基于GMP标准的药品阴凉库温湿度控制系统设计

刘德胜，孔德权，陈晓伟，郭晓振，赵金碧

（佳木斯大学 信息电子技术学院，佳木斯 154007）

在测量的对象领域中，温度和湿度成为其中必不可少的工艺参数，比如在食品工业、化工电子、气象观测和农业生产等各种工作环境中都需要对温湿度进行监测与控制[1]。尤其在食品和药品行业对温湿度控制要求更加严格，国家于2011年3月1日起施行《药品生产质量管理规范（2010年修订）》，其中第三章第二十六条规定，仓储区要保持清洁和干燥。照明、通风等设施及温度、湿度的控制应符合储存要求并定期监测。

目前控制温湿度的方法有很多，文献[2]采用单片机控制方法，设计了一套基于单片机的温湿度检测与控制系统，数据采集精度高、响应时间短，可以满足大部分的农业生产需求，但存在抗干扰能力比较弱的缺点，一定程度会影响控制精度。为了克服抗干扰能力弱的缺点，文献[1]采用PLC为控制元件，使得系统运行稳定，但采用的LED只能显示实时数据，不能够显示出时间段内温湿度的变化情况。针对问题，结合药品GMP标准，本文提出一种以西门子PLC和触摸屏相结合的控制系统，利用触摸屏作为显示装置，解决了控制延时、抗干扰能力差等问题。

1 阴凉库环境控制GMP标准要求

根据药品经营质量管理规范（GMP）规定，药品库房应当具有能够有效调节室内空气温湿度的设备。因此，在药厂的成品库中需要对温湿度进行监测与控制，随着季节变化和储存药品的不同，可以设定不同温湿度参数，以达到药品贮存的最佳环境。具体要求如下：

（1）库房在300 m2以内需要设置2个监测探头，每增加300 m2需要增加1个探头，按此要求设计该控制系统需要配有9个温湿度监测点，能够实时监测并能够把数据及时传输给上位机进行数据贮存。

（2）控制系统应具备自动和手动2种控制模式，手动模式下可以应对库内的一些突发情况。

（3）管理员可以根据药品贮存条件的不同进行对温湿度的上下限的修改，在库内温湿度超出上下限一定值时能够给予显示和报警。

（4）在传感器、风机以及制冷机组发生故障或不正常工作时能够给予故障显示和报警。

2 控制目标及调节方法

在系统启动过程中，风机始终以20 Hz的频率运行，以9个传感器采集来的温湿度的平均值与设定值相比较作为调节条件，设温度范围为15～20℃，相对湿度范围为55%～75%。当温度低于16℃时，启动电加热进行加热处理，直到温度达到设定范围的平均值时停止加热；当温度高于20℃时，采用阶段性调节方法提高风机运行频率，每高于上限0.5℃风机运行频率提高5 Hz，风机最高频率设定为30 Hz。当相对湿度低于55%时，蒸汽加湿阀打开进行加湿处理，直到湿度达到设定范围的平均值时停止加湿；当相对湿度高于75%时，排风机启动运行，直到湿度达到下限时关闭排风机。另外，在整套控制系统中添加了新风阀，使得阴凉库与外界能够进行空气交换，但若室外温度高于22℃或相对湿度大于80%，则关闭新风阀。空调机组结构如图1所示。

图1 空调机组结构Fig.1 Air conditioning unit structure diagram

3 控制系统的组成

本系统以西门子PLC作为主控制器，搭配了触摸屏和上位机，以温湿度传感器采集温湿度，送风机、排风机、汽加湿阀、电加热阀、新风阀等设备作为调节装置，蜂鸣器为故障报警装置。控制系统结构图如图2所示，温湿度通过温湿度传感器输出的电信号经过A/D转换单元传送给PLC，同时PLC把数据上传给上位机显示、记录，并参照触摸屏人机界面上温湿度的设定值，若超出范围，报警装置发出警报，进而对送风机、排风机、蒸汽加湿阀、电加热阀、新风阀等调节装置进行控制。

图2 控制系统结构Fig.2 Control system structure diagram

3.1 硬件部分

考虑到对温湿度模拟量的采集，控制器选用西门子S7-200 Smart系列的CPU SR40型号的PLC以及 EM AE06、EM AQ04、EM AE04等扩展模块，触摸屏选用与其对应的Smart IE V3，温湿度传感器选用西门子QFA2060。CPU SR40用于实现对逻辑的控制、送风机、排风机开关的控制以及故障的指示与报警。EM AQ04为四模拟量输出模块，用于对新风阀、冷水阀、预冷和蒸汽加热阀的开关控制，EM AM06为四模拟量输入，两模拟量输出模块，用于对回风和预处理后温湿度的采集以及对蒸汽加湿阀开关和变频电机频率大小的控制，EM AE04为四模拟量输入模块，用于对9个采集点、送风和室外温湿度的采集。温湿传感器将输出的4～20 mA标准信号传送到扩展模块的输入端口，并模拟输出信号给相应的调节设备，进而实现控制[3]，其电气原理结构如图3所示。

图3 电气原理结构Fig.3 Electrical schematic diagram

3.2 软件部分

图4 软件设计流程Fig.4 Flow chart of software design

该控制系统的软件部分主要为PLC和触摸屏的编程。软件设计流程如图4所示，PLC上电后，在触摸屏上对温湿度的数值进行设定，当温湿度传感器采集到温湿度数据后在触摸屏上进行实时显示，为了应对突发情况和方便针对性控制，触摸屏的主界面上有一个手动、自动的模式选择旋钮，同时，PLC会对新风以及库内温湿度的平均值进行计算，然后与设定值进行比较。若超出上下限值，则进行延时报警[4]，若出现偏差，则PLC下达控制指令，通过调节装置进行调节，具体的温湿度调节子程序如图5所示。

图5 温湿度调节子程序Fig.5 Temperature and humidity regulation subroutines

4 组态设计（界面、运行曲线）

WinCC是西门子和微软公司联合开发的过程可视化监控软件[5]，该软件能够将采集的数据进行动态显示，构建温湿度控制系统的组态界面。系统的组态界面主要包括温度监控系统的组态，主要包含实时数据库的创建、I/O设备的连接、窗口界面的编辑、动画链接、实时曲线、历史曲线、报表、用户权限管理、策略组态、按钮、菜单和脚本程序等内容[6]。

阴凉库温湿度控制系统使用WinCC flexible SMART V3组态软件，主要实现对系统运行设备的各项参数进行实时显示、分析和记录，并通过手动或自动控制机组运行和超限故障报警。温湿度显示中将所有需要采集的工艺参数和设备的运行状态进行实时显示，报警显示包括工艺数据异常报警、设备故障报警和消防报警[7]，控制显示包括系统的启动、停止和手、自动模式切换。用户管理设置为三类用户，对应着3种不同的安全级别，每类用户有自己的用户名和密码，为不同的管理员提供相应的权限，以便对各项设备进行操作。

该温湿度控制系统在现场运行了8个月，在夏天和冬天天气差异较大的情况下，系统一直稳定运行，系统的实际运行情况如图6所示，通过手机APP清晰直观地显示各个采集点的数据信息和一个月内的温湿度变化情况，温度和湿度可以稳定在设定范围之内，具有较高的控制精度。

图6 系统实际运行结果Fig.6 Actual operating results of the system

5 结语

基于GMP标准的温湿度控制系统，以稳定性高、通信能力强的西门子PLC作为主控制器，同时搭配西门子Smart 1000IE V3触摸屏，通过人机界面进行温湿度和机组运行情况实时显示，能够直观地显示出各个采集点温湿度以及平均值和变化曲线，可以参数修改，手动和自动两种控制模式能够应对阴凉库内的各种突发情况，在遇到传感器等设备故障或温湿度异常时给予故障指示和蜂鸣报警。该系统能够有效控制环境温度保持在15～20℃之间，相对湿度保持在55%～75%之间，设计满足GMP标准。

[1] 李锦杰，费旭云，毕松．基于PLC的温湿度智能控制系统设计[J]．自动化应用，2017（4）：57-58．

[2] 曹菊峰．基于单片机的温湿度控制系统的设计研究[J]．电子制作，2014（24）：24-25．

[3] 张如萍，唐育正．基于PLC的温湿度控制系统设计与实现[J]．暖通空调，2010，40（8）：128-130．

[4] 李彪，曹吉花．基于PLC的药品仓库温湿度控制系统设计[J]．洛阳师范学院学报，2014，33（8）：30-32．

[5] 梅奕，王慧芬．基于WinCC的电气控制技术课程辅助教学平台设计[J]．中国高新技术企业，2014（36）：22-23．

[6] 邹逢兴．微型计算机接口原理与技术[M].2版．长沙：国防科技大学出版社，2002．

[7] 谢润哲，陈刚，张许泽．基于PLC和WINCC的稳热供水系统设计[J]．电子世界，2017（12）：129-130． ■