工業發酵測控系統設計

錢黎明 郭 峰 查 朦 陸衛衛

(南通理工學院機械工程學院，江蘇 南通 226002)

在傳統的生物發酵行業中，主要是通過改善工藝來提高生產效率。隨著工業自動化水平的不斷發展，可以通過PLC系統對發酵工業進行自動化控制來提高生產效率。但隨著工廠規模的不斷擴大，PLC系統已無法滿足需求。為了提升發酵過程中產品的品質，增加產品的產量，優化發酵過程，試驗擬采用西門子DCS系統設計一套適用于大規模生物發酵工廠的工業控制系統，通過一套自上而下的結構實現工藝的多重化需求。

1 工業發酵過程

發酵是通過培養生物細胞獲得產物的過程，實現發酵必須具備以下條件：① 適宜的微生物；② 保證微生物進行代謝的條件；③ 進行發酵的設備；④ 有提取精制產品的方法和設備。其總體流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Figure 1 Process flow chart

發酵的工藝過程主要有3個過程階段：種子制備、接種和發酵培養。在發酵工藝過程中，一級種子罐作為發芽罐，用于孢子萌發以形成菌絲，該過程接種培養基：葡萄糖、玉米漿、碳酸鈣、消泡劑等，同時控制一定的空氣流量比、保持一定的攪拌速度、pH值自然，在一定溫度下培養一定的周期時間；二級種子罐作為繁殖罐，該過程接種培養基：葡萄糖、玉米漿、消泡劑等，同時控制一定的空氣流量比、保持一定的攪拌速度、pH值，在一定溫度下培養一定的周期時間；發酵罐采用反復分批式發酵方式，同時發酵保持一定周期。項目生產種子設備主要分為一級種子罐、二級種子罐，發酵工藝采用三級發酵工藝類型，通過二級種子罐，再將其接入發酵罐的工藝過程。

2 工業發酵影響因素

工業發酵過程中，重要的化學參數主要通過溫度、壓力、攪拌速度和功率、空氣流量、黏度、濁度、料液流量來進行控制[1]。為了有效控制上述參量，設計了基于西門子PCS7的DCS控制系統，實現了發酵過程的自動化設計。參數控制在發酵的各個配方過程中屬于連續部分，需要在配方中調用，因此采用順控的控制方式以及連續的工作模式。在發酵周期中，控制參數的選擇理論上不是一個定值，不同階段需要選擇不同的參數值，實現參數階段性控制功能。參數控制程序圖見圖2。

圖2 參數控制程序圖Figure 2 Parameter control program diagram

2.1 pH值的影響及其控制

培養基的pH值是微生物代謝過程的綜合反映，同時pH值的大小也影響生物的代謝和形態，發酵過程pH值控制在4～9。一級種子罐采用液堿調節培養基pH，二級種子罐和發酵罐在滅菌前用鹽酸調節培養基pH值。當發酵液pH值過高時，將小體積的生理酸性營養物質加入發酵液調節pH值，現場通過加入玉米漿和硫酸銨調節pH值。

2.2 溫度的影響及其控制

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

2.3 溶解氧濃度的影響及其控制

微生物細胞在發酵過程中需要利用溶解于水中的氧進行反應作用，發酵罐中的氧不會全部溶解在培養基中，同時供氧不足會造成微生物對營養物質的有氧氧化過程不能徹底進行，因此需要對水中的溶氧量進行控制。氧推動力的方式有多種，現場發酵通過提高攪拌強度減少空氣的需求，通過提高空氣流速和罐壓加快溶氧率，同時適當地降低發酵溫度。通過測量計算呼吸熵可以測定發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

現場需要對罐壓進行控制，使其維持正壓，防止罐污染，同時保證CO2和O2的溶解速度。壓力通過進、出口調節閥進行控制，通入空氣的同時保證一定的罐壓。在項目中，主要分為系統結構設計、基本回路設計、復雜回路設計、配方系統設計、MES系統和報表功能設計[4]。

3 發酵控制系統設計

項目采用西門子PCS7搭建DCS控制系統，DCS系統的穩定性對于工業生產至關重要，而網絡的穩定性又是重中之重。系統設計了3層網絡總線結構：終端總線、工廠總線和現場總線。其中終端總線和工廠總線采用雙層冗余環網結構，現場總線采用冗余結構。冗余容錯總線通過兩個相同的獨立總線環進行設置，網絡組建時需確保通訊運行不受限制，當其中一條總線發生故障，則會通過第2條總線保持通訊[5]。

系統結構如圖3所示，終端總線將服務器與DCS的客戶端相連接，網絡結構設計為基于并行冗余協議的冗余終端總線結構，其中每個PC站與2個獨立的冗余網絡相連接，各使用兩個網絡適配器[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。工廠總線采用太網通訊處理器CP卡實現冗余連接，處理器安裝在自動化系統的每個子系統及其服務器中。現場總線用于自動化系統與分布式I/O之間的數據交換，系統通過PROFIBUS DP將冗余CPU和分布式I/O冗余模塊相連接，同時I/O卡件之間采用互為冗余的設計方式，實現工廠總線的冗余功能。

圖3 系統結構圖Figure 3 System structure diagram

3.1 DCS硬件設計

為了使系統滿足經濟、環保和節能的要求，同時具有冗余及故障安全功能，系統采用S7-400H系統的冗余結構。硬件結構主要由以下3部分組成，終端網絡層硬件部分、工廠網絡層硬件部分和現場網絡層硬件部分[8]。

終端網絡層為系統管理級，包括客戶機和交換機。客戶機采用DELL PRECISION R7910，客戶機之間相互熱備；交換機采用西門子SCALANCE X224，彼此之間構成雙冗余環網。上位機軟件采用PCS7 V9.0及其相應組件，實現操作員過程控制系統的監控。

工廠網絡層為系統過程級，包括服務器、交換機和CPU。服務器為連接終端層和工廠層的唯一接口，可以實現終端網絡和系統網絡的隔離，采用DELL PowerEdge R430，設計為冗余服務器結構，磁盤陣列采用RAID10模式；交換機采用SCALANCE X324，彼此之間構成雙冗余環網；CPU采用西門子冗余CPU410-5H。

現場網絡層為現場級，包括遠程I/O站和卡件。遠程I/O站采用西門子ET200M系列，每個遠程站包含兩塊通訊卡，構成站點冗余；卡件設計了模擬量輸入/輸出卡件、數字量輸入/輸出卡件、通訊卡件，重要設備點設計采用卡件冗余結構，構成I/O冗余。PCS7硬件設計如圖4 所示。

圖4 DCS硬件設計Figure 4 Hardware design of DCS

3.2 DCS程序設計

PCS7系統采用4種編程方式，分別為CFC編程、SCL編程、SFC編程和BATCH編程，4種方式相互結合，自下而上地形成整個系統的編程流程。項目測控程序包括連續生產設計、通訊程序設計和批量配方設計。

3.2.1 連續生產設計 連續生產設計包括：① 用于現場設備運作和過程值測量與報警的基本回路、各類儀表回路、PID回路、閥門回路和電機回路等；② 實現設備安全聯鎖的復雜邏輯回路；③ 特殊功能塊，通過SCL實現特殊功能塊的編程，包括設備共享塊和設備控制塊。

發酵過程中，設備的控制包括聯鎖停車和自動啟停兩大功能。連鎖實現設備的安全運行系統時，當監視值超過臨界點，連鎖關鍵設備就會回到故障安全位置，避免對生命、環境和原材料的破壞以及安全事故的產生。自動啟停功能是為確保當設備處于自動狀態時會隨著過程條件的狀態變化自動啟停，實現連續生產的目的。發酵過程中有些重要化學參數的控制精度和實時性要求比較高，但在實際運行時具有一定的反應滯后性，PID回路功能無法滿足實際需求。基于以上要求，系統設計了順控的連續控制方式，通過偏差值ER進行PID固定開度和自動模式的切換，同時可以通過設定參數實現控制過程的靈活性。

3.2.2 通訊程序設計 通訊程序設計實現與第三方設備的數據通訊，確保在DCS中實現對全廠三方設備的集中管理。DCS系統中，與三方設備進行數據通訊時為了保證通訊的可靠性，項目采用冗余結構通訊方式[9]。其中通訊設備選用HIMA的SIS系統，采用冗余Modbus通訊方式。第三方自動投料包采用冗余以太網通訊方式和冗余DP通訊方式。第三方紅外檢測儀采用冗余OPC通訊方式。

3.2.3 批量配方設計 批量配方設計實現工藝的配方功能，包括設備模塊和配方結構的設計，其中BATCH用于實現整個工藝的配方流程，實現整個工業發酵的批量化生產。一個完整的配方設計自上而下包括配方流程、單元流程、階段工藝功能和操作。項目分為3個階段執行：① 設計階段。分為總體工藝和控制策略設計，目的是消化配方系統以及對UNIT和EM進行劃分。② 組態階段。回路、聯鎖、EM和配方組態編程。③ 測試階段。常規功能測試、EM功能測試和配方測試。作為配方系統中最重要部分，EM的劃分規則依據以下4條準則：還原設備的工藝目的；作為子設備；盡量考慮物理劃分，將控制模塊CM關聯簡單化；考慮軟件實現的合理性。

工業發酵在實際的EM劃分過程中，主要根據物理進行劃分，將物理上相關聯的設備設計為一個EM。在單元UNIT的劃分中，基于基本的物理設備，在狀態變化周期一致的情況下遵循靈活性和簡單性原則。同時在配方設計過程中，難點在控制單元的占用與釋放、EM的劃分、UNIT的劃分和占用釋放、配方過程的設計以及MES數字化部分。

3.3 數據處理

工業發酵控制過程中，項目的數據處理方式主要為MES數字化和報表功能。

3.3.1 MES數字化 發酵工段包含了MES數字化功能，DCS通過配方系統將發酵過程中的重要過程數據傳遞給MES數字化，實現數據的集中管理，同時可以實現發酵的手動加料功能[10]。數據交互接口為編寫的SFC_Type，其中包含需要交互的PO參數，通過在配方中調用實現數據定時發送。手動加料采用Phase的Refresh觸發EBR 的Event PI，通過Refresh觸發，利用SFC_Type自定義一個Bool型的Unblocking參數建立Phase與EBR“握手”應答的交互方式。

3.3.2 報表功能 工業發酵中報表用來記錄現場的工藝參數和統計信息，設計采用EXCEL軟件，手動制作報表基本格式，再讀取SQL Server中的WinCC歸檔數據，將數據及其時間戳寫入相應的單元格，完成報表的制作。

3.4 人機交互界面設計

系統人機交互界面包含WINCC上位機操作界面、BATCH配方操作界面、PDM和AMS維護工作站。工藝操作員通過WINCC實現現場設備的監控，通過BATCH配方操作界面實現工藝配方的操作，通過維護工作站PDM可以實現HART儀表的遠程參數上傳與下載，通過維護工作站AMS可以實現全廠設備在線診斷，檢查自動化系統硬件并處理相關診斷消息和維護要求。WINCC界面按照工藝流程圖進行設計，主要畫面包括配料罐、一級種子罐、二級種子罐、發酵罐、分配站和連消系統等。BATCH配方操作界面包含配方的流程操作，操作員通過界面進行配方工藝參數的設置和配方訂單的發布，具有一定權限的工藝人員可在界面上進行配方工藝流程的修改。PDM和AMS維護工作站操作界面包含所有HART儀表在線參數和硬件診斷界面。人機交互界面如圖5所示。

圖5 人機交互界面Figure 5 Human computer interface

4 結論

發酵測控系統經場調試運行驗證，系統能夠同時適用于連續和批次的生產過程，實現工業發酵的高度自動化，解決手動生產效率低下的問題。系統在原有DCS儀表設備自動化過程的基礎上增加了工藝的自動化過程，可以在同一設備上實現不同的工藝生產過程。系統存在的不足之處為連續的生產過程與數字化的數據交互問題，后期可以通過OPC通訊來解決。