菌類發酵培養控制系統設計

才存良+何佳融

摘 要：設計了一種具有結構簡單、控制精準、價格低廉、可批量生產等優勢的基于PLC控制的菌類發酵培養系統。系統采用西門子PLC的S7-200系列作為控制CPU，通過傳感器、HMI、RS-485通訊和以太網通信監測發酵罐內的溫度、pH值、含氧量、壓力等參數，并組態報警系統。一旦監測參數超過預設范圍，即發出報警提示操作人員調整發酵環境，以保證發酵產物的數量與質量。經過多次試驗、軟硬件改進以及控制方案的優化，基于PLC控制的菌類發酵培養系統已成功實現對發酵罐內被監測參數的控制、采集、存儲等各項功能。

關鍵詞：PLC 菌類發酵 控制系統 HMI組態

中圖分類號：TP334 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）09（c）-0211-02

所謂發酵生產，其過程就是把微生物放在合適的培養基中，控制適宜的溫度、pH、含氧量、壓力，進行培養，某些物質會在微生物所產生的酶的作用下轉化為人們所需要的產品。發酵生產過程的特點有以下方面。

（1）菌體的生長情況與產物的生產不成正比。

（2）理論產量不能用物料平衡算法來計算。

（3）發酵生產極不穩定。

由此可見，發酵生產的過程是極其復雜的，它有著極大的不確定性，且不能用線性函數關系去闡述，這就導致大多數控制發酵生產過程的方法是離線分析的，但是離線分析有著巨大的缺陷：分析周期長、分析儀器貴、調解策略制定緩慢。

本文從硬件方面著手，建立數字化發酵培養系統，監測發酵情況、采集發酵數據、建立報警系統，根據監測的數據情況調整發酵環境。

1 總體控制方案

1.1 菌類發酵培養系統被控對象分析

本文設計的菌類發酵培養控制系統選擇的是補料發酵的方式，并且實現了在線監控生化環境的功能。本文的控制對象是大型液體發酵設備，其罐體結構如圖1所示。

1.2 菌類發酵培養控制系統的總體框架

本文采用西門子HMI人機交互設備與S7-200搭配使用組成控制系統體系。兩者分工明確，HMI人機交互設進行核心參變量的設置和過程監視，S7-200 226PLC搭載相關功能的模塊對每個核心參變量實施實時的測量控制，在S7-200 226PLC內集成了多路PID調控回路，并使用在本設備不銹鋼罐體內的溫度、酸堿值/ORP、DO等的控制回路中，系統結構框圖如圖2所示。

2 發酵培養控制系統硬件實現

根據系統要求、傳感設備輸出信號的特性以及現場控制設備的工作特征，對S7-200系列邏輯可編程控制器的CPU、數字量的輸入/輸出模塊、模擬量的輸入/輸出模塊、以太網通訊模塊、人機交互設備進行了選型，如表1所示。

該系統配置提供了40路的數字量輸入通道、32路的數字量輸出通道、4路模擬量輸入通道、1路模擬量輸出通道以及以太網通訊端口。

CPU采用的S7-200系列226型，該主機具有16路數字量輸入、24路數字量輸出以及兩個自由通訊口PORT0和PORT1。數字量的輸入輸出均用兩組歐姆龍繼電器做隔離，增加系統穩定性，保護PLC主機。PORT0用于與HMI設備SMART 1000通訊，PORT1則用于數據的導出。

EM223模塊作為擴展的數字量輸入輸出模塊用作對PLC主機的擴展，其作用是預留足夠的系統有效冗余。這種設計理念能夠有效的確保該系統具有可再擴展的能力。

EM235模擬量輸入輸出模塊具有4路模擬量采集通道可用于對四種傳感器數據采集，以及單路模擬量輸出通道用于控制電機的調速模塊。

CP243-1以太網擴展模塊的采用給系統配置了一個以太網通訊端口，提供了與工業交換機、工業PC機通信的另一高速通道，使得系統具有組網的能力。

SMART 1000觸摸屏為SIEMENS公司工業自動化領域極為穩定的人機交互設備，他提供了簡單且強大的組態軟件，使得人機交互變得更為便捷與友好。

3 發酵培養控制系統的組態

發酵培養系統在啟動后直接進入的就是預先設置的主操作界面。主操作界面中設計有如下幾點功能。

（1）對酸料蠕動泵、堿料蠕動泵、補料泵、消泡泵、攪拌器、通氣閥、加熱器六種輸出的狀態檢測并且以不同顏色的色塊表示，對六種輸出的開、關時間的設定，以及對轉速SPD、壓力值的設定，對攪拌器的扇葉做動畫處理。

（2）直接用I/O域顯示酸料蠕動泵、堿料蠕動泵、補料泵、消泡泵四種泵體各自的泵入總量以及所有泵體泵入液體總量和消耗的總時間。直接用I/O域顯示pH、溶解氧、氧化還原電位、溫度四種參數的測得值。

（3）標識當前設備的ID、單步/多步運行狀態以及多步狀態下的當前運行步驟、當前發酵培養的批號等。

（4）組態有報警視圖與報警提示窗。在無報警狀態下，報警視圖中沒有內容呈現背景顏色，報警提示窗隱藏。有報警狀態下，點擊報警視圖中的報警條目即可查看報警幫助與解決方案。

菌類發酵培養控制系統的主操作界面組態如圖3所示。

4 結語

本文對基于PLC控制的菌類發酵培養系統進行了深入的研究，了解了發酵設備應具有的功能：核心環境參數的檢測與控制、強大的現場監視與控制能力以及友好的人機交互界面，開發出一款結構簡單、價格低廉、控制精準的菌類發酵培養系統。該系統充分的發揮了PLC控制系統穩定、耐用、控制邏輯強大等優勢使得系統在每個方面都表現的很出色?？偟膩碚f，該系統實現了自動化的、智能化的發酵控制，對核心環境參數控制精準，對現場設備實現了實時監控，各方面都達到了市場要求，可廣泛適用于各種菌類的發酵控制，并且已經具有批量生產的條件，并不是只存在于實驗室階段。

參考文獻

[1] 戴亮.PC-PLC控制系統設計[D].上海：華東師范大學，2011.

[2] 苗紅霞，齊本勝.PLC控制技術實驗教學改革研究與實踐[J].實驗技術與管理，2010（3）：136-139.

[3] Shuzhi Sam GE，Chee Khiang PANG，Tong Heng LEE. Robust adaptive neuro-fuzzy control of uncertain nonholonomic systems.[J] Journal of Control Theory and Applications，2010（2）：125-138.

[4] 王禮貴.大型精密儀器設備共享平臺的建設與實踐[J].實驗室研究與探索，2011（3）：188-190，197.

[5] 漆海霞，邢航，楊秀麗.基于組態軟件的PLC控制系統半實物仿真[J].桂林理工大學學報，2012（4）：543-546.

[6] 朱凌云，林琳.基于WINCC的PLC控制系統仿真平臺設計[J].實驗室研究與探索，2010（5）：49-53.endprint