醫藥行業氣動開關閥布線方案的設計應用

張迎飛，岳宗禮

（天俱時工程科技集團有限公司 營銷中心，石家莊 050000）

0 引言

醫藥行業已經成為國民經濟中發展最快的行業之一。為了提高藥品的產品質量，國家對醫藥行業的監管力度越來越大，對制藥車間的自動化水平要求越來越高。自2020年起到2022年底前，涉及“兩重點一重大”生產裝置和儲存設施的自動化系統裝備投用率達到100%，涉及重大危險源企業安全預防控制體系建設率達到100%[1]。重點監管危險化工工藝和重大危險源，實現“三升三減一降低”目標，即提升危險化工工藝安全技術水平，提升生產裝置和儲存設施自動化控制水平，提升企業安全管理信息化應用水平，減少重大危險源企業和重大危險源數量，減少重點監管危險化工工藝企業和重點監管危險化工工藝生產裝置數量，減少生產現場作業人員數量，降低生產安全事故[2]。

制藥車間自動化率的提高，不僅可以減少當班操作人員的數量，而且可以有效減少危險場所的人員暴露時間，有利于減少危險事故及人身傷害?；卺t藥行業的特性，提高車間的自動化程度，將伴隨增加大量的氣動開關閥門。針對氣動開關閥門增多，帶來投資增加的問題，本文根據車間開關閥門的數量以及總平面圖的布局，做了不同方案投資比對工作，為企業綜合考慮投資以及應用等各個方面提供更優化的選擇方案。

1 醫藥行業車間的特點

醫藥行業的車間總體來講，車間布局相對緊湊。車間二層或者三層大部分布局高位罐以及反應釜。一層大部分是收集罐、離心機、母液罐等設備。高位罐一般用于計量加入反應釜的溶劑或反應物料。根據藥品的需求在反應釜中反應一段時間，然后轉料進入后續離心機或者其他設備。醫藥生產線的工藝特點不同于石油化工行業，大部分是間歇式生產。因此，自動化率高的車間，高位罐或反應釜的進料閥、排氣閥、氮封閥、真空閥、回流閥等均需要采用氣動開關閥。根據整個產品的操作特性，在DCS中做分步驟的順序控制，來代替車間工人的手動操作。

自動化程度較高的醫藥車間，一臺反應釜附近一般會有接近10臺氣動開關閥。大部分醫藥車間的生產線，產量不會太高，所以閥門尺寸整體偏小，口徑大部分在DN100以內，主要集中在DN50左右。針對醫藥行業的這些特點，閥島在醫藥行業的應用相對比較廣泛，在保證高自動化的水平的同時，節省企業的投資。尤其是在中小型自動化程度較高的企業，現在應用案例越來越多。

2 氣動開關閥布線方案

氣動開關閥的附件包含電磁閥和開關回訊。在DCS控制中，每臺閥門在DCS中需配置1個24VDC輸出的DO點控制電磁閥，以及兩個開關量輸入的DI點顯示閥門的開關狀態。在石化行業開關閥的控制信號及回訊信號中，每臺閥均采用3根2×1.5mm2的控制電纜敷設至控制室。但是在醫藥行業略有不同，不同用戶的選擇方式也各不相同。

電纜敷設方式一般有如下幾種：①直接敷設方式：電磁閥2×1.5mm2的控制電纜，開關回訊用4×1.5mm2的控制電纜；②多芯電纜直接敷設方式：電磁閥和開關回訊采用一體化的接線盒，共用6×1.5mm2的控制電纜；③采用閥島總線形式：電磁閥隨閥島廠家集中在閥島箱內，開關回訊可接入閥島箱，然后閥門的控制以及開關狀態通過總線形式引至DCS，其中開關回訊也可采用單獨敷設電纜至DCS中。

3 閥門布線的設計方案

項目情況：某藥廠新建甲類原料藥車間，車間共3層，層間距為7m，廠房大小為70m長×30m寬；車間防爆等級ExdIICT4，整個車間開關閥閥門總數為400臺；原料藥車間距離機柜室的平均電纜長度為178m。

設計方案概況：根據層高，單根電纜敷設現場穿線管按6m計算；DN20不銹鋼儀表風線，根據主設備數量，從主風線引出單根長度按照20m計算；電纜進線方式采用帶內螺紋的防爆密封接頭+外螺紋防爆撓性管的方式，如果采用閥島箱方案，防爆密封接頭和防爆撓性管在閥島的進出線口處也要用到。

3.1 方案一：直接敷設方式

方案介紹：①電磁閥的檔次會影響工程總投資，因為進口電磁閥與國產電磁閥的價格可以差3～5倍，具體電磁閥的檔次根據用戶要求來選擇，本方案按照國產高性價比的某品牌電磁閥；②Φ8×1不銹鋼分支氣源管，每臺閥門按照3m考慮；③閥門的DO和DI信號均采用硬接線接至DCS。在DCS控制系統中，本方案采用某國產品牌DCS系統作的配置，增加DO和DI卡件。方案一總工程量見表1。

表1 方案一總工程量Table 1 Total project quantity of scheme 1

3.2 方案二：多芯電纜直接敷設方式

方案介紹：電磁閥的控制電纜由開關閥廠家集成至限位開關里面，然后用6×1.5mm2的多芯電纜，敷設至控制室。此種方案相比方案一，每臺閥敷設1根電纜，可以減少電纜的敷設費用；穿線管、防爆密封接頭、防爆撓性管的用量也會減少。方案二總工程量見表2。

表2 方案二總工程量Table 2 Total project quantity of scheme 2

3.3 方案三：閥島總線形式

方案介紹：①閥島可以集成電磁閥，也可以將I/O模塊集成在閥島箱內；然后通過總線協議，通訊至DCS中，此時DCS中不需設置DI卡和DO卡，只需根據所選的通訊協議，配置相應的通訊卡件?？偩€型閥島支持目前市場上所有開放式現場總線協議（比如Profibus-DP、Ethernet/IP、Profinet、Devicenet、Modbus-TCP、CC Link等）[3]，現場應用實際情況中采用Profibus-DP和Profinet協議居多；②因電磁閥集成在閥島箱內，需將氣源主管敷設至閥島箱，總入口增加氣源三聯件，分支不銹鋼管直接接入開關閥的氣缸，因此分支Φ8×1不銹鋼氣源管長度不建議超過30m，避免距離過長壓損過大，儀表風壓不夠，無法克服閥門開關的力矩，使閥門開關受到影響；③閥島箱的布置位置根據閥門的平面布置來劃分，閥島箱可以選用12通道、24通道、36通道或其他規格；④閥島箱電纜進線口包含：開關回訊進線口，通訊線進線口一進一出，還有24VDC電源進線口；⑤本方案采用Profibus-DP通訊協議，DCS控制系統采用某國產品牌DCS系統做的配置。方案三總工程量見表3。

表3 方案三總工程量Table 3 Total project quantity of scheme 3

3.4 電纜長度對不同方案的影響

以上3個方案的對比：以電纜按照178m的距離，方案一總投資按照100%計算，方案二總投資為77.38%，方案三總投資為68.59%，相比而言方案三閥島總線形式的方案更節省投資。對于此方案比對中，如果閥門數量一定，采用不同電纜長度做了如下比對見表4。

表4 電纜長度與方案投資的關系Table 4 Relationship between cable length and project investment

通過表4的比對可以得出，機柜室和車間距離在距離較短時，多芯電纜直接敷設方式總體投資較低；閥島總線形式在電纜敷設距離較長時，有明顯優勢。

4 不同方案在其他方面的比對

現場應用不同的方案，除了在投資方面之間有差異，在其他方面也需要考慮。

4.1 SIS系統相關閥門采用硬接線

每臺閥門電纜直接敷設，閥門信號出現問題，容易查出問題，和其他閥門之間沒有相互關聯。尤其是對于涉及到重點監管危險化工工藝、重點監管危險化學品和重大危險源的車間，一般情況經過HAZOP分析和SIL認證之后，會要求設置安全儀表系統（SIS），相關執行SIL認證結果的開關閥門，需要有相關的SIL認證。在GB/T50770-2013《石油化工安全儀表系統設計規范》，6.1.5測量儀表不應采用現場總線或其他通信方式作為安全儀表系統的輸入信號[4]。根據以前參與的石化工程設計項目，閥門作為執行元件，SIS相關閥門均采用硬接線的方式進入SIS系統，實現相關的聯鎖動作。

4.2 閥島通訊協議Profibus-DP和Profinet

醫藥車間中，閥島通訊協議應用案例相對較多。對于某國產品牌DCS系統，Profibus-DP主站通信模塊COM722作為PROFIBUS-DP主站接口，用于將閥島標準PROFIBUS-DP信號接入到DCS中。PROFIBUS-DP的總線速度從187.5kbps、500kbps、1.5Mbps之間可調，同一時刻總線上所有站點必須使用同樣的通信速率。在不同的速率下，單段總線可以傳輸的最長距離有所不同。根據工程經驗，波特率在187.5kbps的情況下，DP線總長度不建議超過500m，如果超過500m則需要配置使用RS-485中繼器擴展總線段。1個PROFIBUS-DP網絡最多可以使用4個RS-485中繼器[5]。Profinet協議，則需要配置COM723通訊模塊，如果距離近100m以內，可以直接采用網線；距離大于100m以上，則需要用到光纖和光電轉換模塊。

Profibus-DP在實施時，紫色DP線接入現場閥島A的DP接頭中，再接入閥島B的DP接頭中，再接入閥島C、D……，最后1個DP接頭上帶有終端匹配電阻。然后組態時，在閥島上進行網絡端口設置、閥島MAC地址的選擇，以及診斷模式的設置[6]。因此，1根DP通訊線上串聯著這些閥島，如果DP通訊線斷掉，就會影響到這些閥島箱上所有閥門信號的中斷。

Profinet形式可以配置成冗余的模式，控制系統通訊卡配置成冗余的，然后采用“手拉手”的形式敷設電纜?？刂葡到y通訊卡以及閥島箱的CPU均配置成冗余的，然后采用“手拉手”的形式敷設電纜。網線從COM723的A卡出來，接至光纖接續盒，然后通過光纖接入現場閥島A的光電轉換模塊，再接入閥島B，再接入閥島C、D……，然后接入光纖接續盒，接入COM723的B卡，形成環形的連接。相比Profibus-DP方案，Profinet的冗余配置方案更加可靠。

4.3 現場維護

現有防爆現場應用案例中，閥島做成無火花形式，閥島箱采用增安型不銹鋼接線箱，安裝于現場?，F場維護時，需檢測周圍環境是否安全，檢測周圍環境空間的可燃氣體濃度在爆炸極限之外，要維護的閥片室內系統中需強制斷開，閥島箱主氣源斷開。閥島箱維護或更換閥片時，最好在車間停工的時候。電纜直接敷設的方式，維護起來更加靈活。

5 閥島箱配置注意事項

閥島箱的電磁閥閥片常用氣路口分Φ6mm和Φ8mm，電磁閥閥片寬度大概為10mm和14mm[7]。相比之下，14mm的流量大于500L/min，大流量電磁閥能最大程度上滿足DN80和DN100球閥或蝶閥的運動速度，閥島出氣接口為Φ8mm軟管并通過穿板接頭接入箱外Φ8mm不銹鋼硬管。如果涉及到更大口徑的閥門，尤其是大于DN150以上的，采用閥島的方式，要選用更寬的閥片18mm以上，或者DN150以上的開關閥采用電纜直接敷設的方式。

閥島箱訂貨之前，盡量完成平面區域的分布。這樣閥島箱在現場的布局才會更加合理，尤其是涉及到雙作用的氣動開關閥。為保證閥門的故障狀態，需要選用兩位五通的電磁閥閥片，相關的閥島箱可能會涉及到兩位三通和兩位五通的電磁閥混配的情況，而且1臺雙作用氣缸，需要配兩路氣路，因此閥島箱的氣路接口數量需要增加。

6 結束語

通過從投資、維護等多個角度的比對，可以發現每種方案都各有利弊。作為技術人員必須遵循盡量合理利用資源，提高投資的性價比的原則，做出合理的方案供用戶選擇；結合實際應用中積累的經驗，給用戶選用性價比更高的閥門布線方案，不僅可以節省投資，給用戶創造價值，還可以提高用戶的滿意度。