基于PLC的微生物通用式發酵裝置控制系統設計

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

（南京工業大學 電氣工程與控制科學學院，南京 211816）

0 引言

微生物反應發酵過程是一種典型的間歇過程，利用微生物發酵技術的生產規模也隨著科技的發展不斷擴大。目前生物發酵技術己經在衛生醫藥、農林牧漁、輕工食品、新型能源等多個重要領域發揮著舉足輕重的作用，例如醫學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酵工程緊密相關的[1,2]。本文對微生物發酵過程進行學習和研究，從而設計出合理的控制方案以提高該方面的工藝水平，促進微生物反應發酵技術的發展。

考慮到生產要求和微生物發酵的特殊性，結合當下計算機軟硬件技術，智能儀器儀表，決定采用基于西門子PLC和Wincc的綜合自動化控制系統。

1 微生物發酵過程

微生物發酵工藝流程如下：首先配制糖鹽原料，并進行連續消毒，然后向其中加入熱輔材料和堿液配置成發酵所需要的營養原液。最后，營養液和種子液一起加入到發酵罐中進行設定時間的發酵過程。其中，糖鹽原料的消毒過程需要嚴格控制溫度范圍，確保其液體完全達到無菌的環境要求，并且還要確保調節罐中的pH值穩定在規定范圍內，避免營養液失效[3～5]。

圖1 發酵工藝簡易示意圖

如圖1所示，該生物發酵過程中主要由標準堿液的自動配制、熱敏輔料標準液的自動配制、糖/鹽液的消毒與供應、調節罐及發酵罐的發酵環境自動穩定系統四大部分組成。該系統具有通用性，符合多種菌類發酵的條件。

2 PLC控制系統設計[6]

PLC控制系統主要對各個對象參數進行測量，同時對一些關鍵變量進行穩定控制，確保微生物發酵反應的順利進行，并且配合組態軟件進行數據的界面顯示和實時監控，控制系統網絡圖如圖2所示。本文使用西門子CPU315-2DP作為系統的主控制器，通過SM322數字量輸出模塊對電機和水泵進行起停控制，利用SM321數字量輸入模塊檢測電機和水泵的運動狀態以及外部輔助觸點的狀態，SM332模擬量輸出模塊控制調節閥的開度，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。檢測到的信號經過檢測儀表的變送器統一變為4～20mA的標準電流信號，用帶屏蔽的信號電纜線將該電信號傳送至SM331模擬量輸入模塊。

圖2 控制系統網絡圖

本次設計中，PLC模塊的硬件組態圖如圖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的內部電壓供電。其余儀表直接由220V交流電供電，根據其量程范圍，反饋對應的4～20mA信號。開關閥和調節閥也統一采用220V交流電供電，控制方式分別是24V的開關量信號和4～20mA的模擬量信號。

圖3 PLC硬件組態圖

生物發酵反應的啟動過程是較為繁瑣的，為了提高自動控制水平，減少操作員的工作量，設計了PLC啟動程序，其控制流程如圖4所示，啟動程序按照工藝流程進行順序控制，并且使用閉環控制對每一個被控參數進行反饋控制。開始每一批次的發酵前，先進行設備滅菌，將高壓蒸汽打入到設備中，使所有設備達到既定的溫度和氣壓并保持一段時間，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，糖鹽原料配料后需要進行高溫消毒過程?？紤]到之前的滅菌過程會使得設備中存有冷凝水，所以在進入調節管前都進行了濃度檢測，并且在軟件上設置一定時間的配料回流，防止初始原料濃度過低。

圖4 啟動程序控制流程圖

3 人機界面與故障報警實現

為了加強監控系統的智能化，本文設計了人機界面和故障報警系統。操作員站采用西門子IPC3000smart工控機，在PCI插槽中安裝CP5611采集卡，操作員站與PLC采用Profibus-DP通訊協議，在組態過程中選擇相應的驅動，設置與軟件程序中相符合的各個變量，實現變量之間的通訊連接[7]。圖5是設計的控制系統監控界面，利用工控機的WinCC人機界面平臺，當有報警發生時，操作人員只需點擊故障報警條，就可直接切換到操作界面。系統故障寫入也是采用同步寫入法。把優先級最高的故障寫入故障選擇列表。一旦檢測到故障發生，則會根據故障的優先級在界面上顯示出來，界面上的解決方法會和工程師站上診斷的結果同步更新，顯示結果如圖6所示。

圖5 控制系統監控界面圖

圖6 故障記錄圖

工程師站采用研華工控機，通過構建的工業以太網與服務器相連，通過OPC協議實現數據通訊[8,9]。通常，一次微生物發酵實驗不可能在一天內完成，總是不分白晝的進行，所以需要對反應對象進行不間斷的監控和故障報警提示。晚上無人監管實驗時，出現的故障報警需要被一一記錄下來，供第二天的分析和預警。本項目設計中的故障報警系統程序運行在工程師站上，采用專家系統方法開發，由六大部分組成：人機接口、知識獲取機制、知識庫、推理機、實時數據庫和人機對話模塊，結構框圖如圖7所示。

本系統是基于專家系統構建的，所以知識是決定本系統性能是否優越的關鍵因素[10,11]。其知識應該包含了發酵過程的事實類知識，過程參數知識，機理模型知識（例如：動力學方程）。生物發酵反應是不斷提高目標產物的生物量濃度，當目標產物的生物量濃度長時間不變時有可能是反應已經接近尾聲，也可能是營養液不足的問題。然而，工業生產中尚無法實現基質、產物、代謝物濃度等的在線快速測量，所以無法快速，但可以測量相關的過程量數據，如溫度，空氣流速，攪拌速度，培養液體積。利用專家系統，依據已知的過程量數據，根據用戶輸入的數據和信息，對生物發酵反應過程運行情況作出分析，確定反應是否出現問題，如有問題則給出相應的解決方案。利用專家系統分析故障準確，高效，靈活的特點，可以方便本系統的使用。

故障報警系統和監控系統分離是本系統的一大特點。復雜的推理過程需要占用大量的計算機系統資源，如把系統整體運行在操作員站上，將會造成系統的不穩定，存在不可預知的隱患。因此，本系統把系統的知識庫、規則庫和推理機等故障診斷程序運行在工程師站上，而只把人機監控界面運行在操作員站上，通過OPC技術實現工業以太網內電腦之間的自由通信，保證了操作員站的穩定運行。

4 結束語

本系統根據發酵領域的工藝要求，可以實現一鍵式的開停車工作，減少操作員的手動控制，實現微生物連續發酵過程的自動化控制，能夠運用于多種菌類的發酵生產，達到既定的生產工藝要求。同時，本系統不間斷的監控和記錄重要參數，并能調出歷史曲線，利用專家系統對設備進行故障報警，有利于分析微生物發酵結果產物的品質，保證控制系統運行的穩定與安全。

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