1． 前言

發(fā)酵工程，利用細胞大規(guī)模培養(yǎng)技術，已深入到醫(yī)藥、輕工、食品、農業(yè)、環(huán)保各個領域，在國民經濟中占有很大的比重。提高發(fā)酵水平，具有重要的經濟和社會意義。基于參數相關的發(fā)酵過程多尺度問題研究的放大和優(yōu)化技術的理論，在發(fā)酵工程放大和優(yōu)化上取得了很大的成績。 由于發(fā)酵過程的復雜性和高度非線性等諸多因素和多容量過程特征，使系統(tǒng)具有動態(tài)性和難以預測性，同時發(fā)酵過程嚴酷的工況條件，如高溫、高濕、長周期發(fā)酵等都對生物反應器控制系統(tǒng)提出了嚴格的要求。以FX2n系列PLC為主控制器的生物反應器控制系統(tǒng), 是新的發(fā)酵工程放大和優(yōu)化理論的支撐工作平臺。

2． 控制系統(tǒng)技術要求

1） 生物反應器控制系統(tǒng)的數據采樣對象，溫度、pH、溶解氧等環(huán)境參數是連續(xù)量。

2） 執(zhí)行器，大部分是開關量，如電磁閥、隔膜閥等各類閥門，間隙工作的各類補料泵等。

3） 另有部分模擬量輸出，如攪拌電機轉速控制等。

4） 過程特征變量一般分直接變量和間接變量。發(fā)酵工程，是生物反應過程，過程特征中含有許多難以直接測量的生物變量，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，只能把直接測量得到的直接變量，使用軟測量技術，經函數運算，映射得到。直接測量的精度，穩(wěn)定性和控制系統(tǒng)的運算能力決定了整個系統(tǒng)的品質。

5） 隨著Internet技術的推廣，現代信息技術正在進入到每個領域，并且基于參數相關的發(fā)酵過程多尺度問題研究的放大和優(yōu)化技術的理論，是個全新的概念，正在逐步發(fā)展，需要國內各方面專家的協(xié)同努力，本系統(tǒng)應具有開放的通訊接口，在車間范圍內組成局域網，并通過Internet ，使遠方終端可以瀏覽現場數據，或進行干預。

3． 系統(tǒng)的組成

根據上述技術要求和以往的經驗，我們覺得選用三菱公司的FX2n系列PLC是合適的。FX2n系列PLC有各種擴展模塊可以選擇，如FX2n-4AD-PT, FX2n-4AD, FX2n-232-Bd等擴展模塊，適合模擬量的輸入和數據通信；開關量可以直接輸出；FX2n系列PLC指令集豐富，涵蓋大部分運算。雙字節(jié)浮點運算指令滿足測量和運算的精度。現場精確傳感器檢測各種物理，化學，生物參數，輸入FX2n-4AD-PT和FX2n-4AD等摸塊，PLC運算后輸出控制執(zhí)行器，并和車間操作站數據交換。 人機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。現場控制站安置在生物反應器旁，各類傳感器和PLC安裝在同一控制柜內, 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結構相比,簡化了現場布線。車間操作站IPC, 帶有以太網口，可以和其他PC機組成局域網；C++ 編寫的多線程，多任務軟件包，完成數據分析，趨勢曲線，查詢，打印等功能，并集成了TCP/IP, 便于遠方終端在Internet網上訪問 。圖1是系統(tǒng)配置示意圖。

圖1 系統(tǒng)配置示意圖

4. 主要控制算法和PLC指令

相同的算法可以調用相應的子程序。

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

式中 Δ----- │設定值 – 測量值│（誤差）

P ------ 比例系數（單位: 被控制量）

FS ----- 最大開啟時間（單位: 秒）

MS ---- 最小開啟時間 (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)間復位指令ZRST。圖2是帶不靈敏度區(qū)的分程控制

2）擴展模塊的初始化和pH 、DO 電極的標定

圖2 帶不靈敏區(qū)分程控制

FX2n-4AD,FX2n-4AD-PT 等模塊在第一次使用時，要根據被測工程量范圍、濾波常數等初始設置；pH ,DO 等電極在正式使用前要標定，f(x)=ax+b, 用標準緩沖液定出a、b 使用雙字節(jié)浮點運算指令FLT, BCD, DEADD, DESUB, DEMUL, DED等。

3）數據的存儲

PLC檢測到的數據在送往操作站存儲同時，也在PLC中實時存儲，以提高系統(tǒng)的冗余度。一般認為PLC不容易數據采集和存儲[4]，FX2n 為我們提供了8K字存儲區(qū)，可以滿足每批發(fā)酵的數據量。我們使用了兩種方法：1.定時采集 每隔一段時間采樣一次,存儲后,指針加1, 存儲格式固定, 存儲區(qū)的長度與已存數長度相配,不存時間。2.變化采集 當被采集的參數的變化值大于預定的記錄精度,把此時的數據和時間存入存儲區(qū)。使用變址寄存器V，Z，改變軟元件地址號，對文件寄存器地址號變址修改。

4） 軟測量技術的實現 精確傳感器測得信號后，PLC根據預設的生物數學模型運算，得到不能直接測量的間接變量。如細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 ------ 進入發(fā)酵液的空氣體積流量， m3/h

Fa,o ------ 排出發(fā)酵液的空氣體積流量， m3/h

V -------- 發(fā)酵液體積， m3

F ----------- 流加補料速率， m3/h

no2,i------ 進入發(fā)酵液的空氣中氧的體積分數；

no2,o------ 排出發(fā)酵液的空氣中氧的體積分數；

ro2--------- 氧利用率，mol/m3h

系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時，

使用FX2n的雙字節(jié)浮點運算指令，求取ro2 。

5。 小結

以FX2n系列PLC為主體的生物反應器數據采集和控制系統(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，現已推廣應用于疫苗、微生態(tài)制劑、生物農藥、生物肥料等醫(yī)藥、食品、農業(yè)、環(huán)保等行業(yè)，并在我國(包括傳統(tǒng)生物技術和基因工程技術在內)發(fā)酵行業(yè)裝備現代化技術改造和信息化進程中發(fā)揮了積極作用。本文研究的系統(tǒng)作為項目：”基于過程參數相關的發(fā)酵過程優(yōu)化與放大技術及其生物反應器裝置研究”的組成，被評為2OO1年上海市科技進步一等獎。