实验型在位清洗监控系统的设计

顾青青孙怀远,杨丽英

（1.上海医疗器械高等专科学校，上海 200093；2.上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093）

实验型在位清洗监控系统的设计

顾青青2孙怀远1,2杨丽英1

（1.上海医疗器械高等专科学校，上海 200093；2.上海理工大学医疗器械与食品学院，上海 200093）

介绍了实验型在位清洗（CIP）监控系统的设计，其中包括监控系统信号采集、信号转换和过程控制的硬件结构设计；也包括采用工控组态软件（MCGS）实现的监控软件系统的设计。

MCGS；在位清洗；监控系统

随着制药行业对制药生产过程与设备提出越来越高的卫生洁净要求，在位清洗（Cleaning In Place，简称CIP）系统已广泛用于清洗生产管线和设备中，以提高制药设备、管道清洗工作效率和确保药品质量。所谓的“在位清洗”通常是指系统或较大型设备在原安装位置不作拆卸及移动条件下的清洗工作[1]，是一套既不分解生产设备，又可自动完成有效清洗过程的清洗技术，通常是一种利用高温、高浓度的洗净液对装置加以强力作用，对设备与物料的接触面进行洗净的方法，它是保证药品安全生产、不发生错药及混药的一个重要环节[2]。在位清洗的关键之一在于整个清洗流程的自动运行与监控。所以，CIP系统应是包括主体装置（设备、清洗罐、泵、阀门、输送系统等）、自动化控制装置和软件技术（清洗方法选用、洗液配置、流程运行、过程自动监控技术等）等的一整套技术系统。

在位清洗过程监控系统是为设备的在位清洗装置而设计，如对有CIP要求的物料罐、提取罐、搅拌混合机、冻干机等设备进行在位清洗时实现自动运行和实时监控。清洗流程主要是通过监控系统使系统中的泵、电磁阀、加热器等执行元件“通”、“断”而实现的。本文主要介绍应用北京昆仑通泰公司的工控组态软件MCGS（Monitor and Control Generated System）设计开发在位清洗监控系统，以实现实验型在位清洗系统整个清洗过程的全自动运行和实时监控。

1 监控系统技术方案

在位清洗监控系统一般要求配有人机以实现以下功能：实时监控清洗过程；设置和自动调节液洗循环时间、过程参数；具有动画显示、报警处理、报表输出等功能。

根据实验型在位清洗系统主体装置结构和工作流程，控制对象有4个泵、3个加热器和16个电磁阀，需要检测控制的参数有液位、温度、压力、pH值、电导等，再考虑到系统的可扩展性，整个监控系统采用PLC控制器及多个子模块组合实现对信号的处理和整个系统的控制；采用工控组态软件实现人机界面，并对各种参数进行检测、显示，对系统进行监控。拟定的在位清洗监控系统技术方案如图1所示。

图1 在位清洗监控系统技术方案Fig.1 Technical scheme for monitor and control system cleaning in place

实现该技术方案的监控系统由上位机（包含工控组态软件）、控制元件、检测元件等组成。根据整个监控系统的功能要求，上位机在监控系统中还可对各参数进行打印、绘制实时数据或历史数据报表与曲线、提供警报讯息等。

2 监控系统结构设计

依据上述技术方案，实验型在位清洗监控系统有三层结构：信号采集、信号转换、数据监控。

2.1 信号采集

CIP清洗流程中要对各清洗液温度、液位、压力进行检测和控制。本装置采用三个具有很强抗污染能力和机械强度的Pt 100型铠装悬挂防水式一体化铂电阻温度变送器（测量范围为0 ～ 100 ℃、热响应时间＜90 s、输出4～20 mA标准信号）对现场贮液罐中清洗液温度进行检测、采集；采用三个浮球式液位传感器对贮液罐中液位进行检测、采集；采用一个DMP 331型压力传感器对清洗液喷洗压力进行检测、采集。

CIP系统的pH值反映系统清洗过程酸碱度的变化，判断清洗设备或容器是否达到清洗要求。本装置采用691 N型pH值传感器对清洗过程进行实时检测，其数据由pH变送器显示。

CIP系统的电导率是表示清洗液导电性的量，反映清洗液中含盐量多少，是清洗液纯净程度的重要指标，也反映了设备或容器被清洗的干净程度。本装置采用C 6308 CT型微电脑电导仪对清洗过程的电导率进行实时检测。

2.2 信号转换

CIP系统的温度、液位、压力等参数为模拟量信号，选用泓格I-7033型三通道温度模块将CIP系统清洗液温度信号转换为数字信号；选用一个7017 C模块将CIP各贮液罐的液位、排水回路中的pH值、清洗液喷洗压力信号转换为数字信号；而清洗系统排水回路中电导率参数由电导变送器显示。CIP系统的所有参数均通过485总线与上位机通讯。

2.3 数据控制

为实现在位清洗工作流程的自动运行，各模块转换和上传的温度、液位、压力、pH值、电导率等参数经与给定值进行比较、处理后，其输出将作为外围器件的驱动信号，以控制它们的工作状态。为此，本装置选用西门子S7-200型PLC（AC-220V、CPU 226，24点输入、16点输出）及7043 D型I/O模块，通过PC/PPI电缆、采用RS-485通信方式与上位机连接，以实现对四个泵、三个加热器及16个电磁阀的控制。

图2即为监控系统的结构。

图2 在位清洗监控系统结构Fig.2 Structure of monitor and control system cleaning in place

3 监控系统组态设计

作为操作与监控的平台，本系统上位机采用嵌入式一体化工控机TPC 105-TC 33，具有四线电阻式触摸屏、64 M内存、640×480分辨率液晶显示。组态软件为MCGS嵌入版，它可用于快速构造和生成计算机监控系统，是帮助用户解决工程实际问题的完整方案和操作工具，由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成；其中断策略响应时间小于5 ms，具有多任务、多线程、内置流程图组态等功能；可通过Active Dll把设备驱动挂接在系统中，提供丰富的设备驱动构件、动画构件、策略构件，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、数据报表和趋势曲线、工艺过程实时监控及逻辑控制[3]；并可通过OLE技术向用户提供VB编程接口以快速编制各种驱动构件、动画构件和各种策略构件，定制自己特定的系统[4]；可把TCP/IP网/485/432网/MODEM网结合在一起构成大型的监控和管理系统。MCGS与TPC 105-TC 33的软硬组合构成了上位机监控系统的组态工作平台，并可随时方便地扩充系统。

3.1 监控系统框架组态设计

整个在位清洗监控系统是通过框架组态设计完成的。在MCGS主控窗口进行工程框架设计，建立“启动界面”、“参数设置”、“CIP运行界面”、“数据报表与曲线”及“警报讯息”五个用户窗口，并对它们的基本属性、扩充属性、启动脚本、循环脚本和退出脚本等进行设置和定义，使监控系统各层之间方便快速地切换；并利用MCGS提供的标准工业器件、设备、图形库对上述五个用户窗口进行工程组态设计、动画连接等，使监控系统能实现人机界面、图像显示、实时监控、报警处理、报表输出等功能，以对流程运行和各参数进行实时了解与控制。

基于MCGS的TPC 105-TC 33型嵌入式一体化工控机，在通讯上由通讯口RS 232/485与S 7-200型PLC、7043 D型I/O模块、7033和7017 C型数据转换模块、C 6308 CT 型电导仪进行数据交换，实现整个系统的监控与显示。

3.2 实时数据库构建与设备驱动

按照在位清洗装置结构和工作流程，对系统中所有涉及到的对象（包括泵、阀等元器件，温度、液位、压力等检控参数，日期、时间等系统参数）进行定义，构成含有52个“数据”（通过特定操作将数据变量的数值特征、状态、存盘与报警处理等封装成为一个整体对象——即数据[5]）的系统操作数据处理中心，即实时数据库。其实， MCGS把整个实时数据作为一个对象封装起来，提供一系列的方法和属性，并构成MCGS核心。当MCGS 运行后，实时数据库对象被暴露出来，通过OLE自动化操作，就可取到实时数据。

实时数据库构建之后，需将系统“数据”与外部设备相连接，在MCGS工控组态中称为完成设备驱动。具体过程是：在MCGS设备窗口中，利用设备工具箱定义本系统中的S 7-200型PLC、7043 D型I/O模块、7033和7017 C信号转换模块、691 N型pH值传感器、C 6308 CT 型微电脑电导仪等多种设备构件，赋予相关的属性，建立起系统与外部设备的连接关系，实现对外部设备的驱动和控制。所有的设备构件均通过实时数据库建立联系，而联系又是相互独立的，即对某一构件（而不是具体设备）的操作或改动，不影响其它构件和整个系统的结构，从而实现“与设备无关”的操作。

3.3 监控参数标度变换

在实际工程应用中，被测模拟信号被检测出来并转换成数字量后，常需要转换成操作人员所熟悉的工程量。因为被测数据的量纲与A/D转换的输入值是不一样的，A/D转换后得到的是一系列数码，这些数码值并不等于原来带有量纲的参数值，它仅仅对应于参数的大小，故必须把它转换成带有量纲的数值后才能运算、显示或打印输出，即需要进行标度变换[6,7]。在在位清洗各参数检测控制过程中，基于MCGS的标度变换是封装在“设备”相关操作中的，即由各传感器检测、转换模块输出的数字信号，是通过MCGS软件中的“设备驱动-设备组态-设备构件”相关操作实现标度变换的。在MCGS环境中，针对Pt 100温度传感器、浮球式液位传感器、DMP 331型压力传感器、691 N型pH值传感器和7033温度模块、7017 C信号转换模块、电导变送器等这些外部设备，利用设备工具箱，定义设备构件，赋予温度、液位、压力、pH值和电导率等“数据”的范围、数据类型等相关属性，通过“通道连接”建立MCGS系统与外部设备的连接关系，实现对各传感器和相应模块的驱动与控制，从而使A/D转换后的温度、液位、压力、pH值和电导率等数字信号能以实际数据和相应量纲显示、储存。

3.4 数据采集模块设计

在位清洗监控系统中，实时温度、液位、压力、pH值和电导率等参数的显示、存盘等操作是必需的，所以这些参数的数据采集是实现自动控制的重要工作。数据采集就是借助于软件来控制整个相关硬件结构，包括采集原始数据、分析数据、给出结果等。本研究采用MCGS“策略构件”完成各参数数据采集工作。其实，数据采集仍然与设备驱动有关，因为MCGS就是在运行环境中调用相应的设备驱动程序，而设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的处理程序，它们将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去，将数据传送到工程中各个部分，完成整个系统的通讯过程。在MCGS中，整个数据采集模块的设计都是通过“构件”实现的，而且由于设备驱动是在后台操作的，所以要实现各参数的“可视化”还必须借助于“动画策略构件”，使真正的程序在内部和后台完成。

数据采集模块设计是在MCGS相应用户窗口中操作的。打开工具箱，选择和绘制“百分比动画构件”，分别对其基本属性、刻度和标注属性、操作属性及可见度属性进行定义，规定各参数的显示范围、形式，建立相应构件与温度、液位、压力、pH值和电导率等“数据”变量之间的连接与对应关系，即完成动画连接。再通过“工具箱-常用图符”定义一“显示框”，并对其“数据对象”、“动画连接”进行操作，也使其与温度等“数据”变量之间建立起连接与对应关系。这样，当清洗现场中测控的温度、液位、压力、pH值和电导率等参数发生变化时，通过设备驱动程序将变化的数据采集到实时数据库的温度等“数据”变量中，这些变量是与“百分比动画构件”和“显示框”动画属性相关的，数值的变化，使图形的状态和显示值产生相应的变化。现场的数据是连续被采集进来的，这样就会产生实时的动画效果（如温度、液位、压力指针的升高和降低）。

4 自动监控程序设计

在位清洗装置在完成自动、安全清洗过程中，监控系统不仅要有效采集液位、温度、压力、pH值、电导率等数据，而且还要有效控制有关参数，使清洗过程在不同阶段按规定温度、压力等参数的要求加以完成。为达到这一目标，系统必须按符合工艺流程程序的要求运行。在MCGS中，这一过程是采用脚本程序的形式实现，它是在MCGS“运行策略”窗口中，选用系统提供的各种条件和功能的策略构件，通过丰富的功能构件配置和属性设置两项组态操作，用图形化的方法和简单的编程语言构造多分支的应用程序，生成本系统“启动策略”、“退出策略”、“循环策略”、“CIP流程”、“结束程序”五个运行策略，使系统能够按照设定的顺序和条件，与实时数据库进行数据交换，“操作”外部设备，实现泵、加热器、电磁阀的有效控制及液位、温度、压力、pH值、电导率等参数的检测，实现对流程运行进行灵活而精确的控制，以及对动画窗口的任意切换、对设备工作状态和系统运行流程的自动监控。

本装置CIP流程运行策略中“酸洗循环”自动控制部分脚本程序如下：

5 结论

类似MCGS的工控组态软件在制药、化工、食品等领域已经得到广泛的应用，其中尤其是在流程控制应用方面所体现出的简洁、灵活及快速性的优点。实验表明，应用MCGS构建的实验型在位清洗监控系统，基本实现了人机界面、实时流程动画显示、实时监控清洗过程、实时数据浏览与保存、实时和历史数据趋势显示与报表输出等功能，并具有操作简单明了、性能稳定可靠、成本低、自动化程度高等优点，同时可方便地通过硬、软件组合，实现CIP监控系统的有效扩展；在对清洗流程的监控方面完全达到了自动化要求，使整个CIP系统的运行和控制状态更直观。

[1]孙秀光.制药设备在位清洗（CIP）实用性的探讨[J].化学工程与装备，2012，（5）：105-109.

[2]钱小进.CIP及其影响因素与验证[J].机电信息，2013，（8）：36-38.

[3]于淼，郑楠，闫丰.基于MCGS与DSP的串行通信研究与实现[J].现代电子技术，2013，36（4）：36-39

[4]北京昆仑通态自动化软件科技有限公司.MCGS嵌入板参考手册[Z]：1-9，125.

[5]谢军，洪应，韩磊.基于MCGS和PLC的液体混合搅拌系统设计[J].工业控制计算机，2013，26（4）：26-29.

[6]赵建敏，朱琳，张艳峰.基于GPRS的数据采集模块的设计[J].化工自动化及仪表，2012，39（7）：917-919.

[7]桑森，田国会，晁彦举.热处理炉温控制系统设计[J].工业控制计算机，2013，26（10）134-135，138.

十五年坚实发展，点燃中国制药强国梦——第十五届世界制药原料中国展/第十届世界制药机械、包装设备与材料中国展在上海举办

2015年6月24日，世界制药原料中国展（CPhI China 2015）迎来十五周年华诞，携手第十届世界制药机械、包装设备与材料中国展（P-MEC China 2015），于上海浦东新国际博览中心盛大开幕，展会面积达150 000 m2，参展企业逾2 600家。

十五年点滴汇聚不断追求卓越，世界制药原料中国展（CPhI China）源自CPhI 全球展，于2001年由欧洲博闻展览咨询有限公司（UBM EMEA）、中国医药保健品进出口商会（CCCMHPIE）及上海博华国际展览有限公司（UBM Sinoexpo）联手引入中国。首届展会进驻上海国际展览中心，以其精准的市场定位一鸣惊人：6 200 m2的出展面积，193家展商，6 829人次的专业观众成为一个良好的开端。此后，凭借良好的市场发展契机、优质的国内外观众资源以及丰富的办展经验，CPhI中国展迅速发展壮大，成为了行业的风向标，反映着中国乃至全球医药行业的风云变化。

2006年，随着第一轮GMP改造为中国制药设备企业带来的发展浪潮，世界制药机械、包装设备与材料中国展（P-MEC China）孕育而生，成为CPhI第一个衍生品牌。

随着市场的发展和主办方的不断努力，展会展区不断发展，陆续推出了世界天然提取物中国展（NEX China）、医药包装材料精品展（InnoPack China）、世界生化、分析仪器与实验室装备中国展（LABWorld China）、世界医药合同定制服务中国展（ICSE China）、制药环保与洁净技术展（EP & Clean Tech China）、生物制药与技术中国展（BioPh China）和国际医药物流展（P-Logi）等医药领域的专业展区。

十五年来CPhI扎根中国，不仅打造了原料药行业最权威的贸易盛会，带领了一批原料药企业走向全球，并且纵观行业发展，不断求变，细分产业板块，向产业链上下游延伸，现已发展成为网罗制药行业全产业链的制药国际大展。

CPhI系列展会已成为亚洲首屈一指的制药工业贸易平台，展出规模位居CPhI全球九大系列展之首。2015年展会汇聚了2 600余家展商，包括国际展商约250家，并吸引45 000人次的专业参观商，其中海外参观商约占3成，印度、韩国、日本、美国、德国等海外观众数量居高不下，而来自印尼、俄罗斯、泰国、土耳其等新兴市场的采购人士比例也在逐年增加，成为连接中国企业与国际制药产业的重要桥梁。

为庆祝CPhI中国展十五周年，除强大展出阵容外，主办方组织了百余场主题会议及活动为展会周年华诞锦上添花，其中有第六届中国与世界医药企业家高峰会、CPhI国际药证（FDA, EDQM, WHO，PMDA）答疑会、CPhI, ICSE & PMEC中国展创新与发展论坛、NEX天然提取物发现之旅、第五届“CPhI制药在线”买家采购会等品牌会议活动。

P-MEC中国展十年里程碑之际，组织了P-MEC 中国制药峰会、CPhI, ICSE & PMEC中国展创新与发展论坛——制药技术篇、医药包装与药物给药系统国际峰会、制药行业GMP厂房运行管理论坛等系列技术峰会，以及创新生物制剂包装解决方案展示Show、InnoLAB前沿实验室仪器与解决方案展示秀等特色主题活动以丰富周年庆典活动。

（博 华）

Design of Experimental Inline Cleaning Monitor System

Gu Qingqing2，Sun Huaiyuan1,2， Yang Liying1
（1.Shanghai Medical Instrumentation College, Shanghai, 200093; 2.College of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093）

In this paper, the design of experimental inline cleaning monitor system was introduced.The system design includes signal collection, signal conversion and structure of hardware for process control.Also, the design of monitor software system based on MCGS was introduced.

MCGS； clean inline； monitor and control system

TQ 056.2

：A

：2095-817X（2015）03-0032-005

2015-03-13

顾青青（1992—），女，研究生，主要研究方向：生物医药工程。