基于B/S架構(gòu)的發(fā)酵過程嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

許志國,汪坤,丁健

(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院,江蘇 無錫,214122)

目前,我國生物發(fā)酵產(chǎn)品總量居世界第一位,是名副其實的發(fā)酵大國[1]。伴隨著發(fā)酵產(chǎn)品產(chǎn)量的日益增長,工業(yè)發(fā)酵數(shù)據(jù)的數(shù)量和復(fù)雜性同樣與日俱增,但發(fā)酵工廠對于數(shù)據(jù)的管理方式仍然較為落后。在傳統(tǒng)的發(fā)酵過程監(jiān)控系統(tǒng)中,可以將傳感器在線測得的數(shù)據(jù)以文本形式保存于本地計算機或在組態(tài)軟件內(nèi)置的小型數(shù)據(jù)庫中,而離線生產(chǎn)數(shù)據(jù)需由操作人員以紙質(zhì)報表或Excel電子表格的形式保存。由于數(shù)據(jù)保存的方式不統(tǒng)一、保存介質(zhì)分散,使得數(shù)據(jù)管理難度加大、數(shù)據(jù)檢索效率降低、數(shù)據(jù)保密性下降,最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)的綜合分析利用困難,無法從數(shù)據(jù)中獲取有用的信息進一步指導(dǎo)生產(chǎn)。因此,在發(fā)酵產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的過程中亟需一套解決方案為其保駕護航。近年來,為了解決上述問題已有多家發(fā)酵罐生產(chǎn)廠商著力于開發(fā)與自身產(chǎn)品相配套的上位機軟件。組態(tài)軟件是目前市場上較為主流的發(fā)酵上位機軟件開發(fā)工具,具有強大的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制等功能[2],但在當前發(fā)酵產(chǎn)業(yè)對于數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)檢索以及數(shù)據(jù)分析的高需求下,組態(tài)軟件的功能已明顯表現(xiàn)出滯后之勢。為了彌補上述組態(tài)軟件的不足,華東理工大學(xué)自主開發(fā)了Biosoft發(fā)酵之星軟件包、江南大學(xué)發(fā)酵過程控制研究團隊自主研發(fā)了BioJN發(fā)酵技術(shù)服務(wù)系統(tǒng)[3],均已在市場中得到應(yīng)用。

上述發(fā)酵上位機軟件均使用了客戶端/服務(wù)器(client/serrer, C/S)架構(gòu)。C/S架構(gòu)的主要優(yōu)點包括:a)能夠在本地計算機中安裝并且緩存大量的系統(tǒng)資源,能夠提高數(shù)據(jù)和圖像的處理性能;b)大量的處理工作,都在本地計算機中完成,能夠有效減輕服務(wù)器的壓力[4]。然而,在實際的使用過程中,卻發(fā)現(xiàn)C/S架構(gòu)的發(fā)酵上位機軟件存在以下問題:a)客戶端軟件的運行依賴于本地數(shù)據(jù)庫管理軟件(如MySQL[5]),而數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的安裝和配置流程復(fù)雜,普通用戶難以完成;b)用戶所用計算機的操作系統(tǒng)版本存在差異,進一步加劇了客戶端軟件安裝的難度;c)客戶端軟件具有較強的數(shù)據(jù)和圖像處理能力,無法確保任意用戶所用計算機的硬件配置能夠滿足客戶端軟件運行的需求。

鑒于上述問題,本文擬在嵌入式單板控制機(以樹莓派為例)上開發(fā)一套基于瀏覽器/服務(wù)器(brower/server, B/S)架構(gòu)的發(fā)酵過程監(jiān)控及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。首先,由于適用于工業(yè)用途的樹莓派與PC機相比更為便宜,在推廣過程中可以直接銷售安裝有軟件系統(tǒng)的樹莓派,能夠保證硬件配置滿足軟件運行需求。其次,用戶不需要安裝客戶端軟件以及所依賴的數(shù)據(jù)庫管理軟件,只需要通過常用的Web瀏覽器(如IE、Chrome、FireFox等)就可以訪問軟件系統(tǒng),完成數(shù)據(jù)管理和設(shè)備操作的功能。再次,樹莓派上已安裝Raspbian操作系統(tǒng)[6]以方便運維人員遠程訪問,直接對軟件系統(tǒng)進行遠程升級,降低了軟件維護和升級的成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng)采用前后端分離的模式進行設(shè)計,如圖1所示。系統(tǒng)后端使用基于Python語言的Django框架設(shè)計,包括設(shè)備通信模塊、物聯(lián)網(wǎng)通信模塊、網(wǎng)頁應(yīng)用程序編程接口(Web application programming interface,Web服務(wù)器API)和本地數(shù)據(jù)管理[對象關(guān)系映射(object relational mapping, ORM)、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)]。前端頁面實現(xiàn)的設(shè)計主要使用了較為流行的VUE框架,它基于HTML、CSS、JavaScript 3種計算機語言[7],包括“批次管理”、“數(shù)據(jù)窗口”、“系統(tǒng)配置”、“用戶管理”4個模塊。本系統(tǒng)利用樹莓派作為后端服務(wù)器與發(fā)酵設(shè)備的數(shù)據(jù)采集單元進行網(wǎng)絡(luò)通信,將實時數(shù)據(jù)存入樹莓派的本地數(shù)據(jù)庫中,用戶可以通過前端界面寫入數(shù)據(jù)對發(fā)酵設(shè)備進行實時控制。除此之外,本系統(tǒng)還搭建了一套云服務(wù)器系統(tǒng)支持本地數(shù)據(jù)庫和云端數(shù)據(jù)庫同步存儲,用戶可以在任意一個能夠訪問公網(wǎng)的瀏覽器下遠程監(jiān)控發(fā)酵設(shè)備。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall system structure

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

2.1 硬件選型

考慮到發(fā)酵周期內(nèi)采集的大量數(shù)據(jù)對硬件的處理要求及內(nèi)存影響,本系統(tǒng)核心模塊選用樹莓派Raspberry Pi 4B。樹莓派4B擁有博通BCM2711核心處理器(四核1.5 GHz,Cortex A72架構(gòu)),1G LPDDR4運行內(nèi)存,此外還提供40個外擴GPIO引腳、2個USB 3.0接口和2個USB 2.0接口、1個千兆以太網(wǎng)接口、支持2.4 G/5 G雙Wi-Fi等,外部接口極其豐富,而且成本低廉、性能良好。Raspbian是專門用于ARM卡片式計算機樹莓派的操作系統(tǒng),支持Python開發(fā)環(huán)境,為Python提供大量擴展庫,降低了開發(fā)成本。

2.2 軟件功能設(shè)計

2.2.1 設(shè)備通信模塊

可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC),在發(fā)酵設(shè)備中常用于收集傳感器數(shù)據(jù)和自動化控制[8]。目前,在發(fā)酵設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的PLC型號是德國西門子公司生產(chǎn)的S7系列PLC。針對西門子S7系列PLC,本軟件系統(tǒng)的設(shè)備通信模塊中集成了以下兩種設(shè)備通信方式:

a)Snap7工具包直接讀寫PLC寄存器,結(jié)合Snap7的文檔API和源碼分析,使用read_area和write_area這兩個方法對PLC變量的寄存器地址進行讀寫,從而實現(xiàn)對發(fā)酵過程參數(shù)的監(jiān)測和控制。Python讀寫PLC變量的代碼如下:

client=self.snap7_write_clients[param_config[0][‘plc’]]

client.write_area(area, db_number, start_db, pack_data)

data = client.read_area(area, db_number, start_db, 1)

b)開放平臺通信(open platform communications unified architecture,OPC-UA),使用該種通信方式可以解決設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換受限于同一系統(tǒng)的問題,實現(xiàn)跨平臺通信[9]。本系統(tǒng)搭載于樹莓派(linux系統(tǒng))中,作為OPC-UA客戶端與發(fā)酵設(shè)備(Windows,Linux,Mac,Android等系統(tǒng))配套開發(fā)的OPC-UA服務(wù)器數(shù)據(jù)交換。

由于不同用戶對發(fā)酵數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制的需求不同,數(shù)據(jù)來源可能不僅限于一臺設(shè)備。例如溫度、pH、溶氧等參數(shù)由發(fā)酵罐上標配的傳感器測得,而尾氣CO2、O2濃度則來源于發(fā)酵尾氣分析儀。因此,為了提高軟件系統(tǒng)的通用性和兼容性,設(shè)計了與Redis緩存數(shù)據(jù)庫的通信方式?？梢酝ㄟ^個性化開發(fā)的通信插件,以Redis數(shù)據(jù)庫作為中轉(zhuǎn)連接多種周邊設(shè)備。具體通信流程如圖2 所示。

圖2 通信流程Fig.2 Communication workflow

2.2.2 物聯(lián)網(wǎng)通信

消息隊列遙測傳輸協(xié)議(message queuing telemetry transport,MQTT),是一種基于發(fā)布/訂閱(publish/subscribe)模式的“輕量級”通訊協(xié)議[10],該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議上。MQTT最大優(yōu)點在于,用極少的代碼和有限的帶寬,為連接遠程設(shè)備提供實時可靠的消息服務(wù)。如果多臺遠程客戶端同時訪問一臺設(shè)備時,全部從設(shè)備本身直接請求數(shù)據(jù),將會導(dǎo)致樹莓派所承載的本地服務(wù)器程序負載過重。因此,本軟件采用MQTT協(xié)議將本地服務(wù)器實時數(shù)據(jù)推送至云端服務(wù)器。當遠程客戶端請求數(shù)據(jù)時,將直接從云端獲取,這一設(shè)計能夠有效減輕本地服務(wù)器的工作負擔。除發(fā)送實時數(shù)據(jù)外,本系統(tǒng)還在MQTT服務(wù)器上建立了用戶對設(shè)備的各類操作相對應(yīng)的主題(topic),例如監(jiān)控發(fā)酵設(shè)備、啟停發(fā)酵批次、上傳離線數(shù)據(jù)等操作。每當本地或云端服務(wù)器向指定topic發(fā)布了一個操作消息,所有訂閱該topic的用戶都會在系統(tǒng)的前端界面查看到相應(yīng)變化,由此實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)與云端數(shù)據(jù)的同步。

2.2.3 Web服務(wù)器API

Django是基于Python的Web服務(wù)器開發(fā)框架,采用了MVT的框架模式(圖3),即模型(model),視圖(view)和模版(template)[11]。本系統(tǒng)采用Django框架開發(fā)后端服務(wù)器,在View層編寫API,用戶在前端顯示界面的交互操作均需通過調(diào)用后端API實現(xiàn)。為了進一步降低系統(tǒng)的耦合度,API分為以下類別:a)與用戶相關(guān)的API,負責用戶的增添和刪減、登錄和退出、權(quán)限分配以及修改密碼等操作;b)與設(shè)備相關(guān)的API,負責用戶查看設(shè)備連接狀況、設(shè)備實時數(shù)據(jù)以及更改設(shè)備參數(shù)值等操作;c)與批次命名字段相關(guān)的API,負責用戶根據(jù)實際生產(chǎn)情況增刪改查發(fā)酵批次信息的操作;d)與數(shù)據(jù)采集相關(guān)的API,負責用戶增刪改查所需監(jiān)控參數(shù)配置的操作;e)與批次相關(guān)的API,負責用戶建立、啟動、停止、檢索發(fā)酵批次的操作;f)與實時數(shù)據(jù)相關(guān)的API,負責用戶查看實時曲線和上傳離線數(shù)據(jù)的操作;g)與歷史數(shù)據(jù)相關(guān)的API,負責用戶查看歷史批次的數(shù)據(jù)報表和曲線分析的操作。云端系統(tǒng)的API同樣按照上述類別編寫,因此,遠程用戶可以在云端的前端界面用以操作本地系統(tǒng)相同的方式操作云端。

圖3 MVT框架圖Fig.3 MVT framework

2.2.4 本地數(shù)據(jù)管理(ORM、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu))

本系統(tǒng)在Django框架的Model層,即負責數(shù)據(jù)的存取方式和數(shù)據(jù)之間的關(guān)系的過程中,使用內(nèi)嵌的ORM框架[12],將編寫的每一個類和數(shù)據(jù)庫中的每一個表一一對應(yīng)。類的每個實例對應(yīng)表中的一條記錄,類的每個屬性對應(yīng)表中的每個字段。通過ORM框架的映射作用,幫助開發(fā)人員減少了對SQL語句的編寫并加強了對業(yè)務(wù)邏輯處理的專注度,進一步提高了開發(fā)效率。

發(fā)酵數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)圖如圖4所示,在發(fā)酵過程中,每啟動一個發(fā)酵批次,產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都會依次按照批次信息、在線數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)、計算數(shù)據(jù)和事件記錄等存入對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫表格中。采集過程中會根據(jù)提前設(shè)定好的發(fā)酵參數(shù)配置來保存數(shù)據(jù),包括自定義的參數(shù)名如(bailun5L_PH)、自定義的上下限和自定義的精確度。這些數(shù)據(jù)記錄通過batch_id字段相互關(guān)聯(lián)在一起,batch_id的唯一性確保了每條發(fā)酵數(shù)據(jù)的獨立性。將具有唯一性的batch_id作為數(shù)據(jù)表格的主鍵,有關(guān)聯(lián)的設(shè)備信息、用戶信息、采集配置和特征字段(比如菌種、部門)設(shè)置成數(shù)據(jù)表格之間的外鍵。通過這些主鍵、外鍵和表格間的關(guān)聯(lián)性,用戶可以簡單迅速地從本地數(shù)據(jù)庫和云端數(shù)據(jù)庫檢索到任意想要的批次。

圖4 發(fā)酵數(shù)據(jù)庫E-R圖Fig.4 Fermentation database E-R diagram

如果本地模式下因意外導(dǎo)致的批次數(shù)據(jù)采集中斷,那么在樹莓派重啟發(fā)酵系統(tǒng)時會根據(jù)數(shù)據(jù)庫中批次信息表格的結(jié)束時間(stop_time)是否為空來判斷批次是否結(jié)束,若為空則會恢復(fù)批次采集。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)功能實現(xiàn)設(shè)計了“批次管理”、“數(shù)據(jù)窗口”、“系統(tǒng)配置”、“用戶管理”4個模塊,模塊組成如圖5所示。

圖5 前端頁面設(shè)計Fig.5 Front-end page design

3.1 批次管理模塊設(shè)計

為了確保在大量的發(fā)酵批次中能夠快速且準確地檢索到目標批次,本系統(tǒng)在新建批次時會根據(jù)當前的年、月、日、時、分、秒和微秒組成batch_id。除此之外,在新建批次時還會增加由系統(tǒng)時間自動生成且不可更改的“初始時間”,由用戶設(shè)定的“采樣間隔”(最低間隔為5 s),由用戶對該發(fā)酵批次特殊標注的“描述”,以及由用戶自定義的5個預(yù)留字段,例如部門、操作人、驗收人、發(fā)酵菌種、產(chǎn)品等來幫助用戶對發(fā)酵批次分類。

3.2 數(shù)據(jù)窗口模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)窗口模塊由以下3部分組成:設(shè)備狀態(tài)、數(shù)據(jù)報表和曲線圖展示。

3.2.1 設(shè)備狀態(tài)

設(shè)備狀態(tài)界面中,可展示實時發(fā)酵參數(shù)值,還可以修改發(fā)酵參數(shù)(如溫度、pH等)的設(shè)定值。如果從云端入口訪問系統(tǒng),還可以獲取當前被監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享的設(shè)備名。

3.2.2 數(shù)據(jù)報表

本發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)報表由3種類型組成,分別為在線參數(shù)、離線參數(shù)和事件記錄。

a)在線參數(shù)。由在線傳感器檢測的發(fā)酵過程參數(shù)(如pH、溶解氧和溫度等),通過設(shè)備通信模塊和前端用戶設(shè)定的采樣間隔將數(shù)據(jù)以報表的形式實時展示于本地和云端用戶的系統(tǒng)前端界面,并存于本地和云端的數(shù)據(jù)庫中。

b)離線數(shù)據(jù)。在發(fā)酵過程中,由人工取樣檢測的發(fā)酵過程參數(shù)(如細胞濃度、葡萄糖濃度、產(chǎn)物酶活等),可以同時存入本地和云端數(shù)據(jù)庫。

c)事件記錄。發(fā)酵過程中包含多個需要人工操作的時間節(jié)點,每個時間節(jié)點的操作細節(jié)需要以文本形式保存。這類數(shù)據(jù)在事件記錄報表中手動添加、修改、刪除。事件記錄相關(guān)的數(shù)據(jù)同樣在本地和云端數(shù)據(jù)庫中同步保存。

3.2.3 曲線圖展示

本系統(tǒng)的曲線圖可以展示以下3類數(shù)據(jù):實時在線參數(shù)、歷史在線參數(shù)和離線數(shù)據(jù)。曲線圖的展示界面基于以下幾個庫開發(fā):基于JavaScript語言的Echarts數(shù)據(jù)可視化庫[13];axios動態(tài)請求庫和PubSub發(fā)布訂閱庫,確保曲線圖可以在瀏覽器中動態(tài)更新、流暢運行。在實時監(jiān)控模塊中axios實時請求的數(shù)據(jù)會優(yōu)先用于客戶端的數(shù)據(jù)報表展示,曲線圖頁面再經(jīng)由PubSub庫訂閱數(shù)據(jù)報表獲取最新數(shù)據(jù)作圖。通過這種方式,本系統(tǒng)能夠避免前端頁面對服務(wù)器端的重復(fù)請求,緩解服務(wù)器處理用戶請求和數(shù)據(jù)檢索的壓力。

批次啟動前,可以預(yù)先設(shè)定好每個參數(shù)的歸一化參數(shù)(上限和下限),解決多參數(shù)曲線Y軸的范圍不一致的問題,歸一化參數(shù)也可以在批次啟動后自定義修改。在歷史在線參數(shù)曲線頁面中,可以將多批次(包括實時批次)數(shù)據(jù)繪制在一起,支持多批次的參數(shù)比較。當歷史和實時曲線繪制在一張圖時,曲線展示還具有實時跟隨功能。選定一條目標曲線,展示界面始終跟隨該曲線而更新,可以實時比較當前批次與目標歷史批次的差異,以方便工藝的調(diào)整和歷史最優(yōu)批次的復(fù)現(xiàn)。離線參數(shù)曲線同樣支持多批次參數(shù)比較,且實時批次曲線可以根據(jù)用戶手動錄入的離線參數(shù)(如底物濃度、產(chǎn)物濃度等)同步更新。

以上曲線均可通過修改曲線的顏色、線型(如連續(xù)和斷點等)以及隱藏與否,實現(xiàn)曲線的區(qū)分。

3.3 系統(tǒng)配置模塊設(shè)計

系統(tǒng)配置模塊,主要包含批次管理模塊中的5個自定義字段和數(shù)據(jù)采集。不同批次需要采集的在線、離線參數(shù)可能各不相同。因此,在新建批次時可以自行選擇記錄的在線、離線參數(shù),數(shù)據(jù)展示頁面會根據(jù)該配置來生成數(shù)據(jù)報表并繪制曲線圖。當發(fā)酵參數(shù)配置和批次命名字段配置完成后,首先存于本地數(shù)據(jù)庫,之后同步到云端,用戶組成員均可使用。

3.4 用戶管理模塊設(shè)計

為了控制用戶對發(fā)酵設(shè)備的操作權(quán)限數(shù)據(jù)的管理權(quán)限,確保數(shù)據(jù)安全,本系統(tǒng)設(shè)計了樹形用戶結(jié)構(gòu)和靈活的權(quán)限管理機制。系統(tǒng)初始化后會生成唯一的管理員用戶,以管理員用戶為父用戶,可以新建、刪除和修改子用戶。子用戶又可以管理下級子用戶,從而形成樹形的用戶結(jié)構(gòu)。用戶權(quán)限通過樹形用戶向下傳遞,每個用戶都可以將自己的設(shè)備操作和數(shù)據(jù)管理權(quán)限有選擇性地賦予其子用戶。

4 系統(tǒng)應(yīng)用實例

將本發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于地衣芽孢桿菌BF-002高產(chǎn)芽孢的過程中,對系統(tǒng)的功能和性能進行分析評價。評價結(jié)果將從實驗批次的數(shù)據(jù)管理及展示、遠程控制和曲線展示3個方面描述。

4.1 數(shù)據(jù)管理及展示

該實驗批次周期為48 h,共采集2 880條數(shù)據(jù),每采集360條數(shù)據(jù)后樹莓派發(fā)生1 s的采集滯后。通過該實驗批次的實時在線參數(shù)報表(圖6)以及離線數(shù)據(jù)報表(圖7),可以看出本系統(tǒng)能夠按照用戶的設(shè)定間隔記錄在線數(shù)據(jù)。手動添加離線數(shù)據(jù)的功能可以正常運行,手動錄入的離線參數(shù)能夠在本地和云端同步保存。

圖6 實時在線參數(shù)報表Fig.6 Real-time online parameter report注:此圖是地衣芽孢桿菌BF-002發(fā)酵過程中的實時在線參數(shù)界面,以1 min為周期定時記錄傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖7 離線數(shù)據(jù)報表Fig.7 Offline data report注:此圖為地衣芽孢桿菌BF-002發(fā)酵過程中的離線參數(shù)界面,格式分布與實時在線參數(shù)報表界面相似。離線參數(shù)報表可編輯,具體操作為點擊上方“添加”和“刪除”按鈕增添或刪除下方離線報表在該時刻的記錄,點擊某一參數(shù)某一時刻的表格項,可以直接修改其中的數(shù)據(jù)。離線數(shù)據(jù)同樣可以導(dǎo)出為Excel文件。

4.2 遠程監(jiān)控

在該實驗批次發(fā)酵3 h時遠程更改pH設(shè)定值為6.96,可以發(fā)現(xiàn)實時數(shù)據(jù)報表中發(fā)酵3 h的pH檢測值隨即改變(圖8),響應(yīng)延時<2 000 ms,設(shè)備遠程監(jiān)測與控制功能可以正常運行。

圖8 遠程設(shè)備狀態(tài)Fig.8 Remote devices′ status注:此圖為遠程設(shè)備狀態(tài)界面,左側(cè)表格展示的是設(shè)備監(jiān)測的發(fā)酵參數(shù)值,右側(cè)表格展示的是發(fā)酵參數(shù)的設(shè)定值。點擊“更改”按鈕輸入設(shè)定值,可實現(xiàn)云端模式下對遠程設(shè)備的控制。

4.3 曲線展示

通過歷史批次曲線與該實驗批次實時曲線作同步跟隨比較(圖9),可以發(fā)現(xiàn)該實驗批次在通氣量和攪拌速率相同的條件下,溶解氧濃度(dissolved oxygen, DO)較低,表明該批次菌體的呼吸強度較高。通過對離線參數(shù)曲線的比較(圖10),可以發(fā)現(xiàn)隨著碳源和氮源的消耗,細胞持續(xù)生長。在性能方面,曲線的首次展示請求時長隨著數(shù)據(jù)量的增大而增大,在48 h后響應(yīng)時長在3 000～4 000 ms。

圖9 實時與歷史跟隨比較Fig.9 Real-time and historical follow-up comparison注:此圖為地衣芽孢桿菌BF-002發(fā)酵過程中實時曲線與歷史曲線的同步跟隨頁面,圖中繪有2個批次的溫度、pH、攪拌轉(zhuǎn)速和溶氧的曲線。當實時批次的發(fā)酵時間進行到6.057 h時,同步跟隨歷史批次在該時刻下的曲線,供用戶進行實時對比分析。

圖10 離線參數(shù)曲線Fig.10 Offline parameter curve注:此圖為地衣芽孢桿菌BF-002發(fā)酵過程中實時獲取的離線參數(shù)曲線,每當在圖6(離線數(shù)據(jù)報表)錄入最新時刻的離線數(shù)據(jù)后即可在離線參數(shù)曲線頁面點擊“更新”按鈕獲取當前時刻下的最新離線參數(shù)曲線。

5 結(jié)語

目前我國生物制造產(chǎn)業(yè)已逐步進入數(shù)字化工業(yè)時代,如何打造設(shè)備互聯(lián)、數(shù)據(jù)共享的數(shù)字化工廠是當前面臨的主要問題。本發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)技術(shù)開發(fā),擁有操作簡便、圖形豐富、反應(yīng)靈敏的用戶界面,同時減小了服務(wù)器資源的浪費,安裝與升級操作簡便。與傳統(tǒng)的基于組態(tài)軟件開發(fā)的發(fā)酵罐上位機軟件相比,本系統(tǒng)支持云端遠程監(jiān)控并建立了健全完善的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),以滿足來自客戶、監(jiān)管機構(gòu)及企業(yè)內(nèi)部日益嚴苛的質(zhì)量管理要求。在數(shù)據(jù)可視化方面,本系統(tǒng)也提供多批次對照、實時批次同步追蹤歷史等功能,幫助用戶可以在問題出現(xiàn)時做出快速有效的響應(yīng)。此外,本系統(tǒng)具有作為搭載依靠云服務(wù)器計算的自動化控制算法平臺潛力,在將來能夠?qū)Πl(fā)酵過程更好地指導(dǎo)和控制。