1 工藝簡介
EPA分布式網絡控制系統2005年9月份在華東制藥的二期項目中成功投運，主要應用在阿卡波糖生產車間。阿卡波糖是一種生物合成的假性四糖，能夠抑制a-葡萄糖苷酶的活性，從而導致了腸內多糖、寡糖或雙塘的降解，使碳水化合物的葡萄糖的降解和吸收入血速度變緩，降低了餐后血糖的升高，使平均血糖下降?；瘜W名：O-4，6-雙脫氧-4[[（1S,4R,5S,6S）4，5，6-三羥基-3-（羥基甲基）-2-環己烯-1-基]氨基]-a-D-吡喃葡糖基（1→4）-D-吡喃葡萄糖結構式，如圖1所示。
圖1 分子結構式示意圖
阿卡波糖是一種非胰島素促進劑的有效的口服型降血糖藥，主要用于Ⅱ型糖尿病的治療。發酵是阿卡波糖生產的初始階段，菌種在一定的溫度、壓力以及氧氣容量的條件下發酵并完成菌種的培育，發酵罐內的溫度是非常關鍵的一個監測量，在系統設計時，采用雙支式熱電阻，以冗余的工作方式對發酵罐內溫度進行測量。發酵本身是放熱反應，在發酵的過程中，通過安裝在罐內的攪拌機對發酵物進行攪拌，以保證整個罐內的溫度均勻。由于是放熱反應，為了保持發酵罐內的溫度恒定不變，必須通過水循環裝置進行冷卻，一般使用冷水就可以了，但在冬天則需要使用溫水來進行溫度的控制。發酵罐內的溫度調節通過冷卻水（或溫水）的流量控制來進行，通過自動控制調節的方式保證發酵罐罐內溫度的恒定。
2 系統的安裝布置
發酵車間具有6個一級罐（小罐）、6個二級罐（中罐）、10個三級罐（大罐），以及公用工程系統（空氣系統、給水系統），整個系統具有100多個監測和控制點，每一個罐的監測點如表1所示。
表1 監測點情況一覽表
各個發酵罐生產過程比較獨立，發酵時間、過程控制基本類似，可以采用統一的控制策略。不管是什么類型的發酵罐，罐內的監控點包括罐內的壓力、發酵罐的PH值、罐內的溶氧、發酵罐的空氣流量、噸位測量、循環水控制等等，發酵罐監控示意圖如圖2所示。
圖2 發酵罐監控示意圖
公用工程系統的示意圖如圖3所示。公用工程的空氣系統監控點主要包括：進氣溫度測量、冷卻溫度測量、加熱溫度控制、進罐溫度測量、空氣流量測量 （0～10kPa／0～600m3/min）、進罐壓力測量 （0～0.25MPa）；供水系統的進水溫度測量 （Pt100 0～150℃）、進水壓力測量 （0～0.6MPa）、進水流量測量 （0～40kPa／0～800t/h）、回水溫度測量 （Pt100 0～150℃）；蒸汽系統主要包括：蒸汽溫度、蒸汽壓力，以及蒸汽流量的測量。
圖3 公用工程系統示意圖
EPA分布式網絡控制系統在現場的安裝布置采用兩個網段，系統的結構示意圖如圖4所示。每個網段是60個設備，系統安裝方案主要是根據現場發酵罐和公用工程系統的物理位置來確定。在工程實施的過程中，我們將一級罐和二級罐的監控點分配在第一個EPA網段，三級罐、空氣系統、水系統以及蒸汽系統的監控點分配在第二個EPA網段。EPA的現場控制器、EPA網橋以及EPA的現場監控層網絡都采用了冗余的安裝方式，實現了徹底的冗余，并且實現了控制以及通信的無擾動切換，整個控制系統的性能得到了充分的提高，特別體現在系統的穩定性以及維護的便捷性。
圖4 EPA系統結構示意圖
在華東制藥二期項目中一個最主要的突破是在生產裝置上面直接安裝了基于EPA協議的現場變送器，取代了傳統的模擬變送器，對于暫時無法開發的變送器（比如齊平膜的小型壓力變送器、溶氧變送器以及PH值變送器），在工程實施的過程中我們安裝了基于EPA協議的各種常規IO信號采集模塊，將常規的模擬信號轉換成符合EPA協議的數字信號接入到整個EPA系統中。在這次項目中安裝了將近30臺基于EPA的壓力變送器、20臺基于EPA的雙路溫度變送器以及4臺電磁流量計，對于所有設備的設備組態、標定、調校等功能可以通過EPA的設備管理軟件實現遠程的設備管理，這極大地方便了儀表工程師的設備維護工作。
3 系統控制方案實施與應用
整個發酵罐內的生物化學反應比較復雜，但是控制方案的實施相對比較簡單，每個發酵罐有：溫度、PH值、溶氧、罐底壓力、罐頂壓力、空氣流量和電機（攪拌機）轉速7個信號采集點及一個冷卻水閥門（開關量）控制點。除溫度和冷卻水閥門構成一個溫控回路外，其他點只作信號采集的作用。首先是發酵罐內溫度的控制，如前所述，就是將罐內的溫度與冷卻水的流量控制構成單回路；其次是溶氧，通過檢測溶氧值實現對發酵罐空氣流量的控制，保證發酵過程的溶氧量在正常的設定范圍內。
公用工程的控制關鍵主要是總空氣溫度的控制，送入發酵罐的空氣經過3次過濾，并且在進入罐內時溫度需要控制在50 ℃左右，空氣溫度的調節主要是通過調節蒸汽的流量來進行。
通過控制冷卻水流量來控制罐內溫度：當監測到當前溫度-設定溫度 > 設定溫差限定值（0.1℃）時，通過開出量卡，打開冷卻水閥門，讓冷卻水對罐內溫度進行降溫；而相反，當設定溫度-當前溫度 > 設定溫差限定值（0.1℃）時，這時罐內溫度低于設定值，通過開出量卡，關閉冷卻水閥門，利用罐內發酵所產生的熱量使得罐內溫度自然得到升高。
《EPA通信標準》針對工業控制這種數據傳輸類型的特點，將通信周期分為周期性通信信息數據發送和非周期性通信信息數據發送兩個階段：對周期性通信信息數據設計了通信調度的時間分片方法，各設備基于IEEE 1588實現精確時間同步，在周期數據發送階段，根據組態配置自動計算，只有在其發送數據的起始時間到的時候，才發送周期數據，使其滿足對時間有嚴格要求的控制數據的傳輸需要；對非周期性通信信息數據設計了基于優先級的調度方法，設備自動計算本設備非周期性通信信息數據在本網段內的優先級，依優先級大小發送非周期性通信信息數據，避免了以太網通信報文碰撞，確保優先級高的報文，例如報警信息得到優先發送，而又不至于影響有嚴格時間要求的數據通信。
實現分時調度的前提是網絡上每臺設備的時間一致性。首先在組態軟件根據各個設備的描述文件和系統的控制的構架下，對每個網路設備分配一定的網絡時間，然后將組態信息下載到網絡設備。
圖5 EPA確定性通信調度示意圖
在一個現場微網段內，所有EPA設備的通信均按周期進行，完成一個通信周期所需的時間T稱為一個通信宏周期（Communication Macro Cycle）。
一個通信宏周期T分為兩個階段，其中第一個階段為周期報文傳輸階段Tp，第二個階段為非周期報文傳輸階段Tn（如圖5所示）。在周期報文傳輸階段Tp，每個EPA設備向網絡上發送的報文是包含周期數據的報文。周期數據是指與過程有關的數據，如需要按控制回路的控制周期傳輸的測量值、控制值，或功能塊輸入、輸出之間需要按周期更新的數據。周期報文的發送優先級應為最高。在非周期報文傳輸階段Tn，每個設備向網絡上發送的報文是包含非周期數據的報文。非周期數據是指用于以非周期方式在兩個通信伙伴間傳輸的數據，如程序的上下載數據、變量讀寫數據、事件通知、趨勢報告等數據，以及諸如ARP、RARP、HTTP、FTP、TFTP、ICMP、IGMP等應用數據。非周期報文按其優先級高低、IP地址大小及時間有效方式發送。所有EPA微網段內的網絡設備先進行時間同步，在時間同步的基礎上根據時間組態信息進行分時的網絡通信調度。
在華東制藥應用的EPA系統，系統的時鐘同步精度達到10μs，每個設備分配的周期發送時間間隔是1ms,每個網段的通信宏周期是100ms，控制周期是200 ms。華東制藥的EPA系統在工程實施之前進行了長達一個月的出廠聯調，一次發酵過程需要一個星期左右時間，工程實施結束之后也已經有連續2個無故障發酵過程記錄，無通信故障，無通信丟包，無發送亂序，無信號跳變。
EPA分布式網絡控制系統實現了就地安裝，極大地減少了工程實施的工作量，節省了大量的信號布線，采用了PoE的總線供電方式，基于EPA的現場變送器和常規信號采集模塊無需再另加電源，安裝極其方便，加上EPA現場設備的遠程管理功能，方便了儀表工程師的維護工作。
