EPA分布式网络控制系统的安装、控制方案实施与应用

1 工艺简介

EPA分布式网络控制系统2005年9月份在华东制药的二期项目中成功投运，主要应用在阿卡波糖生产车间。阿卡波糖是一种生物合成的假性四糖，能够抑制a-葡萄糖苷酶的活性，从而导致了肠内多糖、寡糖或双塘的降解，使碳水化合物的葡萄糖的降解和吸收入血速度变缓，降低了餐后血糖的升高，使平均血糖下降。化学名：O-4，6-双脱氧-4［［（1S，4R，5S，6S）4，5，6-三羟基-3-（羟基甲基）-2-环己烯-1-基］氨基］-a-D-吡喃葡糖基（1→4）-D-吡喃葡萄糖结构式，如图1所示。

图1分子结构式示意图

阿卡波糖是一种非胰岛素促进剂的有效的口服型降血糖药，主要用于Ⅱ型糖尿病的治疗。发酵是阿卡波糖生产的初始阶段，菌种在一定的温度、压力以及氧气容量的条件下发酵并完成菌种的培育，发酵罐内的温度是非常关键的一个监测量，在系统设计时，采用双支式热电阻，以冗余的工作方式对发酵罐内温度进行测量。发酵本身是放热反应，在发酵的过程中，通过安装在罐内的搅拌机对发酵物进行搅拌，以保证整个罐内的温度均匀。由于是放热反应，为了保持发酵罐内的温度恒定不变，必须通过水循环装置进行冷却，一般使用冷水就可以了，但在冬天则需要使用温水来进行温度的控制。发酵罐内的温度调节通过冷却水（或温水）的流量控制来进行，通过自动控制调节的方式保证发酵罐罐内温度的恒定。

2系统的安装布置

发酵车间具有6个一级罐（小罐）、6个二级罐（中罐）、10个三级罐（大罐），以及公用工程系统（空气系统、给水系统），整个系统具有100多个监测和控制点，每一个罐的监测点如表1所示。

表1监测点情况一览表

各个发酵罐生产过程比较独立，发酵时间、过程控制基本类似，可以采用统一的控制策略。不管是什么类型的发酵罐，罐内的监控点包括罐内的压力、发酵罐的PH值、罐内的溶氧、发酵罐的空气流量、吨位测量、循环水控制等等，发酵罐监控示意图如图2所示。

图2发酵罐监控示意图

公用工程系统的示意图如图3所示。公用工程的空气系统监控点主要包括：进气温度测量、冷却温度测量、加热温度控制、进罐温度测量、空气流量测量（0～10kPa／0～600m3/min）、进罐压力测量（0～0.25MPa）；供水系统的进水温度测量（Pt1000～150℃）、进水压力测量（0～0.6MPa）、进水流量测量（0～40kPa／0～800t/h）、回水温度测量（Pt1000～150℃）；蒸汽系统主要包括：蒸汽温度、蒸汽压力，以及蒸汽流量的测量。

图3公用工程系统示意图

EPA分布式网络控制系统在现场的安装布置采用两个网段，系统的结构示意图如图4所示。每个网段是60个设备，系统安装方案主要是根据现场发酵罐和公用工程系统的物理位置来确定。在工程实施的过程中，我们将一级罐和二级罐的监控点分配在第一个EPA网段，三级罐、空气系统、水系统以及蒸汽系统的监控点分配在第二个EPA网段。EPA的现场控制器、EPA网桥以及EPA的现场监控层网络都采用了冗余的安装方式，实现了彻底的冗余，并且实现了控制以及通信的无扰动切换，整个控制系统的性能得到了充分的提高，特别体现在系统的稳定性以及维护的便捷性。

图4EPA系统结构示意图

在华东制药二期项目中一个最主要的突破是在生产装置上面直接安装了基于EPA协议的现场变送器，取代了传统的模拟变送器，对于暂时无法开发的变送器（比如齐平膜的小型压力变送器、溶氧变送器以及PH值变送器），在工程实施的过程中我们安装了基于EPA协议的各种常规IO信号采集模块，将常规的模拟信号转换成符合EPA协议的数字信号接入到整个EPA系统中。在这次项目中安装了将近30台基于EPA的压力变送器、20台基于EPA的双路温度变送器以及4台电磁流量计，对于所有设备的设备组态、标定、调校等功能可以通过EPA的设备管理软件实现远程的设备管理，这极大地方便了仪表工程师的设备维护工作。

3系统控制方案实施与应用

整个发酵罐内的生物化学反应比较复杂，但是控制方案的实施相对比较简单，每个发酵罐有：温度、PH值、溶氧、罐底压力、罐顶压力、空气流量和电机（搅拌机）转速7个信号采集点及一个冷却水阀门（开关量）控制点。除温度和冷却水阀门构成一个温控回路外，其他点只作信号采集的作用。首先是发酵罐内温度的控制，如前所述，就是将罐内的温度与冷却水的流量控制构成单回路；其次是溶氧，通过检测溶氧值实现对发酵罐空气流量的控制，保证发酵过程的溶氧量在正常的设定范围内。

公用工程的控制关键主要是总空气温度的控制，送入发酵罐的空气经过3次过滤，并且在进入罐内时温度需要控制在50℃左右，空气温度的调节主要是通过调节蒸汽的流量来进行。

通过控制冷却水流量来控制罐内温度：当监测到当前温度-设定温度》设定温差限定值（0.1℃）时，通过开出量卡，打开冷却水阀门，让冷却水对罐内温度进行降温；而相反，当设定温度-当前温度》设定温差限定值（0.1℃）时，这时罐内温度低于设定值，通过开出量卡，关闭冷却水阀门，利用罐内发酵所产生的热量使得罐内温度自然得到升高。

《EPA通信标准》针对工业控制这种数据传输类型的特点，将通信周期分为周期性通信信息数据发送和非周期性通信信息数据发送两个阶段：对周期性通信信息数据设计了通信调度的时间分片方法，各设备基于IEEE1588实现精确时间同步，在周期数据发送阶段，根据组态配置自动计算，只有在其发送数据的起始时间到的时候，才发送周期数据，使其满足对时间有严格要求的控制数据的传输需要；对非周期性通信信息数据设计了基于优先级的调度方法，设备自动计算本设备非周期性通信信息数据在本网段内的优先级，依优先级大小发送非周期性通信信息数据，避免了以太网通信报文碰撞，确保优先级高的报文，例如报警信息得到优先发送，而又不至于影响有严格时间要求的数据通信。

实现分时调度的前提是网络上每台设备的时间一致性。首先在组态软件根据各个设备的描述文件和系统的控制的构架下，对每个网路设备分配一定的网络时间，然后将组态信息下载到网络设备。

图5EPA确定性通信调度示意图

在一个现场微网段内，所有EPA设备的通信均按周期进行，完成一个通信周期所需的时间T称为一个通信宏周期（CommunicationMacroCycle）。

一个通信宏周期T分为两个阶段，其中第一个阶段为周期报文传输阶段Tp，第二个阶段为非周期报文传输阶段Tn（如图5所示）。在周期报文传输阶段Tp，每个EPA设备向网络上发送的报文是包含周期数据的报文。周期数据是指与过程有关的数据，如需要按控制回路的控制周期传输的测量值、控制值，或功能块输入、输出之间需要按周期更新的数据。周期报文的发送优先级应为最高。在非周期报文传输阶段Tn，每个设备向网络上发送的报文是包含非周期数据的报文。非周期数据是指用于以非周期方式在两个通信伙伴间传输的数据，如程序的上下载数据、变量读写数据、事件通知、趋势报告等数据，以及诸如ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICMP、IGMP等应用数据。非周期报文按其优先级高低、IP地址大小及时间有效方式发送。所有EPA微网段内的网络设备先进行时间同步，在时间同步的基础上根据时间组态信息进行分时的网络通信调度。

在华东制药应用的EPA系统，系统的时钟同步精度达到10μs，每个设备分配的周期发送时间间隔是1ms，每个网段的通信宏周期是100ms，控制周期是200ms。华东制药的EPA系统在工程实施之前进行了长达一个月的出厂联调，一次发酵过程需要一个星期左右时间，工程实施结束之后也已经有连续2个无故障发酵过程记录，无通信故障，无通信丢包，无发送乱序，无信号跳变。

EPA分布式网络控制系统实现了就地安装，极大地减少了工程实施的工作量，节省了大量的信号布线，采用了PoE的总线供电方式，基于EPA的现场变送器和常规信号采集模块无需再另加电源，安装极其方便，加上EPA现场设备的远程管理功能，方便了仪表工程师的维护工作。

责任编辑：gt