用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法

《用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法》涉及一种机械、电子、控制和计算机应用技术领域的系统，具体涉及一种用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法。

在医药行业固体制剂的生产过程，利用流化床进行微小颗粒的干燥配以湿法制粒机制粒最常见的一种制粒方式，这种方式由于生产效率高，制得的颗粒质量好，在制药企业得到了广泛的应用。

但是，流化床的干燥过程是多中参数相互耦合相互影响的结果，其干燥的控制原理和方法还未完全成熟，在很多工程应用上需要大量的摸索过程。

截至2011年6月17日，流化床干燥控制过程主要靠人工手动调节和摸索。既要防止黏性过大的颗粒出现沉底现场；也要防止将物料飞得太高，容易造成粒子破碎、最终形成细粉太多，影响颗粒收得率。

截至2011年6月17日技术中广泛采用的实施方式是：空气加热控制方法常设成开或者关模式，当温度达到设定值时停止通蒸汽，但此时换热器仍有余热是的空气温度继续升高；当需要空气温度尽快上升时，换热器又刚开始工作，温度上升较慢，这样将造成温度波动大，迟滞大，影响了设备干燥的效果。随着干燥过程的进行，物料的特性、补给袋阻力等因素都会发生变化，通过人工进行风量的调节不能使得风量保持在最佳的水平。

图1为《用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法》用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统的结构示意图；

图2为《用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法》用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统的控制单元的模块图；

图3为《用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法》用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统的控制方法的方法流程图。

2018年12月20日，《用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法》获得第二十届中国专利优秀奖。 2100433B

如图1所示，《用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法》说明了一种用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统，该控制系统包含控制柜1、风机2、出风温度监测仪3、风机变频器、风速检测仪、流化床压差表7、物料温度和湿度监测仪8、进风温度监测仪9、温度调节器10和空气处理单元11。

流化床包含有流化床床身4，流化床内部设有干燥室，流化床的底部设有呈鱼鳞状多孔状的板，其干燥室内对物料进行干燥过程，物料在流化床内形成硫化态，实现干燥。

流化床还包含有抖袋系统5，该抖袋系统5设置在流化床床身4的上部。该抖袋系统5设有气缸，其由抖袋气缸带动，实现上下往复运动，在物料进行干燥的过程中，防止物料黏在抖袋表面并减少细分的产品。

在流化床床身4的侧边设有抖袋压差表6，抖袋压差表6通过屏蔽线电路连接控制柜1。该抖袋压差表6设置在抖袋系统5旁，实时监测抖袋系统5内抖袋内外的压力差。

流化床压差表7及物料温度和湿度监测仪8由上至下依次设置在流化床床身4的侧边，流化床压差表7及物料温度和湿度监测仪8通过屏蔽线电路连接控制柜1。流化床压差表7实时监测流化床内部压力差，同时，物料温度和湿度监测仪8实时监测流化床内部物料的温度和湿度，以决定是否干燥过程完成一个指标。

风机2设置在流化床床身4旁。流化床床身4顶部连接有管道，该管道由流化床床身4顶部延伸至流化床床身4的下部，并与设置在地面上的风机2连接，该风机2通过该管道与流化床内部连通，通过风机2抽气使流化床内部形成负压，使流化床内部流通空气。

出风温度监测仪3设置在用于连接流化床床身4与风机2的管道外壁上，并通过屏蔽线电路连接控制柜1，实时监测由流化床中出风的温度，将出风温度信息传输至控制柜1。

在风机2与流化床之间管道的管内还设有风速监测仪，风速监测仪通过屏蔽线电路连接控制柜1，该风速监测仪用于检测当前风机2管道截面的风速，将风速信息传输至控制柜1。

空气处理单元11通过管道与流化床连接，空气处理单元11用于对进入该系统的空气进行空气过滤、冷水除湿和化霜预热处理。空气处理单元11作为该系统的进风端，通过管道为流化床的干燥过程提供过滤和预处理后的空气。

温度调节器10设置在空气处理单元11上，用于控制进入流化床内干燥室的空气温度。温度调节器10控制阀的开度，阀的开度带动空气处理单元11上冷热风百叶窗结构的开度，控制冷热风源的比例，进而控制热空气的温度。

在连接空气处理单元11与流化床的管道上还设有进风温度监测仪9，并通过屏蔽线电路连接控制柜1。实时监测通过温度调节器10进行温度调节后，从空气处理单元11向流化床传输的空气温度，并传输至控制柜1。

控制柜1设置在远端的控制区域内，通过电缆与上述的控制系统的各部件（风机2、出风温度监测仪3、风机变频器、风速检测仪、流化床压差表7、物料温度和湿度监测仪8、进风温度监测仪9、温度调节器10和空气处理单元11）电路连接。该控制柜1内设有控制单元、分别与控制单元电路连接的风机变频器和风量调节器，以及与控制单元电路连接的输入输出模块。风机变频器和风量调节器分别与风机2电路连接，风机变频器和风量调节器用于调节风机2的送风量。输入输出模块采用触摸屏，用于显示控制单元的信息以及各个监测装置的监测信息，并向控制单元发送控制指令。

如图2所示，控制单元包含主控模块12，以及分别与主控模块12电路连接的风量控制模块13、干燥控制模块14和干燥终止控制模块15。

其中，主控模块12采用西门子PLC300，也可以使用西门子313C，风量控制模块13采用西门子模块SM323，干燥终止控制模块15采用西门子模块SM323、SM334。

风量控制模块13的输入端还通过屏蔽线电路连接风速监测仪和物料温度和湿度监测仪8，其输出端还通过屏蔽线电路连接风机变频器和风量调节器。

风量控制模块13用于控制流化床干燥过程所需的空气输入量，能够对空气输入量进行有效的控制和调节。风量控制模块13实时监测流化床内部温度和风速并传输至主控模块12，主控模块12根据物料的特性、需要干燥后的含水量、流化床的规格得出所需的风量。同时，依据干燥过程中采集到的流化床内部温度和风速监测仪作为输入对应输送的风量进行修正。根据修正后的风量、理论上需要的风量、目前已干燥时间、目前湿度值，主控模块12通过向风量控制模块13发出风量调节指令和大小，由风量控制模块13控制风机变频器的频率对所需风量进行调节。

干燥控制模块14用于控制流化床的干燥过程，读取各种用于控制的输入量，供主控模块12计算和分析，读入的信息包含抖袋压差表6、流化床压差表7、物料温度和湿度监测仪8、进风温度监测仪9、风速监测仪（安装在接入风机2的管道横截面上）的监测信息。根据各监测仪信息读入变量，并做出及时调整，控制流化床运作。

干燥控制模块14包含有分别与主控模块12电路连接的流化床温度控制模块141、抖袋控制模块142和空气处理单元控制模块143。流化床温度控制模块141采用西门子模块SM323，抖袋控制模块142采用西门子模块SM323、SM334，空气处理单元控制模块143采用西门子模块SM323、SM334。

流化床温度控制模块141的输入端通过屏蔽线电路连接物料温度和湿度监测仪8，其输出端通过屏蔽线电路连接温度调节器10。

流化床温度控制模块141依据干燥过程中物料温度和湿度监测仪8所测得物料的实时量进行温度控制处理，并将输出值反馈给主控模块12，主控模块12控制流化床温度控制模块141驱动相应的温度调节器10，其主要的控制参数包括：进风温度、出风温度、物料温度、温度调节器的开度。温度调节修正采用PID方法，将目标温度和当前温度线性化，再采用PI参数进行计算，输出的数字量经过DA转换，输送到温度调节器10，温度调节器10可根据模拟量控制空气处理单元11中的冷热风百叶窗的开度，进而控制热空气的温度。

抖袋控制模块142的输入端通过屏蔽线电路连接抖袋压差表6，其输出端通过屏蔽线电路连接抖袋系统5。

抖袋控制模块142用于流化床抖袋的运动控制。抖袋由抖袋气缸带动，实现上下往复运动。主要需要控制的参数包括：抖袋频率、单位时间内的抖袋次数。根据被干燥的物料特征决定参数值。物料进行干燥的过程中，为防止物料粘在抖袋表面并为了减少细粉的产品，需要进行抖袋系统5的上下往复运动。主控模块12根据工艺需要设置主控模块12的控制参数，一般的，可设置抖袋系统5的参数为：抖袋时间15S，抖袋频率2S/次，抖袋间隔10S。

空气处理单元控制模块143的输入端通过屏蔽线电路连接进风温度监测仪9，其输出端通过屏蔽线电路连接空气处理单元11。

空气处理单元控制模块143用于视环境温度、环境湿度、进风温度的要求，控制空气处理单元11对空气的处理，如冷水除湿、化霜预热、空气过滤。空气处理单元控制模块143所控制的主要参数包括：压差值、湿度及温度值。空气处理单元控制模块143实时监测进风温度传输至主控模块12，主控模块12根据该信息向空气处理单元控制模块143发送指令，控制空气处理单元11。

干燥终止控制模块15用于实现整个干燥过程的终止，其输入端电路连接出风温度监测仪3、物料温度和湿度监测仪8、进风温度监测仪9，其输出端电路连接流化床，其实时监测上述信息传输主控模块12，主控模块12根据预设定的终点判定方式以及相应的值向干燥终止控制模块15发送指令控制流化床的终止，该终点判定方式以及相应的值包含以下四种不同的实施方式：

（1）根据预先主控模块12向干燥终止控制模块15设置的规定干燥时间，预设时间到则控制流化床停止干燥过程。

（2）通过安装在流化床上的物料温度和湿度监测仪8来测量，当物料温度和湿度监测仪8的湿度读数达到了预设的指定的数字，就控制流化床停止干燥过程。

（3）通过安装在流化床上的物料温度和湿度监测仪8来测量，根据物料温度，当温值达到预设的指定值就控制流化床停止干燥过程。

（4）通过进风温度监测仪9检测输入流化床的进风温度，并且通过出风温度监测仪3检测输出流化床的出风温度。根据出风温度和进风温度的差，当该差值达到预设的指定值就控制流化床停止干燥过程。

以下结合图3说明《用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法》用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统的控制方法，该方法包含以下步骤。

步骤1被干燥物料由输送管道或者料斗送入流化床的干燥室。当开始流化床干燥过程前，首先根据干燥物料特性，流化床的规格、当前环境温湿度等参数，初步预先设定工艺参数，该工艺参数包含：风量初始目标值、终点判定方式以及相应的值、温度调节器开度值、进风温度、抖袋控制参数。例如：风量初始目标值一般而言，被干燥物料的颗粒小、总量轻，风量控制模块13设置风量初始目标值为40%；反之，被干燥物料的颗粒大，总量重，风量初始目标值设为60%。其中，终点判定可以选择出风温度值方设定，温度值方式即设定出风温度达到一定的度数就结束干燥过程，通常设为60度。温度调节器开度值用来控制开度阀的开度，在刚开机的时候，这个值一般设为100%。进风温度一般初始设为50度。抖袋控制参数控制抖袋的运行，一般而言，抖袋时间为10秒，抖袋频率为2次，抖袋间隔为10秒。

步骤2根据上述设定的工艺参数，流化床系统及流化床控制系统的各个设备启动，控制流化床开始对其干燥室内的物料进行干燥过程。上述的设备包含流化床、控制柜1、风机2、出风温度监测仪3、风机变频器、风速检测仪、抖袋系统5、抖袋压差表6、流化床压差表7、物料温度和湿度监测仪8、进风温度监测仪9、温度调节器10和空气处理单元11。

步骤3根据干燥时间和流化床压差表7所检测到的流化床内压差值，调整风量实时目标值，主要调整方式为：判断流化床压差表7读数是否小于200-300帕，若是，则风量控制模块13减少风机频率，直至流化床压差表7所检测到的流化床内压差值回复到200-300帕，并跳转到步骤4，若否，则风量控制模块13增大风机频率，直至流化床压差表7所检测到的流化床内压差值回复到200-300帕，并跳转到步骤4。

步骤4主控模块12将流化床风量实时目标值、风量测量值（由风速监测仪检测所得）、物料温度、进风温度和出风温度进行线性化、归一化，将所有变量除以各自的最大值，使各种不同量纲的变量换算成0到1之间的值。

步骤5主控模块12采用PID方法调整工艺参数，控制风机2和温度调节器10运作，控制流化床内流动的风量和内部温度。

PID控制方法是一个在工业控制应用中常见的控制方式。PID控制器把收集到的数据和设定的要求值，如出风温度等进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。

步骤5.1主控模块12采用PID方法对风量实时目标值和风量测量值进行修正，依据修正后的值对风量控制模块13向风机变频器的控制量进行调整。风量控制模块13将该值输出到风机变频器中，以控制风机2的风量。在工程实际中，应用广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，称为PID调节。在干燥用流化床中，采用以下PID设置效果较好。其中，PID参数设定为：比例P=0.8%，积分时间TI=35S，微分时间TD=0S。

步骤5.2主控模块12采用PID方法对物料温度、进风温度和出风温度进行修正，依据修正后的值对流化床温度控制模块141控制量进行调整。流化床温度控制模块141根据修正的控制量控制温度调节器10的开度，温度调节器10通过调节热风和冷风的比例，调节流化床内部温度。

步骤6干燥终止控制模块15根据预设定的终点判定方式以及相应的值，判断流化床运作状态是否满足终点判定值，若是，则控制流化床的干燥过程结束，若否，则继续进行干燥，并跳转到步骤3。

该步骤6包含有以下四种实施方式。一、干燥终止控制模块15判断是否到了预先主控模块12向干燥终止控制模块15设置的规定干燥时间，该干燥时间一般而言可以取30分钟。当物料湿度很大时，适当延长时间。若是，达到规定的干燥时间，则干燥终止控制模块15控制流化床停止干燥过程。若否，则流化床继续对物料进行干燥，并跳转到步骤3。

二、安装在流化床上的物料温度和湿度监测仪8测量流化床内物料的温度和湿度，干燥终止控制模块15判断流化床内物料的湿度是否达到主控模块12向干燥终止控制模块15预设的指定的湿度，该湿度一般而言设定绝对湿度为10克/立方米空气。若是，则干燥终止控制模块15控制流化床停止干燥过程。若否，则流化床继续对物料进行干燥，并跳转到步骤3。

三、安装在流化床上的物料温度和湿度监测仪8来测量流化床内物料的温度和湿度，干燥终止控制模块15判断流化床内物料的温度是否达到预设的指定温度值，该温度值一般而言可取50度，若是，则干燥终止控制模块15控制流化床停止干燥过程。若否，则流化床继续对物料进行干燥，并跳转到步骤3。

四、进风温度监测仪9检测输入流化床的进风温度，并且通过出风温度监测仪3检测输出流化床的出风温度。主控模块12计算出其出风温度和进风温度的温度差，并传输至干燥终止控制模块15，干燥终止控制模块15判断出风温度和进风温度的差值是否达到预设的指定值，一般而言该差值可取5度，进风温度高于出风温度。若是，则干燥终止控制模块15控制流化床停止干燥过程。若否，则流化床继续对物料进行干燥，并跳转到步骤3。

《用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法》适用于多种物料在多种复杂工况的下干燥运行过程，可用于多种特性的物料干燥，包括黏性高的中药颗粒，可自行调整参数、算法简单合理、控制效果好。可缩短干燥时间10%，提高干燥效率。颗粒收得率高，细粉少，干燥质量好，有效颗粒收得率达到≥92%。减少人员劳动强度，不需要人工干预。

尽管《用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法》的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对《用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法》的限制。在该领域技术人员阅读了上述内容后，对于《用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法》的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，《用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法》的保护范围应由所附的权利要求来限定。

用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法专利目的

《用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法》公开一种用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法，可用于多种物料在多种复杂工况的下干燥运行过程，可自行调整参数、控制效果好、提高干燥效率、颗粒收得率高、细粉少。

用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法技术方案

《用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法》公开一种用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统，该控制系统设置在流化床床身旁，通过管道和电路连接流化床床身，控制流化床运作，其特点是，该控制系统包含：风机，该风机通过管道连接上述的流化床床身；风速检测仪，该风速检测仪设置在连接上述的风机与流化床床身的管道中；出风温度监测仪，该出风温度监测仪设置在连接上述的风机与流化床床身的管道外壁上；空气处理单元，该空气处理单元通过管道连接上述的流化床床身；温度调节器，该温度调节器设置在上述的空气处理单元上；进风温度监测仪，该进风温度监测仪设置在连接上述的温度调节器与流化床床身的管道上；流化床压差表和物料温度和湿度监测仪，该流化床压差表和物料温度和湿度监测仪分别设置在上述的流化床床身上；以及，控制柜，该控制柜通过电缆分别与上述的风机、风速检测仪、出风温度监测仪、空气处理单元、温度调节器、进风温度监测仪、流化床压差表和物料温度和湿度监测仪电路连接。

上述的控制柜内设有控制单元、分别与上述的控制单元电路连接的风机变频器、风量调节器和输入输出模块。

上述的控制单元包含主控模块，以及分别与该主控模块电路连接的风量控制模块、流化床温度控制模块、抖袋控制模块、空气处理单元控制模块和干燥终止控制模块；

上述的流化床温度控制模块、抖袋控制模块和空气处理单元控制模块组成干燥控制模块；

上述的风量控制模块还电路连接上述的风机变频器；

上述的流化床温度控制模块还电路连接上述的温度调节器；

上述的抖袋控制模块还电路连接设置在上述的流化床床身上的抖袋系统；

上述的空气处理单元控制模块还电路连接上述的空气处理单元；

上述的干燥终止控制模块还电路连接流化床。

一种用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统的控制方法，其特点是，该方法包含以下步骤：

步骤1初步预先设定工艺参数，该工艺参数包含：风量初始目标值、终点判定方式以及相应的值、温度调节器开度值、进风温度、抖袋控制参数；

步骤2根据设定的工艺参数，流化床控制系统启动，控制流化床对物料进行干燥；

步骤3根据干燥时间和流化床压差表所检测到的流化床内压差值，调整风量实时目标值；

步骤4主控模块将流化床风量实时目标值、风量测量值、物料温度、进风温度和出风温度进行线性化、归一化；

步骤5主控模块采用PID方法调整参数，控制风机和温度调节器；

步骤5.1主控模块采用PID方法对风量实时目标值和风量测量值进行修正，风量控制模块依据修正后的值调整风机变频器的控制量，调整风机的工作；

步骤5.2主控模块采用PID方法对物料温度、进风温度和出风温度进行修正，流化床温度控制模块依据修正后的值调整温度调节器的开度，调节流化床内部温度；

步骤6干燥终止控制模块判断流化床运作状态是否满足终点判定值，若是，则控制流化床的干燥过程结束，若否，则继续进行干燥，并跳转到步骤3。

用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法改善效果

《用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法》用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法其优点在于，《用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统及其控制方法》控制系统适用于多种物料在多种复杂工况的下干燥运行过程，可用于多种特性的物料干燥，可自行调整参数、算法合理、控制效果好；采用PID方法实时修正工艺参数，可缩短干燥时间，提高干燥效率，同时，颗粒收得率高，细粉少，干燥质量好； 控制方法驱动流化床自动工作，减少人员劳动强度，不需要人工干预。

1.一种用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统，该控制系统设置在流化床床身（4）旁，通过管道和电路连接流化床床身（4），控制流化床运作，其特征在于，该控制系统包含：风机（2），该风机（2）通过管道连接所述的流化床床身（4）；风速检测仪，该风速检测仪设置在连接所述的风机（2）与流化床床身（4）的管道中；出风温度监测仪（3），该出风温度监测仪（3）设置在连接所述的风机（2）与流化床床身（4）的管道外壁上；空气处理单元（11），该空气处理单元（11）通过管道连接所述的流化床床身（4）；温度调节器（10），该温度调节器（10）设置在所述的空气处理单元（11）上；进风温度监测仪（9），该进风温度监测仪（9）设置在连接所述的空气处理单元（11）与流化床床身（4）的管道上；流化床压差表（7）和物料温度和湿度监测仪（8），该流化床压差表（7）和物料温度和湿度监测仪（8）分别设置在所述的流化床床身（4）上；以及，控制柜（1），该控制柜（1）通过电缆分别与所述的风机（2）、风速检测仪、出风温度监测仪（3）、空气处理单元（11）、温度调节器（10）、进风温度监测仪（9）、流化床压差表（7）和物料温度和湿度监测仪（8）电路连接；所述的控制柜（1）内设有控制单元、分别与所述的控制单元电路连接的风机变频器、风量调节器和输入输出模块；所述的控制单元包含主控模块（12），以及分别与所述的主控模块（12）电路连接的风量控制模块（13）、流化床温度控制模块（141）、抖袋控制模块（142）、空气处理单元控制模块（143）和干燥终止控制模块（15）；所述的流化床温度控制模块（141）、抖袋控制模块（142）和空气处理单元控制模块（143）组成干燥控制模块（14）；所述的风量控制模块（13）还电路连接所述的风机变频器；所述的流化床温度控制模块（141）还电路连接所述的温度调节器（10）；所述的抖袋控制模块（142）还电路连接设置在所述的流化床床身（4）上的抖袋系统（5）；所述的空气处理单元控制模块（143）还电路连接所述的空气处理单元（11）；所述的干燥终止控制模块（15）还电路连接流化床。

2.一种用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统的控制方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：步骤1初步预先设定工艺参数，该工艺参数包含：风量初始目标值、终点判定方式以及相应的值、温度调节器开度值、进风温度、抖袋控制参数；步骤2根据设定的工艺参数，流化床控制系统启动，控制流化床对物料进行干燥；步骤3根据干燥时间和流化床压差表（7）所检测到的流化床内压差值，调整风量实时目标值；步骤4主控模块（12）将流化床风量实时目标值、风量测量值、物料温度、进风温度和出风温度进行线性化、归一化；步骤5主控模块（12）采用PID方法调整参数，控制风机（2）和温度调节器（10）；步骤6干燥终止控制模块（15）判断流化床运作状态是否满足终点判定值，若是，则控制流化床的干燥过程结束，若否，则继续进行干燥，并跳转到步骤3。

3.如权利要求2所述的一种用于固体制剂干燥的流化床自动控制系统的控制方法，其特征在于，所述的步骤5还包含以下步骤：步骤5.1主控模块（12）采用PID方法对风量实时目标值和风量测量值进行修正，风量控制模块（13）依据修正后的值调整风机变频器的控制量，调整风机（2）的工作；步骤5.2主控模块（12）采用PID方法对物料温度、进风温度和出风温度进行修正，流化床温度控制模块（141）依据修正后的值调整温度调节器（10）的开度，调节流化床内部温度。