基于PLC的微生物通用式發(fā)酵裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸 兵，薄翠梅，楊世品，黃慶慶，牛 超

LU Bing, BO Cui-mei, YANG Shi-pin, HUANG Qing-qing, NIU Chao

（南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京 211816）

0 引言

微生物反應(yīng)發(fā)酵過程是一種典型的間歇過程，利用微生物發(fā)酵技術(shù)的生產(chǎn)規(guī)模也隨著科技的發(fā)展不斷擴(kuò)大。目前生物發(fā)酵技術(shù)己經(jīng)在衛(wèi)生醫(yī)藥、農(nóng)林牧漁、輕工食品、新型能源等多個(gè)重要領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，例如醫(yī)學(xué)上所使用的各種抗生素、生物酶制劑等，這些都是跟微生物的發(fā)酵工程緊密相關(guān)的[1,2]。本文對(duì)微生物發(fā)酵過程進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究，從而設(shè)計(jì)出合理的控制方案以提高該方面的工藝水平，促進(jìn)微生物反應(yīng)發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展。

考慮到生產(chǎn)要求和微生物發(fā)酵的特殊性，結(jié)合當(dāng)下計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，智能儀器儀表，決定采用基于西門子PLC和Wincc的綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

1 微生物發(fā)酵過程

微生物發(fā)酵工藝流程如下：首先配制糖鹽原料，并進(jìn)行連續(xù)消毒，然后向其中加入熱輔材料和堿液配置成發(fā)酵所需要的營養(yǎng)原液。最后，營養(yǎng)液和種子液一起加入到發(fā)酵罐中進(jìn)行設(shè)定時(shí)間的發(fā)酵過程。其中，糖鹽原料的消毒過程需要嚴(yán)格控制溫度范圍，確保其液體完全達(dá)到無菌的環(huán)境要求，并且還要確保調(diào)節(jié)罐中的pH值穩(wěn)定在規(guī)定范圍內(nèi)，避免營養(yǎng)液失效[3～5]。

圖1 發(fā)酵工藝簡易示意圖

如圖1所示，該生物發(fā)酵過程中主要由標(biāo)準(zhǔn)堿液的自動(dòng)配制、熱敏輔料標(biāo)準(zhǔn)液的自動(dòng)配制、糖/鹽液的消毒與供應(yīng)、調(diào)節(jié)罐及發(fā)酵罐的發(fā)酵環(huán)境自動(dòng)穩(wěn)定系統(tǒng)四大部分組成。該系統(tǒng)具有通用性，符合多種菌類發(fā)酵的條件。

2 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]

PLC控制系統(tǒng)主要對(duì)各個(gè)對(duì)象參數(shù)進(jìn)行測量，同時(shí)對(duì)一些關(guān)鍵變量進(jìn)行穩(wěn)定控制，確保微生物發(fā)酵反應(yīng)的順利進(jìn)行，并且配合組態(tài)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的界面顯示和實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示。本文使用西門子CPU315-2DP作為系統(tǒng)的主控制器，通過SM322數(shù)字量輸出模塊對(duì)電機(jī)和水泵進(jìn)行起?？刂?，利用SM321數(shù)字量輸入模塊檢測電機(jī)和水泵的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及外部輔助觸點(diǎn)的狀態(tài)，SM332模擬量輸出模塊控制調(diào)節(jié)閥的開度，SM331模擬量輸入模塊檢測壓力，濃度，pH值，溫度，溶解氧濃度等模擬量信號(hào)。檢測到的信號(hào)經(jīng)過檢測儀表的變送器統(tǒng)一變?yōu)?～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，用帶屏蔽的信號(hào)電纜線將該電信號(hào)傳送至SM331模擬量輸入模塊。

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

本次設(shè)計(jì)中，PLC模塊的硬件組態(tài)圖如圖3所示。溫度儀表為熱電阻，采用3線制接法與AI模塊相連，由PLC的內(nèi)部電壓供電。其余儀表直接由220V交流電供電，根據(jù)其量程范圍，反饋對(duì)應(yīng)的4～20mA信號(hào)。開關(guān)閥和調(diào)節(jié)閥也統(tǒng)一采用220V交流電供電，控制方式分別是24V的開關(guān)量信號(hào)和4～20mA的模擬量信號(hào)。

圖3 PLC硬件組態(tài)圖

生物發(fā)酵反應(yīng)的啟動(dòng)過程是較為繁瑣的，為了提高自動(dòng)控制水平，減少操作員的工作量，設(shè)計(jì)了PLC啟動(dòng)程序，其控制流程如圖4所示，啟動(dòng)程序按照工藝流程進(jìn)行順序控制，并且使用閉環(huán)控制對(duì)每一個(gè)被控參數(shù)進(jìn)行反饋控制。開始每一批次的發(fā)酵前，先進(jìn)行設(shè)備滅菌，將高壓蒸汽打入到設(shè)備中，使所有設(shè)備達(dá)到既定的溫度和氣壓并保持一段時(shí)間，完成后才開始原料配制。熱輔材料和堿液直接加裝已滅菌的原料，并控制在一定濃度內(nèi)，糖鹽原料配料后需要進(jìn)行高溫消毒過程?？紤]到之前的滅菌過程會(huì)使得設(shè)備中存有冷凝水，所以在進(jìn)入調(diào)節(jié)管前都進(jìn)行了濃度檢測，并且在軟件上設(shè)置一定時(shí)間的配料回流，防止初始原料濃度過低。

圖4 啟動(dòng)程序控制流程圖

3 人機(jī)界面與故障報(bào)警實(shí)現(xiàn)

為了加強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)的智能化，本文設(shè)計(jì)了人機(jī)界面和故障報(bào)警系統(tǒng)。操作員站采用西門子IPC3000smart工控機(jī)，在PCI插槽中安裝CP5611采集卡，操作員站與PLC采用Profibus-DP通訊協(xié)議，在組態(tài)過程中選擇相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，設(shè)置與軟件程序中相符合的各個(gè)變量，實(shí)現(xiàn)變量之間的通訊連接[7]。圖5是設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)監(jiān)控界面，利用工控機(jī)的WinCC人機(jī)界面平臺(tái)，當(dāng)有報(bào)警發(fā)生時(shí)，操作人員只需點(diǎn)擊故障報(bào)警條，就可直接切換到操作界面。系統(tǒng)故障寫入也是采用同步寫入法。把優(yōu)先級(jí)最高的故障寫入故障選擇列表。一旦檢測到故障發(fā)生，則會(huì)根據(jù)故障的優(yōu)先級(jí)在界面上顯示出來，界面上的解決方法會(huì)和工程師站上診斷的結(jié)果同步更新，顯示結(jié)果如圖6所示。

圖5 控制系統(tǒng)監(jiān)控界面圖

圖6 故障記錄圖

工程師站采用研華工控機(jī)，通過構(gòu)建的工業(yè)以太網(wǎng)與服務(wù)器相連，通過OPC協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊[8,9]。通常，一次微生物發(fā)酵實(shí)驗(yàn)不可能在一天內(nèi)完成，總是不分白晝的進(jìn)行，所以需要對(duì)反應(yīng)對(duì)象進(jìn)行不間斷的監(jiān)控和故障報(bào)警提示。晚上無人監(jiān)管實(shí)驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)的故障報(bào)警需要被一一記錄下來，供第二天的分析和預(yù)警。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中的故障報(bào)警系統(tǒng)程序運(yùn)行在工程師站上，采用專家系統(tǒng)方法開發(fā)，由六大部分組成：人機(jī)接口、知識(shí)獲取機(jī)制、知識(shí)庫、推理機(jī)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和人機(jī)對(duì)話模塊，結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

本系統(tǒng)是基于專家系統(tǒng)構(gòu)建的，所以知識(shí)是決定本系統(tǒng)性能是否優(yōu)越的關(guān)鍵因素[10,11]。其知識(shí)應(yīng)該包含了發(fā)酵過程的事實(shí)類知識(shí)，過程參數(shù)知識(shí)，機(jī)理模型知識(shí)（例如：動(dòng)力學(xué)方程）。生物發(fā)酵反應(yīng)是不斷提高目標(biāo)產(chǎn)物的生物量濃度，當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)物的生物量濃度長時(shí)間不變時(shí)有可能是反應(yīng)已經(jīng)接近尾聲，也可能是營養(yǎng)液不足的問題。然而，工業(yè)生產(chǎn)中尚無法實(shí)現(xiàn)基質(zhì)、產(chǎn)物、代謝物濃度等的在線快速測量，所以無法快速，但可以測量相關(guān)的過程量數(shù)據(jù)，如溫度，空氣流速，攪拌速度，培養(yǎng)液體積。利用專家系統(tǒng)，依據(jù)已知的過程量數(shù)據(jù)，根據(jù)用戶輸入的數(shù)據(jù)和信息，對(duì)生物發(fā)酵反應(yīng)過程運(yùn)行情況作出分析，確定反應(yīng)是否出現(xiàn)問題，如有問題則給出相應(yīng)的解決方案。利用專家系統(tǒng)分析故障準(zhǔn)確，高效，靈活的特點(diǎn)，可以方便本系統(tǒng)的使用。

故障報(bào)警系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)分離是本系統(tǒng)的一大特點(diǎn)。復(fù)雜的推理過程需要占用大量的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源，如把系統(tǒng)整體運(yùn)行在操作員站上，將會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，存在不可預(yù)知的隱患。因此，本系統(tǒng)把系統(tǒng)的知識(shí)庫、規(guī)則庫和推理機(jī)等故障診斷程序運(yùn)行在工程師站上，而只把人機(jī)監(jiān)控界面運(yùn)行在操作員站上，通過OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)內(nèi)電腦之間的自由通信，保證了操作員站的穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)根據(jù)發(fā)酵領(lǐng)域的工藝要求，可以實(shí)現(xiàn)一鍵式的開停車工作，減少操作員的手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)微生物連續(xù)發(fā)酵過程的自動(dòng)化控制，能夠運(yùn)用于多種菌類的發(fā)酵生產(chǎn)，達(dá)到既定的生產(chǎn)工藝要求。同時(shí)，本系統(tǒng)不間斷的監(jiān)控和記錄重要參數(shù)，并能調(diào)出歷史曲線，利用專家系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障報(bào)警，有利于分析微生物發(fā)酵結(jié)果產(chǎn)物的品質(zhì)，保證控制系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定與安全。

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