抗生素發酵生產自動化控制（DCS）工程可行性研究報告抗生素發酵生產自動化控制(DCS)工程可行性研究報告一、概述1項目概況11項目名稱：抗生素發酵生產自動化控制（DCS）工程12項目承擔單位：岳陽中湘XX藥業集團有限公司13項目負責人：xx14項目起止時間：2001年元月2002年6月15項目主管部門：湖南省信息產業廳16項目簡要內容及實施目標：利用計算機集散控制技術實現公司主要抗生素生產車間（包括六、九、十車間共計1495T紅霉素發酵體積）的發酵自動化控制。2企業概況21企業簡介211企業名稱：岳陽中湘XX藥業集團有限公司212法定代表人：xx213所有制性質：國有獨資214隸屬關系：中國醫藥集團總公司下屬中國醫藥工業公司的全資子公司215企業地址：湖南省岳陽市xx山一號216電話：07308XX0411217郵政編碼：41400022人員情況221職工總數：2053人222工程技術人員：605人其中高級職稱：11人中級職稱：175人初級職稱：419人223計算機、自控及相關專業人數：28人23企業資產信用狀況231資產總額：42386萬元232固定資產原值：29248萬元233固定資產凈值：22368萬元234流動資產：17405萬元235負債總額：31726萬元236流動負債：12584萬元237所有者權益總額：10659萬元238收入總額：25628萬元239主要營業收入：25628萬元2310稅后利潤總額：1605萬元2311銀行借款總額：19628萬元2312銀行信用等級：A級2313稅務局情況記錄：納稅先進單位24企業生產經營情況岳陽中湘XX藥業集團是以生產抗生素原料藥為主，同時生產制劑、中成藥的大型醫藥企業，現有六條抗生素原料生產線（其發酵規模名列全國同行業廠家第四位）、三條合成藥生產線、一個制劑分廠、一個藥物研究所，下轄五個子公司和一個合資公司。1999年完成工業總產值43557萬元，銷售收入22794萬元，上交利稅1463萬元，實現利潤1129萬元；2000年完成工業總產值49821萬元，銷售收入24848萬元，上交利稅1554萬元，實現利潤1325萬元。公司有自營進出口權，產品暢銷全國各地，遠銷東南亞、意大利、西班牙、東歐等國家，國家級新藥阿瑞被列為國家高新技術產業化規劃。二、項目開發的必要性1項目提出的背景中湘XX的前身為岳陽市制藥一廠，多年來一直主要生產紅霉素、螺旋霉素等抗生素原料系列產品。由于產品結構單一、融資渠道不暢、設備裝備水平較低、營銷網絡不夠健全、信息收集手段落后等多方面因素的影響，中湘XX的整體競爭能力比較差，特別是在90年代末期表現得尤為突出。1996至1998年，企業連續三年虧損，生產經營舉步維艱。1999年，公司決策層實施戰略結構調整，提出原料藥、制劑藥和中成藥三分天下、齊頭并進的發展思路，并通過實施兼并重組、技術創新、設備改造、健全營銷網絡等諸多強有力措施，一舉扭轉了生產經營的被動局面，當年實現了扭虧為盈的目標。但日趨激烈的市場競爭態勢迫使我們必須更加冷靜地面對現實，中國加入世界貿易組織既給我們帶來了發展的機遇，又使我們面臨著更大的挑戰。2000年，國內市場上隨著系列紅霉素衍生物的不斷開發問世，紅霉素原料藥的市場需求量相應地得到了增長，但紅霉素原料藥的生產廠家也在不斷地增多，紅霉素原料市場總的趨勢是供大于求，一場沒有硝煙的價格大戰已經打響；國際市場方面則表現為歐洲發達國家有大量進口中國紅霉素原料藥的跡象，但進口的門檻較高，對產品的質量提出了更高的要求。作為紅霉素老牌生產廠家，我們惟有進一步加快技術創新的步伐，努力降低產品制造成本，全面增強企業的競爭能力，才能在如此激烈的市場競爭環境下站穩腳跟，并據此獲得出口的先機。眾所周知，利用信息技術改造傳統產業已在我國開展了十幾年的科學實踐，自動化控制技術在醫藥、化工等領域的研究與應用出現了大量成功的范例。雖然紅霉素具有生產周期長、生產過程復雜、控制難度大等特點，但我們仍然對應用和研究“紅霉素發酵生產自動化控制”抱有信心。在反復考察論證的基礎上，我們提出了“應用計算機自動化技術控制發酵生產，改造傳統生產工藝過程，提高紅霉素發酵生產水平”的技術創新思路。2000年，湖南省電子信息系統推廣應用工作小組辦公室下達了關于申報2001年電子信息應用貸款項目的通知，我們決定將“抗生素發酵自動化控制（DCS）工程”作為國家倍增計劃貸款貼息項目進行申報，以借助國家資金扶助將企業信息化工作推上一個新的臺階。2國內外同類項目的應用情況21項目的工作原理抗生素發酵工藝生產過程是生物、化學和工程等學科的理論和技術的綜合利用，其機理十分復雜，控制過程非常困難?？股匕l酵計算機控制就是通過對菌種的環境條件要求和代謝變化規律各參數的變化進行測量，結合代謝調控的基礎理論來有效地控制發酵，使菌種的代謝變化沿著最佳的方向進行，以較低的能量和物料消耗生產更多的發酵產品。22國內外應用情況國外的工業控制起步較早，特別是美國、日本和德國等西方資本主義國家，在醫藥生產領域有著很高的計算機控制水平，但為了追求巨額利潤，發達國家一般將主要精力放在成品藥的制作、研究和控制上。我國是抗生素原料藥的生產大國，但生產技術水平落后，以手工操作方式為主，生產效益低。直到八十年代中期，原國家醫藥局和國務院電振辦才把用先進的電子信息技術、控制技術改造傳統醫藥產業列為“八五”、“九五”期間的工作重點。目前，計算機控制技術在青霉素、土霉素、金霉素等產品的發酵生產過程中取得了較大的突破，技術水平已接近國外先進水平。但紅霉素發酵具有周期長、中間補料多、控制復雜等特點，對紅霉素發酵進行自動化控制的研究和應用工作一直沒有重大進展。3該項目開發前與投入使用后，企業在生產、經營、質量、技術與管理等方面的變化及成效紅霉素發酵自動化控制項目投入正常使用后，企業可望取得非常顯著的生產經營成效，具體可表現為以下幾個方面：31生產方面適時的參數檢測和控制將使發酵生產更加穩定，生產產量由此可得到大幅度的提高。32管理方面數據記錄：真實可靠，實時記錄，避免了過去人工記錄數據的隨意性和錯誤；工作監督：從記錄的數據可以隨時檢查生產的正常與否，可增強工人的責任心，協助車間管理人員開展生產的督察工作；職工培訓：自動化控制系統是一個復雜的輔助生產系統，對操作和維護管理人員素質要求較高，圍繞自控系統開展的各項培訓工作可提高職工的技能水平；決策調度：公司領導和生產調度等各級管理人員通過網絡可實時查詢生產信息，增強了生產決策和生產調度的科學性和合理性。33技術方面補料自控：補料自控改變了傳統的補料方式。傳統補料方式是每隔較長一段時間一次性大批量的補加料液，這對微生物的生長環境產生巨大沖擊，影響發酵水平；自控補料則是根據設定好的補料速度，連續均勻少量地補加營養物質，由于連續補料對微生物生產環境沖擊減少，從而達到提高發酵水平的目的。消沫自控：在發酵期間，有時微生物生長旺盛，產生大量泡沫，抬高了發酵液液位，可能會出現逃液現象。傳統手工控制時，常常不能及時發現泡沫的產生，即便發現泡沫也難以加入適量的消沫劑控制逃液。而消沫自控則能馬上檢測到泡沫的產生，并自動連續補加消沫劑，直到消除泡沫為止。優化工藝：對發酵生產進行自動化控制，可由此得到大量實時準確的生產數據，這為優化生產工藝的研究和工藝改變提供了極大的幫助。發酵過程中以往傳統的控制方法，均是以動力學為基礎，采用最佳工藝控制點為依據的靜態操作方法，這種控制忽略了發酵過程中的動態變化及其與其他發酵過程參數的關系，在生產控制過程中有較大的局限性。以動態生產實時數據為基礎，我們可進行發酵新理論的研究和探索，即以細胞代謝流量分析與控制為核心的發酵工程學的觀點，來控制發酵過程。自動化控制技術和發酵分析計算機軟件的引入，使得研究細胞與工程水平問題并實現過程數據優化成為現實，通過不斷的工藝優化，可使紅霉素發酵水平發生巨大的變化，發酵生產得到質的飛躍。34質量方面發酵液的組分與提煉收率和產品質量有著極為密切的聯系，通過自控技術的引用，可大大改善發酵液的組分，使得主要組分（如A組分）比例增大，而B組分（含毒性）和C組分（含雜質）相應降低，從而使提煉出來的產品質量得到大幅提升。35經營方面紅霉素產品產量和質量的提高，為生產經營創造了良好的內部環境，有利于營銷戰線掌握市場營銷工作的主動，我們可通過優異的產品質量和相對較低的市場價格贏得市場的優勢，從而可望帶來嶄新的營銷工作新局面。三、協作單位的選定理由1協作單位的概況及其優勢分析比較11協作單位概況協作單位北京康拓生化控制工程公司（即國家醫藥管理局控制工程中心）成立于1993年7月，隸屬國家醫藥管理局，是一家依托航天工業部502研究所，實行企業化管理的研究開發事業單位。公司憑借502所雄厚的技術力量和靈活的市場機制，建立了一支人員素質高、新技術開發和工程能力強的技術隊伍，主要從事制藥行業自動化控制技術的研究與開發應用。現有員工30多名，其中研究員一名，具有中高級以上職稱的18人，其余均為從事自控或相關專業的科技骨干。幾年來，康拓公司的系統和產品已經成功地推廣應用到幾十家制藥行業的十多個品種，經濟效益顯著，帶動了整個行業生產水平的提高。12協作單位優勢分析與其他從事自控技術研究的單位相比，康拓公司具有以下優勢：技術力量雄厚，有國家醫藥管理局和航天部502研究所作堅強的后盾；2專業性強，專門從事醫藥抗生素發酵領域的研究與開發；工控產品質量過硬，康拓先后研制開發成功KT型智能補料控制器、系列防污染控制裝置、生產過程控制系統及抗腐蝕、耐高溫控制閥門等一系列優秀的工控產品；實施能力強，多年來在抗生素發酵領域積累了大量的實施經驗，并有許多成功的范例。2與國內外同類系統或產品在性能、價格、服務等方面的比較XX發酵生產自動化控制（DCS）工程主要采用美國Honeywell公司最新生產PlantScape集散控制系統，現場執行機構大多選用性能優越的國外產品或康拓公司自制產品，系統平均無故障時間不小于30000小時，可用率達到99.99%，與國內外其他系統（如橫河XLDCS控制系統，西門子控制系統，歐陸控制系統）相比具有很高的性能價格比，成熟性和可靠性都能夠得到保證且技術水平位居世界領先行列。此外，在系統維護方面，康拓公司能夠保證提供24小時的電話支持服務和48小時的現場服務，并能夠及時供應各種系統維修配件。四、項目的內容及目標1項目的主要內容本項目將對我公司抗生素發酵規模較大的三個紅霉素車間實現計算機自動化控制，主要內容包括：二車間14個大罐385T發酵體積；六車間14個大罐780T發酵體積；九車間10個大罐330T發酵體積；共計1495T發酵體積實現計算機自動化控制及與之配套的發酵工藝綜合分析系統。主要技術參數有：11檢測參數：發酵溫度、罐壓力、空氣流量、PH值、溶解氧、空氣流量、發酵液體積、尾氣中的二氧化碳和二氧化碳含量以及公用系統的參數檢測；12控制參數：溫度控制、PH控制、補料控制、消沫控制、空氣流量控制等。2項目的目標21功能目標211對抗生素發酵生產過程實現不間斷連續監控，保證車間生產連續、穩定、安全、高效運行；212滿足生產工藝要求，具有現場操作、參數修改、報警顯示、實時和歷史趨勢顯示、報表自動生成以及打印輸出等功能；213具有網絡通訊、數據庫接口，可實現信息共享。22性能目標221系統的可靠性：由于控制器I/O端口與現場直接連接，因此對可靠性要求尤為嚴格，擬選用的集散控制系統的平均無故障時間應大于30000小時。222系統的實時性：對現場監控信息實施實時監測，系統采集信號時間必須滿足發酵生產工藝要求，既采集參數時間為2秒的實時要求。223系統的安全性：系統必須對系統管理員、工程師和操作員設置不同的操作權限，要防止發生誤操作和越權操作。23效益目標發酵水平提高10%，單罐消耗下降5%，產量提高8%以上。五、項目的技術可行性1.我國測控領域控制系統結構的發展一個控制系統由I/O設備（傳感器和執行器）、控制硬件、控制軟件、人機接口及與信息系統的連接等組成。設備級現場總線使I/O模件和控制箱得以分開，以太網使得現場采集的數據集成到企業應用中。1.1早期的集中式控制系統80年代初期，控制系統多使用以單板機組成的微機控制裝置，與上位機系統連接多采用串行通信方式，所有模件集中布置在一個或幾個機柜中。由這些裝置構成的系統多為集中式控制系統或分層控制系統。這種系統為我國自動化控制系統發揮了重要作用，其開拓性的實踐是今天控制系統豐富多彩的基礎。但是，這類系統技術上已經落后，不符合控制系統分布、開放的發展趨勢。1.2DCS控制系統DCS在我國控制系統中得到了廣泛的應用。傳統的DCS主要有4層結構：第1層是I/O層；第2層是控制器層；第3層是人機接口層；第4層是企業信息系統層。這種結構除在第3層、第4層之間采用以太網外，其他都是專用網絡，控制設備及軟件也是專用的，開放程度不夠，給系統維護及升級帶來不便。DCS在設備配置上還要求網絡、控制器、電源甚至模件等都為冗余結構，支持無擾切換和帶電插拔，由于設計上的高要求，導致DCS成本太高。1.3PLC可編程邏輯控制器嚴格說來，單獨的PLC因缺少人機接口及信息系統等部分，不是一個控制系統。PLC由于其高可靠性及使用的方便性，占領著很大的市場份額。從控制系統結構來看，傳統的PLC相當于通用化的微機監控裝置，由電源模件、CPU模件、I/O模件、槽板及擴展插箱組成，使用廠家提供的梯形圖邏輯語言進行編程。但隨著市場的需要及DCS的挑戰，PLC家族在以下幾方面得到了發展：分布式I/O連接能力方面，由于許多高檔PLC支持遠程I/O及現場總線網絡（如DeviceNet，Profibu