侯運(yùn)河,楊慕升

(山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,山東 淄博 255049)

制藥企業(yè)滅菌過程產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如果不能被實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控,將會(huì)降低生產(chǎn)的效率以及藥品的生產(chǎn)質(zhì)量.鑒于此種情況,數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)受到人們的關(guān)注并迅速被認(rèn)可.本文結(jié)合某制藥企業(yè)的實(shí)際情況,對(duì)滅菌系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),將采集到的溫度、壓力等模擬量由計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印.數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控不僅對(duì)滅菌環(huán)節(jié),而且對(duì)整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)和產(chǎn)品的質(zhì)量都有很重要的影響,具有很好的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)意義.

1 系統(tǒng)需求分析

設(shè)計(jì)以某制藥企業(yè)滅菌車間為實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)所,分析每批產(chǎn)品滅菌的實(shí)際過程以及滅菌過程中的工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)滅菌柜中數(shù)據(jù)的采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控.滅菌車間以“批”為單位,對(duì)進(jìn)入滅菌柜中的每批產(chǎn)品進(jìn)行高溫蒸汽滅菌,使相應(yīng)的參數(shù)滿足滅菌的要求.以車間內(nèi)某一批號(hào)的葡萄糖注射液滅菌為例,分析滅菌過程中各滅菌參數(shù)的大小.根據(jù)藥品質(zhì)量規(guī)范以及滅菌的具體要求,在藥品滅菌的過程中要控制滅菌環(huán)境的溫度、壓強(qiáng)以及滅菌的時(shí)間,也就是說溫度、壓強(qiáng)和時(shí)間這3個(gè)參數(shù)決定著藥品的滅菌環(huán)節(jié)是否已經(jīng)完成并且成功.

車間內(nèi)對(duì)葡萄糖注射液的滅菌過程如圖1所示,通過數(shù)據(jù)采集和微機(jī)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對(duì)滅菌數(shù)據(jù)的采集和過程的監(jiān)控.由圖1可知,整個(gè)滅菌過程所需時(shí)間為91.05min,其中溫度上升時(shí)間為43.05min,恒溫滅菌時(shí)間約為12.017min,冷卻時(shí)間約為35.983min.在整個(gè)過程中要控制每一時(shí)間段上的溫度和相應(yīng)的壓強(qiáng).

基于制藥企業(yè)滅菌過程的具體要求,在數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控過程中要完成以下工作:①采集滅菌柜中溫度和蒸汽壓力的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);②處理采集到的溫度和蒸汽壓力的模擬信號(hào);③采集數(shù)據(jù)的屏幕顯示和存儲(chǔ);④人機(jī)交互,人能夠?qū)Σ杉到y(tǒng)發(fā)出指令.

圖1 葡萄糖注射液的滅菌過程

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的選用

設(shè)計(jì)時(shí),可針對(duì)滅菌過程中的具體要求選用合適的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng).目前,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為兩類:(1)采集卡內(nèi)置型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);(2)采集卡外置型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).

2.1 采集卡內(nèi)置型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

采集卡內(nèi)置型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心為數(shù)據(jù)采集卡,采集卡通常被安裝在主機(jī)箱內(nèi)的任何一個(gè)ISA總線插槽中,信號(hào)電纜從機(jī)箱外部直接接入.這種安裝方法雖然可行,但存在一定的局限:采集卡易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾,易造成采集數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確,而且由于受計(jì)算機(jī)插槽數(shù)量和地址、中斷資源的限制,不可能掛接很多設(shè)備[1].針對(duì)以上局限,根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)際需要,本文采用采集卡外置型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來完成滅菌過程中數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控任務(wù).

2.2 采集卡外置型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

采集卡外置型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與內(nèi)置型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理一樣,所不同的就是將數(shù)據(jù)采集卡放在主機(jī)的外部,傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集站再做進(jìn)一步處理.在制藥企業(yè)的滅菌車間里,滅菌柜中采集的數(shù)據(jù)最終傳送到PC機(jī)顯示并存儲(chǔ).由于現(xiàn)實(shí)條件的限制,在滅菌車間中,傳感器到PC機(jī)還存在一段距離.在這種情況下,必須考慮信號(hào)的傳輸介質(zhì)以及傳輸方式對(duì)傳輸信號(hào)造成的影響.基于對(duì)實(shí)際情況的考慮,采用了串行總線技術(shù)構(gòu)成的滅菌柜遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng).

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

3.1 方案的比較

目前,串行總線有RS-485、USB、現(xiàn)場(chǎng)總線等.采用RS-485總線技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理,相對(duì)于如FF、CAN、Lon Works、Profibus等現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)而言,具有明顯的優(yōu)越性,在一定時(shí)間內(nèi)它仍是中小規(guī)模數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要形式[2],因而RS-485總線系統(tǒng)得到人們的認(rèn)可并被應(yīng)用在本次設(shè)計(jì)中.但僅采用RS-485總線模塊將傳感器在采集現(xiàn)場(chǎng)采集到的模擬量數(shù)字化的傳輸方式數(shù)據(jù)傳輸速度慢,不利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,會(huì)給本次設(shè)計(jì)和企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用帶來限制.基于對(duì)實(shí)際條件的考慮,能夠彌補(bǔ)這種限制的USB也被應(yīng)用到本次設(shè)計(jì)中.USB(Universal Aerial Bus,通用串行總線)的優(yōu)點(diǎn)為:傳輸速度快、設(shè)備安裝和配置容易、易于擴(kuò)展、能夠采用總線供電、使用靈活而且還可以提供電源.但是USB也有其應(yīng)用障礙:傳輸距離是限制USB在滅菌車間現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的一個(gè)障礙,即使增加了中繼或者Hub,USB傳輸距離通常也不超過幾十米[3],這個(gè)傳輸距離對(duì)于制藥企業(yè)的滅菌車間而言顯然太短了.所以在實(shí)際應(yīng)用中采用RS-485總線和USB配合使用,以保證采集系統(tǒng)更高的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性.

3.2 方案的選用

由圖1可知,滅菌柜中為高溫高壓環(huán)境,所以選擇的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)惡劣環(huán)境,不會(huì)因?yàn)閻毫迎h(huán)境的影響而造成采集精度的下降甚至數(shù)據(jù)采集的失敗.集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是用數(shù)字信號(hào)代替模擬信號(hào)傳輸,有利于克服常摸干擾和共模干擾.因此,這種系統(tǒng)適合于滅菌柜中高溫高壓的環(huán)境.

基于制藥企業(yè)實(shí)際的滅菌過程,本系統(tǒng)使用集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)滅菌柜中的溫度值和蒸汽壓力值進(jìn)行采集和監(jiān)控,集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖2所示.圖2中,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最前端為傳感器,傳感器是滅菌柜中溫度和壓力因子數(shù)據(jù)采集的重要器件,用來感知環(huán)境因子的變化.

對(duì)于采集信號(hào)的傳輸介質(zhì),本設(shè)計(jì)采用USB和RS-485相結(jié)合的方式.USB和RS-485相結(jié)合構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案是:在滅菌車間采集現(xiàn)場(chǎng),PC機(jī)端有一個(gè)雙向RS-485/USB的轉(zhuǎn)換接口,利用RS-485總線協(xié)議和USB相結(jié)合和這個(gè)雙向RS-485/USB的轉(zhuǎn)換接口接收RS-485總線模塊的數(shù)據(jù)并通過USB接口傳輸至PC機(jī),將數(shù)據(jù)采集器采集到的模擬量進(jìn)行濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)化等處理[4].而PC機(jī)向數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的過程正好相反;PC機(jī)向USB口發(fā)送數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)通過RS-485口發(fā)送,再通過RS-485/USB轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換為RS-485總線協(xié)議向遠(yuǎn)端輸送.

圖2 集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

4 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了更加準(zhǔn)確地測(cè)量滅菌的溫度,在滅菌柜中采用4個(gè)溫度傳感器來分別測(cè)量滅菌柜中4個(gè)邊角的溫度.為了保證測(cè)量溫度的準(zhǔn)確和均衡,在實(shí)際滅菌時(shí),要以至少3個(gè)溫度傳感器的溫度同時(shí)達(dá)到滅菌溫度為準(zhǔn),也就是至少3個(gè)溫度傳感器的溫度達(dá)到121℃時(shí),滅菌過程正式開始.

滅菌柜中的最高溫度在130℃左右,最高壓強(qiáng)為300kPa,所以,選用的溫度傳感器的最大測(cè)量值要大于130℃,壓力傳感器的絕壓最大值應(yīng)大于300kPa.在滿足測(cè)量范圍的基礎(chǔ)上,傳感器的精度也是需要考慮的一個(gè)重要因素,傳感器精度的高低是影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度、可靠性和成本的重要因素之一.在精度、可靠性滿足系統(tǒng)要求的情況下選擇價(jià)格適宜的傳感器.

溫度傳感器采用KT Y系列溫度傳感器KT Y81-110,該傳感器的測(cè)量溫度范圍為-50～150℃.壓力傳感器采用規(guī)格為US9111的氣壓傳感器,該傳感器的工作溫度為-40～125℃,可提供100kPa、200kPa、350kPa和700kPa的絕壓量程.

RM417為遠(yuǎn)端模擬量采集模塊,適用于各類工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),可采集16路信號(hào),并通過RS-485接口與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信.RM417采用ADS7808A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行12位模數(shù)轉(zhuǎn)換,采用單片機(jī)89C52對(duì)ADS7808轉(zhuǎn)換的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并通過RS-485通信線與上位機(jī)通信.采集系統(tǒng)硬件連接圖如圖3所示.

圖3 采集系統(tǒng)硬件連接圖

4.1 數(shù)據(jù)采集過程設(shè)計(jì)

根據(jù)滅菌環(huán)境的需要,主機(jī)放在距離滅菌柜較遠(yuǎn)的監(jiān)控室中,主機(jī)與采集系統(tǒng)通過USB相連,按照如圖2所示的連接方式將硬件連接好.整個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí),先由最前端的溫度傳感器KTY81-110和氣壓傳感器US9111分別采集滅菌柜中的滅菌溫度和滅菌的蒸汽壓力,將采集到的模擬量傳送到數(shù)據(jù)采集站RM417中進(jìn)行數(shù)字化處理,即對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行二次數(shù)據(jù)計(jì)算(通常把直接由傳感器采集到的數(shù)據(jù)稱為一次數(shù)據(jù),對(duì)一次數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)字運(yùn)算而獲得的數(shù)據(jù)稱為二次數(shù)據(jù))[5],然后由RS-485總線協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳.在PC機(jī)端有一個(gè)雙向RS-485/USB的轉(zhuǎn)換接口,利用這個(gè)轉(zhuǎn)換接口接收RS-485總線模塊的數(shù)據(jù)并通過USB接口傳輸至PC機(jī)進(jìn)行分析處理.而PC機(jī)向數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)的過程正好相反.

在圖2中,關(guān)鍵設(shè)備除了RM417外,還有RS-485/USB轉(zhuǎn)換器.應(yīng)用National Semiconductor公司的USBN9602+89c51+MAX485可以實(shí)現(xiàn)這一功能,在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好效果.需要特別說明的是,在RS-485/USB轉(zhuǎn)換器中,RS-485接口的功能和通常采用的RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器中RS-485接口的功能完全一樣,也就是說,一個(gè)RS-485/USB轉(zhuǎn)換器能夠完全取代RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器.

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

RM417為單端16通道,通過物理層最終完成主機(jī)與從機(jī)的數(shù)據(jù)傳送.在滅菌柜的數(shù)據(jù)采集過程中,主機(jī)和從機(jī)之間傳送的命令是ASCII格式,模塊地址和數(shù)據(jù)是十六進(jìn)制格式[6].在系統(tǒng)中,從機(jī)完成數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和上傳數(shù)據(jù)等任務(wù),主機(jī)完成數(shù)據(jù)的集中處理任務(wù),所以數(shù)據(jù)采集通信軟件要使主機(jī)和從機(jī)協(xié)調(diào)一致地工作,以減小數(shù)據(jù)通信對(duì)系統(tǒng)的影響.

采集到的數(shù)據(jù)不僅要在界面顯示,而且還要存放到數(shù)據(jù)庫中,供數(shù)據(jù)的對(duì)比和查詢.設(shè)計(jì)不僅要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的界面顯示,而且還要便于實(shí)現(xiàn)以后的數(shù)據(jù)查詢和比較的功能.采用層次模型組織數(shù)據(jù)進(jìn)行采集系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì),其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示.

圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

采用C++Builder6.0作為采集通信軟件界面的開發(fā)工具,采用SQL Server創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫存放數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)查詢采用SQL查詢語言.整個(gè)人機(jī)交互功能設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是人機(jī)交互界面以及數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建.由Form3窗體制作的人機(jī)交互界面如圖5所示.

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的人機(jī)交互界面

Form3窗體使用了3個(gè)ComboBox組件、17個(gè)DBEdit組件、6個(gè)RadioButton組件、1個(gè)Check-Box組件、3個(gè)BitBtn組件、4個(gè)Label組件、2個(gè)GroupBox組件,這些組件組合設(shè)計(jì)完成了人機(jī)交互界面.用SQL Server創(chuàng)建系統(tǒng)所需的命名為QDYY的數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建的過程中需要根據(jù)滅菌的實(shí)際需求建立數(shù)據(jù)表,如建立Results表.整個(gè)系統(tǒng)的查詢功能由SQL語言來實(shí)現(xiàn),交互界面和數(shù)據(jù)的連接需要用到ADOQuery控件,在控件中加入代碼Select*from Results實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫與界面的連接顯示.

5 結(jié)束語

以制藥企業(yè)滅菌車間為應(yīng)用環(huán)境,應(yīng)用PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和SQL Server等軟件開發(fā)工具設(shè)計(jì)了針對(duì)滅菌柜的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)具有采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、迅速,數(shù)據(jù)顯示同步、實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn),大大提高了產(chǎn)品滅菌的效率和質(zhì)量,具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值.

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