5 L發(fā)酵罐LabVIEW管理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭 峰，崔棟帥，李 杰，崔佳煜

（東北大學(xué)秦皇島分校控制工程學(xué)院，河北秦皇島 066004）

0 引言

微生物發(fā)酵工程是生化工程和現(xiàn)代生物技術(shù)及實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)，隨著微生物技術(shù)的迅速發(fā)展，發(fā)酵過(guò)程控制向自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，對(duì)復(fù)雜的發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行科學(xué)分析和合理控制，已成為可能。近年來(lái)將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到發(fā)酵過(guò)程控制系統(tǒng)的研究也越來(lái)越深入。LabVIEW是測(cè)試領(lǐng)域應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件開(kāi)發(fā)集成技術(shù)之一，獨(dú)特的圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，既簡(jiǎn)化了與測(cè)量設(shè)備的接口，而交互式助手、代碼生成特性等，又極大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)采集模式，將計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大處理能力與儀器的硬件測(cè)試控制很好地結(jié)合在一起。針對(duì)酵母的補(bǔ)料分批培養(yǎng)等工藝過(guò)程，開(kāi)發(fā)的控制酵母生長(zhǎng)速率的系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)視發(fā)酵過(guò)程，設(shè)計(jì)的pH值報(bào)警程序及采集界面也使操作更為便捷。

1 系統(tǒng)總體方案

5 L玻璃發(fā)酵罐是企業(yè)發(fā)酵車間常用的發(fā)酵設(shè)備，多采用傳統(tǒng)控制方式，操作人員憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)補(bǔ)加營(yíng)養(yǎng)物料并對(duì)發(fā)酵過(guò)程的控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，自動(dòng)化水平不高，控制不精確。特別是傳統(tǒng)的設(shè)備控制方式，無(wú)法采用智能控制算法對(duì)發(fā)酵過(guò)程的復(fù)雜非線性反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行控制。采用LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)發(fā)酵罐的管理控制系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵過(guò)程的有效監(jiān)測(cè)與控制，既可以提高發(fā)酵工藝水平，又可增加產(chǎn)量和保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1.1 設(shè)計(jì)思路

發(fā)酵管理控制系統(tǒng)除了硬件設(shè)備外，還需要一套運(yùn)行良好、性能卓越的軟件。本系統(tǒng)采用LabVIEW作為發(fā)酵過(guò)程管理控制系統(tǒng)的上位機(jī)開(kāi)發(fā)軟件，通過(guò)SHC68-68-EPM Cable線纜將接受傳感器信號(hào)的接線盒與NI PCI-6221采集卡連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、pH值、溶解氧等信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、調(diào)理和轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)。在LabVIEW平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、存儲(chǔ)與顯示，在系統(tǒng)中可構(gòu)造智能算法控制器，分析處理的結(jié)果通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)桨l(fā)酵罐的控制部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)5 L發(fā)酵罐的管理與控制。對(duì)于發(fā)酵車間的多臺(tái)發(fā)酵罐，也可通過(guò)1臺(tái)上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和管控，以降低系統(tǒng)成本。軟件部分采用模塊化和層次化的思路，由上至下設(shè)計(jì)LabVIEW程序，系統(tǒng)能定時(shí)采集數(shù)據(jù)，并進(jìn)行保存、分析和處理，以及控制信號(hào)的下發(fā)。新系統(tǒng)與原系統(tǒng)可無(wú)縫集成，可根據(jù)實(shí)際需要在2個(gè)系統(tǒng)中方便切換。

1.2 外圍設(shè)備

系統(tǒng)中所需的外圍設(shè)備主要有2部分，一是傳感器或其他測(cè)量設(shè)備，二是信號(hào)采集裝置。采用PCI-6221作為數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵設(shè)備，負(fù)責(zé)模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換；采用DAQ采集通道實(shí)現(xiàn)在上位機(jī)的編程驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)F(xiàn)場(chǎng)采集到的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后存入內(nèi)部緩沖區(qū)中。在進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高速數(shù)據(jù)采集時(shí)，PCI-6221多采用循環(huán)方式，啟動(dòng)1次采集過(guò)程能進(jìn)行無(wú)數(shù)次的A/D轉(zhuǎn)換。一個(gè)NI-DAQmx虛擬通道包括一個(gè)DAQ設(shè)備上的物理通道和對(duì)這個(gè)物理通道的配置信息，實(shí)現(xiàn)輸入范圍和自定義的比例縮放。主要任務(wù)是設(shè)置虛擬通道、定時(shí)和觸發(fā)信息，以及其他與采集或生成相關(guān)屬性的組合。采集參數(shù)的設(shè)定要滿足發(fā)酵工藝與設(shè)備工作條件，只有在選定好通道，設(shè)定好采樣參數(shù)后，才可進(jìn)行DAQmx驅(qū)動(dòng)工作，才能進(jìn)行采樣分組與收集。

2 基于LabVIEW的上位管理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于LabVIEW是測(cè)試領(lǐng)域應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件，具有開(kāi)發(fā)與集成的特定環(huán)境，所以簡(jiǎn)化了與測(cè)量設(shè)備的接口，實(shí)現(xiàn)電路硬件部分的連接。使現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳回到上位機(jī)，通過(guò)LabVIEW軟件設(shè)計(jì)管理與控制界面，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的交互，是智能化的自動(dòng)管理控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通信由數(shù)據(jù)采集卡組成的小系統(tǒng)可對(duì)溫度、pH值等信號(hào)進(jìn)行采集、調(diào)理和轉(zhuǎn)換，在LabVIEW開(kāi)發(fā)的平臺(tái)下，一是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析下達(dá)控制信號(hào)。二是對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示，最后由PC機(jī)監(jiān)控界面顯示實(shí)時(shí)測(cè)量的發(fā)酵環(huán)境中溶解氧、pH值及溫度值等，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵全過(guò)程的在線管理與控制。

2.1 軟件的模塊化功能設(shè)計(jì)

（1）在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，根據(jù)5 L玻璃發(fā)酵罐的現(xiàn)實(shí)條件和LabVIEW的編程思想，整個(gè)上位機(jī)系統(tǒng)分為若干個(gè)模塊，以調(diào)用子程序的方式整合在一起。由于微生物發(fā)酵需要一個(gè)穩(wěn)定的生存環(huán)境，為了達(dá)到控制要求，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了反饋回路控制功能，對(duì)溫度等進(jìn)行有效控制。同時(shí)，通過(guò)控制攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速、加酸堿、發(fā)酵罐底座加熱器等，分別控制參數(shù)值的變化情況，為發(fā)酵過(guò)程的正常運(yùn)行提供可靠的保障環(huán)境。

（2）由于發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的特殊性以及對(duì)發(fā)酵環(huán)境的敏感度較高，為了保障系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行和良好的安全效果，需要系統(tǒng)設(shè)定超限報(bào)警功能，如果發(fā)酵條件有較大波動(dòng)并超出警戒線值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警并將報(bào)警數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。這樣，既可以完善和增加專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及內(nèi)容，也能增強(qiáng)歷史數(shù)據(jù)的查詢價(jià)值。

（3）系統(tǒng)除了要滿足對(duì)發(fā)酵溫度、pH值、溶氧值以及攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外，還需要對(duì)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示處理與分析調(diào)用等功能，對(duì)于歷史數(shù)據(jù)查詢與專家系統(tǒng)的建立等，都可起到?jīng)Q定性作用。

2.2 主界面顯示

（1）以發(fā)酵控制系統(tǒng)參數(shù)值作為基準(zhǔn)值，將采集到的數(shù)據(jù)與參考值進(jìn)行比較，從而確定系統(tǒng)顯示是否準(zhǔn)確可靠，系統(tǒng)將會(huì)有多大的延時(shí)，以及對(duì)控制效果有多大的影響等。通過(guò)一系列的調(diào)試后，使系統(tǒng)達(dá)到良好的監(jiān)控效果，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化與控制目的。其中，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集界面的功能設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵。

（2）通過(guò)LabVIEW的圖形化可視界面編輯功能，設(shè)計(jì)出可直觀反映發(fā)酵過(guò)程與狀態(tài)，并可自動(dòng)調(diào)節(jié)控制的管理主控系統(tǒng)，使發(fā)酵控制系統(tǒng)主界面更加直觀，而且利于操作。

3 結(jié)論

針對(duì)發(fā)酵車間常用的5 L玻璃發(fā)酵罐，研究影響發(fā)酵過(guò)程的參數(shù)，基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套生物發(fā)酵過(guò)程管理控制系統(tǒng)。在LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)下，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理、分析，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示，由PC機(jī)監(jiān)控界面顯示實(shí)時(shí)測(cè)量的發(fā)酵環(huán)境中溶解氧、pH值及溫度值，因而實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)酵的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與控制。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，管理與控制系統(tǒng)不僅能有效地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析與處理，而且極大地提高和保證了產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量。