1.前言

發(fā)酵工程，利用細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)，已深入到醫(yī)藥、輕工、食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)保各個(gè)領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì) 中占有很大的比重。提高發(fā)酵水平，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義?；趨?shù)相關(guān)的發(fā)酵過(guò)程多尺度問(wèn)題研究的放大和優(yōu)化技術(shù)的理論，在發(fā)酵工程放大和優(yōu)化上取得 了很大的成績(jī)。由于發(fā)酵過(guò)程的復(fù)雜性和高度非線性等諸多因素和多容量過(guò)程特征，使系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)性和難以預(yù)測(cè)性，同時(shí)發(fā)酵過(guò)程嚴(yán)酷的工況條件，如高溫、高濕、長(zhǎng)周期發(fā)酵等都對(duì)生物反應(yīng)器控制系統(tǒng)提出了嚴(yán)格的要求。以FX2N系列PLC為主控制器的生物反應(yīng)器控制系統(tǒng),　是新的發(fā)酵工程放大和優(yōu)化理論的支撐工作平臺(tái)。

2.控制系統(tǒng)技術(shù)要求

1） 生物反應(yīng)器控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣對(duì)象，溫度、pH、溶解氧等環(huán)境參數(shù)是連續(xù)量。

2） 執(zhí)行器，大部分是開(kāi)關(guān)量，如電磁閥、隔膜閥等各類閥門，間隙工作的各類補(bǔ)料泵等。

3） 另有部分模擬量輸出，如攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速控制等。

4） 過(guò)程特征變量一般分直接變量和間接變量。發(fā)酵工程，是生物反應(yīng)過(guò)程，過(guò)程特征中含有許多難以直接測(cè)量的生物變量，如攝氧率OUR，二氧化碳釋放率CER， 呼吸商RQ等，這些間接變量對(duì)基于多尺度法研究的新的發(fā)酵工程放大和優(yōu)化具有極為重要的意義，只能把直接測(cè)量得到的直接變量，使用軟測(cè)量技術(shù)，經(jīng)函數(shù)運(yùn)算，映射得到。直接測(cè)量的精度，穩(wěn)定性和控制系統(tǒng)的運(yùn)算能力決定了整個(gè)系統(tǒng)的品質(zhì)。

5） 隨著Internet技術(shù)的推廣，現(xiàn)代信息技術(shù)正在進(jìn)入到每個(gè)領(lǐng)域，并且基于參數(shù)相關(guān)的發(fā)酵過(guò)程多尺度問(wèn)題研究的放大和優(yōu)化技術(shù)的理論，是個(gè)全新的概念，正在逐步發(fā)展，需要國(guó)內(nèi)各方面專家的協(xié)同努力，本系統(tǒng)應(yīng)具有開(kāi)放的通訊接口，在車間范圍內(nèi)組成局域網(wǎng)，并通過(guò)Internet　，使遠(yuǎn)方終端可以瀏 覽現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，或進(jìn)行干預(yù)。

3.系統(tǒng)的組成

根據(jù)上述技術(shù)要求和以往的經(jīng)驗(yàn)，我們覺(jué)得選用三菱公司的FX2n系列PLC是合適的。FX2N系列PLC有各種擴(kuò)展模塊可以選擇，如FX2N-4AD-PT、FX2N-4AD、FX2N-232-Bd等擴(kuò)展模塊，適合模擬量的輸入和數(shù)據(jù)通信； 開(kāi)關(guān)量可以直接輸出；FX2n系列PLC指令集豐富，涵蓋大部分運(yùn)算。雙字節(jié)浮點(diǎn)運(yùn)算指令滿足測(cè)量和運(yùn)算的精度。

現(xiàn)場(chǎng)傳感器檢測(cè)各種物理，化 學(xué)，生物參數(shù)，輸入FX2N-4AD-PT和FX2n-4AD等摸塊，PLC運(yùn)算后輸出控制執(zhí)行器，并和車間操作站數(shù)據(jù)交換。

人機(jī)界面采用三菱公司的A975GOT-TBA-B,　10.4英寸液晶屏帶觸摸鍵，畫面豐富，還編制了多幅用戶幫助畫面，提供在線幫助，界面友好。

現(xiàn)場(chǎng)控制站安置在生物反應(yīng)器旁，各類傳感器和PLC安裝在同一控制柜內(nèi)，變送器、PLC等供電回路加配交流濾波器。通訊用雙絞電纜鏈往車間操作站，與PC-BASED結(jié)構(gòu)相比，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)布線。

車間操作站IPC，帶有以太網(wǎng)口，可以和其他PC機(jī)組成局域網(wǎng)；C++編寫的多線程，多任務(wù)軟件包，完 成數(shù)據(jù)分析，趨勢(shì)曲線，查詢，打印等功能，并集成了TCP/IP，便于遠(yuǎn)方終端在Internet網(wǎng)上訪問(wèn)。
圖1是系統(tǒng)配置示意圖。

4.主要控制算法和PLC指令

相同的算法可以調(diào)用相應(yīng)的子程序。

1） 帶不靈敏度區(qū)的分程控制溫度、Ph等參數(shù)的控制規(guī)律如式1：

式中　　Δ----- │設(shè)定值　– 測(cè)量值│（誤差）
P ------ 比例系數(shù)（單位: 被控制量）
FS ----- zui大開(kāi)啟時(shí)間（單位: 秒）
MS ---- zui小開(kāi)啟時(shí)間　（單位: 秒）
NSB --- 不靈敏區(qū)　（單位: 被控制量）

PLC程序中使用了區(qū)間比較16位指令ZCP。需注意的是執(zhí)行該指令后， 要執(zhí)行區(qū)間復(fù)位指令ZRST。 圖2是帶不靈敏度區(qū)的分程控制

2） 擴(kuò)展模塊的初始化和pH、DO電極的標(biāo)定

圖2 帶不靈敏區(qū)分程控制

FX2n-4AD、FX2n-4AD-PT等模塊在*次使用時(shí)，要根據(jù)被測(cè)工程量范圍、濾波常數(shù)等初始設(shè)置；pH、DO等電極在正式使用前要標(biāo)定，f（x）=ax+b，用標(biāo)準(zhǔn)緩沖液定出a、b使用雙字節(jié)浮點(diǎn)運(yùn)算指令FLT、BCD、DEADD、DESUB、DEMUL、DED等。

3） 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)

PLC檢測(cè)到的數(shù)據(jù)在送往操作站存儲(chǔ)同時(shí)，也在PLC中實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，以提高系統(tǒng)的冗余度。

一般認(rèn)為PLC不容易數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ) ，F(xiàn)X2N為我們提供了8K字存儲(chǔ)區(qū)，可以滿足每批發(fā)酵的數(shù)據(jù)量。我們使用了兩種方法：

（1）.定時(shí)采集

每隔一段時(shí)間采樣一次，存儲(chǔ)后， 指針加1，存儲(chǔ)格式固定，存儲(chǔ)區(qū)的長(zhǎng)度與已存數(shù)長(zhǎng)度相配，不存時(shí)間。

（2）.變化采集

當(dāng)被采集的參數(shù)的變化值大于預(yù)定的記錄精度，把此時(shí)的數(shù)據(jù)和時(shí)間存入存儲(chǔ)區(qū)。使用變址寄存器V、Z，改變軟元件地址號(hào)，對(duì)文件寄存器地址號(hào)變址修改。

4） 軟測(cè)量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

傳感器測(cè)得信號(hào)后，PLC根據(jù)預(yù)設(shè)的生 物數(shù)學(xué)模型運(yùn)算，得到不能直接測(cè)量的間接變量[3]。 如細(xì)胞代謝流信息之一攝氧率OUR，摩爾氧表示：

式中　　　Co2-------- 溶解氧濃度，mol/m3
Fa,i ------ 進(jìn)入發(fā)酵液的空氣體積流量，　m3/h
Fa,i ------ 排出發(fā) 酵液的空氣體積流量，　m3/h
V --------- 發(fā)酵液體積，　m3
F ----------- 流 加補(bǔ)料速率，　　m3/h
no2,i------ 進(jìn)入發(fā)酵液的空氣中氧的體積分?jǐn)?shù)；
no2,o------ 排出發(fā)酵液的空氣中氧的體積分?jǐn)?shù)；
ro2--------- 氧利用率，mol/m3h

系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時(shí)，

使用FX2N的雙字節(jié)浮點(diǎn)運(yùn)算指令，求取ro2 。

5.小結(jié)

以FX2N系列PLC為主體的生物反應(yīng)器數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，性能穩(wěn)定，使用于發(fā)酵工程放大和優(yōu)化，取得了很好的成績(jī)，現(xiàn)已推廣應(yīng)用于疫苗、微生態(tài)制劑、生物農(nóng)藥、生物肥料等醫(yī)藥、食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等行業(yè)，并在我國(guó)（包括傳統(tǒng)生物技術(shù)和基因工程技術(shù)在內(nèi)）發(fā)酵行業(yè)裝備現(xiàn)代化技術(shù)改造和信息化進(jìn)程中發(fā)揮了積極作用。