具体控制为当加温刚开始时，罐上部温度与设定值差值大时，计算机发出一个控制信号，通过模糊控制器自动控制蒸汽调节阀全部打开和开关阀打开开始加温。加温按工艺要求的升温和保温曲线要求自动控制。根据具体工艺参数要求，通过软件编程下载到控制站和计算机中，由计算机控制蒸汽调节阀和开关阀来达到控制目的。当加热到一定温度时，即罐上部温度与回流温度设定值一致时，药液进入保温阶段时，开关阀关闭，自动控制蒸汽调节阀开度。同时打开回流管道中的阀门，启动煎煮液输送泵，循环煎煮液，以便尽快将药汁提取出来。当保温结束时（药液开始出料），计算机发出控制信号，打开开关阀，将煎煮液输送到下一工序。

模糊自整定控制能自动对系统本身的参数或控制规则进行调整，使系统不断完善，以适应不断变化的情况，保证控制达到所希望的效果。根据自动测量得到的实际输出特征和期望特征的偏差，确定输出响应的校正量并转化控制校正量，调整模糊控制规则，作用于被控对象。其基本特征是控制算法和规则可以通过在线修改，变动某几个参数来改变控制结果。

图3  浓缩药液的液位和收膏密度的联锁逻辑控制

语言变量E、EC的语言值各取B、E和S三个值其模糊集B、E、S的最大隶属度，对应的误差绝对值|E1|-|E3|与误差变化绝对值|EC1|-|EC3|的一般选取原则是：|E3|和|EC3|分别由语言变量误差E与误差变化EC的基本论域边界值确定，|E2|和|EC2|分别取|E3|和|EC3|的一半，|E1|和|EC1|的取值与对各控制系统的稳态性能要求有密切关系。根据语言变量误差E与误差变化EC的在线测量值，按设计模糊自整定PID参数控制器的五种组合通过隶属函数加权分别计算PID参数KP、KI和KD的在线整定值，其中加权系数KP1- KP5、KI1-KI5I和KD1-KD5分别取相应各种组合下的常规PID参数整定值。应用模糊集理论，根据系统运行状态，在线整定控制器PID参数（KP、KI、KD）。由于模糊自整定参数KP、KI，KD与偏差e变化率ec间建立起在线自整定函数关系，且这种关系是根据智能专家的经验和智慧积累起来的，使系统在不同的运动状态下能对PID控制器参数实现智能调节，能明显改善被控过程的动态性和稳定性能，提高抗干扰能力。

浓缩药液的液位和收膏密度的联锁逻辑控制

双效浓缩开始生产前,将一效、二效真空阀打开，当一效、二效真空达到设定值时，打开进液调节阀，当药液进入一效、二效蒸发器内液位达到设定值下限时，自动控制蒸汽调节阀，给一效加热器和二效加热器加入蒸汽，药液开始蒸发。同时一效药液蒸发出来的汽体作为加热载体，给二效加热器加热，二效蒸发器同时工作。通过药液的液位控制进液调节阀的开度，随着药液的不断蒸发，当一效、二效药液逐步下降，药液调节阀的开度随之加大，当药液的液位逐步上升，达到上限设定值时，并且药液的密度达到设定下限时，药液调节阀自动关闭。一效、二效蒸发器加入药液的流量是由流量计来进行计量的，关闭一效真空阀，将一效药液吸入二效蒸发器中。一效药液吸入尽后，一效蒸发器再加水清洗。打开二效蒸汽调节阀，继续开始蒸发，二效密度计检测密度达到设定值时控制关闭蒸汽阀和真空阀。打开药液出阀将浓缩药液送入浓缩液储罐。浓缩药液排出后，加水清洗二效蒸发器。

小结

该控制系统完全依据中药提取生产实际工艺设备及工艺流程而制作的模拟仿真系统，充分利用WinCC仿真软件。可先将部分已组态好的软件利用仿真器来测试其组态功能是否完善，及时进行修改，节省大量调试和试运行时间以及试运行资金。该系统为运行管理人员和操作人员提供了掌握自控系统性能特点的平台；通过该平台更好地为生产服务。

该系统投用后，各主要控制参数的平稳率都比以往有很大的提高，产品的质量达到有效控制，成功实现了中药提取生产的全过程监控、各种实时在线计算和过程参数的自动控制。中药提取生产过程参数的运行分析结果以生成报表的形式送到管理部门，对生产进行监管；同时用文本和电子方式存档，实现了常规仪表到计算机自动控制系统的改造。