醫藥滅菌車間中數據采集與監控的實現

侯運河,楊慕升

(山東理工大學機械工程學院,山東 淄博 255049)

制藥企業滅菌過程產生的實時數據如果不能被實時采集和監控,將會降低生產的效率以及藥品的生產質量.鑒于此種情況,數據采集和監控系統的設計受到人們的關注并迅速被認可.本文結合某制藥企業的實際情況,對滅菌系統中數據的采集和監控系統進行設計,將采集到的溫度、壓力等模擬量由計算機轉換成數字量并進行存儲、處理、顯示或打印.數據的采集和監控不僅對滅菌環節,而且對整個生產環節和產品的質量都有很重要的影響,具有很好的應用前景和現實意義.

1 系統需求分析

設計以某制藥企業滅菌車間為實際應用場所,分析每批產品滅菌的實際過程以及滅菌過程中的工藝參數,實現滅菌柜中數據的采集和實時監控.滅菌車間以“批”為單位,對進入滅菌柜中的每批產品進行高溫蒸汽滅菌,使相應的參數滿足滅菌的要求.以車間內某一批號的葡萄糖注射液滅菌為例,分析滅菌過程中各滅菌參數的大小.根據藥品質量規范以及滅菌的具體要求,在藥品滅菌的過程中要控制滅菌環境的溫度、壓強以及滅菌的時間,也就是說溫度、壓強和時間這3個參數決定著藥品的滅菌環節是否已經完成并且成功.

車間內對葡萄糖注射液的滅菌過程如圖1所示,通過數據采集和微機監控實現對滅菌數據的采集和過程的監控.由圖1可知,整個滅菌過程所需時間為91.05min,其中溫度上升時間為43.05min,恒溫滅菌時間約為12.017min,冷卻時間約為35.983min.在整個過程中要控制每一時間段上的溫度和相應的壓強.

基于制藥企業滅菌過程的具體要求,在數據采集和監控過程中要完成以下工作:①采集滅菌柜中溫度和蒸汽壓力的實時數據;②處理采集到的溫度和蒸汽壓力的模擬信號;③采集數據的屏幕顯示和存儲;④人機交互,人能夠對采集系統發出指令.

圖1 葡萄糖注射液的滅菌過程

2 數據采集系統的選用

設計時,可針對滅菌過程中的具體要求選用合適的數據采集和監控系統.目前,數據采集系統分為兩類:(1)采集卡內置型數據采集系統;(2)采集卡外置型數據采集系統.

2.1 采集卡內置型數據采集系統

采集卡內置型數據采集系統的核心為數據采集卡,采集卡通常被安裝在主機箱內的任何一個ISA總線插槽中,信號電纜從機箱外部直接接入.這種安裝方法雖然可行,但存在一定的局限:采集卡易受機箱內環境的干擾,易造成采集數據的不準確,而且由于受計算機插槽數量和地址、中斷資源的限制,不可能掛接很多設備[1].針對以上局限,根據設計的實際需要,本文采用采集卡外置型數據采集系統來完成滅菌過程中數據的采集和監控任務.

2.2 采集卡外置型數據采集系統

采集卡外置型數據采集系統與內置型數據采集系統的原理一樣,所不同的就是將數據采集卡放在主機的外部,傳感器將采集的數據傳送到數據采集站再做進一步處理.在制藥企業的滅菌車間里,滅菌柜中采集的數據最終傳送到PC機顯示并存儲.由于現實條件的限制,在滅菌車間中,傳感器到PC機還存在一段距離.在這種情況下,必須考慮信號的傳輸介質以及傳輸方式對傳輸信號造成的影響.基于對實際情況的考慮,采用了串行總線技術構成的滅菌柜遠程數據采集和監控系統.

3 數據采集系統的設計方案

3.1 方案的比較

目前,串行總線有RS-485、USB、現場總線等.采用RS-485總線技術對現場數據進行采集、管理,相對于如FF、CAN、Lon Works、Profibus等現場總線系統而言,具有明顯的優越性,在一定時間內它仍是中小規模數據采集系統的主要形式[2],因而RS-485總線系統得到人們的認可并被應用在本次設計中.但僅采用RS-485總線模塊將傳感器在采集現場采集到的模擬量數字化的傳輸方式數據傳輸速度慢,不利于實現系統的實時性,會給本次設計和企業的實際應用帶來限制.基于對實際條件的考慮,能夠彌補這種限制的USB也被應用到本次設計中.USB(Universal Aerial Bus,通用串行總線)的優點為:傳輸速度快、設備安裝和配置容易、易于擴展、能夠采用總線供電、使用靈活而且還可以提供電源.但是USB也有其應用障礙:傳輸距離是限制USB在滅菌車間現場應用的一個障礙,即使增加了中繼或者Hub,USB傳輸距離通常也不超過幾十米[3],這個傳輸距離對于制藥企業的滅菌車間而言顯然太短了.所以在實際應用中采用RS-485總線和USB配合使用,以保證采集系統更高的實時性和準確性.

3.2 方案的選用

由圖1可知,滅菌柜中為高溫高壓環境,所以選擇的數據采集系統應能適應惡劣環境,不會因為惡劣環境的影響而造成采集精度的下降甚至數據采集的失敗.集散型數據采集系統是用數字信號代替模擬信號傳輸,有利于克服常摸干擾和共模干擾.因此,這種系統適合于滅菌柜中高溫高壓的環境.

基于制藥企業實際的滅菌過程,本系統使用集散型數據采集系統對滅菌柜中的溫度值和蒸汽壓力值進行采集和監控,集散型數據采集系統框圖如圖2所示.圖2中,數據采集系統的最前端為傳感器,傳感器是滅菌柜中溫度和壓力因子數據采集的重要器件,用來感知環境因子的變化.

對于采集信號的傳輸介質,本設計采用USB和RS-485相結合的方式.USB和RS-485相結合構建數據采集系統的方案是:在滅菌車間采集現場,PC機端有一個雙向RS-485/USB的轉換接口,利用RS-485總線協議和USB相結合和這個雙向RS-485/USB的轉換接口接收RS-485總線模塊的數據并通過USB接口傳輸至PC機,將數據采集器采集到的模擬量進行濾波、放大、模數轉化等處理[4].而PC機向數據采集設備發送數據的過程正好相反;PC機向USB口發送數據,該數據通過RS-485口發送,再通過RS-485/USB轉換接口轉換為RS-485總線協議向遠端輸送.

圖2 集散型數據采集系統框圖

4 監控系統的設計

為了更加準確地測量滅菌的溫度,在滅菌柜中采用4個溫度傳感器來分別測量滅菌柜中4個邊角的溫度.為了保證測量溫度的準確和均衡,在實際滅菌時,要以至少3個溫度傳感器的溫度同時達到滅菌溫度為準,也就是至少3個溫度傳感器的溫度達到121℃時,滅菌過程正式開始.

滅菌柜中的最高溫度在130℃左右,最高壓強為300kPa,所以,選用的溫度傳感器的最大測量值要大于130℃,壓力傳感器的絕壓最大值應大于300kPa.在滿足測量范圍的基礎上,傳感器的精度也是需要考慮的一個重要因素,傳感器精度的高低是影響數據采集系統精度、可靠性和成本的重要因素之一.在精度、可靠性滿足系統要求的情況下選擇價格適宜的傳感器.

溫度傳感器采用KT Y系列溫度傳感器KT Y81-110,該傳感器的測量溫度范圍為-50～150℃.壓力傳感器采用規格為US9111的氣壓傳感器,該傳感器的工作溫度為-40～125℃,可提供100kPa、200kPa、350kPa和700kPa的絕壓量程.

RM417為遠端模擬量采集模塊,適用于各類工業現場,可采集16路信號,并通過RS-485接口與上位機進行實時通信.RM417采用ADS7808A/D轉換芯片進行12位模數轉換,采用單片機89C52對ADS7808轉換的信號進行數據處理,并通過RS-485通信線與上位機通信.采集系統硬件連接圖如圖3所示.

圖3 采集系統硬件連接圖

4.1 數據采集過程設計

根據滅菌環境的需要,主機放在距離滅菌柜較遠的監控室中,主機與采集系統通過USB相連,按照如圖2所示的連接方式將硬件連接好.整個系統在運行時,先由最前端的溫度傳感器KTY81-110和氣壓傳感器US9111分別采集滅菌柜中的滅菌溫度和滅菌的蒸汽壓力,將采集到的模擬量傳送到數據采集站RM417中進行數字化處理,即對模擬信號進行二次數據計算(通常把直接由傳感器采集到的數據稱為一次數據,對一次數據進行某種數字運算而獲得的數據稱為二次數據)[5],然后由RS-485總線協議將數據上傳.在PC機端有一個雙向RS-485/USB的轉換接口,利用這個轉換接口接收RS-485總線模塊的數據并通過USB接口傳輸至PC機進行分析處理.而PC機向數據采集設備發送數據的過程正好相反.

在圖2中,關鍵設備除了RM417外,還有RS-485/USB轉換器.應用National Semiconductor公司的USBN9602+89c51+MAX485可以實現這一功能,在實際應用中取得了良好效果.需要特別說明的是,在RS-485/USB轉換器中,RS-485接口的功能和通常采用的RS-232/RS-485轉換器中RS-485接口的功能完全一樣,也就是說,一個RS-485/USB轉換器能夠完全取代RS-232/RS-485轉換器.

4.2 系統軟件設計

RM417為單端16通道,通過物理層最終完成主機與從機的數據傳送.在滅菌柜的數據采集過程中,主機和從機之間傳送的命令是ASCII格式,模塊地址和數據是十六進制格式[6].在系統中,從機完成數據采集、預處理和上傳數據等任務,主機完成數據的集中處理任務,所以數據采集通信軟件要使主機和從機協調一致地工作,以減小數據通信對系統的影響.

采集到的數據不僅要在界面顯示,而且還要存放到數據庫中,供數據的對比和查詢.設計不僅要實現數據的界面顯示,而且還要便于實現以后的數據查詢和比較的功能.采用層次模型組織數據進行采集系統軟件的設計,其結構圖如圖4所示.

圖4 數據采集系統軟件結構

采用C++Builder6.0作為采集通信軟件界面的開發工具,采用SQL Server創建的數據庫存放數據,數據查詢采用SQL查詢語言.整個人機交互功能設計的重點是人機交互界面以及數據庫的創建.由Form3窗體制作的人機交互界面如圖5所示.

圖5 數據采集系統的人機交互界面

Form3窗體使用了3個ComboBox組件、17個DBEdit組件、6個RadioButton組件、1個Check-Box組件、3個BitBtn組件、4個Label組件、2個GroupBox組件,這些組件組合設計完成了人機交互界面.用SQL Server創建系統所需的命名為QDYY的數據庫,數據庫創建的過程中需要根據滅菌的實際需求建立數據表,如建立Results表.整個系統的查詢功能由SQL語言來實現,交互界面和數據的連接需要用到ADOQuery控件,在控件中加入代碼Select*from Results實現數據庫與界面的連接顯示.

5 結束語

以制藥企業滅菌車間為應用環境,應用PC機、數據采集卡和SQL Server等軟件開發工具設計了針對滅菌柜的數據采集和監控系統.該系統具有采集數據準確、迅速,數據顯示同步、實時等優點,大大提高了產品滅菌的效率和質量,具有廣泛的應用價值.

[1]馬明建.數據采集與處理技術[M].2版.西安:西安交通大學出版社,2005.

[2]陳在平.現場總線及工業控制網絡技術[M].北京:電子工業出版社,2008.

[3]薛園園,趙建領.USB應用開發實例詳解[M].北京:人民郵電出版社,2009.

[4]祝常紅.數據采集與處理技術[M].北京:電子工業出版社,2008.

[5]陳文兵.仿生感知機器人實驗平臺相關技術研究[D].北京:中國科技大學,2007.

[6]Gu Shuan-cheng,Su Pei-li.Computer simulaton of grout flowing in intermittent fractured network[J].Intelligent Computing Technology and Automation,2009,2(1):15-18.