Разработка и исследование автоматизированной системы управления производством иммуноглобулина

При производстве препаратов крови технологи ставят перед собой задачи разработки новых экономичных, щадящих методов, позволяющих достигать высоких, близких к теоретическим, выходов конечного продукта. Основное внимание уделяется максимальному повышению экономической эффективности получения таких препаратов, как альбумин, иммуноглобулины, факторы свертывания крови. В последнее время ориентировочно 130 стран занимается получением иммуноглобулина. Процесс производства препаратов крови является многоступенчатым процессом, с применением высокотехнологического оборудования. В процессе производства иммуноглобулина контролируется температура на различных его стадиях.

Исследования по производству иммуноглобулина проводил институт им. Пастера.

Основным недостатком этих работ является то, что исследуются все процессы производства иммуноглобулина в статике (т. е. по конечной температуре), и отсутствует исследование динамических процессов. Исследование процессов производства иммуноглобулина производилось без применения математических моделей процесса производства, что естественно не позволяет разрабатывать оптимальные алгоритмы управления и нет выхода на построение системы управления с оптимальными законами управления.

В работе сделана попытка ликвидировать пробел в отсутствии математической модели, которая построена исходя из уравнения баланса энергий.

Анализ существующих промышленных систем производства иммуноглобулина показал, что в настоящее время в основном в них применяются аналоговые средства управления, которые в полной мере не обеспечивают высокую производительность и качество выпускаемой продукции. Поэтому в диссертационной работе поставлена задача разработки микропроцессорной системы управления, устраняющей выше перечисленные недостатки. В этой связи необходимо также разработать управляющую программу, которая должна peaлизовывать различные режимы работы оборудования.

Автоматическое управление электроприводами на предприятиях по производству иммуноглобулина обеспечивает значительный технико-экономический эффект в следствии: повышения производительности труда путем снижения трудоемкости обслуживания агрегатов и возрастания их производительностиповышения производительности основного и вспомогательного оборудования комплекса за счет их управления по оптимальным законамсокращения расхода энергии и материаловулучшения качества процесса произч во детва и как следствие качества выходного вещества.

Основная задача производства иммуноглобулина — получение заданного количества и качества препарата.

Целью диссертационной работы является разработка микропроцессорной системы управления основных стадий производства иммуноглобулина и ее математической модели, позволяющей исследовать различные режимы работы системы управления объектом по производству иммуноглобулина.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе ставятся и решаются следующие задачи: анализ процессов и промышленных установок по производству иммуноглобулинаразработка математической модели объекта по производству иммуноглобулинаразработка методики расчета системы управления с требуемыми техническими характеристикамиразработка алгоритмов управления.

Для решения поставленных задач в работе использована комплексная методика исследования, включающая в себя: методы теории электроприводов, теории автоматического управления, методы оптимизации и методы математического моделирования на ПК.

В первой главе проводится анализ проблем, возникающих при производстве иммуноглобулина и промышленного оборудования. Производство препаратов крови идет по пути организации мощных, хорошо оснащенных предприятий индустриального типа. Технологи ставят перед собой задачи раз работки новых экономичных, щадящих (имеется в виду денатурирующее воздействие на белок) методов, позволяющих достигать высоких, близких к теоретическим, выходов конечного продукта.

Несмотря на явное стремление к упрощению технологического процесса, требования к качеству лекарственных форм белковых фракций возрастают. Отчетливо сформировалась направленность на расширение спектра иммуноглобулинов направленного действия.

В последнее время все большее количество стран 130) занимается получением иммуноглобулина. Рассмотрим производство иммуноглобулина в ряде развитых стран.

При автоматизации процессов производства иммуноглобулина в настоящее время решаются следующие задачи: 1) повышение точности замера температуры и ее регулирование в аппаратах осаждения (реакторах), мерниках, емкостях холодильных камер, центрифугах- 2) совершенство технологии осаждения- 3) управление подачей смеси и хладоагента в реактор- 4) автоматизация процессов центрифугирования белковых растворов- 5) автоматизация этапа осветляющей фильтрации белковых растворов- 6) устранение неравномерности распределения температурных полей в вертикальных и горизонтальных плоскостях раствора- 7) повышение эффективности перемешивания.

Решение этих задач связано с тем, что субстанция (качество) получаемого иммуноглобулина сильно зависит от температуры белкового раствора, далее осаждаемого вещества. Если разброс температуры в реакторах от заданной составляет примерно 10−15%, свойства иммуноглобулина ухудшается в 1,3 — 1,4 раза. Тоже самое можно сказать и об остальном оборудовании, применяемом в технологическом процессе. При отклонении температурных режимов от заданных для получения такого же количества иммуноглобулину требуется количество крови примерно в 1,5 раза больше.

Современная технология осаждения такова, что температуру необходимо контролировать и регулировать на различных участках осаждения. Таких участков, как правило не менее трех: верхняя часть, средняя и нижняя. Дополнительно могут рассматриваться и промежуточные участки осаждения.

Точность регулирования температуры при осаждении влияет и на равномерность охлаждения осаждающего вещества по всей площади в горизонтальных слоях, а также по всему объему реактора. Эту задачу решают путем разработки специальных конструкций камер осаждения (реакторов), которые изготавливаются из специальных материалов с двойными стенками (внутренняя стенка — воздушная прослойка — внешняя стенка). Регулирование температуры осаждаемого вещества в реакторе зависит от объема поступающего осаждающего реагента. Для автоматического регулирования этапа осаждения белков в настоящее время разработаны два способа регулирования: 1) ступенчатый- 2) бесступенчатый.

На практике применяется достаточно большое количество схем (установок) для осаждения белкового раствора. В плане дальнейшего решения этого вопроса является разработка электронной схемы, позволяющей регулировать тепловой режим осаждения белков плазмы, скорость и объем поступающего в раствор осаждающего реагента в функции температуры конечной плотности этилового спирта в белковом растворе. Естественно, что реализация данной задачи, базируется на применении современных средств автоматизации (про мышленных компьютеров или контроллеров, комплектных приводов для насосов, высокоточных и мало инерционных датчиков температуры, расхода, уровня, скорости и т. д.).

Во второй главе рассматриваются вопросы построения математической модели системы управления процессом производства иммуноглобулина, производится выбор программного обеспечения для реализации компьютерных моделей, разрабатывается компьютерная модель процесса^ осаждения белков крови в реакторе, приводятся результаты математического моделирования.

Математическая модель описанного процесса осаждения плазмы, представляет собой уравнения материального баланса. При составлении математического описания тепловых процессов в реакторе принимаются следующие допущения: 1) в реакторе идеальное (полное) перемешивание, это означает, что поступающий реагент мгновенно перемешивается со всем содержимым реактора- 2) концентрация реагентов и температура, во всех точках реактора в любой момент времени одинакова- 3) химическая реакция между плазмой и спиртом происходит мгновенно- 4) между поверхностью рубашки и окружающей средой отсутствует теплообмен.

Система управления является нелинейной, поэтому прежде, чем перейти к синтезу регуля ее необходимо линеаризовать. Синтез системы управления производится с помощью логарифмических частотных характеристик.

Третья глава посвящена разработке микропроцессорной системы управления. Система управления решает следующие задачи: управление технологическими процессами в 5 модулях фракционирования белковстабилизацию температуры в 11 холодильных камерахстабилизацию температуры охладителя в мерниках и реакторахизмерение температуры в 12 центрифугах и 7 емкостях в холодильных камерахфиксацию момента включения для каждой из 12 центрифуг и момента их выключения. г.

В настоящее время реализация системы управления при производстве иммуноглабулина возможна несколькими способами: аналоговая система управленияцифровая система управления.

Но так как аналоговая система управления обладает определенными недостатками, то в диссертационной работе разрабатывается микропроцемссор-ная система управления на базе контроллера фирмы MODICON.

В четвертой главе разработан алгоритм управления микропроцессорной системой управления. Из всего многообразия языков программирования микропроцессорных средств в диссертационной работе используется GRAFSET. Управляющая программа реализует алгоритм управления многостадийным процессом производства иммуноглобулина. и.

Программа состоит из 128 шагов, ее общий объем 512 байт и 128 констант.

Новые научные результаты, выносимые на защиту:

1. Представлено математическое описание технологического процесса производства препаратов крови.

2. Разработана структура математической модели процесса осаждения белков крови и методика определения ее параметров.

3. Разработана методика синтеза систем регулирования температуры плазмы крови в процессе осаждения.

Новизна научных результатов заключается в следующем:

1. Получена математическая модель, предназначенная для решения задач оптимального процесса получения препаратов крови.

2. Впервые разработана микропроцессорная система управления, позволяющая повысить количество и качество препаратов крови.

3. Алгоритм управления основан на решении уравнения баланса температур и регулировании объема осаждаемого вещества (спирта).

4.3. Выводы по 4 главе.

1. Разработанный алгоритм управления оборудованием при производстве иммуноглобулина учитывает его многостадийность и контролируемые при этом технологические параметры.

2. Для написания управляющей программы был использован язык схем GRAFSET, как наиболее удобный язык при программировании многошаговых программ и программ содержащих большое количество условных переходов.

Заключение

.

В результате диссертационной работы было установлено, что при автоматизации процессов производства иммуноглобулина наиболее важными задачами являются: повышение точности замера температуры и ее регулирование в аппаратах осаждения (реакторах), мерниках, емкостях холодильных камер, центрифугахсовершенство технологии осажденияуправление подачей смеси и хладоагента в реактор.

Для решения задачи повышения точности регулирования температурного режима на всех стадиях производства идут по пути: применении высокоточных датчиков температуры (точность измерения температуры Д=0.01°с) — разработки и применении новых материалов для датчиков температуры, снижающих инерционность измеренияразработки и применении преобразователей сигналов с датчика температуры, на основе современных чипов (микросхем). Это дает возможность увеличить точность преобразования и уменьшить соответственно время преобразования.

При совершенствовании технологии производства иммуноглобулина также разрабатывают специальные конструкции камеры осаждения (реакторов), которые изготавливаются из специальных материалов с двойными стенками (внутренняя стенка — воздушная прослойка — внешняя стенка).

Регулирование температуры осаждаемого вещества в реакторе зависит от объема поступающего осаждающего реагента.

Для автоматического регулирования этапа осаждения белков в настоящее время разработаны два способа регулирования: 1) ступенчатый- 2) бесступенчатый.

Неравномерность распределения температурных полей в вертикальных и горизонтальных плоскостях раствора, снижение скорости проведения процесса из-за уменьшения эффективности отведения тепла из раствора, наличие в точках поступления спирта в раствор локальных перегревов, снижение точности показаний приборов автоматического и местного контроля за счет уменьшения эффективности работы датчиков температуры, возможность некачественного осаждения больших объемов белкового раствора из-за случайных ошибок обслуживающего персонала, отсутствие однородности перемешиваемого раствора все это диктует необходимость создания автоматических установок с малообъемными емкостями.

При составлении математического описания тепловых процессов в реакторе сделаны следующие допущения: 1) в реакторе идеальное (полное) перемешивание, это означает, что поступающий реагент мгновенно перемешивается со всем содержимым реактора- 2) концентрация реагентов и температура, во всех точках реактора в любой момент времени одинакова- 3) химическая реакция между плазмой и спиртом происходит мгновенно- 4) между поверхностью рубашки и окружающей средой отсутствует теплообмен.

Динамические процессы теплообмена в реакторе могут быть описаны исходя из следующего равенства: (Скорость накопления тепла в реакто-ре)=(Количество тепла, поступающего с веществом в реактор в единицу времени) — (Количество тепла, уходящего с веществом из реактора в единицу времени) + (Скорость выделения тепла в результате химической реакции) — (Количество тепла, отводимого из реактора через его стенку в единицу времени). Или в виде дифференциального уравнения [2].

Для определения оптимального режима работы камеры осаждения принят интегральный квадратичный критерий, для которого квадратичная форма формируется, как квадрат разности, между эталонным сигналом и сигналом выходной переменной при отработке обеими моделями управляющего воздействия.

Исходя из того, что все процессы в холодильной камере процессы описываются адиабатическими процессами, то для составления математической модели подсистемы стабилизации температуры в холодильных камерах можно воспользоваться выражением определяющим холодильный коэффициент.

Управляющая программа включает следующие блоки: 1) управления включением/выключением технологического оборудования- 2) ввода и обработки значений температуры- 3) отображения данных на пульте оператора- 4) диагностики работы системы управления технологическим процессом- 5) аварийного режима.

Система управления производством иммуноглобулинов может быть построена как аналоговая, так и цифровая. Но аналоговая система управления не позволяет реализовать все ранее поставленные задачи, поэтому в диссертационной работе рассматривается цифровая система управления.

В настоящее время существует большое количество разнообразных микропроцессорных средств. В диссертационной работе рассматриваются микропроцессорные средства фирм MODICON и Omron. В результате проведенного анализа возможных вариантов реализации микропроцессорной системы управления были выбраны средства фирмы MODICON.

Наиболее дешевая реализация микропроцессорной системы управления получается если вместо нескольких модулей ввода вывода применить коммутатор, позволяющий попеременно подключать то или иное устройство.

Разработанный алгоритм управления оборудованием при производстве иммуноглобулина учитывает его многостадийность и контролируемые при этом технологические параметры.

Для написания управляющей программы был использован язык схем GRAFSET, как наиболее удобный язык при программировании многошаговых программ и программ содержащих большое количество условных переходов.