1.凍干機(jī)是藥品冷凍干燥的重要工藝設(shè)備，確保藥品在無菌條件下完成冷凍干燥。藥用凍干機(jī)在控制要求與工作效率比一般凍干機(jī)要求高，而且自動控制越要求也高。藥用凍干機(jī)的控制系統(tǒng)總體要求如下：


 

① 根據(jù)制定好的凍干時(shí)序控制真空系統(tǒng)的真空泵、制冷系統(tǒng)的壓縮機(jī)、加熱系統(tǒng)的加熱電源或加熱介質(zhì)的循環(huán)泵、液壓系統(tǒng)的泵和測量系統(tǒng)的各種儀表的電源等，使各系統(tǒng)完成協(xié)調(diào)運(yùn)行。
 

② 在凍干機(jī)運(yùn)行時(shí)，能顯示冷阱、藥品與隔板等溫度數(shù)據(jù)。
 

③ 根據(jù)凍干機(jī)的凍干工藝曲線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、顯示和輸出。
 

④ 利用變頻器有效的控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)的優(yōu)化控。
 

⑤ 對凍干設(shè)備出現(xiàn)的緊急事故報(bào)警，同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動防護(hù)措施。
 

凍干機(jī)的控制系統(tǒng)是凍干機(jī)的指導(dǎo)中心。系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行程序控制制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、制冷機(jī)、真空泵的啟停、加熱溫度、物料溫度、冷阱溫度、真空度等。通過控制系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)與凍干工藝參數(shù)，了實(shí)現(xiàn)對凍干機(jī)高性能控制，提高凍干產(chǎn)品的質(zhì)量。

2 凍干機(jī)控制系統(tǒng)方案分析

一套完整的凍干控制系統(tǒng)主要由加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和儀表自動控制系統(tǒng)四大部分組成。凍干機(jī)這四大系統(tǒng)完全在計(jì)算機(jī)的控制和監(jiān)控之下，除藥品的前處理不在監(jiān)控范圍，其他凍干過程，都由控制系統(tǒng)完成操作。首先藥品在干燥箱內(nèi)被冷卻凍結(jié)，溶劑（通常是水）被凍結(jié)成冰晶體，藥物散布在這一晶體結(jié)構(gòu)中，在維持凍結(jié)狀態(tài)的條件下，用抽真空的方法降低制品周圍的壓力，當(dāng)它低于該溫度下水的飽和蒸氣壓時(shí)，冰直接升華成為氣體。當(dāng)冰全部升華后，需將制品的溫度逐步升高，以除去產(chǎn)品表面殘余的吸附水，這一過程需持續(xù)進(jìn)行，直至凍干劑的水分含量減少到規(guī)定的指標(biāo)要求。
 

凍干機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)該具備以下功能：

⑴ 能有效地調(diào)節(jié)各設(shè)備的運(yùn)行，按設(shè)定的程序運(yùn)行。
 

⑵ 按制定的凍干時(shí)序，采集、顯示和輸出真空度、溫度等參數(shù)數(shù)據(jù)。
 

⑶ 根據(jù)凍干機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)冷凍干燥過程的運(yùn)行。
 

⑷ 存取一段時(shí)間內(nèi)的溫度、壓力等參數(shù)，可以隨時(shí)調(diào)出歷史曲線、數(shù)據(jù)報(bào)表等。
 

⑸ 對運(yùn)行設(shè)備發(fā)生的故障進(jìn)行報(bào)警與處理。
 

⑹ 保證設(shè)備安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備運(yùn)行的保護(hù)，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)自動和手動控制切換。
 

控制系統(tǒng)可以由一個(gè)固定于機(jī)組架上的電器柜和一個(gè)可移動的帶 PC 機(jī)及打印機(jī)的微機(jī)操作臺。在電器柜里裝有 12 寸觸摸屏，西門子 PLC，電路空氣開關(guān)，變壓器，交流接觸器，記錄儀，固態(tài)繼電器等控制元件。這套控制系統(tǒng)是專門為藥用凍干機(jī)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，它能進(jìn)行全自動的冷凍干燥操作和控制，包括進(jìn)艙、預(yù)凍，加熱，抽真空，壓塞，放氣，CIP和 SIP 等過程的實(shí)現(xiàn)[4]。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)的顯示整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備上的任何一個(gè)閥，泵及指示燈都可以在計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)流程圖上動態(tài)顯示。

3. 凍干機(jī)控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 

大多數(shù)凍干設(shè)備廠采用 PLC 或單片機(jī)等來控制凍干機(jī)的運(yùn)行，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和繼電器技術(shù)。利用 PID 控制算法、模糊控制算法等控制算法實(shí)現(xiàn)溫度、壓力參數(shù)的精確控制[27]。
 

由于控制方式的不同，控制效果和控制精度也會不同，但是上面提到的一些控制方法仍存在一定的局限性。
 

⑴ 集散控制操作比較復(fù)雜，操作界面也繁瑣，這些對操作員的熟練掌握程度要求很高；
 

⑵ 采用繼電器控制會復(fù)雜化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而會增加故障出險(xiǎn)率，同時(shí)不便于維修；
 

⑶ 常規(guī)的 PID 控制算法或模糊控制算法，很難對溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行高精度控制。
 

若溫度、壓力等參數(shù)的控制精度不高，會嚴(yán)重影響整個(gè)凍干工藝、凍干產(chǎn)品的質(zhì)量。本文針對藥用凍干機(jī)的系統(tǒng)要求來實(shí)現(xiàn)控制設(shè)計(jì)，采用“PLC 作下位機(jī)+PC（計(jì)算機(jī)）作上位機(jī)（力控監(jiān)控組態(tài)軟件）”+模糊預(yù)測 PID 控制算法的方法，使整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制。為了更好的優(yōu)化凍干機(jī)系統(tǒng)，在真空系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)中分別采用變頻器與 PLC 結(jié)合進(jìn)行優(yōu)化控制，通過變頻器控制真空機(jī)組、壓縮機(jī)、電機(jī)等的轉(zhuǎn)速。凍干機(jī)的溫度控制主要用 PLC 進(jìn)行控制，同時(shí)引入模糊預(yù)測 PID 控制算法，確保干燥箱中的溫度穩(wěn)定控制在設(shè)定范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行情況表明，經(jīng)過優(yōu)化的控制系統(tǒng)，具有控制精度高、穩(wěn)定強(qiáng)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中也能實(shí)現(xiàn)。在上位機(jī)上采用力控（ForceControl6.1）組態(tài)軟件開發(fā)凍干機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，讓整個(gè)控制系統(tǒng)更直觀化。