何軍慶　鄭鵬武　李朝

（1中藥固體制劑制造技術(shù)國(guó)家工程研究中心，江西南昌330006）（2江西科技師范大學(xué)，江西南昌330000）

基于MCGS和PLC的中藥提取自控系統(tǒng)研究

何軍慶1鄭鵬武2李朝2

（1中藥固體制劑制造技術(shù)國(guó)家工程研究中心，江西南昌330006）（2江西科技師范大學(xué)，江西南昌330000）

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，越來(lái)越多的現(xiàn)代制藥技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)中藥領(lǐng)域，為古老的中醫(yī)藥注入新的活力。尤其是中藥提取領(lǐng)域新技術(shù)的應(yīng)用，使得中藥提取水平有了極大飛躍。近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的以中藥提取物制備中成藥的生產(chǎn)工藝已成為中藥生產(chǎn)工業(yè)的重要組成部分，中藥提取工藝的先進(jìn)與否與中藥產(chǎn)品的安全有效有著直接的關(guān)系。本文歸納總結(jié)了國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，詳細(xì)介紹MCGS組態(tài)軟件及其在傳統(tǒng)中藥提取工藝過(guò)程中的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，并分析了該技術(shù)在中藥生產(chǎn)應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)，闡述了作者對(duì)現(xiàn)代中藥發(fā)展的觀點(diǎn)。

組態(tài)軟件；MCGS；中藥提取；自動(dòng)控制

1　引言

MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運(yùn)行于MicrosoftWindows 95/98/Me/NT/2000等操作系統(tǒng)。

MCGS為用戶提供了解決實(shí)際工程問(wèn)題的完整方案和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能［1］。

中藥中間體的生產(chǎn)工藝，一般是提取、過(guò)濾、濃縮、沉淀、分離、吸附、洗脫、濃縮收膏、噴霧造粒，以及配套的乙醇回收等幾個(gè)工段組成。中藥提取是中藥生產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，建立中藥提取自控系統(tǒng)可以從產(chǎn)品的源頭上解決中藥產(chǎn)品工藝和成分的穩(wěn)定性、可靠性問(wèn)題，更好地與國(guó)家GMP規(guī)范相融合，有利于保證產(chǎn)品質(zhì)量。特別是在滿足企業(yè)內(nèi)部制劑需求的同時(shí)，還可以對(duì)外承攬中藥提取加工業(yè)務(wù)，其生產(chǎn)能力強(qiáng)，產(chǎn)值高，發(fā)展前景好，將成為企業(yè)盈利的重要環(huán)節(jié)。把中藥提取作為一個(gè)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，對(duì)于推動(dòng)中藥現(xiàn)代化具有重要作用。現(xiàn)在有不少中藥現(xiàn)代化企業(yè)，已把中藥原料藥提取作為打入國(guó)際市場(chǎng)的突破口。

2　中藥提取系統(tǒng)概況

2.1中藥提取系統(tǒng)工序

提取是從藥材原料中分離有效成份的單元操作，直接關(guān)系到產(chǎn)品有效成份的含量，影響內(nèi)在質(zhì)量、臨床療效、經(jīng)濟(jì)效益及GMP的實(shí)施。中藥提取的基本方法為浸漬法（常溫浸漬法、溫浸法、煎煮法）、滲漉法、回流法。根據(jù)煎煮法加壓與否，可分為常壓煎煮法和加壓煎煮法。常壓煎煮法適用于一般性藥材的煎煮，加壓煎煮適用于藥物成分在高溫下不易被破壞，或在常壓下不易煎透的藥材。生產(chǎn)上常用蒸氣進(jìn)行加壓煎煮［2］。本文所采用的中藥提取為浸漬法中的加壓煎煮法。

本文中藥提取控制過(guò)程為：投料，開(kāi)啟提取罐，提取到達(dá)規(guī)定時(shí)間后，開(kāi)啟三足式（或碟式）離心機(jī)，待運(yùn)行穩(wěn)定后開(kāi)啟提取罐出料口閥門(mén)、螺桿泵、儲(chǔ)罐進(jìn)料閥、料泵，將藥液輸送至儲(chǔ)罐；待儲(chǔ)罐裝滿后或提取罐藥液排盡后，關(guān)閉提取罐出料口閥門(mén)、螺桿泵、儲(chǔ)罐進(jìn)料閥、料泵。

當(dāng)提取進(jìn)行一段時(shí)間后，開(kāi)啟提取罐出料口閥門(mén)、螺桿泵、循環(huán)閥門(mén)，定時(shí)對(duì)藥液進(jìn)行循環(huán)，并自動(dòng)記錄藥液循環(huán)時(shí)間。

提取過(guò)程中，當(dāng)開(kāi)啟螺桿泵時(shí)，同時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟提取罐出料口閥門(mén)；當(dāng)關(guān)閉出料口閥門(mén)時(shí)，同時(shí)自動(dòng)關(guān)閉螺桿泵，以減少螺桿泵的損耗。當(dāng)加水打開(kāi)閥門(mén)時(shí)，自動(dòng)顯示水的流量，并記錄累積流量。當(dāng)溫度、壓強(qiáng)、液位超過(guò)上下限時(shí)，進(jìn)行報(bào)警，并進(jìn)行記錄，并且當(dāng)提取罐液位超過(guò)提取罐液位上限時(shí)，同時(shí)自動(dòng)關(guān)閉加水和加乙醇的閥門(mén)。當(dāng)開(kāi)啟攪拌時(shí)，自動(dòng)記錄攪拌時(shí)間。

當(dāng)提取完成后，對(duì)提取罐進(jìn)行卸渣處理，為保證卸渣過(guò)程安全，卸渣開(kāi)始時(shí)，首先打開(kāi)汽缸進(jìn)行排氣，排氣完成后將旋動(dòng)卸渣蓋，最后將蓋打開(kāi)。

2.2中藥提取系統(tǒng)控制參數(shù)

表1　加料控制參數(shù)

“溶劑加入量”和“溶劑液面”是對(duì)反應(yīng)罐中溶劑的控制，可以使得提取加料過(guò)程中加料更加準(zhǔn)確。

表2　提取控制過(guò)程參數(shù)表

對(duì)“夾套蒸汽壓力”和“罐內(nèi)壓力”的監(jiān)控可以提高提取過(guò)程的安全系數(shù)，防止提取罐由于壓力過(guò)大而帶來(lái)不安全因素。對(duì)“罐內(nèi)溫度”的監(jiān)控，可以控制提取過(guò)程速度和防止提取成分的變性等因素，對(duì)“藥液循環(huán)時(shí)間”和“藥液攪拌時(shí)間”的監(jiān)控，可以控制藥液的混合程度。

表3　放料控制參數(shù)表

“暫存罐液位”是記錄提取過(guò)程最終出料的直接數(shù)據(jù)。

3　中藥提取的MCGS軟件設(shè)計(jì)

3.1中藥提取流程圖的設(shè)計(jì)

中藥提取流程圖的設(shè)計(jì)主要是用戶窗口設(shè)計(jì)，用戶窗口主要用于設(shè)置工程中人機(jī)交互的界面，諸如：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警輸出、數(shù)據(jù)與曲線圖表等［3］。根據(jù)系統(tǒng)要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了主窗口、加料記錄、歷史溫度和報(bào)警屬性五個(gè)用戶窗口。具體制作如下：

選中“用戶窗口”，新建窗口，在窗口屬性中命名為“主窗口”，依次建立如圖1窗口。

圖1　用戶窗口

雙擊“主窗口”，彈出主窗口版面。插入提取罐位圖作為提取罐?！安迦朐敝械摹皟?chǔ)藏罐”的“罐8”作為暫存罐，“泵”中的“泵32”作為料泵。采用的閥門(mén)均為“閥43”，“游標(biāo)16”作為飲用水流量計(jì)。適度調(diào)整各元件大小，采用管道和流動(dòng)塊將以上元件相連接，建立若干標(biāo)簽、輸入框、下拉框、標(biāo)準(zhǔn)按鈕、實(shí)時(shí)曲線表，調(diào)整適宜字體大小和顏色后如圖2排列。

圖2　主窗口

依次在加料記錄窗口建立自由表格用于記錄加料記錄，在歷史溫度窗口建立“歷史曲線”記錄提取罐和暫存罐歷史溫度，在歷史壓強(qiáng)窗口建立“歷史曲線”記錄提取罐和暫存罐歷史壓強(qiáng)。在報(bào)警顯示窗口建立“報(bào)警顯示”記錄溫度和壓強(qiáng)的歷史報(bào)警記錄。

根據(jù)圖3設(shè)計(jì)參數(shù)控制窗口。

圖3　參數(shù)設(shè)置

根據(jù)圖4設(shè)計(jì)卸渣窗口，其中“已關(guān)閉”和“已開(kāi)啟”標(biāo)簽重疊。

圖4　卸渣控制

3.2中藥提取流程的動(dòng)畫(huà)設(shè)置

3.2.1實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

如圖5在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中新建對(duì)象名稱為：閥門(mén)開(kāi)度、反應(yīng)罐液位、累計(jì)流量、瞬時(shí)流量、溫度1、溫度2、壓強(qiáng)、藥液循環(huán)時(shí)間、暫存罐溫度、暫存罐液位、夾套蒸汽壓強(qiáng)、提取罐液位上限、提取罐液位下限、暫存罐液位上限、暫存罐液位下限、溫度1上限、溫度2上限、溫度1下限、溫度2下限夾套蒸汽壓強(qiáng)上限、罐內(nèi)壓強(qiáng)上限的數(shù)值型數(shù)據(jù)對(duì)象，其中反應(yīng)罐液位、累計(jì)流量、瞬時(shí)流量、暫存罐液位“基本屬性”中“小數(shù)位”設(shè)為：2；新建對(duì)象名稱為：提取罐出料口閥、濃縮閥、去碟片離心機(jī)閥、藥液循環(huán)泵、循環(huán)閥、乙醇閥、飲用水閥、暫存罐閥、蒸汽閥、排氣、旋蓋、開(kāi)蓋、卸渣、攪拌的開(kāi)關(guān)型數(shù)據(jù)對(duì)象；新建對(duì)象名稱為：報(bào)警數(shù)據(jù)組的組對(duì)象，組對(duì)象成員增加：溫度1、溫度2、暫存罐溫度、壓強(qiáng)、反應(yīng)罐液位、暫存罐液位。

圖5　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

3.2.2運(yùn)行策略設(shè)計(jì)

運(yùn)行策略是指對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行流程進(jìn)行控制的方法和條件，它能夠?qū)ο到y(tǒng)執(zhí)行某項(xiàng)操作和實(shí)現(xiàn)某種功能進(jìn)行有條件的約束。運(yùn)行策略由多個(gè)復(fù)雜的功能模塊組成，稱為“策略塊”，用來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行流程的自由控制，使系統(tǒng)能按照設(shè)定的順序和條件，進(jìn)行操作實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，控制用戶窗口的打開(kāi)、關(guān)閉以及控制設(shè)備構(gòu)件的工作狀態(tài)等一系列工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)工作過(guò)程的精確控制及有序的調(diào)度管理［3］。根據(jù)提取流程需要本文實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)如下。

圖6　運(yùn)行策略

根據(jù)圖6建立打開(kāi)數(shù)據(jù)窗口、提取罐出料口閥、提取罐泵、參數(shù)設(shè)置四個(gè)用戶策略和卸渣的循環(huán)策略，分別用于顯示所有數(shù)據(jù)窗口、關(guān)閉反應(yīng)閥同時(shí)關(guān)閉提取罐泵、打開(kāi)提取罐泵同時(shí)打開(kāi)提取罐出料口閥。

3.2.3主控窗口設(shè)計(jì)

主控窗口是工程的主窗口感主框架。是所有設(shè)備窗口和用戶窗口的父窗口，負(fù)責(zé)這些窗口的管理和調(diào)度，并調(diào)度用戶策略的運(yùn)行［4］。本系統(tǒng)主控窗口登陸界面如圖7所示。具體制作如下：

圖7　主控窗口

3.2.4權(quán)限設(shè)置

在菜單“工具”中單擊“用戶權(quán)限管理”，彈出“用戶管理器”。點(diǎn)擊“用戶組名”下面的空白處，再單擊“新增用戶組”會(huì)彈出“用戶組屬性設(shè)置”；可對(duì)負(fù)責(zé)人密碼進(jìn)行設(shè)置；點(diǎn)擊“用戶名”下面的空白處，再單擊“新增用戶”會(huì)彈出“用戶屬性設(shè)置”，在“用戶密碼”，按“確認(rèn)”按鈕，可以增加新用戶。

4　MCGS軟件與下層PLC相連接

在該系統(tǒng)中采用西門(mén)子S7-200型PLC通過(guò)PC/PPI電纜與上位機(jī)進(jìn)行連接。上位機(jī)與PLC之間的協(xié)議為PPI協(xié)議

利用PC/PPI電纜可以將計(jì)算機(jī)（組態(tài)軟件）和S7-200 PLC連接起來(lái)，PC/PPI電纜連接計(jì)算機(jī)的一端為RS-232接口，連接PLC的一端為RS-485接口，計(jì)算機(jī)組態(tài)軟件與PLC的連接步驟如下：

①通過(guò)PC/PPI電纜上的DIP開(kāi)關(guān)，選擇計(jì)算機(jī)（組態(tài)軟件）與PLC通訊的波特率為19200；

②把PC/PPI電纜的RS-232端連接到計(jì)算機(jī)的串行通一訊口（COM口）；

③把PC/PPI電纜的RS-485端連接到PLC的通訊口0或通訊口1。

⑴S7-200 PLC的I/0設(shè)備地址

由于S7-200系列PLC的型號(hào)不同，設(shè)備地址的范圍不同，所以對(duì)于某一型號(hào)設(shè)備的地址范圍，請(qǐng)見(jiàn)相關(guān)硬件手冊(cè)。地址的設(shè)定可通過(guò)編程軟件STEP7-Micro/WIN來(lái)實(shí)現(xiàn)。

⑵S7-200系列PLC數(shù)據(jù)類型

在57-200 PLC中，可以通過(guò)自由口通訊協(xié)議與組態(tài)軟件之間進(jìn)行通訊的寄存器包括變量寄存器V，輸入映象寄存器I、輸出映象寄存器Q。

⑶自由口通訊協(xié)議

在本套系統(tǒng)中，通訊協(xié)議采用主從的問(wèn)答方式，上位機(jī)（組態(tài)軟件）為主呼方，下位機(jī)（PLC）為應(yīng)答方。協(xié)議格式如下，最后一字節(jié)為校驗(yàn)字節(jié)，校驗(yàn)字節(jié)為前面所有字節(jié)的按位異或值。

5　設(shè)計(jì)結(jié)果

中藥提取MCGS自動(dòng)控制系統(tǒng)包括對(duì)提取罐和暫存罐的控制。對(duì)提取罐的控制包括加料，飲用水和蒸汽的控制，對(duì)飲用水流量進(jìn)行了實(shí)時(shí)測(cè)量，對(duì)液面，溫度，壓強(qiáng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控；對(duì)藥液循環(huán)進(jìn)行了自動(dòng)化控制，當(dāng)提取罐出料口閥、藥液循環(huán)泵和循環(huán)閥同時(shí)打開(kāi)時(shí)，藥液開(kāi)始循環(huán)，循環(huán)開(kāi)始后自動(dòng)記錄循環(huán)時(shí)間；對(duì)藥液攪拌進(jìn)行了自動(dòng)化控制，當(dāng)攪拌啟動(dòng)后自動(dòng)記錄攪拌時(shí)間；對(duì)卸渣過(guò)程進(jìn)行了設(shè)計(jì)，依次經(jīng)過(guò)排氣，旋動(dòng)蓋子，打開(kāi)蓋子三個(gè)步驟。對(duì)暫存罐的溫度、壓強(qiáng)、液位都進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在系統(tǒng)運(yùn)行前，選中參數(shù)設(shè)置界面，對(duì)提取罐及暫存罐的液面、溫度和壓強(qiáng)的上下限值進(jìn)行設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)提取過(guò)程中的報(bào)警控制，本軟件對(duì)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了權(quán)限設(shè)置，僅管理員可以進(jìn)行修改。相對(duì)傳統(tǒng)中藥提取，MCGS中藥提取自動(dòng)化控制系統(tǒng)使得中藥提取更加方便、安全、快捷，節(jié)省了大量人力物力。

6　結(jié)束語(yǔ)

如何使傳統(tǒng)中醫(yī)藥與世界醫(yī)藥接軌是我國(guó)中藥產(chǎn)業(yè)必須解決的課題。從傳統(tǒng)中藥的特點(diǎn)來(lái)看，中藥的提取與精制是必須解決的首要問(wèn)題。中藥提取就是“存其精華，去其糟粕”的過(guò)程，也是中藥制藥的關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)的中藥提取一般是水煎法，煮沸2次，煎煮溫度高、時(shí)間長(zhǎng)、耗能大、浪費(fèi)多［6］。為了解決這些問(wèn)題，利用MCGS組態(tài)軟件控制中藥提取的過(guò)程很好的改善了以上的不足。

本文結(jié)合MCGS控制系統(tǒng)組態(tài)軟件，詳細(xì)地論述了工控組態(tài)軟件的原理及其實(shí)現(xiàn)中藥提取自動(dòng)化控制具體過(guò)程。采用了MCGS一種新的控制策略方法——圖形組態(tài)法，這種方法具有“所見(jiàn)即所得”的特性，對(duì)于熟悉傳統(tǒng)儀表控制的工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，組態(tài)十分方便，解決了傳統(tǒng)的組態(tài)軟件中編程語(yǔ)言組態(tài)不直觀的缺點(diǎn)。組態(tài)軟件在大多數(shù)工業(yè)上都有較廣的應(yīng)用，具有很好的發(fā)展前景。由此可見(jiàn)，MCGS組態(tài)軟件在中藥提取應(yīng)用中具有廣闊的發(fā)展空間。

［1］吉紅.基于MCGS的水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的研究［D］.天津：津大學(xué)，2005.

［2］仲錫銅，馮崇華，張薇.中藥提取方法的特點(diǎn)與應(yīng)用［J］.山東醫(yī)藥工業(yè)，2002，21（6）：23-24.

［3］許文竹.基于MCGS組態(tài)軟件的水環(huán)境多因子監(jiān)控系統(tǒng)［C］.江蘇大學(xué)，2006

［4］楊軼環(huán).現(xiàn)代中藥提取技術(shù)進(jìn)展［J］.中國(guó)藥房，2006（17）：11-13.

［5］MCGS用戶指南［S］.2006.

［6］劉旭海，陳小榮，魏筱華.現(xiàn)代中藥提取與自動(dòng)化控制［J］.中國(guó)中醫(yī)藥信息雜志，2004-10，11（10）：887-888.

MCGS Based Configuration Software and Extraction Process of Chinese Medicine PLC Automatic Control System Research

HE Jun-qing1，ZHENG Peng-wu2，LI Chao2
（1 National Pharmaceutical Engineering Center，Nanchang Jiangxi 330006）（2 Jiangxi Science&Technology Normal University，Nanchang Jiangxi 330000）

With the development of modern science and technology，an increasing number of modern pharmaceutical technology in the field of traditional Chinese medicine，ancient Chinese medicine inject new vitality.Especially in the field of Chinese medicine extract the application of new technologies，making Chinese medicine has a great leap in the level of extraction.Developed rapidly in recent years to traditional Chinese medicine extract production process of the preparation of proprietary Chinese medicine Chinese medicine production industry has become an important part of the advanced extraction technology of Chinese medicine and Chinese medicine is safe and effective products has a direct relationship.This article summarizes the relevant literature，details MCGS configuration software and its application in traditional Chinese medicine extraction process with the application and analysis of the technology in the production and application of Chinese medicine in the merits of the author of modern the development of Chinese medicine point of view.

configuration software；MCGS；Chinese extraction；automatic control

O245

A

1008-1739（2015）14-62-4

定稿日期：2015-06-26