工業(yè)發(fā)酵測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

錢黎明 郭 峰 查 朦 陸衛(wèi)衛(wèi)

(南通理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226002)

在傳統(tǒng)的生物發(fā)酵行業(yè)中，主要是通過改善工藝來提高生產(chǎn)效率。隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷發(fā)展，可以通過PLC系統(tǒng)對(duì)發(fā)酵工業(yè)進(jìn)行自動(dòng)化控制來提高生產(chǎn)效率。但隨著工廠規(guī)模的不斷擴(kuò)大，PLC系統(tǒng)已無法滿足需求。為了提升發(fā)酵過程中產(chǎn)品的品質(zhì)，增加產(chǎn)品的產(chǎn)量，優(yōu)化發(fā)酵過程，試驗(yàn)擬采用西門子DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)一套適用于大規(guī)模生物發(fā)酵工廠的工業(yè)控制系統(tǒng)，通過一套自上而下的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工藝的多重化需求。

1 工業(yè)發(fā)酵過程

發(fā)酵是通過培養(yǎng)生物細(xì)胞獲得產(chǎn)物的過程，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵必須具備以下條件：① 適宜的微生物；② 保證微生物進(jìn)行代謝的條件；③ 進(jìn)行發(fā)酵的設(shè)備；④ 有提取精制產(chǎn)品的方法和設(shè)備。其總體流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Figure 1 Process flow chart

發(fā)酵的工藝過程主要有3個(gè)過程階段：種子制備、接種和發(fā)酵培養(yǎng)。在發(fā)酵工藝過程中，一級(jí)種子罐作為發(fā)芽罐，用于孢子萌發(fā)以形成菌絲，該過程接種培養(yǎng)基：葡萄糖、玉米漿、碳酸鈣、消泡劑等，同時(shí)控制一定的空氣流量比、保持一定的攪拌速度、pH值自然，在一定溫度下培養(yǎng)一定的周期時(shí)間；二級(jí)種子罐作為繁殖罐，該過程接種培養(yǎng)基：葡萄糖、玉米漿、消泡劑等，同時(shí)控制一定的空氣流量比、保持一定的攪拌速度、pH值，在一定溫度下培養(yǎng)一定的周期時(shí)間；發(fā)酵罐采用反復(fù)分批式發(fā)酵方式，同時(shí)發(fā)酵保持一定周期。項(xiàng)目生產(chǎn)種子設(shè)備主要分為一級(jí)種子罐、二級(jí)種子罐，發(fā)酵工藝采用三級(jí)發(fā)酵工藝類型，通過二級(jí)種子罐，再將其接入發(fā)酵罐的工藝過程。

2 工業(yè)發(fā)酵影響因素

工業(yè)發(fā)酵過程中，重要的化學(xué)參數(shù)主要通過溫度、壓力、攪拌速度和功率、空氣流量、黏度、濁度、料液流量來進(jìn)行控制[1]。為了有效控制上述參量，設(shè)計(jì)了基于西門子PCS7的DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)酵過程的自動(dòng)化設(shè)計(jì)。參數(shù)控制在發(fā)酵的各個(gè)配方過程中屬于連續(xù)部分，需要在配方中調(diào)用，因此采用順控的控制方式以及連續(xù)的工作模式。在發(fā)酵周期中，控制參數(shù)的選擇理論上不是一個(gè)定值，不同階段需要選擇不同的參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)參數(shù)階段性控制功能。參數(shù)控制程序圖見圖2。

圖2 參數(shù)控制程序圖Figure 2 Parameter control program diagram

2.1 pH值的影響及其控制

培養(yǎng)基的pH值是微生物代謝過程的綜合反映，同時(shí)pH值的大小也影響生物的代謝和形態(tài)，發(fā)酵過程pH值控制在4～9。一級(jí)種子罐采用液堿調(diào)節(jié)培養(yǎng)基pH，二級(jí)種子罐和發(fā)酵罐在滅菌前用鹽酸調(diào)節(jié)培養(yǎng)基pH值。當(dāng)發(fā)酵液pH值過高時(shí)，將小體積的生理酸性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)加入發(fā)酵液調(diào)節(jié)pH值，現(xiàn)場(chǎng)通過加入玉米漿和硫酸銨調(diào)節(jié)pH值。

2.2 溫度的影響及其控制

發(fā)酵過程中溫度是非常重要的控制參數(shù)，影響發(fā)酵周期、酶失活周期和菌體的生物合成?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)酵熱=生物熱+攪拌熱-散失熱，其中現(xiàn)場(chǎng)溫度的控制一般不加熱，需要通過冷卻水降溫，冷卻設(shè)備采用夾套層和蛇形管[2-3]。發(fā)酵溫度的控制主要通過盤管進(jìn)行升降，其中使用水包括冷凍水、熱水、高溫水。由于一級(jí)種子罐蒸發(fā)熱大于生物熱和攪拌熱，采用熱水控制。二級(jí)種子罐和發(fā)酵罐產(chǎn)生的生物熱較大，采用冷凍水控制。發(fā)酵罐體積較大，升降溫比較困難，所以采用一個(gè)比較合適的培養(yǎng)溫度。

2.3 溶解氧濃度的影響及其控制

微生物細(xì)胞在發(fā)酵過程中需要利用溶解于水中的氧進(jìn)行反應(yīng)作用，發(fā)酵罐中的氧不會(huì)全部溶解在培養(yǎng)基中，同時(shí)供氧不足會(huì)造成微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的有氧氧化過程不能徹底進(jìn)行，因此需要對(duì)水中的溶氧量進(jìn)行控制。氧推動(dòng)力的方式有多種，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)酵通過提高攪拌強(qiáng)度減少空氣的需求，通過提高空氣流速和罐壓加快溶氧率，同時(shí)適當(dāng)?shù)亟档桶l(fā)酵溫度。通過測(cè)量計(jì)算呼吸熵可以測(cè)定發(fā)酵過程中提供耗氧和碳源情況，平衡碳源并維持溶氧水平在臨界值以上，保證CO2維持在臨界抑制值以下。

2.4 壓力的影響及其控制

現(xiàn)場(chǎng)需要對(duì)罐壓進(jìn)行控制，使其維持正壓，防止罐污染，同時(shí)保證CO2和O2的溶解速度。壓力通過進(jìn)、出口調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，通入空氣的同時(shí)保證一定的罐壓。在項(xiàng)目中，主要分為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基本回路設(shè)計(jì)、復(fù)雜回路設(shè)計(jì)、配方系統(tǒng)設(shè)計(jì)、MES系統(tǒng)和報(bào)表功能設(shè)計(jì)[4]。

3 發(fā)酵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

項(xiàng)目采用西門子PCS7搭建DCS控制系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要，而網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性又是重中之重。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了3層網(wǎng)絡(luò)總線結(jié)構(gòu)：終端總線、工廠總線和現(xiàn)場(chǎng)總線。其中終端總線和工廠總線采用雙層冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)總線采用冗余結(jié)構(gòu)。冗余容錯(cuò)總線通過兩個(gè)相同的獨(dú)立總線環(huán)進(jìn)行設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)組建時(shí)需確保通訊運(yùn)行不受限制，當(dāng)其中一條總線發(fā)生故障，則會(huì)通過第2條總線保持通訊[5]。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，終端總線將服務(wù)器與DCS的客戶端相連接，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基于并行冗余協(xié)議的冗余終端總線結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)PC站與2個(gè)獨(dú)立的冗余網(wǎng)絡(luò)相連接，各使用兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)適配器[6-7]。PC站上的通信過程由SIMATIC NET SOFTNET-IE RNA軟件完成，采用冗余連接。工廠總線采用太網(wǎng)通訊處理器CP卡實(shí)現(xiàn)冗余連接，處理器安裝在自動(dòng)化系統(tǒng)的每個(gè)子系統(tǒng)及其服務(wù)器中?，F(xiàn)場(chǎng)總線用于自動(dòng)化系統(tǒng)與分布式I/O之間的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)通過PROFIBUS DP將冗余CPU和分布式I/O冗余模塊相連接，同時(shí)I/O卡件之間采用互為冗余的設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)工廠總線的冗余功能。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 3 System structure diagram

3.1 DCS硬件設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)滿足經(jīng)濟(jì)、環(huán)保和節(jié)能的要求，同時(shí)具有冗余及故障安全功能，系統(tǒng)采用S7-400H系統(tǒng)的冗余結(jié)構(gòu)。硬件結(jié)構(gòu)主要由以下3部分組成，終端網(wǎng)絡(luò)層硬件部分、工廠網(wǎng)絡(luò)層硬件部分和現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)層硬件部分[8]。

終端網(wǎng)絡(luò)層為系統(tǒng)管理級(jí)，包括客戶機(jī)和交換機(jī)?？蛻魴C(jī)采用DELL PRECISION R7910，客戶機(jī)之間相互熱備；交換機(jī)采用西門子SCALANCE X224，彼此之間構(gòu)成雙冗余環(huán)網(wǎng)。上位機(jī)軟件采用PCS7 V9.0及其相應(yīng)組件，實(shí)現(xiàn)操作員過程控制系統(tǒng)的監(jiān)控。

工廠網(wǎng)絡(luò)層為系統(tǒng)過程級(jí)，包括服務(wù)器、交換機(jī)和CPU。服務(wù)器為連接終端層和工廠層的唯一接口，可以實(shí)現(xiàn)終端網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的隔離，采用DELL PowerEdge R430，設(shè)計(jì)為冗余服務(wù)器結(jié)構(gòu)，磁盤陣列采用RAID10模式；交換機(jī)采用SCALANCE X324，彼此之間構(gòu)成雙冗余環(huán)網(wǎng)；CPU采用西門子冗余CPU410-5H。

現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)層為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，包括遠(yuǎn)程I/O站和卡件。遠(yuǎn)程I/O站采用西門子ET200M系列，每個(gè)遠(yuǎn)程站包含兩塊通訊卡，構(gòu)成站點(diǎn)冗余；卡件設(shè)計(jì)了模擬量輸入/輸出卡件、數(shù)字量輸入/輸出卡件、通訊卡件，重要設(shè)備點(diǎn)設(shè)計(jì)采用卡件冗余結(jié)構(gòu)，構(gòu)成I/O冗余。PCS7硬件設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 DCS硬件設(shè)計(jì)Figure 4 Hardware design of DCS

3.2 DCS程序設(shè)計(jì)

PCS7系統(tǒng)采用4種編程方式，分別為CFC編程、SCL編程、SFC編程和BATCH編程，4種方式相互結(jié)合，自下而上地形成整個(gè)系統(tǒng)的編程流程。項(xiàng)目測(cè)控程序包括連續(xù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)、通訊程序設(shè)計(jì)和批量配方設(shè)計(jì)。

3.2.1 連續(xù)生產(chǎn)設(shè)計(jì) 連續(xù)生產(chǎn)設(shè)計(jì)包括：① 用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)作和過程值測(cè)量與報(bào)警的基本回路、各類儀表回路、PID回路、閥門回路和電機(jī)回路等；② 實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全聯(lián)鎖的復(fù)雜邏輯回路；③ 特殊功能塊，通過SCL實(shí)現(xiàn)特殊功能塊的編程，包括設(shè)備共享塊和設(shè)備控制塊。

發(fā)酵過程中，設(shè)備的控制包括聯(lián)鎖停車和自動(dòng)啟停兩大功能。連鎖實(shí)現(xiàn)設(shè)備的安全運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)，當(dāng)監(jiān)視值超過臨界點(diǎn)，連鎖關(guān)鍵設(shè)備就會(huì)回到故障安全位置，避免對(duì)生命、環(huán)境和原材料的破壞以及安全事故的產(chǎn)生。自動(dòng)啟停功能是為確保當(dāng)設(shè)備處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)會(huì)隨著過程條件的狀態(tài)變化自動(dòng)啟停，實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的目的。發(fā)酵過程中有些重要化學(xué)參數(shù)的控制精度和實(shí)時(shí)性要求比較高，但在實(shí)際運(yùn)行時(shí)具有一定的反應(yīng)滯后性，PID回路功能無法滿足實(shí)際需求?；谝陨弦?，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了順控的連續(xù)控制方式，通過偏差值ER進(jìn)行PID固定開度和自動(dòng)模式的切換，同時(shí)可以通過設(shè)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)控制過程的靈活性。

3.2.2 通訊程序設(shè)計(jì) 通訊程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與第三方設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊，確保在DCS中實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠三方設(shè)備的集中管理。DCS系統(tǒng)中，與三方設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊時(shí)為了保證通訊的可靠性，項(xiàng)目采用冗余結(jié)構(gòu)通訊方式[9]。其中通訊設(shè)備選用HIMA的SIS系統(tǒng)，采用冗余Modbus通訊方式。第三方自動(dòng)投料包采用冗余以太網(wǎng)通訊方式和冗余DP通訊方式。第三方紅外檢測(cè)儀采用冗余OPC通訊方式。

3.2.3 批量配方設(shè)計(jì) 批量配方設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)工藝的配方功能，包括設(shè)備模塊和配方結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，其中BATCH用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)工藝的配方流程，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工業(yè)發(fā)酵的批量化生產(chǎn)。一個(gè)完整的配方設(shè)計(jì)自上而下包括配方流程、單元流程、階段工藝功能和操作。項(xiàng)目分為3個(gè)階段執(zhí)行：① 設(shè)計(jì)階段。分為總體工藝和控制策略設(shè)計(jì)，目的是消化配方系統(tǒng)以及對(duì)UNIT和EM進(jìn)行劃分。② 組態(tài)階段?；芈?、聯(lián)鎖、EM和配方組態(tài)編程。③ 測(cè)試階段。常規(guī)功能測(cè)試、EM功能測(cè)試和配方測(cè)試。作為配方系統(tǒng)中最重要部分，EM的劃分規(guī)則依據(jù)以下4條準(zhǔn)則：還原設(shè)備的工藝目的；作為子設(shè)備；盡量考慮物理劃分，將控制模塊CM關(guān)聯(lián)簡(jiǎn)單化；考慮軟件實(shí)現(xiàn)的合理性。

工業(yè)發(fā)酵在實(shí)際的EM劃分過程中，主要根據(jù)物理進(jìn)行劃分，將物理上相關(guān)聯(lián)的設(shè)備設(shè)計(jì)為一個(gè)EM。在單元UNIT的劃分中，基于基本的物理設(shè)備，在狀態(tài)變化周期一致的情況下遵循靈活性和簡(jiǎn)單性原則。同時(shí)在配方設(shè)計(jì)過程中，難點(diǎn)在控制單元的占用與釋放、EM的劃分、UNIT的劃分和占用釋放、配方過程的設(shè)計(jì)以及MES數(shù)字化部分。

3.3 數(shù)據(jù)處理

工業(yè)發(fā)酵控制過程中，項(xiàng)目的數(shù)據(jù)處理方式主要為MES數(shù)字化和報(bào)表功能。

3.3.1 MES數(shù)字化 發(fā)酵工段包含了MES數(shù)字化功能，DCS通過配方系統(tǒng)將發(fā)酵過程中的重要過程數(shù)據(jù)傳遞給MES數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)發(fā)酵的手動(dòng)加料功能[10]。數(shù)據(jù)交互接口為編寫的SFC_Type，其中包含需要交互的PO參數(shù)，通過在配方中調(diào)用實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送。手動(dòng)加料采用Phase的Refresh觸發(fā)EBR 的Event PI，通過Refresh觸發(fā)，利用SFC_Type自定義一個(gè)Bool型的Unblocking參數(shù)建立Phase與EBR“握手”應(yīng)答的交互方式。

3.3.2 報(bào)表功能 工業(yè)發(fā)酵中報(bào)表用來記錄現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)和統(tǒng)計(jì)信息，設(shè)計(jì)采用EXCEL軟件，手動(dòng)制作報(bào)表基本格式，再讀取SQL Server中的WinCC歸檔數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)及其時(shí)間戳寫入相應(yīng)的單元格，完成報(bào)表的制作。

3.4 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)人機(jī)交互界面包含WINCC上位機(jī)操作界面、BATCH配方操作界面、PDM和AMS維護(hù)工作站。工藝操作員通過WINCC實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控，通過BATCH配方操作界面實(shí)現(xiàn)工藝配方的操作，通過維護(hù)工作站PDM可以實(shí)現(xiàn)HART儀表的遠(yuǎn)程參數(shù)上傳與下載，通過維護(hù)工作站AMS可以實(shí)現(xiàn)全廠設(shè)備在線診斷，檢查自動(dòng)化系統(tǒng)硬件并處理相關(guān)診斷消息和維護(hù)要求。WINCC界面按照工藝流程圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要畫面包括配料罐、一級(jí)種子罐、二級(jí)種子罐、發(fā)酵罐、分配站和連消系統(tǒng)等。BATCH配方操作界面包含配方的流程操作，操作員通過界面進(jìn)行配方工藝參數(shù)的設(shè)置和配方訂單的發(fā)布，具有一定權(quán)限的工藝人員可在界面上進(jìn)行配方工藝流程的修改。PDM和AMS維護(hù)工作站操作界面包含所有HART儀表在線參數(shù)和硬件診斷界面。人機(jī)交互界面如圖5所示。

圖5 人機(jī)交互界面Figure 5 Human computer interface

4 結(jié)論

發(fā)酵測(cè)控系統(tǒng)經(jīng)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)能夠同時(shí)適用于連續(xù)和批次的生產(chǎn)過程，實(shí)現(xiàn)工業(yè)發(fā)酵的高度自動(dòng)化，解決手動(dòng)生產(chǎn)效率低下的問題。系統(tǒng)在原有DCS儀表設(shè)備自動(dòng)化過程的基礎(chǔ)上增加了工藝的自動(dòng)化過程，可以在同一設(shè)備上實(shí)現(xiàn)不同的工藝生產(chǎn)過程。系統(tǒng)存在的不足之處為連續(xù)的生產(chǎn)過程與數(shù)字化的數(shù)據(jù)交互問題，后期可以通過OPC通訊來解決。