制藥用水系統(tǒng)具有一定的復雜性，在生產、儲存以及輸送等環(huán)節(jié)，如果純化水被污染就會嚴重影響藥品質量，因此需要構建純化水檢測系統(tǒng)，確保制藥用水符合標準。在PLC 技術快速發(fā)展背景下，構建一套針對制藥工程純化水的在線自動檢測系統(tǒng)，對制藥用水的品質進行實時監(jiān)控，確保藥品質量。

Part

1

引言藥品生產過程中需要使用大量的純化水，利用機械過濾器以及活性炭過濾器對自來水進行過濾，再利用中間水箱、陰陽樹脂混合床以及紫外線消毒等設備對水源進行純化。在此過程中，需要密切關注純化水的pH 值、導電率、總有機碳等指標，采用傳統(tǒng)的線下檢測模式，不僅檢測成本較高，且檢測具有一定的滯后性。為了提升純化水檢測效率，利用PLC 技術設計一套在線自動檢測設備，實現(xiàn)對制藥工程純化水質量的遠程監(jiān)測。

Part

2

制藥用水持續(xù)生產過程控制對于制藥用水的控制是確保藥品質量的重要基礎，為了滿足藥品生產線生產需求，制藥用水采用持續(xù)生產模式，用水系統(tǒng)不間斷運行。

2.1

建立持續(xù)生產過程控制模型

從整體上看，對于持續(xù)生產過程的控制主要分為兩個方面，即生產管理層面以及實時控制層面。前者主要包括制藥企業(yè)制定的生產計劃以及生產調度預案，后者主要包括藥品生產管理、安全管理、供給管理等。依據(jù)上述兩方面內容，構建持續(xù)生產過程控制模型。

2.2

明確制藥用水系統(tǒng)控制目標

生產藥品過程中，用水系統(tǒng)的控制目標主要包括8項內容：①對于用水系統(tǒng)的控制要準確、靈活、快速；②通過遠程控制的模式，對制藥用水系統(tǒng)運行情況進行實時監(jiān)控；③對控制方式進行優(yōu)化，提升制水設備運行效率確，保制藥用水品質符合藥品生產要求；④針對制藥用水的電導率、TQC 等關鍵參數(shù)要進行重點監(jiān)控，確保其符合藥典相關參數(shù)要求，避免由于重要參數(shù)不符合要求，導致制藥用水被污染，影響藥品質量；⑤利用遠程控制技術，對制藥用水系統(tǒng)中的設備、零件以及傳感裝置進行定期的維護與保養(yǎng)；⑥利用PLC 以及信號傳輸器實現(xiàn)對于制藥用水設備參數(shù)的遠程控制；⑦對制藥用水系統(tǒng)搭配在線預警系統(tǒng)以及故障報修系統(tǒng)，確保該系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，相關維修人員能夠在第一時間進行處理，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)中內嵌儲存模塊，自動儲存重要參數(shù)，供相關工作人員隨時查閱調取[1]。

Part

3

制藥用水自控系統(tǒng)適配各生產環(huán)節(jié)每種藥品的制備工藝不同，設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)配備了單獨的制水室，確保每個用水點都處于潔凈區(qū)，制藥用水生產工藝流程見圖1。

圖1 制藥用水生產工藝流程

3.1

原水

原水環(huán)節(jié)主要由水泵、進水閥以及儲水罐組成，其主要作用是對自來水進行預處理，并為純化水系統(tǒng)提供持續(xù)水源。在該環(huán)節(jié)設計自動控制系統(tǒng)，能夠確保原水的進水閥與儲水罐的液位形成聯(lián)鎖狀態(tài)，實現(xiàn)原水儲水罐液位的自動調控。

3.2

預處理系統(tǒng)

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

3.3

純化設備

純化過濾器主要由EDI（系統(tǒng)水處理設備）檢測裝置、RO 膜組成，為該環(huán)節(jié)搭配自動檢測系統(tǒng)，主要是對純化水溫度、EDI、反滲透、液位以及紫外線消毒設備運行狀態(tài)等參數(shù)進行在線檢測。在儲存系統(tǒng)中，在線檢測功能主要應用于對溫度傳感裝置、進水閥、液位感應裝置實時參數(shù)的監(jiān)控。同時，對于儲水罐與各個用水點之間連接處閥門進行狀態(tài)檢測。

Part

4

在線檢測控制系統(tǒng)軟件設計

4.1

控制系統(tǒng)軟件設計

本次設計中，工作人員使用由供應商統(tǒng)一提供的編程/組態(tài)語言模塊，其中包括功能圖語言、梯形圖語言以及結構化語言等模塊，這些語言模塊的共同特點是專門針對連續(xù)過程進行語言編程的計算機語言模塊。實際進行軟件設計工作時，相關工作人員要根據(jù)用水系統(tǒng)運行情況以及在線檢測實際需求，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，不僅要考慮軟件與制藥用水在線檢測系統(tǒng)控制器的適配情況，還要滿足GMP（生產質量管理規(guī)范）中對于藥品質量的要求。因此，工作人員選擇較為成熟，具有一定技術沉淀的編程軟件，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，實現(xiàn)代碼可追溯功能以及模塊測試功能。

4.2

上位機的選擇

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

4.3

軟件功能設計

由于制藥用水系統(tǒng)為不間斷工作模式，因此在設計軟件功能時要考慮該軟件的實時連續(xù)控制能力，主要包括：生產管理能力、過程連鎖控制、安全管理、制藥用水過程I/O，參數(shù)檢測、預警報警、數(shù)據(jù)記錄等功能，確保該系統(tǒng)能夠對完整的制藥用水流程進行遠程在線監(jiān)督。

4.4

軟件結構設計

本次設計遵循軟件設計結構化原則，將軟件分為3 個層次：頂層為制藥用水系統(tǒng)控制層次，負責對制藥用水系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)以及各種設備進行檢測與監(jiān)控；中間層為制藥用水生產線上的各個設備單元，例如貯液罐、閥門、水泵、過濾器等；底層為每一種設備所對應的顯示儀表，或者設備對應的操作單元（圖2）。

圖2 純化水系統(tǒng)在線檢測HMI界面

4.5

硬件設計

在硬件設計方面，本次設計使用了SIEMENS S7300 型單片機，該型號單片機在制藥行業(yè)中運用較為廣泛，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)字信號傳輸至PLC單片機內，形成單片機與輸入數(shù)字量信號的連接。例如用水點啟動/關閉狀態(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模塊以及信號連接標準開關模塊，利用單色LED 屏幕顯示操作指令的輸入情況，這種設計模式的優(yōu)勢在于對于插槽的使用沒有嚴格的限制，模塊的插拔較為方面，工作人員能夠根據(jù)信號輸入地址，對插槽進行合理分配。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生的過程變量轉化為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號傳輸至其他單元模塊。實際工作中，當PLC 單片機生成了控制指令，其內部信號電平轉換為能夠被各個模塊以及操作終端識別的外部信號電平，通過這種方式實現(xiàn)對于水泵、閥門的控制，確?？刂菩盘柲軌蛟诓煌哪K之間傳輸[4]。本次設計在對輸出單元進行選型時，使用6ES7322-1BH01-0AA0 型數(shù)字量輸出單元，該設備擁有16 個信號輸出通道，不僅外形設計較為緊湊，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，令單片機能夠連接模擬量過程信號，確保PLC 單片機能夠接收流量、電導、溫度、壓力等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對于制藥用水各環(huán)節(jié)的在線檢測。工作機理：當模擬量輸入單元接收到模擬信號之后，將其轉變?yōu)槟軌虮?span>PLC 讀取、記錄、保存的數(shù)字信號，其格式為13 位數(shù)字+符號位，通過該模式正確記錄信號接收、轉換、發(fā)送的時間。在實際工作中，可以依據(jù)不同的檢測需求，靈活調整模擬量測量范圍，對電流、電壓等基本測量范圍進行調控，同時搭配PG 單元安裝的STEP7 組態(tài)模塊，對參數(shù)進行微調。此外，該單元還能夠將超限中斷發(fā)送信號傳輸至可編程CPU 中，確保制藥用水生產過程中一旦出現(xiàn)故障，模擬量輸入單元能夠向CPU 發(fā)送故障診斷報告。4.5.4 模擬量輸出單元量輸出單元的作用是將PLC產生的數(shù)字信號轉化為模擬量信號，傳送至各個控制單元，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。本次設計中使用的模擬量輸出單元擁有15位分辨率，確保各種電流、電壓測量范圍均可以通過參數(shù)賦值軟件進行單獨設置，當制藥用水系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障，可以將故障報告?zhèn)魉椭量删幊炭刂破髦?，方便運維人員進行故障排查[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，設計人員在選擇儀表以及閥門時，需要對其耐溫性能進行嚴格把控，同時優(yōu)化儀表與閥門的布局，避免出現(xiàn)死角。

Part

5

結語制藥工作需要大量純化水，為了避免藥品受到污染，需要對純化水的品質進行實時檢測。傳統(tǒng)的純化水線下檢測方式效率較低，無法有效控制成本。為了解決這一問題，某制藥企業(yè)相關研究人員嘗試利用PLC 技術，建立一套制藥工程純化水在線檢測系統(tǒng)，使用SI-EMENS-S7300 型PLC 單片機作為檢測系統(tǒng)的處理器，搭載3 層系統(tǒng)框架，實現(xiàn)對于數(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，確保純化水質量始終符合制藥需求。