1 工藝簡(jiǎn)介
　　EPA分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)2005年9月份在華東制藥的二期項(xiàng)目中成功投運(yùn)，主要應(yīng)用在阿卡波糖生產(chǎn)車間。阿卡波糖是一種生物合成的假性四糖，能夠抑制a-葡萄糖苷酶的活性，從而導(dǎo)致了腸內(nèi)多糖、寡糖或雙塘的降解，使碳水化合物的葡萄糖的降解和吸收入血速度變緩，降低了餐后血糖的升高，使平均血糖下降?；瘜W(xué)名：O-4，6-雙脫氧-4[[（1S,4R,5S,6S）4，5，6-三羥基-3-（羥基甲基）-2-環(huán)己烯-1-基]氨基]-a-D-吡喃葡糖基（1→4）-D-吡喃葡萄糖結(jié)構(gòu)式，如圖1所示。

圖1 分子結(jié)構(gòu)式示意圖
　　阿卡波糖是一種非胰島素促進(jìn)劑的有效的口服型降血糖藥，主要用于Ⅱ型糖尿病的治療。發(fā)酵是阿卡波糖生產(chǎn)的初始階段，菌種在一定的溫度、壓力以及氧氣容量的條件下發(fā)酵并完成菌種的培育，發(fā)酵罐內(nèi)的溫度是非常關(guān)鍵的一個(gè)監(jiān)測(cè)量，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用雙支式熱電阻，以冗余的工作方式對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)溫度進(jìn)行測(cè)量。發(fā)酵本身是放熱反應(yīng)，在發(fā)酵的過(guò)程中，通過(guò)安裝在罐內(nèi)的攪拌機(jī)對(duì)發(fā)酵物進(jìn)行攪拌，以保證整個(gè)罐內(nèi)的溫度均勻。由于是放熱反應(yīng)，為了保持發(fā)酵罐內(nèi)的溫度恒定不變，必須通過(guò)水循環(huán)裝置進(jìn)行冷卻，一般使用冷水就可以了，但在冬天則需要使用溫水來(lái)進(jìn)行溫度的控制。發(fā)酵罐內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)通過(guò)冷卻水（或溫水）的流量控制來(lái)進(jìn)行，通過(guò)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)的方式保證發(fā)酵罐罐內(nèi)溫度的恒定。

2 系統(tǒng)的安裝布置
　　發(fā)酵車間具有6個(gè)一級(jí)罐（小罐）、6個(gè)二級(jí)罐（中罐）、10個(gè)三級(jí)罐（大罐），以及公用工程系統(tǒng)（空氣系統(tǒng)、給水系統(tǒng)），整個(gè)系統(tǒng)具有100多個(gè)監(jiān)測(cè)和控制點(diǎn)，每一個(gè)罐的監(jiān)測(cè)點(diǎn)如表1所示。
表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)情況一覽表

　　各個(gè)發(fā)酵罐生產(chǎn)過(guò)程比較獨(dú)立，發(fā)酵時(shí)間、過(guò)程控制基本類似，可以采用統(tǒng)一的控制策略。不管是什么類型的發(fā)酵罐，罐內(nèi)的監(jiān)控點(diǎn)包括罐內(nèi)的壓力、發(fā)酵罐的PH值、罐內(nèi)的溶氧、發(fā)酵罐的空氣流量、噸位測(cè)量、循環(huán)水控制等等，發(fā)酵罐監(jiān)控示意圖如圖2所示。

圖2 發(fā)酵罐監(jiān)控示意圖
　　公用工程系統(tǒng)的示意圖如圖3所示。公用工程的空氣系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)主要包括：進(jìn)氣溫度測(cè)量、冷卻溫度測(cè)量、加熱溫度控制、進(jìn)罐溫度測(cè)量、空氣流量測(cè)量 （0～10kPa／0～600m3/min）、進(jìn)罐壓力測(cè)量 （0～0.25MPa）；供水系統(tǒng)的進(jìn)水溫度測(cè)量 （Pt100 0～150℃）、進(jìn)水壓力測(cè)量 （0～0.6MPa）、進(jìn)水流量測(cè)量 （0～40kPa／0～800t/h）、回水溫度測(cè)量 （Pt100 0～150℃）；蒸汽系統(tǒng)主要包括：蒸汽溫度、蒸汽壓力，以及蒸汽流量的測(cè)量。

圖3 公用工程系統(tǒng)示意圖
　　EPA分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)的安裝布置采用兩個(gè)網(wǎng)段，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。每個(gè)網(wǎng)段是60個(gè)設(shè)備，系統(tǒng)安裝方案主要是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)酵罐和公用工程系統(tǒng)的物理位置來(lái)確定。在工程實(shí)施的過(guò)程中，我們將一級(jí)罐和二級(jí)罐的監(jiān)控點(diǎn)分配在第一個(gè)EPA網(wǎng)段，三級(jí)罐、空氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)以及蒸汽系統(tǒng)的監(jiān)控點(diǎn)分配在第二個(gè)EPA網(wǎng)段。EPA的現(xiàn)場(chǎng)控制器、EPA網(wǎng)橋以及EPA的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)都采用了冗余的安裝方式，實(shí)現(xiàn)了徹底的冗余，并且實(shí)現(xiàn)了控制以及通信的無(wú)擾動(dòng)切換，整個(gè)控制系統(tǒng)的性能得到了充分的提高，特別體現(xiàn)在系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及維護(hù)的便捷性。

圖4 EPA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
　　在華東制藥二期項(xiàng)目中一個(gè)最主要的突破是在生產(chǎn)裝置上面直接安裝了基于EPA協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)變送器，取代了傳統(tǒng)的模擬變送器，對(duì)于暫時(shí)無(wú)法開發(fā)的變送器（比如齊平膜的小型壓力變送器、溶氧變送器以及PH值變送器），在工程實(shí)施的過(guò)程中我們安裝了基于EPA協(xié)議的各種常規(guī)IO信號(hào)采集模塊，將常規(guī)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合EPA協(xié)議的數(shù)字信號(hào)接入到整個(gè)EPA系統(tǒng)中。在這次項(xiàng)目中安裝了將近30臺(tái)基于EPA的壓力變送器、20臺(tái)基于EPA的雙路溫度變送器以及4臺(tái)電磁流量計(jì)，對(duì)于所有設(shè)備的設(shè)備組態(tài)、標(biāo)定、調(diào)校等功能可以通過(guò)EPA的設(shè)備管理軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的設(shè)備管理，這極大地方便了儀表工程師的設(shè)備維護(hù)工作。

3 系統(tǒng)控制方案實(shí)施與應(yīng)用
　　整個(gè)發(fā)酵罐內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)比較復(fù)雜，但是控制方案的實(shí)施相對(duì)比較簡(jiǎn)單，每個(gè)發(fā)酵罐有：溫度、PH值、溶氧、罐底壓力、罐頂壓力、空氣流量和電機(jī)（攪拌機(jī)）轉(zhuǎn)速7個(gè)信號(hào)采集點(diǎn)及一個(gè)冷卻水閥門（開關(guān)量）控制點(diǎn)。除溫度和冷卻水閥門構(gòu)成一個(gè)溫控回路外，其他點(diǎn)只作信號(hào)采集的作用。首先是發(fā)酵罐內(nèi)溫度的控制，如前所述，就是將罐內(nèi)的溫度與冷卻水的流量控制構(gòu)成單回路；其次是溶氧，通過(guò)檢測(cè)溶氧值實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵罐空氣流量的控制，保證發(fā)酵過(guò)程的溶氧量在正常的設(shè)定范圍內(nèi)。
公用工程的控制關(guān)鍵主要是總空氣溫度的控制，送入發(fā)酵罐的空氣經(jīng)過(guò)3次過(guò)濾，并且在進(jìn)入罐內(nèi)時(shí)溫度需要控制在50　℃左右，空氣溫度的調(diào)節(jié)主要是通過(guò)調(diào)節(jié)蒸汽的流量來(lái)進(jìn)行。
　　通過(guò)控制冷卻水流量來(lái)控制罐內(nèi)溫度：當(dāng)監(jiān)測(cè)到當(dāng)前溫度-設(shè)定溫度 > 設(shè)定溫差限定值（0.1℃）時(shí)，通過(guò)開出量卡，打開冷卻水閥門，讓冷卻水對(duì)罐內(nèi)溫度進(jìn)行降溫；而相反，當(dāng)設(shè)定溫度-當(dāng)前溫度 > 設(shè)定溫差限定值（0.1℃）時(shí)，這時(shí)罐內(nèi)溫度低于設(shè)定值，通過(guò)開出量卡，關(guān)閉冷卻水閥門，利用罐內(nèi)發(fā)酵所產(chǎn)生的熱量使得罐內(nèi)溫度自然得到升高。
　　《EPA通信標(biāo)準(zhǔn)》針對(duì)工業(yè)控制這種數(shù)據(jù)傳輸類型的特點(diǎn)，將通信周期分為周期性通信信息數(shù)據(jù)發(fā)送和非周期性通信信息數(shù)據(jù)發(fā)送兩個(gè)階段：對(duì)周期性通信信息數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了通信調(diào)度的時(shí)間分片方法，各設(shè)備基于IEEE 1588實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間同步，在周期數(shù)據(jù)發(fā)送階段，根據(jù)組態(tài)配置自動(dòng)計(jì)算，只有在其發(fā)送數(shù)據(jù)的起始時(shí)間到的時(shí)候，才發(fā)送周期數(shù)據(jù)，使其滿足對(duì)時(shí)間有嚴(yán)格要求的控制數(shù)據(jù)的傳輸需要；對(duì)非周期性通信信息數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)了基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度方法，設(shè)備自動(dòng)計(jì)算本設(shè)備非周期性通信信息數(shù)據(jù)在本網(wǎng)段內(nèi)的優(yōu)先級(jí)，依優(yōu)先級(jí)大小發(fā)送非周期性通信信息數(shù)據(jù)，避免了以太網(wǎng)通信報(bào)文碰撞，確保優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文，例如報(bào)警信息得到優(yōu)先發(fā)送，而又不至于影響有嚴(yán)格時(shí)間要求的數(shù)據(jù)通信。
　　實(shí)現(xiàn)分時(shí)調(diào)度的前提是網(wǎng)絡(luò)上每臺(tái)設(shè)備的時(shí)間一致性。首先在組態(tài)軟件根據(jù)各個(gè)設(shè)備的描述文件和系統(tǒng)的控制的構(gòu)架下，對(duì)每個(gè)網(wǎng)路設(shè)備分配一定的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間，然后將組態(tài)信息下載到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

圖5 EPA確定性通信調(diào)度示意圖
　　在一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)微網(wǎng)段內(nèi)，所有EPA設(shè)備的通信均按周期進(jìn)行，完成一個(gè)通信周期所需的時(shí)間T稱為一個(gè)通信宏周期（Communication Macro Cycle）。
　　一個(gè)通信宏周期T分為兩個(gè)階段，其中第一個(gè)階段為周期報(bào)文傳輸階段Tp，第二個(gè)階段為非周期報(bào)文傳輸階段Tn（如圖5所示）。在周期報(bào)文傳輸階段Tp，每個(gè)EPA設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的報(bào)文是包含周期數(shù)據(jù)的報(bào)文。周期數(shù)據(jù)是指與過(guò)程有關(guān)的數(shù)據(jù)，如需要按控制回路的控制周期傳輸?shù)臏y(cè)量值、控制值，或功能塊輸入、輸出之間需要按周期更新的數(shù)據(jù)。周期報(bào)文的發(fā)送優(yōu)先級(jí)應(yīng)為最高。在非周期報(bào)文傳輸階段Tn，每個(gè)設(shè)備向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的報(bào)文是包含非周期數(shù)據(jù)的報(bào)文。非周期數(shù)據(jù)是指用于以非周期方式在兩個(gè)通信伙伴間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如程序的上下載數(shù)據(jù)、變量讀寫數(shù)據(jù)、事件通知、趨勢(shì)報(bào)告等數(shù)據(jù)，以及諸如ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICMP、IGMP等應(yīng)用數(shù)據(jù)。非周期報(bào)文按其優(yōu)先級(jí)高低、IP地址大小及時(shí)間有效方式發(fā)送。所有EPA微網(wǎng)段內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備先進(jìn)行時(shí)間同步，在時(shí)間同步的基礎(chǔ)上根據(jù)時(shí)間組態(tài)信息進(jìn)行分時(shí)的網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度。
　　在華東制藥應(yīng)用的EPA系統(tǒng)，系統(tǒng)的時(shí)鐘同步精度達(dá)到10μs，每個(gè)設(shè)備分配的周期發(fā)送時(shí)間間隔是1ms,每個(gè)網(wǎng)段的通信宏周期是100ms，控制周期是200 ms。華東制藥的EPA系統(tǒng)在工程實(shí)施之前進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月的出廠聯(lián)調(diào)，一次發(fā)酵過(guò)程需要一個(gè)星期左右時(shí)間，工程實(shí)施結(jié)束之后也已經(jīng)有連續(xù)2個(gè)無(wú)故障發(fā)酵過(guò)程記錄，無(wú)通信故障，無(wú)通信丟包，無(wú)發(fā)送亂序，無(wú)信號(hào)跳變。
　　EPA分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了就地安裝，極大地減少了工程實(shí)施的工作量，節(jié)省了大量的信號(hào)布線，采用了PoE的總線供電方式，基于EPA的現(xiàn)場(chǎng)變送器和常規(guī)信號(hào)采集模塊無(wú)需再另加電源，安裝極其方便，加上EPA現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程管理功能，方便了儀表工程師的維護(hù)工作。