基于GMP標準的藥品陰涼庫溫濕度控制系統設計

劉德勝，孔德權，陳曉偉，郭曉振，趙金碧

（佳木斯大學 信息電子技術學院，佳木斯 154007）

在測量的對象領域中，溫度和濕度成為其中必不可少的工藝參數，比如在食品工業、化工電子、氣象觀測和農業生產等各種工作環境中都需要對溫濕度進行監測與控制[1]。尤其在食品和藥品行業對溫濕度控制要求更加嚴格，國家于2011年3月1日起施行《藥品生產質量管理規范（2010年修訂）》，其中第三章第二十六條規定，倉儲區要保持清潔和干燥。照明、通風等設施及溫度、濕度的控制應符合儲存要求并定期監測。

目前控制溫濕度的方法有很多，文獻[2]采用單片機控制方法，設計了一套基于單片機的溫濕度檢測與控制系統，數據采集精度高、響應時間短，可以滿足大部分的農業生產需求，但存在抗干擾能力比較弱的缺點，一定程度會影響控制精度。為了克服抗干擾能力弱的缺點，文獻[1]采用PLC為控制元件，使得系統運行穩定，但采用的LED只能顯示實時數據，不能夠顯示出時間段內溫濕度的變化情況。針對問題，結合藥品GMP標準，本文提出一種以西門子PLC和觸摸屏相結合的控制系統，利用觸摸屏作為顯示裝置，解決了控制延時、抗干擾能力差等問題。

1 陰涼庫環境控制GMP標準要求

根據藥品經營質量管理規范（GMP）規定，藥品庫房應當具有能夠有效調節室內空氣溫濕度的設備。因此，在藥廠的成品庫中需要對溫濕度進行監測與控制，隨著季節變化和儲存藥品的不同，可以設定不同溫濕度參數，以達到藥品貯存的最佳環境。具體要求如下：

（1）庫房在300 m2以內需要設置2個監測探頭，每增加300 m2需要增加1個探頭，按此要求設計該控制系統需要配有9個溫濕度監測點，能夠實時監測并能夠把數據及時傳輸給上位機進行數據貯存。

（2）控制系統應具備自動和手動2種控制模式，手動模式下可以應對庫內的一些突發情況。

（3）管理員可以根據藥品貯存條件的不同進行對溫濕度的上下限的修改，在庫內溫濕度超出上下限一定值時能夠給予顯示和報警。

（4）在傳感器、風機以及制冷機組發生故障或不正常工作時能夠給予故障顯示和報警。

2 控制目標及調節方法

在系統啟動過程中，風機始終以20 Hz的頻率運行，以9個傳感器采集來的溫濕度的平均值與設定值相比較作為調節條件，設溫度范圍為15～20℃，相對濕度范圍為55%～75%。當溫度低于16℃時，啟動電加熱進行加熱處理，直到溫度達到設定范圍的平均值時停止加熱；當溫度高于20℃時，采用階段性調節方法提高風機運行頻率，每高于上限0.5℃風機運行頻率提高5 Hz，風機最高頻率設定為30 Hz。當相對濕度低于55%時，蒸汽加濕閥打開進行加濕處理，直到濕度達到設定范圍的平均值時停止加濕；當相對濕度高于75%時，排風機啟動運行，直到濕度達到下限時關閉排風機。另外，在整套控制系統中添加了新風閥，使得陰涼庫與外界能夠進行空氣交換，但若室外溫度高于22℃或相對濕度大于80%，則關閉新風閥。空調機組結構如圖1所示。

圖1 空調機組結構Fig.1 Air conditioning unit structure diagram

3 控制系統的組成

本系統以西門子PLC作為主控制器，搭配了觸摸屏和上位機，以溫濕度傳感器采集溫濕度，送風機、排風機、汽加濕閥、電加熱閥、新風閥等設備作為調節裝置，蜂鳴器為故障報警裝置。控制系統結構圖如圖2所示，溫濕度通過溫濕度傳感器輸出的電信號經過A/D轉換單元傳送給PLC，同時PLC把數據上傳給上位機顯示、記錄，并參照觸摸屏人機界面上溫濕度的設定值，若超出范圍，報警裝置發出警報，進而對送風機、排風機、蒸汽加濕閥、電加熱閥、新風閥等調節裝置進行控制。

圖2 控制系統結構Fig.2 Control system structure diagram

3.1 硬件部分

考慮到對溫濕度模擬量的采集，控制器選用西門子S7-200 Smart系列的CPU SR40型號的PLC以及 EM AE06、EM AQ04、EM AE04等擴展模塊，觸摸屏選用與其對應的Smart IE V3，溫濕度傳感器選用西門子QFA2060。CPU SR40用于實現對邏輯的控制、送風機、排風機開關的控制以及故障的指示與報警。EM AQ04為四模擬量輸出模塊，用于對新風閥、冷水閥、預冷和蒸汽加熱閥的開關控制，EM AM06為四模擬量輸入，兩模擬量輸出模塊，用于對回風和預處理后溫濕度的采集以及對蒸汽加濕閥開關和變頻電機頻率大小的控制，EM AE04為四模擬量輸入模塊，用于對9個采集點、送風和室外溫濕度的采集。溫濕傳感器將輸出的4～20 mA標準信號傳送到擴展模塊的輸入端口，并模擬輸出信號給相應的調節設備，進而實現控制[3]，其電氣原理結構如圖3所示。

圖3 電氣原理結構Fig.3 Electrical schematic diagram

3.2 軟件部分

圖4 軟件設計流程Fig.4 Flow chart of software design

該控制系統的軟件部分主要為PLC和觸摸屏的編程。軟件設計流程如圖4所示，PLC上電后，在觸摸屏上對溫濕度的數值進行設定，當溫濕度傳感器采集到溫濕度數據后在觸摸屏上進行實時顯示，為了應對突發情況和方便針對性控制，觸摸屏的主界面上有一個手動、自動的模式選擇旋鈕，同時，PLC會對新風以及庫內溫濕度的平均值進行計算，然后與設定值進行比較。若超出上下限值，則進行延時報警[4]，若出現偏差，則PLC下達控制指令，通過調節裝置進行調節，具體的溫濕度調節子程序如圖5所示。

圖5 溫濕度調節子程序Fig.5 Temperature and humidity regulation subroutines

4 組態設計（界面、運行曲線）

WinCC是西門子和微軟公司聯合開發的過程可視化監控軟件[5]，該軟件能夠將采集的數據進行動態顯示，構建溫濕度控制系統的組態界面。系統的組態界面主要包括溫度監控系統的組態，主要包含實時數據庫的創建、I/O設備的連接、窗口界面的編輯、動畫鏈接、實時曲線、歷史曲線、報表、用戶權限管理、策略組態、按鈕、菜單和腳本程序等內容[6]。

陰涼庫溫濕度控制系統使用WinCC flexible SMART V3組態軟件，主要實現對系統運行設備的各項參數進行實時顯示、分析和記錄，并通過手動或自動控制機組運行和超限故障報警。溫濕度顯示中將所有需要采集的工藝參數和設備的運行狀態進行實時顯示，報警顯示包括工藝數據異常報警、設備故障報警和消防報警[7]，控制顯示包括系統的啟動、停止和手、自動模式切換。用戶管理設置為三類用戶，對應著3種不同的安全級別，每類用戶有自己的用戶名和密碼，為不同的管理員提供相應的權限，以便對各項設備進行操作。

該溫濕度控制系統在現場運行了8個月，在夏天和冬天天氣差異較大的情況下，系統一直穩定運行，系統的實際運行情況如圖6所示，通過手機APP清晰直觀地顯示各個采集點的數據信息和一個月內的溫濕度變化情況，溫度和濕度可以穩定在設定范圍之內，具有較高的控制精度。

圖6 系統實際運行結果Fig.6 Actual operating results of the system

5 結語

基于GMP標準的溫濕度控制系統，以穩定性高、通信能力強的西門子PLC作為主控制器，同時搭配西門子Smart 1000IE V3觸摸屏，通過人機界面進行溫濕度和機組運行情況實時顯示，能夠直觀地顯示出各個采集點溫濕度以及平均值和變化曲線，可以參數修改，手動和自動兩種控制模式能夠應對陰涼庫內的各種突發情況，在遇到傳感器等設備故障或溫濕度異常時給予故障指示和蜂鳴報警。該系統能夠有效控制環境溫度保持在15～20℃之間，相對濕度保持在55%～75%之間，設計滿足GMP標準。

[1] 李錦杰，費旭云，畢松．基于PLC的溫濕度智能控制系統設計[J]．自動化應用，2017（4）：57-58．

[2] 曹菊峰．基于單片機的溫濕度控制系統的設計研究[J]．電子制作，2014（24）：24-25．

[3] 張如萍，唐育正．基于PLC的溫濕度控制系統設計與實現[J]．暖通空調，2010，40（8）：128-130．

[4] 李彪，曹吉花．基于PLC的藥品倉庫溫濕度控制系統設計[J]．洛陽師范學院學報，2014，33（8）：30-32．

[5] 梅奕，王慧芬．基于WinCC的電氣控制技術課程輔助教學平臺設計[J]．中國高新技術企業，2014（36）：22-23．

[6] 鄒逢興．微型計算機接口原理與技術[M].2版．長沙：國防科技大學出版社，2002．

[7] 謝潤哲，陳剛，張許澤．基于PLC和WINCC的穩熱供水系統設計[J]．電子世界，2017（12）：129-130． ■