浅析DCS、SIS及PLC技术在制药生产中的应用前景

云南大学李熊

【摘要】DCS技术结合了计算机技术、控制技术及通信网络等技术于一身，是自动化生产的重要工具，SIS、PLC技术则是DCS和SIS的关键硬件支持，本文通过介绍DCS、SIS及PLC技术，进而简单阐述这三大智能生产控制技术在制药工程生产中的应用前景。

【关键词】DCS；SIS；PLC；集散控制；集中管理；分散控制；通信网络；制药生产

一、DCS、SIS及PLC技术概述

DCS（Distributed Control System），集散控制系统的简称，又称分布式计算机控制系统。DCS本质是利用计算机技

术在生产中对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控

制的一种技术，结合了分散的仪表控制系统和集中式计算机

控制系统的优点。DCS主要有集中管理部分、分散控制检测

部分和通信部分组成。集中管理部分又可分为工程师站和操

作员站，工程师站主要用于组态和维护以及全系统的信息管

理和优化控制，操作员站则用于监视和操作。分散控制监测

部分按功能可分为控制站、监测站或现场控制站，用于现场

设备的控制和监测。通信部分连接系统的各个分散部分，完

成数据、指令及其它信息的传递，从而组成一个完整协调的

系统，达到生产过程的工艺要求。

1.DCS发展史

DCS系统的发展大致经历了四个阶段：

第一阶段：美国的仪表公司Honeywell为解决模拟仪表操作不便，同时实现分散控制，分散危险，减中系统的建设

成本，在引入网络通信技术的基础上，设计并推出了第一套

DCS系统，以此为代表，生产的过程控制进入了集散控制时

期。

第二阶段：伴随半导体技术、显示技术、以及控制技术和网络通信技术的飞速发展，控制算法实现混合控制，控制

范围扩大，同时加入局域网技术，扩大了数据通信的范围，数据传输效率和通信质量也有极大地提高。

第三阶段：第二阶段的DCS系统存在不同的网络通信协议，第三代DCS系统使用统一的协议标准，系统软件通

常釆用实时多用户多任务的操作系统，符合国际上的通用标

准。该阶段DCS系统采用开放的、标准的系统管理，使得

不同的系统、仪表以及设备能够在同一系统实现网络通信。

第四阶段：进入二十一世纪以来，计算机以及网络通信硬件的快速升级，组态软件、现场总线以及数据库等技术的

发展，使得新一代的DCS系统得到了进一步的提升，内容

也得到了极大地丰富，DCS系统也向大型化的计算机集成制

造系统的方向不断发展。

2.现代DCS基本结构及原理

DCS采用标准化、模块化和系统化方法设计，由过程控制级、过程管理级、生产管理级和经营管理级所形成的一个

以通信网络为纽带的集中显示操作管理系统，主要由现场

I/O控制站、操作员站、工程师站以及系统网络组成。控制

分散，管理集中。其具有自治和协调性、分级递阶结构、适

应性、灵活性、可扩充性和可靠性等特点。层次化是DCS的

体系特点，使之体现集中操作管理、分散控制的思想。

2.1过程控制级

过程控制级，又叫直接控制级。在这一级上，过程制计算机直接与现场各类装置(如变送器、执行器、记录仪表)

相连，对所连结的装置进行数据采集和过程控制，进行设备

监测及系统测试和诊断，采取安全性、冗余化方面的措施，同时还向上与第二层的计算机相连，接收上层的管理信息，并向上传递装置的特性数据和采集到的实时数据。

2.2过程管理级

这一级上的过程管理计算机主要有操作员站和工程师

站。它综合监视过程各站的所有信息，集中显示操作，进行

控制回路组态和参数修改等。这一级主要执行自适应回路控

制和设备故障监测，历史数据的存档，状态报告的功能。

2.3生产管理级

生产管理级这一级上的管理计算机根据产品各部件的特点，协调各单元级的参数设定。生产管理级完成一系列功

能，要求有比原狭义控制工程更宽的操作和逻辑分析功能，根据用户订货情况、库存情况、能源情况来规划各单元中的

产品结构和规模。并且可使产品重新计划，随时更改产品结

构，这一点是工厂自动化系统高层所需要的，有了产品重新

组织和柔性制造的功能就可以应付由于用户订货变化所造

成的不可预测事件。由此，一些较复杂的工厂在这一控制级

上就实施了协调策略。此外，综观全厂生产和产品监视、以

及产品报告也都在这一级上实现，并与上层交互传递数据。

在中小企业的自动化控制系统中，这一层就可充当最高一级

管理层。

2.4经营管理级

经营管理级居于工厂自动化系统的最高一层，它居于中央计算机上。管理范围工程技术方面、经济方面、商业事务

方面、人事活动方面以及其它方面的功能。把这些功能都集

成到软件系统中，通过综合的产品计划，结合多种多样的材

料和能量调配以达到最优地解决问题。在这一层中，通过与

公司的经理部、市场部、计划部以及人事部等办公室自动化

系统相连接，担负起全厂的总体协调管理，以实现整个系统

3.SIS简述

SIS（Safety instrumented System），即安全仪表系统，是建立在计算机技术、自动化技术上的安全生产工艺系统，有逻辑控制器、传感器以及最终执行原件组成，具备检测、执行和控制三个主要功能。系统主要用于保证化学工业生产

的安全运行以及事故的安全联锁，系统控制的扫描级别为毫

秒级。安全仪表系统面对的是易燃易爆、高温高压甚至有毒

的生产环境，运行环境恶劣，所以SIS具备多重冗余的结构，

单一故障不会使系统功能丧失。对于SIS系统，具有标准的

安全完整性等级评估方法，SIS的工程设计具备高可靠性、

可用性及可维护性。

SIS作为生产体系的保护伞，具有与DCS之间相互独立的特点。因此多数情况下DCS和SIS时两个独立的系统、不

同的网络、不同的控制器和人机界面。DCS和SIS之间有两

种分离方式，一种是同种分离，即DCS与SIS采用同一制造

商的系统技术，这种分离方式可有效的降低随机失效的几率，

避减小维护错误的可能性；另一种是异种分离，即采用不同

制造商的系统技术，异种分离有利于降低系统失效和共因失

效的几率。

4.PLC简述

PLC（Programmable Logic Controller），又称可编程逻辑控制器，是一种采用一类可编程的存储器，用于其内部存

储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作

等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各

种类型的机械或生产过程，既能进行开关量控制，又能进行

模拟量控制，还具有通信功能。PLC由主机（CPU）、电源、

I/O模块、存储器、功能模块和通信模块组成。其工作过程

一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新

三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运

行期间，可编程逻辑控制器的CPU以一定的扫描速度重复

执行上述三个阶段。

可编程逻辑控制器具有使用方便，编程简单；功能强，性能价格比高；硬件配套齐全，适应性强；可靠性高，抗干

扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量少；维修工作量

小，维修方便等鲜明特点。

二、DCS及PLC技术在制药工程生产中的应用前景

2015年国家出台新的GMP体系，同时将食品药品管理部门合并，国家对食品药品的监控管理标准也逐步提高。GMP

是适用于食品药品行业的强制性标准，要求企业从原料、人

员、设施设备、生产过程、包装运输、质量控制等方面按国

家有关法规达到卫生质量标准。药品生产过程中最难控制的

就是卫生标准，而智能化的控制系统和操作系统可以有效的

控制生产过程中伴随的卫生隐患。

制药生产中会用到大量的非自动化或半自动化的设备，同时，生产线上有大量的间歇操作和连续操作的设备，在生

产中如何判断每个步骤的执行时间，执行方案，都是需要实

际数据进行支撑的，如何提高设备的自动化程度以及如何降

低设备的运行成本，都可以通过DCS技术与设备的无缝耦

合得以实现。比如制药生产中常用的锅炉设备、净水设备、混合与造粒设备、工厂新风系统等，在过去的生产中，采用

的生产质量检测方式多为人工测量，甚至是肉眼判断，而在

生产过程中的参数调节也是人工调节，在生产中不但会造成

大量的人工成本，还会因为人的参与，影响生产的环境，甚

至会因为人为因素的失误，造成巨大的生产损失。而引入先

进成熟的DCS系统，则可以大幅度降低甚至消去人为因素

带来的误差和生产环境污染，同时还能通过减少生产过程中

数据传输的时间降低生产成本。成熟的DCS系统还具备预算

能力和规划方案，可以节省人力，并且减小误差。

DCS以及SIS作为相对成熟的并且智能化的控制和安全防护系统，具有以下几个鲜明的优势。首先，生产成本低，可以减少生产过程中的人力成本，避免人为的不卫生因素，降低工人在高危环境中工作的风险，一次性投入硬件，仅需

后期维护；第二，可靠性高，操作简易，用PLC做最底层的

传感控制器，可以有效降低人工测量的不可控制的误差以及

工作失误，且系统具备成熟的操作软件和硬件，操作方便简

单；第三，DCS、SIS具有高兼容性和高扩展性，DCS和SIS

均采用模块化的结构设计，有利于装置的扩展及修改；第四，信息传递速度极快，可达到毫秒级，信息范围、信息的精准

度和信息量广而大，可以对生产的规模以及生产的速度等各

种因素加以科学的规划和控制；第五，极高的适应性和安全

性，DCS和SIS具备完善多样的控制功能，既可执行常规判

断，也可执行趋势预估，同时还可以进行算法的主动插入。

在实际的应用中，系统也会存在一些问题，比如DCS 与SIS之间的衔接不够紧密；功能的不同导致PLC的种类繁

多，选择困难；作为系统应用者，即药品生产企业，对系统

的自主管理及维护水平有限；由于系统对信息传递的高要求

导致线路铺设的量极大。这些问题都是系统开发者将来面对

的课题，也是制药企业在生产过程中会面对的困难与挑战。

三、结语

PLC是最早的电子自动控制系统，伴随者编程技术的发展，PLC也在制药生产中得到了广泛合理的应用。DCS和SIS

系统也在制药生产中得到了长足的发展和应用。

我国具备极强的药物以及医疗器具的生产能力，并且我国是一个仿制药大国，但是我国缺少完全自主的、完整的

DCS和SIS系统及相关硬件的开发能力；加上国内制药相关

企业呈现出小厂多而散，大厂少而精，主要生产力却来源于

多数小厂，但小厂缺乏完备的管理体系和先进的管理方案，且没有足够的资金实力进购先进的DCS和SIS系统。因此，完全自主、先进安全的DCS和SIS是国内多数制药企业亟需

的制药生产工具，也是未来国内系统开发面临的挑战和机遇。

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