合成藥車間全操作自動化實現的問題及難點

朱東利

（南京聚高工程技術有限公司，南京 210000）

國內現有的化學合成原料藥工廠，絕大部分自動化水平較低，因安全監管文件的要求，目前能夠實現的普遍停留于安全自動化的層次上（即能夠滿足安全監管文件要求，實現超溫、超壓、超液位或可燃/有毒氣體泄漏報警等），離過程控制自動化（如反應釜的溫控）、全操作自動化的目標還有很大的距離。

合成原料藥的企業管理者大都還是想實現“自動化減人”的，畢竟現在面臨的安全形勢、人員招聘形勢都很嚴峻，但受限于傳統的操作理念和合成原料藥行業固有的特點，實現全操作自動化有不少的障 礙。

1 自動化設計上的難點

對比目前安全監管文件，化學合成藥車間在自動化的設計上還存在一些難度：

（1）高位槽滴加的問題

《國家安全監管總局關于公布首批重點監管的危險化工工藝目錄的通知》（安監總管三〔2009〕116 號）中，以氧化反應為例，要求監控氧化劑的流量[3]，實現定量滴加。這個在很多工藝中實現起來很困難。

一是高位槽需要滴加的量少，滴加時間長，導致流速會很小，流量計選型困難，排除了很多流量計的選擇（如渦街等）；二是有的滴加的物料是非導電的有機溶劑，電磁流量計不適用；三是有的物料還有腐蝕性，高位槽從上往下重力流，對轉子流量計的安裝有要求，襯氟的不能水平安裝，前后要保持0.1 MPa的壓差；這些原因都導致選型困難，有的企業花大價錢上了特材的質量流量計，有的設置了高位槽的稱重進行滴加等等。

從重點監管的危險化工工藝監管的出發點來看，就是怕防止引發劑進料過快導致反應劇烈，需要通過一些措施確保引發劑不要加那么快。如果從引發劑加入過快這個偏離出發，可以得出很多控制措施，并不一定是要加流量計或者流量控制回路，可以加限流孔板，可以加調節閥限制開度，可以加手閥限制開度等等，這些措施都是可以保證引發劑不會加入過快。

（2）蒸餾液位測量的問題

《蒸餾系統安全控制指導意見》（魯安監發字〔 2011〕140 號）中，為了避免蒸餾蒸干了以后物料發生分解爆炸，提出“蒸餾塔（釜）：塔釜溫度、液位，重點塔板溫度、組分，進料流量、溫度，塔頂溫度、壓力（真空度）、回流量”監控，但同時也指出“由于蒸餾過程形式多樣，物料性質千差萬別，不可能包括所有情況，也不是所有的蒸餾過程都需要以上的控制措施，需要針對具體蒸餾裝置確定具體的安全控制措施”[2]。

《本質安全診斷治理基本要求》（蘇應急〔2019〕53 號）中提到“精餾（蒸餾）塔應設塔釜和回流罐液位就地和遠傳指示、 并設高低液位報警”[4]。

蒸餾釜設置液位計，在高液位的時候還是起到作用的，但是到低液位的時候，尤其有些工藝就是要求把溶劑都蒸干掉，這種情況下用液位計去聯鎖判斷是不好實現的；有的項目提出來用稱重去判斷，稱重和物料投入量及物料組成有關系，也不大好判 斷。

但有些蒸餾確實存在蒸餾時間過長會分解爆炸，如含有硝基物的蒸餾釜，既然識別出這個風險，就得有安全措施去保障它，降低事故發生的概率。發生蒸餾事故的，是長時間蒸餾導致超溫分解，所以避免長時間蒸餾可以做為一個輔助判斷手段，可以根據生產經驗結合每批次的投入量及組成部分，在DCS 上設置一個定時功能，超時間點1 未關蒸汽可進行報警提示，若超時間點2 時DCS 可聯鎖關閉蒸汽閥門（時間點需通過經驗摸索，時間聯鎖不代表蒸餾結束了，只是一種手段，避免長時間蒸餾帶來的風險）；同時也可以通過接收罐的液位進行輔助判斷，當接收罐的液位長時間不再增加時可發出操作提示，也可進一步聯鎖關閉蒸汽閥門。時間和液位的提示、聯鎖都是輔助安全措施，最終蒸餾是否結束還是需通過人工確 認。

化學合成藥多功能車間還存在對蒸餾釜的物料是否存在蒸干風險并不清楚的問題，建議在新品種生產前進行熱風險分析，深入了解反應過程及物料特 性。

（3）反應釜溫度控制的問題

反應釜的溫度測量具有很大的滯后性，同時溫度還受到公用工程的溫度（如夏季循環水溫度高）、反應釜的物料量、冷凝器的冷凝效果等多種因素干擾，所以按傳統的PID 單回路控制或者串級控制效果都會不大理想，自動控溫還是有一定的難度的。

反應釜實現溫度自動控制的前提是有豐富的手動操作經驗，要知道在什么投料量下，什么溫度點該怎么開閥門，有了人工操作的經驗以后自動化的實現才有跡可循?？煽紤]將反應釜釜內溫度、反應釜夾套溫度、公用工程溫度、釜內的物料量（可大概的根據投料量和接收罐的液位進行計算）建立模型，以經驗控制的方法編制DCS 溫度控制程序，不使用單回路或者串級等方法，直接根據經驗告訴DCS 到了哪個溫度點怎么動作閥門即可。

現在市場上有針對反應釜溫度控制的先進控制軟件包，也是基于豐富的現場操作經驗基礎上的。也有的工藝對溫度控制要求較高，傳統的蒸汽、循環水的控溫方法實現起來較為困難，這種情況有的是采用溫度控制單元TCU（撬裝設備，也有的叫能量控制單元NCU）進行控溫；也有的是采用高低溫一體機，采用乙二醇或者導熱油替代傳統的蒸汽和循環水（或冷凍鹽水）進入夾套控溫。

（4）固體投料的問題

固體投料到底能不能實現自動化，這個要根據不同的工藝操作及物料特性進行判斷。

有的工藝固體投料量很大，一個批次要投入幾百公斤的物料，這種工藝人員操作強度就很大，在廠房設計時可以考慮使用拆包機→料倉→稱量倉→高位料斗進料的方法；但這個也要結合物料特性，有的物料受熱后會黏到管道上，導致高位料斗出料堵塞。

有的工藝固體投料時，不僅量大而且要求投料迅速，此時用固體投料器、料斗的方式也不合適；有的是投固體催化劑，量并不大；有的固體活性和毒性較大，投料時需進行職業衛生防護。

所以固體投料的自動化實現還是需要具體問題具體分析，有的固體可以溶到溶劑里面的可以考慮以液體的形式進料；有的固體投料器或者自動化固體輸送系統不好實現的，在投料時要盡可能做到密閉投料，避免直接開反應釜人孔蓋投料。

（5）設備的問題

制藥企業的自動化實現與工藝和設備密切相關，化學合成原料藥到結晶工序以后的固體物料處理以及母液的離心處理，自動化能夠實現的程度就取決于購買的設備了。

設備如果支持自動化進出料，那還是可以實現單體設備的順控操作的；若仍使用傳統的離心、干燥設備等，這些單元還是需要人工操作的。所以建議在新工廠建設時，若工藝上可以選用全自動下出料離心機或者三合一時，可以優先考慮，既能提高車間的密閉性，又能降低職業衛生傷害。

原料藥項目的設備訂貨，往往疏忽設備圖紙確認及設備FAT 的過程，導致設備到了現場以后出現缺少接口、接口不對、管口方位不對、支撐過短等情況，故設計單位可在設備訂貨前出設備簡圖、企業的URS 里需對管口及方位需求進行詳細的描述，設備廠商返回的圖紙需設計單位、自動化公司、機電安裝等多方確認，建設單位在設備發貨前做好FAT工作，避免因設備接口等問題導致現場工期延誤。

（6）人工操作的問題

即使各個生產設備都實現了單體的順控，但是在生產過程中仍存在很多的人工干預，讓順控走走停停，不會像想象中的那樣一鍵生產。

需要人工操作的包括生產前的軟管連接、開啟攪拌（有的可以實現DCS 遠程開啟，但需要現場開啟電機機封冷卻循環水管線手閥），生產過程中的固體投料、取樣分析、萃取、出料的判斷，以及生產后的清洗等等。上述操作都會給企業的管理者帶來即使上了自動化，還是少不了人的理念，無法實現和煉油裝置一樣，現場人員不過多干預生產。

這些人工操作想實現自動化是很困難的，除非是不計成本代價。所以化學合成藥全操作自動化的設計時，要考慮是否包括生產前的準備以及生產后的清潔。從目前來看，應該集中投資做好生產過程的全操作自動化，以自動化為主、人工參與為輔實行指令式生產，不過多依賴操作人員的經驗，減少安全和質量風險。這個也是符合從風險出發的理念，生產過程中風險較大，而生產前的準備和生產后的清洗風險較小，把生產過程控制好了，質量和安全都會得到提升，人的勞動強度也會下降。

（7）設計前瞻性的問題

還有一些新建項目，設計的時候沒有前瞻性（也有的是考慮的是成本因素），在自動化設計時僅僅考慮滿足現有安全監管文件的安全自動化要求，并沒有考慮未來安全監管可能要求實現全操作自動化的要求，沒有充分去考慮如何實現“自動化減人”的長遠目標，導致項目建設運行后還會有反復的改造。新建工廠沒有從一開始定下全操作自動化的目標，后面想再實現就很困難了，一方面會受到現有的改造空間、已購設備水平的限制，另一方面會受到管理人員、實際操作人員的抵制。

2 工藝成熟度的問題

大型石化裝置的設計思路是工藝包→基礎設計→詳細設計→按圖施工，在工程建設和項目投產的階段中，對主要工藝路線、設備的變更是非常謹慎的，主要設備挪為他用的可能性不大。

而化學合成藥行業往往一個品種不需要太多的設備和空間；或者同一套設備經過改造后可以生產多種品種的原料藥；又或者可以在同一個設備中進行多步操作。上述的特點就決定了精細化工行業的設計和操作模式，是和大型連續裝置是不同的。

合成藥項目建設過程中，缺乏完整的工藝包編制，在小試和中試的時候更多針對的是反應部分的研究，形成的是操作規程SOP，對整個工藝路線、設備、非主反應部分未能形成系統的文件，將這部分工作轉移到了設計階段。

這就造成了設計過程中反復討論P&ID，因為P&ID 是設計的基礎文件，P&ID 更改就“牽一發而動全身”，很多原料藥建設項目甚至是邊干邊改，建完了還會繼續改，導致各專業方案不停地調整，當然也包括自動化的方案。除非是成熟的老工藝，生產多年的，擴建產能或者改址新建，否則不能避免上述現象發生。

精細化工是配方式生產，工藝研發的過程中研究主要是合成工藝，即使中試生產以后，也無法像大化工裝置那樣建立一個完整的中試裝置，只不過是玻璃瓶變成大一點的反應釜而已，并沒有對工程設計指導上有本質的差別；同時因為配方式生產容易泄密，一條生產線投資并不是很大，故很多原料藥企業在工程建設階段也并不愿意分享自己真實的配方和操作規程SOP。

針對上述的這些情況，如果建設的合成原料藥車間是老品種，建議根據以往生產經驗，詳細梳理操作規程SOP，盡可能地做到全操作自動化，以自動化為主，以人工操作為輔；如果是新產品，沒有實際生產經驗，在設計階段盡可能地按全操作自動化的思路去設計硬件，軟件組態部分首先實現聯鎖部分，待到生產工藝成熟穩定了以后再去調試DCS 過程控制和順控，實現操作自動化。

當然對于沒有生產經驗的新產品線，企業管理者也會有不同的看法：既然暫時實現不了DCS 全操作自動化，還要在建設期花這么多的錢，設備裝到現場會受到腐蝕或者老化導致失效，等到真正要用的時候反而又用不上了，那還不如等到工藝操作成熟了、企業盈利了以后再改造，這樣資金上、質量上、適用性上都有保證。如果采用這種建設思路，在設計時候應充分考慮配管、設備開口、橋架、機柜間等的預留，降低后續改造難度。

3 多功能車間的問題

化學合成藥很多工廠存在多功能車間，提到制藥企業多功能車間，很多人聯想到的是批量控制Batch，其實化學合成藥的多功能車間和Batch 還是有本質上的區別的。

Batch 是配方管理+順序控制，側重的是配方管理，前提是工藝、設備是不變的，即在同一套生產裝置里面，通過調整物料組成、比例、反應的時間、溫度等參數，生產出不同牌號的產品。如新材料行業，可以通過同一條生產線生產某項技術指標不同的產品（但是它們都是同一大類的產品，并不是完全不同的兩個產品）。

而制藥企業的多功能車間，生產出的是不同的產品，在切換產品時，需對工藝管道、設備進行改造，改造后的車間和改造前的車間工藝路線是不同的。所謂的多功能是指單體設備的多功能，比如不按生產工藝來，每個反應釜都標配高位槽、冷凝器、接收罐，反應釜夾套上標配蒸汽、熱水、循環水、冷凍水等公用工程介質，這樣生產不同工藝的產品時可以靈活地配置設備；如果不標配這些的話，切換產品時改造的工程量會很大，標配了以后只需要調整主物料轉移管道即可（當然還會有一些輔助的小改造）。

多功能車間的存在比第一章節中工藝不夠成熟的問題更阻礙了全操作自動化的實現，因為存在工藝的不確定性，和生產調整的不確定性，無法在設計階段全部考慮到，在設計階段只能根據其中的一個或多個產品進行多功能車間的設計，這對自動化的適應性就有很大的挑戰。

針對上述功能車間的實際情況，建議在設計初期將車間劃分功能區，如劃分成多功能反應區、危險工藝區域（專釜專用）、中試區域（小批量產品或研發用）、蒸餾釜區域、中和釜區域、結晶釜區域等，切換產品時根據不同區域內的設備合理配置物料走向，這樣能夠有針對性地配置自動化設施和公用工程，避免所有反應釜都標配，造成投資額倍增；這種做法的弊端是物料轉移管線可能會過長，導致工程改造、清洗時費勁。

4 項目建設團隊配置的問題

很多原料藥企業的工程部團隊人員配置不足，有的企業是生產兼著工程，又要管生產又要抓工程；有的企業工程團隊只有工藝、設備、土建寥寥數人，專業配置不齊全；有的企業團隊人員對自動化認識不足，或者都沒有接觸過自動化。

制藥行業自動化水平普遍較低還和目前醫藥行業設計院有關，傳統的醫藥設計院強項在設備布置、潔凈廠房設計、公輔設施設計、GMP 規范理解等上面，弱項在于P&ID 方案、配管（這部分是化工設計院的強項）。故現有化學合成藥項目普遍存在設計院P&ID 討論深度不足、自動化設計不足的問題，自動化的實施過多地依賴于業主的認知和自動化公司的能力。建議傳統的醫藥設計院要和化工設計院要有點結合，吸納一些有精細化工工藝、配管、自動化設計經驗的人員，有針對性地去做化學合成藥項目。建設單位也可以根據不同單位的優點，選擇醫藥設計院（做全廠設計、潔凈廠房設計）、精細化工設計院（做P&ID 設計、設備平面設計、自動化設計）、民用設計院（做廠房建筑設計）搭配的方法，發揮各自的優點；當然這種做法的前提是建設單位的工程團隊人員配置充足、實力強勁，能夠協調各設計單位的工作，否則會出現銜接不好的問題。

在項目建設團隊不足的情況下，建設單位可以委托第三方設計單位，對項目的設計單位圖紙進行全專業審查，特別是對專業之間有交叉的部分（如自控與電氣專業的信號交接、自控與管道專業的安裝分界面等）進行重點審查；也可以委托自動化公司、機電安裝公司對設計方案進行深化及優化，引進外部力量彌補自身的不足。

5 調試的問題

化學合成藥工廠的自動化沒用好和調試也有很大的關系，工藝生產是調試的老師，有時候也是調試的敵人。全操作自動化的過程控制和順控，必須依賴于豐富的操作經驗，可是一旦工廠開起來了以后，又不給機會讓調試人員去調試、去摸索、去試錯，尤其是有些高附加值產品。所以很多項目的調試只停留在進水調試，做不到帶料調試這一步。

還有的企業多功能車間，這個品種的溫控和順控都調試好了，但切換到新的產品時還需要重新編程，這個時候若調試跟不上，全操作自動化就又實現不了了。

針對上述情況，在編程時可化整為零，將單個設備的操作過程拆分成若干個階段，如進料、升溫、保溫、降溫、取樣等，并在順控程序中操作人員能夠根據不同生產工藝，設置控制參數設置及對應的閥門開度，這樣即使切換產品也無需大幅度地更改程序，根據工藝的要求選擇執行部分或全部操作階段程序。

6 結束語

本文總結在合成原料藥車間實現全操作自動化過程中碰到的難點，期望識別問題后，能夠集思廣益，為企業自動化提升給出參考解決方案。