中药提取与自动控制
一、中药提取生产过程 中药提取生产过程，是依据GMP 规范，按给定的配方，生产一定数量产品的过程、中药提取生产采用批量生产方式，也叫间歇生产方式。其主要特点是：小批量、多品种，其特征是：物料流动的不连续性、物料和设备的非稳态性、产品及其工艺的不确定性和设备资源的动态调度分配。不连续性是指物料输入、输出是断续的，单元操作是按顺序进行的，没备运行是间断的，非稳态性是指生产过程中物料和设备都时常处于变化状态。不确定性指的是要根据市场需求生产不同产品，和增加新产品. 为了提高设备对不同产量和类似工艺的适应能力，中药提取生产设备需要具有良好的柔性，能生产多种工艺相近似的产品。产品生产完成，对设备进行清洗后，即可生产别一种产品。中药提取过程单元，一般安装多台操作设备(如提取罐、浓缩器)，配置大小不同的多组兼用设备(如：缓冲罐、储罐)，设备按串联和并联结构排布，组成串、并联结构提取过程单元，设备单元之间采用固定管道连接或非固定软管连接。设备以连续、半连续、间歇方式工作。
中药提取过程单元按生产的产品划分，可单品种过程单元、多品种单流程过程单元，多品种多流程过程单元单品种过程单元的生产工艺流程、原料配比和工艺参数都是确定的。多品种单流程过程单元可以生产一族不同规格的产品，产品生产工艺流程相同，参数变化。多品种多流程过程单元可以生产不同品种的产品，产品生产流程和工艺参数都可以改变。除此之外，还有中试过程单元，中试过程单元采用多品种多流程形式。
常用的中药提取单元设备主要包括：多功能提取罐、热回流提取装置、外循环真空减压浓缩器、内循环真空减压浓缩器、球形浓缩器、搅拌沉淀罐、冷沉罐、离心机、板框过滤器、精馏塔、溶剂配置罐、脱色罐、结晶罐、大孔树脂吸附洗脱装置、膜分离/膜浓缩装置、超临界萃取装置、微波提取装置、超声波萃取装置、储罐等。二、中药提取生产过程对自动控制的需求对设备单元进行精确控制，严格按顺序执行每一步操作，使每批产品生产实现最优控制，从而获得经济效益是中药提取企业对自动控制的基本需求。中药提取过程是间歇生产过程，其具体自动控制需求可以根据中药提取过程特点并参照ISA-ds88.0.1 给出的间歇控制模型来考虑，一般有顺序控制、开关控制、调节控制、联锁控制、人机界面、数据管理、与管理信息系统集成等要求。1、顺序控制 中药提取生产，过程设备和单元设备，必须按工艺规定的顺序进行操作，例如产品生产要顺序经历提取、浓缩、醇沉、酒精回收等过程，又如提取罐试漏、投料、加热、等温提取、排料、排渣等必须按照规定的顺序和时间进行。要求控制系统能够进行顺序控制。2、调节控制 连续调节温度、压力等过程量，使它们保持在允许的范围内。控制系统要求具有启动、释放调节控制的功能，还常常要求调节回路重组和重整功能。例如提取罐料液加热到提取温度时启动等温调节控制，到达规定提取时间后释放等温调节控制。3、开关控制 控制自动阀门、泵等设备的启动、停止，控制物料输送过程。4、联铺控制 安全联锁监测生产设备和控制系统的运行，确保出现异常状况时，执行联锁动作、进行声光报警、显示报警状态，不致造成危险情况导致人员和设备损失。例如：酒精提时，要监视提取罐压力，当压力超限时，要停止加热，打开放空阀，把控制置手动方式，同时进行声光报警，显示报警状态。5、过程可视化远程监控 通过计算机图形化状态显示，可以集中、直观地对过程设备进行有效的监视、控制。例如：置手/自动状态，启动或停止一过程，确认报警，进行必要的人工干预。6、报警处理 准确记录报警和确认信息，输入并记录处理过程和结果。7、信息提示和操作记录 要求自控系统提供人工操作提示功能，准确记录人工和自动操作数据，使生产过程可追溯。8、报表输出 要求自控系统自动生成并输出报表，以便提高管理效率。9、工艺参数管理 录入、保存、修改和加载工艺参数。10、授权管理和访问许可11、与批管理和控制系统集成 自动控制系统可优化设备控制，实现是生产过程的局部优化。而中药提取生产总体效率的提高，在很大程度上依赖综合指标的提高，只有将过程控制与生产管理系统集成来，才能实现生产过程的总体优化，为企业带来最大经济利益。批量生产管理与控制主要包括：配方管理、批调度、批量生产管理等内容。12、降低法规依从成本 中药提取生产必须依从GMP 规范，药品出口企业还要依从FDA 要求，有效降低法规依从成本，是企业的重要需求。三、选择合适的技术、产品 工业生产过程，一般可以分为离散生产过程、连续生产过程和间歇生产过程，它们具有小同的管理和控制特点，控制系统设计和设备选型也有不同的要求。中药提取生产过程采用间歇过程，因此，要选择间歇控制技术、产品构建自动控制系统。
基于计算机技术的间歇控制系统硬件土要有：集散控制系统(DC S)、可编程控制器(PlC)LC）、一体化控制器、现场总线等。
Dcs 主要用来进行多回路及复杂回路控制，处理模拟量能力强，普遍提供可选的间歇控制产品组件，技术成熟，功能完备，价格昂贵，适用于大型间歇控制项目。
近年来，PLC 厂家纷纷推出了适合过程控制的PLC 系统，配置了符合IEC61131-3 标准的编程语言和批管理组态软件、其特点是：环境适应能力强，可靠性高，编程简单。用PLC 和IPC 组成间歇控制系统性价比高，在中药提取应用中有着突出的优势，是最理想的选择。
一体化控制器，硬件是按工业标准设计的角媚屏面板形PC，配置符合IEC61131-3 标准的编程语言，可安装人机界面软件、数据库和批管理组态软件，适合于小型中药提取项目和中试项目。现场总线系统是控制技术与计算机通讯技术结合的产物，其特点是全通讯和全分散控制，是中药提取自动控制的理想选择。
由于中药提取过程具有非稳态特性，物料的物理性质不断发生变化，些变化会对一些仪表的测量产生影响，仪表选型时要注意。此外，仪表选型时还要考虑卫生和防暴方面的要求。
间歇生产过程的过程操作、单元操作、操作阶段以及操作步都是按顺序进行的，编程软件应符合IEC61131-3 标准，提供顺序控制编程语言(例如SFC)。人机界面组态软件，应选择能提供批管理(处理)选件的产品，和提供过程管理验证所需要的组件或功能。控制程序设计应采用模块化分层结构，例如：分成过程单元控制程序、设备单元控制程序、操作阶段控制程序、操作步控制程序、设备模块控制或元件控制程序。四、构建满足不同需要的控制系统1、中药提取过程控制系统 独立的过程控制系统设计目标是优化设备控制，获取经济效益。系统主要包括：控制站、操作服务器、操作员站、工程师站、现场仪表与执行机构和计算机网络。一般具有设备控制、人机界面、数据管理、信息通讯和系统管理维护功能。设备控制程序在控制站运行，人机界面软件运行在操作员站、数据管理一般运行在操作服务器或工程师站，系统管理维护在工程师站完成。
设备控制程序由自控专业人员开发，下装并驻留在控制站内。程序开发依据产品工艺流程，可以设计成控制不同工艺流程的控制程序，满足多品种生产要求。
人机界面由自控专业人员组态生成，下装并运行于操作员站，主要用于设备工作状态的监视，和对生产设备的操作。
数据管理一般包括：工艺参数(公式管理)管理；实时数据采集、存储、查询、报表输出功能。系统管理维护在工程师站完成，包括：授权管理和访问许可、程序修改、数据维护等。(1)基本功能1 过程IO1 安全联锁1 过程联锁1 开关控制和调节控制1 顺序控制1 计算机图形化监控1 报警及处理1 过程数据存储和报表输出1 信息提示和事件记录1 公式管理(原料组分的品种规格、数量和操作条件等)1 授权管理和访问许可1 人工操作信息记录1 程序修改记录(2)常见系统结构：1 单站系统控制站和工程师站、操作员站、操作服务器、存档服务器集成在一个专用工业PC 中，适合在现场实施监控的小型中药提取项目或中试项目。1 单操作站系统单操作站系统，由控制器承担设备控制功能，操作站是集成了工程师站、操作员站、操作服务器、存档服务器功能的高性能PC 机。适合远程监控的小型提取项目。1 多操作员站的系统 系统把设备控制、管理维护、监控操作、数据归档功能分配到控制站、工程师站、操作员站，能基本满足中药提取PCS 需求，造价较低。由于没有独立的实时数据采集、存储系统，实时数据管理往往在操作员站进行，所以容易出现因操作员站停机造成数据丢失的问题：如果考虑与批生产管理系统或批MEs集成，则需要对硬件和软件进行较大范围的重构1 基于服务器的系统 系统由可冗余的操作服务器承担控制数据采集、归档功能，同时完成操作员站与控制站的数据通讯，由于服务器可采用冗余结构，大大提高了数据管理系统的可用性和可靠性，能基本的满足中药提取过程控制需求，如果考虑与批生产管理系统或批MES 集成，则需要对硬件和软件进行适当的重构、(3)适合的应用 我国已经投入运行的中药提取过程控制系统，大多是独立运行的自控系统，这些系统不问程度地解决了优化控制问题，提高了生产的安全性和生产效率，保证了设备控制得一致性但大多存在以下不足：I、控制程序固定，添加新产品时，往往需要编程人员添加、修改控制程序；Ⅱ企业必须把产品生产工艺流程细节完全介绍给项目承包单位负责控制软件编程的技术人员，不利于保密；Ⅲ、虽然具备工艺参数管理功能，但功能大多不规范、不完整，不具有版本控制和审计跟踪功能；Ⅳ、不具有规范的批电子汜录功能，不能生成符合21CFRPARTll 的电子批记录，大量的生产记录还要靠手工完成，手工汜录的数据往往与自控过程数据不匹配；V、自动控制系统与生产操作、生产凋度、生产管理和工艺管理之间没有规范、完整的交互界面，信息交互零乱、效率低；Ⅵ、生产管理人员，不能从控制系统直接获得完整的过程信息；Ⅷ、如果要求与批生产管理系统或批MES 集成，则需要对硬件和软件进行修改和重组。2。中药提取批管理和控制系统 把过程控制系统与批生产管理信息系统集成，可以实现生产过程的总体优化，帮助企业提高生产效率，降低生产成本，获得大的经济利益和竞争优势。通过对过程控制、配方管理、批调度、批管理的集成，可以弥补所有独立过程控制系统存在的不足。中药提取批管理和控制系统，以主配方向控制配方的转化为主线，将人、设备、物料集成，达到生产管理与控制一体化操作的目的。
系统主要包括：控制站、可冗余的操作服务器、可冗余的批管理服务器，操作员站、工程师站、现场仪表、执行机构、计算机网络，还可以专门设置配方管理操作员站和生产调度操作员站：具有设备控制、设备监视、配方管理、批生产调度、批生产管理、信息通讯、系统管理和系统维护功能、没备控制程序运行在控制站，人机界面软件和批监控软件运行在操作员站，数据管理运行在操作服务器和批管理服务器，系统管理、维护在工程师站完成。
控制站存储并执行控制步程序(例如：提取罐加水、控制提取温度、排料、排查)；控制步程序由自控专业人员编制，下装并驻留在控制站内。控制步程序依据单元设备固有控制环节设计，而不是依据特定产品工艺。
人机界面由设备监控和批监控组成，自控专业人员组态生成。下装并运行于操作员站厂前者主要用于设备工作状态的监视和异常状况发生时对生产设备的手动操作，后者用于启动过程、保征过程平稳运行、在线监控配方程序的执行、监控批次列表的执行情况、材料的存储和移动、设备的单元的实时调度和分配、人工干预提示和人工干预输入、记录等：系统管理维护在工程师站完成，包括：授权管理和访问许可、程序修改、数据维护等。
配方管理功能主要面向工艺人员，工艺人员可建立和管理多个主配方，主配方规定了产品的规格、型号、操作程序、使用的设备类、工艺参数、原料等内容：配方管理主要包括建立、编辑、存取、传递主配方，把主配方向控制配方转换，提供依从法规的版本控制和审计跟踪功能，还提供管理人员和操作人员调用配方的安全保密措施。工艺人员根据工艺在主配方中建立过程操作、单元操作和操作阶段程序，避免了对外暴露生产工艺，既满足了工艺配方保密要求，也满足了柔性化生产的要求，大大提高管理效率。批调度提供选择主配方、生成批调度表和执行批初始化功能。
批管理可以调度、跟踪各批产品的生产，使产品配方、生产路径、记录的数据与各批产品正确的对应，功能包括：选择主配方并把它转变成控制配方；灵活分配设备单元，高效利用设备；控制并监视生产过程，控制包括启动、中断、挂起、恢复、复位等功能；生成符合引CFRPART11 的批电子记录：配方管理和生产调度可以设置专门的操作员站，也可以在工程师站完成(1)基本功能1 基本过程控制系统1 配方管理1 批调度1 批管理1 法规依从支持/1 与MES 集成的接口(2)常见系统结构：1 单操作站/单站系统 批管理功能可以集成在单操作站/单站系统中，构成集成的批量生产过程控制系统。1 基于服务器的系统 批管理和控制系统与PCS 集成，在可冗余的批服务务器和操作员站运行批管理系统，在工程师站完成批管理系统的组态，控制站按控制配方实施设备控制。系统可完成间歇控制模型(1SA-ds88.0.1)中所有功能，具有符合2lCFRPARTll 的电子签名和电子记录功能，可输出完整批报表。(3)适合的应用有效地提高控制和生产管理效率，降低确认或法规依从成本，降低操作和生命周期成本，性价比高。适合所有中药提取自动化应用，是中药提取企业理想的选择。
有效地提高控制和生产管理效率，降低确认或法规依从成本，降低操作和生命周期成本，性价比高。3、三项技术降低法规依从成本 利用过程分析技术(PAT)、无线射频识别技术(RFID)和符合21CFRPARTll 的电子记录和电子签名，可以有效降低FDA 法规依从成本。在放行阶段，RAT 和RFID 的应用可以帮助企业利用“例外放行法”。符合21CFRPARTu 的电子记录和电子签名可以支持“准实时放行”。五、中药提取自动化系统规划及实施 规划和实施一个中药提取自动化系统项目有关的规范包括：GMP、21CFRPARTlL，ISAS95、ISA-ds00.0.1 和GAMP4。ISA-ds88.0.1 给出了间歇生产模型、间歇控制模型和术语定义。
GAMP4 给出了自动化系统生命周期指南，利用生命周期指南，可以提高项目设计、实施过程可见度，缩短验证时间和周期，提高系统实施效率，保证系统质量，使设计的系统在限定条件下优质、高效的的满足需求。21 CFR PART11 给出电子签名和电子记录的范畴和应用。