摘 要：PLC（可編程控制器），一種廣泛使用的過程控制裝置。本文以制藥生產(chǎn)行業(yè)發(fā)展為背景，簡(jiǎn)要介紹了PLC的發(fā)展歷史，組成和工作原理。在此基礎(chǔ)上介紹了可編程控制技術(shù)在制藥生產(chǎn)中的應(yīng)用，從PLC的優(yōu)勢(shì)出發(fā)，大致選取了一些應(yīng)用于制藥生產(chǎn)過程中的具體實(shí)例，并淺要總結(jié)了目前的不足和可能的發(fā)展方向，為該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展及實(shí)際應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：過程控制技術(shù)；PLC；可編程控制器；制藥生產(chǎn)

制藥行業(yè)，一種特殊產(chǎn)品的生產(chǎn)行業(yè)，自然有著其特殊的地位和重要性。近年來，隨著藥品行業(yè)需求量的增加，藥品GMP的頒布，以及《中國(guó)制造2025》，《醫(yī)藥工業(yè)發(fā)展規(guī)劃指南》等醫(yī)藥行業(yè)相關(guān)政策的提出，傳統(tǒng)制藥行業(yè)的生產(chǎn)方式已難以滿足現(xiàn)代社會(huì)和現(xiàn)代工業(yè)的需求，加上近年來“工業(yè)4.0”，“智能制造”，“智能工廠”等理念的提出，在制藥生產(chǎn)當(dāng)中，更加無人化，自動(dòng)化，智能化的生產(chǎn)模式的發(fā)展便成為一種可能的趨勢(shì)。[1]在此目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的過程中，過程控制技術(shù)便發(fā)揮了重大作用。其中PLC（可編程控制器）具有眾多優(yōu)勢(shì)，已在食品，化工，機(jī)械等領(lǐng)域廣泛使用，且發(fā)揮了重大作用，也必然在制藥工業(yè)的發(fā)展中繼續(xù)發(fā)揮及拓展其優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。

2 可編程控制器簡(jiǎn)介[2]

2.1 PLC發(fā)展歷史

1969年DEC公司基于“新一代控制器應(yīng)具備的十大條件”研制出第一臺(tái)可編程控制器PDP-14，到美國(guó)汽車制造業(yè)應(yīng)用PLC控制技術(shù)取得成功，隨后PLC控制技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，各國(guó)各公司都相繼推出了自己的各代產(chǎn)品，成功地將PLC控制技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械，化工，食品，制藥，通信等眾多領(lǐng)域，同時(shí)其功能也更趨完善，與各個(gè)學(xué)科也有了越來越深入的融合。其按控制功能的發(fā)展，可大致劃分為初創(chuàng)，擴(kuò)展，通信，開放以及現(xiàn)如今的滲透提升五個(gè)階段。

2.2 PLC組成結(jié)構(gòu)

PLC將各個(gè)領(lǐng)域成熟技術(shù)綜合運(yùn)用，控制系統(tǒng)的實(shí)際組成基本與一般微型計(jì)算機(jī)相似，包括軟、硬件兩部分。可編程控制器的軟件是由系統(tǒng)軟件（又稱系統(tǒng)程序）和應(yīng)用軟件（又稱用戶程序）兩部分組成。其硬件結(jié)構(gòu)主要包括基本控制單元（主機(jī)模塊、輸入模塊、輸出模塊、外圍接口模塊，電源模塊等五個(gè)主要部分），擴(kuò)展單元和編程器，顯示器等外部設(shè)備組成。軟件系統(tǒng)和硬件結(jié)構(gòu)，缺一不可，共同組成PLC可編程控制器結(jié)構(gòu)，完成其設(shè)定功能。

2.3 PLC工作原理

可編程控制器具有運(yùn)行和停止兩種工作狀態(tài)。運(yùn)行時(shí)采用不斷循環(huán)地周期掃描工作方式，在一個(gè)掃描周期內(nèi)，基本包括運(yùn)行監(jiān)控，與編程器交換信息，與數(shù)字處理器DPU交換信息，與外部設(shè)備接口交換信息，執(zhí)行用戶程序，輸入輸出等六個(gè)主要任務(wù)。

簡(jiǎn)單來說，每個(gè)工作周期內(nèi)，在系統(tǒng)程序監(jiān)控下，微處理器CPU從首條指令開始，逐條按順序?qū)τ脩羧蝿?wù)程序進(jìn)行查詢、判斷、執(zhí)行，直至遇到結(jié)束符，程序結(jié)束，然后又返回第一條，開始新的一輪掃描，不斷循環(huán)。

3 可編程控制器在制藥生產(chǎn)中應(yīng)用

3.1 PLC的優(yōu)勢(shì)

PLC從上世紀(jì)70年代中期初創(chuàng)階段主要進(jìn)行邏輯運(yùn)算，計(jì)數(shù)，計(jì)時(shí)及順序控制等，用于替代對(duì)開關(guān)量簡(jiǎn)單控制的傳統(tǒng)繼電器?？焖侔l(fā)展到現(xiàn)如今各領(lǐng)域自動(dòng)化，智能化，交叉融合的技術(shù)基礎(chǔ)及重要支持，足以凸顯其具有的先天優(yōu)勢(shì)和巨大的潛在發(fā)展空間。

發(fā)展至今，可編程控制器已具有眾多的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，大致包涵：

1.軟、硬件設(shè)計(jì)從工業(yè)使用環(huán)境出發(fā)，因而使其具有高度可靠性、穩(wěn)定性和極強(qiáng)的抗干擾能力。

2.語言簡(jiǎn)單，選擇眾多，編程方便靈活；信息顯示，友好集中的人機(jī)界面，操作簡(jiǎn)便；自診斷等功能使維修工作量減少，維修技能要求降低，檢修維護(hù)更加快速容易。

3.模塊化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、操作、維修等更加簡(jiǎn)潔靈活。

4.可根據(jù)要求進(jìn)行容量、功能、應(yīng)用、控制范圍的靈活擴(kuò)展。

5.以工業(yè)控制為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)，機(jī)電一體化，體積減小，能耗降低，功能完善。

6.具有一定的信息儲(chǔ)存功能，便于記錄分析，調(diào)整修改等。

7.自動(dòng)化，智能化，在操作、維修等時(shí)期減少了人的參與與工作。

3.2 PLC在制藥生產(chǎn)中的具體應(yīng)用[3][4]

PLC因上述乃至更多的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于制藥生產(chǎn)當(dāng)中，不僅體現(xiàn)在化學(xué)藥物方面，在現(xiàn)代中藥[5][6]，生物藥[7]相關(guān)領(lǐng)域也有其身影；不僅體現(xiàn)在混合[8][9]，攪拌[10]，發(fā)酵[7][11]，干燥[12][13][14]，包衣[15][16]，包裝[5][17]，配藥[5][6]等具體的藥物生產(chǎn)工藝方面，同時(shí)在生產(chǎn)環(huán)境的控制[18][19][20]，藥物相關(guān)用具的生產(chǎn)等方面[21]，也發(fā)揮著重大的作用；不僅體現(xiàn)在整個(gè)聯(lián)動(dòng)工藝流程[22]的整合，改造，設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)于閥門，轉(zhuǎn)鼓，攪拌器等具體裝置的控制，也為代替人工發(fā)揮了巨大作用……

3.2.1 PLC在發(fā)酵過程中的應(yīng)用

發(fā)酵過程是制藥生產(chǎn)尤其是抗菌素等涉及微生物的生產(chǎn)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但傳統(tǒng)的發(fā)酵過程，依賴或部分依賴于人工技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，檢測(cè)不全面、不連續(xù)、不及時(shí)，發(fā)酵進(jìn)程較難控制，人為干擾因素較多。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，可編程控制器應(yīng)用到藥品生產(chǎn)環(huán)節(jié)中發(fā)酵罐的發(fā)酵和提取過程，進(jìn)行溫度，壓力，液位，空氣流量，循環(huán)水流量，溶解氧含量，pH等多個(gè)生產(chǎn)過程重要參數(shù)的同步自動(dòng)檢測(cè)、調(diào)控，并且發(fā)展出帶有自動(dòng)消沫控制，連續(xù)自動(dòng)和手動(dòng)補(bǔ)料，以及故障出現(xiàn)時(shí)報(bào)警、自動(dòng)補(bǔ)救等更加全面的、智能的生產(chǎn)保護(hù)功能，使具有更高的安全性，更穩(wěn)定的運(yùn)行，更少的成本消耗，確保產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。[11]中國(guó)藥科大學(xué)張小慧等人[7]，以國(guó)產(chǎn)組態(tài)軟件——通用監(jiān)控系統(tǒng)（MCGS）為上位機(jī)，采用西門子S7-200系列PLC為下位機(jī)主控器設(shè)計(jì)出具有對(duì)發(fā)酵過程多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，過程控制，并且具有報(bào)警和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等多功能的發(fā)酵過程控制系統(tǒng)，是現(xiàn)代過程控制技術(shù)和醫(yī)藥生產(chǎn)過程的有效結(jié)合，推動(dòng)了發(fā)酵生產(chǎn)工藝的自動(dòng)化發(fā)展。

3.2.2 PLC在沸騰干燥過程中的應(yīng)用

隨著“高效濕法制粒-沸騰干燥”生產(chǎn)工藝被廣泛認(rèn)可，沸騰干燥（流化床干燥）發(fā)展為一種可減少污染，操作方便，合乎GMP要求的生產(chǎn)工序。空氣經(jīng)凈化、預(yù)熱、分布等過程后，將進(jìn)料的濕顆粒吹起，使懸浮呈沸騰狀（流態(tài)化），利于物料流動(dòng)的同時(shí)，增大與其接觸面積，干熱風(fēng)與濕物料間進(jìn)行熱量和水分的交換，進(jìn)而快速完成物料干燥。然而在工藝組合改進(jìn)，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，需要對(duì)風(fēng)量，進(jìn)、排風(fēng)溫度，風(fēng)門角度，物料量，物料溫度、濕度，氣囊密封，斗帶的安全保護(hù)等更多且更復(fù)雜的生產(chǎn)工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控。面對(duì)這些新的生產(chǎn)要求，PLC可編程控制系統(tǒng)再次發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。劉潔等人[13][14]采用西門子S7-200PLC和西門子PLC S7-226控制方式，設(shè)計(jì)出可解決上述生產(chǎn)新問題，且符合GMP要求的沸騰干燥機(jī)，針對(duì)準(zhǔn)備、進(jìn)料、干燥、清洗、附屬等工藝流程選擇出了最優(yōu)PLC控制算法，并且指出了干燥生產(chǎn)過程中最優(yōu)工藝參數(shù)的選擇原則。PLC控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，使制藥工藝生產(chǎn)更能滿足合理化，簡(jiǎn)單化，自動(dòng)化，智能化的要求，推動(dòng)了現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。

3.2.3 PLC在真空冷凍干燥過程中的應(yīng)用

真空冷凍干燥，因其眾多的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于藥品這類特殊產(chǎn)品的生產(chǎn)。但傳統(tǒng)凍干機(jī)，通過按鈕、繼電器等進(jìn)行機(jī)械控制，觸點(diǎn)繁多，電路復(fù)雜，控制延遲，精密度差，且維修不便，越來越不適合凍干工藝的廣泛應(yīng)用。因此，基于PLC可編程控制技術(shù)發(fā)展出的凍干系統(tǒng)，在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大的作用。滕浩[12]應(yīng)用PLC技術(shù)，設(shè)計(jì)改造出可手動(dòng)、自動(dòng)獨(dú)立運(yùn)行的凍干機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)主要參數(shù)設(shè)定，實(shí)時(shí)檢測(cè)，采集顯示，記錄分析，提示和報(bào)警等功能，可靠性、自動(dòng)化程度高，滿足不同客戶的需求。提高了凍干工藝的智能化程度，為冷凍干燥過程的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)提供了參考。

3.2.4 PLC在素片包衣過程中的應(yīng)用

包衣，具有增加藥物穩(wěn)定性，掩蓋不良?xì)馕兜裙δ埽虼嗽谒幬锷a(chǎn)當(dāng)中也是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)包衣機(jī)采用繼電器形式進(jìn)行邏輯控制，雖滿足了生產(chǎn)中對(duì)實(shí)用性的要求，但設(shè)備復(fù)雜，穩(wěn)定性差，存在滯后，維修困難，難以滿足日益增長(zhǎng)的包衣工藝對(duì)于穩(wěn)定性，靈活性，智能化的需求。隨著PLC及配套技術(shù)的成熟，傳統(tǒng)包衣機(jī)的模式已逐步被取代，發(fā)展出一系列應(yīng)用PLC技術(shù)的新型包衣機(jī)。陳永生[15]使用三菱系列可編程控制器及配套設(shè)備進(jìn)行包衣機(jī)系統(tǒng)的改造，消除了使用繼電器的不足，加上觸摸屏人機(jī)界面，自動(dòng)控制變頻器等，穩(wěn)定了生產(chǎn)過程，簡(jiǎn)化了操作，取得了較好的優(yōu)化效果，提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化性能，滿足現(xiàn)代工藝要求，并且減少了設(shè)備保養(yǎng)費(fèi)用等。同時(shí)，PLC技術(shù)也應(yīng)用于包衣機(jī)導(dǎo)流板，滾輪，噴槍等具體設(shè)備部件的控制[16]，解決了對(duì)應(yīng)問題，促進(jìn)了包衣工藝整體的提升優(yōu)化。

4 可編程控制器的不足及未來發(fā)展

可編程控制器具有眾多先天優(yōu)勢(shì)，且在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用中不斷發(fā)掘凸顯出更多的新興優(yōu)勢(shì)，但作為技術(shù)發(fā)展的一個(gè)時(shí)期，其在現(xiàn)階段應(yīng)用當(dāng)中也暴露出一些問題。例如，1.各個(gè)廠家、型號(hào)產(chǎn)品間的兼容性差。2.不同國(guó)家和地區(qū)間有著不同的PLC生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、不同的適應(yīng)系統(tǒng)等，不利于醫(yī)藥企業(yè)全球化發(fā)展。3.與PLC生產(chǎn)設(shè)備相配套的操作人員，雖可進(jìn)行一些日常的生產(chǎn)操作，但相應(yīng)的程序設(shè)計(jì)和設(shè)備修理等技能仍有待普及等。

針對(duì)PLC在現(xiàn)有制藥生產(chǎn)的不足，一方面可以通過對(duì)PLC及配套技術(shù)、設(shè)備、人員的繼續(xù)提升，設(shè)計(jì)、開發(fā)出針對(duì)于制藥行業(yè)特點(diǎn)的完整PLC系統(tǒng)。另一方面，也可基于PLC研究發(fā)展出更加自動(dòng)，智能，全面，友好的操作系統(tǒng)。[23]相信在已有的基礎(chǔ)上，通過各方面的不斷努力，我國(guó)制藥行業(yè)必然會(huì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，乃至全球制藥行業(yè)定會(huì)得到極大提升，共同推進(jìn)人類醫(yī)藥健康大發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：

楊家琛，出生年1998，男，陜西省渭南市，本科生在讀，中國(guó)藥科大學(xué)，專業(yè)：制藥工程。