制藥用水系統(tǒng)具有一定的復(fù)雜性，在生產(chǎn)、儲(chǔ)存以及輸送等環(huán)節(jié)，如果純化水被污染就會(huì)嚴(yán)重影響藥品質(zhì)量，因此需要構(gòu)建純化水檢測(cè)系統(tǒng)，確保制藥用水符合標(biāo)準(zhǔn)。在PLC 技術(shù)快速發(fā)展背景下，構(gòu)建一套針對(duì)制藥工程純化水的在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)制藥用水的品質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保藥品質(zhì)量。

Part

1

引言藥品生產(chǎn)過程中需要使用大量的純化水，利用機(jī)械過濾器以及活性炭過濾器對(duì)自來水進(jìn)行過濾，再利用中間水箱、陰陽樹脂混合床以及紫外線消毒等設(shè)備對(duì)水源進(jìn)行純化。在此過程中，需要密切關(guān)注純化水的pH 值、導(dǎo)電率、總有機(jī)碳等指標(biāo)，采用傳統(tǒng)的線下檢測(cè)模式，不僅檢測(cè)成本較高，且檢測(cè)具有一定的滯后性。為了提升純化水檢測(cè)效率，利用PLC 技術(shù)設(shè)計(jì)一套在線自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)制藥工程純化水質(zhì)量的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

Part

2

制藥用水持續(xù)生產(chǎn)過程控制對(duì)于制藥用水的控制是確保藥品質(zhì)量的重要基礎(chǔ)，為了滿足藥品生產(chǎn)線生產(chǎn)需求，制藥用水采用持續(xù)生產(chǎn)模式，用水系統(tǒng)不間斷運(yùn)行。

2.1

建立持續(xù)生產(chǎn)過程控制模型

從整體上看，對(duì)于持續(xù)生產(chǎn)過程的控制主要分為兩個(gè)方面，即生產(chǎn)管理層面以及實(shí)時(shí)控制層面。前者主要包括制藥企業(yè)制定的生產(chǎn)計(jì)劃以及生產(chǎn)調(diào)度預(yù)案，后者主要包括藥品生產(chǎn)管理、安全管理、供給管理等。依據(jù)上述兩方面內(nèi)容，構(gòu)建持續(xù)生產(chǎn)過程控制模型。

2.2

明確制藥用水系統(tǒng)控制目標(biāo)

生產(chǎn)藥品過程中，用水系統(tǒng)的控制目標(biāo)主要包括8項(xiàng)內(nèi)容：①對(duì)于用水系統(tǒng)的控制要準(zhǔn)確、靈活、快速；②通過遠(yuǎn)程控制的模式，對(duì)制藥用水系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；③對(duì)控制方式進(jìn)行優(yōu)化，提升制水設(shè)備運(yùn)行效率確，保制藥用水品質(zhì)符合藥品生產(chǎn)要求；④針對(duì)制藥用水的電導(dǎo)率、TQC 等關(guān)鍵參數(shù)要進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，確保其符合藥典相關(guān)參數(shù)要求，避免由于重要參數(shù)不符合要求，導(dǎo)致制藥用水被污染，影響藥品質(zhì)量；⑤利用遠(yuǎn)程控制技術(shù)，對(duì)制藥用水系統(tǒng)中的設(shè)備、零件以及傳感裝置進(jìn)行定期的維護(hù)與保養(yǎng)；⑥利用PLC 以及信號(hào)傳輸器實(shí)現(xiàn)對(duì)于制藥用水設(shè)備參數(shù)的遠(yuǎn)程控制；⑦對(duì)制藥用水系統(tǒng)搭配在線預(yù)警系統(tǒng)以及故障報(bào)修系統(tǒng)，確保該系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，相關(guān)維修人員能夠在第一時(shí)間進(jìn)行處理，縮小制藥用水系統(tǒng)故障影響范圍；⑧在制藥用水線控制系統(tǒng)中內(nèi)嵌儲(chǔ)存模塊，自動(dòng)儲(chǔ)存重要參數(shù)，供相關(guān)工作人員隨時(shí)查閱調(diào)取[1]。

Part

3

制藥用水自控系統(tǒng)適配各生產(chǎn)環(huán)節(jié)每種藥品的制備工藝不同，設(shè)備的選擇也存在很大差異。以某制藥企業(yè)制藥用水系統(tǒng)為例，該企業(yè)將制藥用水系統(tǒng)安裝于一般區(qū)域，為該系統(tǒng)配備了單獨(dú)的制水室，確保每個(gè)用水點(diǎn)都處于潔凈區(qū)，制藥用水生產(chǎn)工藝流程見圖1。

圖1 制藥用水生產(chǎn)工藝流程

3.1

原水

原水環(huán)節(jié)主要由水泵、進(jìn)水閥以及儲(chǔ)水罐組成，其主要作用是對(duì)自來水進(jìn)行預(yù)處理，并為純化水系統(tǒng)提供持續(xù)水源。在該環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠確保原水的進(jìn)水閥與儲(chǔ)水罐的液位形成聯(lián)鎖狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)原水儲(chǔ)水罐液位的自動(dòng)調(diào)控。

3.2

預(yù)處理系統(tǒng)

預(yù)處理系統(tǒng)主要由軟化器、雜質(zhì)過濾器等設(shè)備組成。針對(duì)原水所進(jìn)行的預(yù)處理工作，實(shí)際上就是對(duì)市政供水部門提供的水源，通過物理方式（膜純化系統(tǒng)）進(jìn)行過濾，通過這種方式降低原水的渾濁度、硬度，并對(duì)其中的污染物進(jìn)行過濾，調(diào)節(jié)原水的pH 值，并降低原水氯化物含量，通過預(yù)處理環(huán)節(jié)，確保源水符合膜純化系統(tǒng)用水需求，提升RO 膜強(qiáng)化系統(tǒng)工作效率以及使用壽命[2]。

3.3

純化設(shè)備

純化過濾器主要由EDI（系統(tǒng)水處理設(shè)備）檢測(cè)裝置、RO 膜組成，為該環(huán)節(jié)搭配自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，主要是對(duì)純化水溫度、EDI、反滲透、液位以及紫外線消毒設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)。在儲(chǔ)存系統(tǒng)中，在線檢測(cè)功能主要應(yīng)用于對(duì)溫度傳感裝置、進(jìn)水閥、液位感應(yīng)裝置實(shí)時(shí)參數(shù)的監(jiān)控。同時(shí)，對(duì)于儲(chǔ)水罐與各個(gè)用水點(diǎn)之間連接處閥門進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)。

Part

4

在線檢測(cè)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中，工作人員使用由供應(yīng)商統(tǒng)一提供的編程/組態(tài)語言模塊，其中包括功能圖語言、梯形圖語言以及結(jié)構(gòu)化語言等模塊，這些語言模塊的共同特點(diǎn)是專門針對(duì)連續(xù)過程進(jìn)行語言編程的計(jì)算機(jī)語言模塊。實(shí)際進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)工作時(shí)，相關(guān)工作人員要根據(jù)用水系統(tǒng)運(yùn)行情況以及在線檢測(cè)實(shí)際需求，靈活選擇適宜的編程語言。需要注意的是，在選擇編程軟件時(shí)，不僅要考慮軟件與制藥用水在線檢測(cè)系統(tǒng)控制器的適配情況，還要滿足GMP（生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范）中對(duì)于藥品質(zhì)量的要求。因此，工作人員選擇較為成熟，具有一定技術(shù)沉淀的編程軟件，利用成熟的編程軟件確保在不同的軟件版本之間，數(shù)據(jù)能夠完成讀取并記錄，實(shí)現(xiàn)代碼可追溯功能以及模塊測(cè)試功能。

4.2

上位機(jī)的選擇

利用PLC 單片機(jī)構(gòu)建控制系統(tǒng)過程中，對(duì)于上位機(jī)的功能有著較高的要求，為了確保上位機(jī)軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)適配，研究人員選擇上位機(jī)廠商提供的組態(tài)軟件，即SIMENS Win CC軟件，而控制系統(tǒng)選擇SI-EMENS-S7300 型單片機(jī)。在布置上位機(jī)軟件系統(tǒng)過程中，工作人員要檢測(cè)該軟件的完整性，并對(duì)其是否支持制藥用水系統(tǒng)在線檢測(cè)工作關(guān)鍵軟件，例如批量控制（BATCH）、管理信息接口等進(jìn)行驗(yàn)證[3]。此外，上位機(jī)軟件系統(tǒng)還要支持GMP 對(duì)于數(shù)據(jù)記錄以及電子簽名等需求，方便上位機(jī)軟件在今后的工作中具有良好的可拓展性。

4.3

軟件功能設(shè)計(jì)

由于制藥用水系統(tǒng)為不間斷工作模式，因此在設(shè)計(jì)軟件功能時(shí)要考慮該軟件的實(shí)時(shí)連續(xù)控制能力，主要包括：生產(chǎn)管理能力、過程連鎖控制、安全管理、制藥用水過程I/O，參數(shù)檢測(cè)、預(yù)警報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄等功能，確保該系統(tǒng)能夠?qū)ν暾闹扑幱盟鞒踢M(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)督。

4.4

軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)遵循軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化原則，將軟件分為3 個(gè)層次：頂層為制藥用水系統(tǒng)控制層次，負(fù)責(zé)對(duì)制藥用水系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)以及各種設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)與監(jiān)控；中間層為制藥用水生產(chǎn)線上的各個(gè)設(shè)備單元，例如貯液罐、閥門、水泵、過濾器等；底層為每一種設(shè)備所對(duì)應(yīng)的顯示儀表，或者設(shè)備對(duì)應(yīng)的操作單元（圖2）。

圖2 純化水系統(tǒng)在線檢測(cè)HMI界面

4.5

硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)方面，本次設(shè)計(jì)使用了SIEMENS S7300 型單片機(jī)，該型號(hào)單片機(jī)在制藥行業(yè)中運(yùn)用較為廣泛，在工作穩(wěn)定性以及工作效率方面均有著較為突出的表現(xiàn)。4.5.1 數(shù)字量輸入單元數(shù)字量輸入單元最主要的作用，就是將數(shù)字信號(hào)傳輸至PLC單片機(jī)內(nèi)，形成單片機(jī)與輸入數(shù)字量信號(hào)的連接。例如用水點(diǎn)啟動(dòng)/關(guān)閉狀態(tài)、變頻裝置工作狀態(tài)等。工作人員在該單元配備了兩線制接近開關(guān)模塊以及信號(hào)連接標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)模塊，利用單色LED 屏幕顯示操作指令的輸入情況，這種設(shè)計(jì)模式的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)于插槽的使用沒有嚴(yán)格的限制，模塊的插拔較為方面，工作人員能夠根據(jù)信號(hào)輸入地址，對(duì)插槽進(jìn)行合理分配。4.5.2 數(shù)字量輸出單元該單元的主要功能是將控制裝置產(chǎn)生的過程變量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)傳輸至其他單元模塊。實(shí)際工作中，當(dāng)PLC 單片機(jī)生成了控制指令，其內(nèi)部信號(hào)電平轉(zhuǎn)換為能夠被各個(gè)模塊以及操作終端識(shí)別的外部信號(hào)電平，通過這種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)于水泵、閥門的控制，確?？刂菩盘?hào)能夠在不同的模塊之間傳輸[4]。本次設(shè)計(jì)在對(duì)輸出單元進(jìn)行選型時(shí)，使用6ES7322-1BH01-0AA0 型數(shù)字量輸出單元，該設(shè)備擁有16 個(gè)信號(hào)輸出通道，不僅外形設(shè)計(jì)較為緊湊，而且利用前置的連接器插槽鎖定輸出IP（圖3）。

圖3 純化水在線檢測(cè)PLC系統(tǒng)

4.5.3 模擬量輸入單元利用模擬量輸入單元，令單片機(jī)能夠連接模擬量過程信號(hào)，確保PLC 單片機(jī)能夠接收流量、電導(dǎo)、溫度、壓力等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于制藥用水各環(huán)節(jié)的在線檢測(cè)。工作機(jī)理：當(dāng)模擬量輸入單元接收到模擬信號(hào)之后，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌虮?span>PLC 讀取、記錄、保存的數(shù)字信號(hào)，其格式為13 位數(shù)字+符號(hào)位，通過該模式正確記錄信號(hào)接收、轉(zhuǎn)換、發(fā)送的時(shí)間。在實(shí)際工作中，可以依據(jù)不同的檢測(cè)需求，靈活調(diào)整模擬量測(cè)量范圍，對(duì)電流、電壓等基本測(cè)量范圍進(jìn)行調(diào)控，同時(shí)搭配PG 單元安裝的STEP7 組態(tài)模塊，對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。此外，該單元還能夠?qū)⒊拗袛喟l(fā)送信號(hào)傳輸至可編程CPU 中，確保制藥用水生產(chǎn)過程中一旦出現(xiàn)故障，模擬量輸入單元能夠向CPU 發(fā)送故障診斷報(bào)告。4.5.4 模擬量輸出單元量輸出單元的作用是將PLC產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬量信號(hào)，傳送至各個(gè)控制單元，通常情況下該單元與模擬量執(zhí)行單元以及變頻控制單元連接。本次設(shè)計(jì)中使用的模擬量輸出單元擁有15位分辨率，確保各種電流、電壓測(cè)量范圍均可以通過參數(shù)賦值軟件進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置，當(dāng)制藥用水系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)故障，可以將故障報(bào)告?zhèn)魉椭量删幊炭刂破髦校奖氵\(yùn)維人員進(jìn)行故障排查[5]。4.5.5 儀表與閥門制藥用水系統(tǒng)中的一些儀表、閥門與藥品直接接觸，為了避免藥品發(fā)生變質(zhì)，設(shè)計(jì)人員在選擇儀表以及閥門時(shí)，需要對(duì)其耐溫性能進(jìn)行嚴(yán)格把控，同時(shí)優(yōu)化儀表與閥門的布局，避免出現(xiàn)死角。

Part

5

結(jié)語制藥工作需要大量純化水，為了避免藥品受到污染，需要對(duì)純化水的品質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。傳統(tǒng)的純化水線下檢測(cè)方式效率較低，無法有效控制成本。為了解決這一問題，某制藥企業(yè)相關(guān)研究人員嘗試?yán)?span>PLC 技術(shù)，建立一套制藥工程純化水在線檢測(cè)系統(tǒng)，使用SI-EMENS-S7300 型PLC 單片機(jī)作為檢測(cè)系統(tǒng)的處理器，搭載3 層系統(tǒng)框架，實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)字量輸入/輸出單元、模擬量輸入/輸出單元以及儀表閥門的有效連接，確保純化水質(zhì)量始終符合制藥需求。