基于PLC的微生物通用式发酵装置控制系统设计

陆 兵，薄翠梅，杨世品，黄庆庆，牛 超

LU Bing, BO Cui-mei, YANG Shi-pin, HUANG Qing-qing, NIU Chao

（南京工业大学 电气工程与控制科学学院，南京 211816）

0 引言

微生物反应发酵过程是一种典型的间歇过程，利用微生物发酵技术的生产规模也随着科技的发展不断扩大。目前生物发酵技术己经在卫生医药、农林牧渔、轻工食品、新型能源等多个重要领域发挥着举足轻重的作用，例如医学上所使用的各种抗生素、生物酶制剂等，这些都是跟微生物的发酵工程紧密相关的[1,2]。本文对微生物发酵过程进行学习和研究，从而设计出合理的控制方案以提高该方面的工艺水平，促进微生物反应发酵技术的发展。

考虑到生产要求和微生物发酵的特殊性，结合当下计算机软硬件技术，智能仪器仪表，决定采用基于西门子PLC和Wincc的综合自动化控制系统。

1 微生物发酵过程

微生物发酵工艺流程如下：首先配制糖盐原料，并进行连续消毒，然后向其中加入热辅材料和碱液配置成发酵所需要的营养原液。最后，营养液和种子液一起加入到发酵罐中进行设定时间的发酵过程。其中，糖盐原料的消毒过程需要严格控制温度范围，确保其液体完全达到无菌的环境要求，并且还要确保调节罐中的pH值稳定在规定范围内，避免营养液失效[3～5]。

图1 发酵工艺简易示意图

如图1所示，该生物发酵过程中主要由标准碱液的自动配制、热敏辅料标准液的自动配制、糖/盐液的消毒与供应、调节罐及发酵罐的发酵环境自动稳定系统四大部分组成。该系统具有通用性，符合多种菌类发酵的条件。

2 PLC控制系统设计[6]

PLC控制系统主要对各个对象参数进行测量，同时对一些关键变量进行稳定控制，确保微生物发酵反应的顺利进行，并且配合组态软件进行数据的界面显示和实时监控，控制系统网络图如图2所示。本文使用西门子CPU315-2DP作为系统的主控制器，通过SM322数字量输出模块对电机和水泵进行起停控制，利用SM321数字量输入模块检测电机和水泵的运动状态以及外部辅助触点的状态，SM332模拟量输出模块控制调节阀的开度，SM331模拟量输入模块检测压力，浓度，pH值，温度，溶解氧浓度等模拟量信号。检测到的信号经过检测仪表的变送器统一变为4～20mA的标准电流信号，用带屏蔽的信号电缆线将该电信号传送至SM331模拟量输入模块。

图2 控制系统网络图

本次设计中，PLC模块的硬件组态图如图3所示。温度仪表为热电阻，采用3线制接法与AI模块相连，由PLC的内部电压供电。其余仪表直接由220V交流电供电，根据其量程范围，反馈对应的4～20mA信号。开关阀和调节阀也统一采用220V交流电供电，控制方式分别是24V的开关量信号和4～20mA的模拟量信号。

图3 PLC硬件组态图

生物发酵反应的启动过程是较为繁琐的，为了提高自动控制水平，减少操作员的工作量，设计了PLC启动程序，其控制流程如图4所示，启动程序按照工艺流程进行顺序控制，并且使用闭环控制对每一个被控参数进行反馈控制。开始每一批次的发酵前，先进行设备灭菌，将高压蒸汽打入到设备中，使所有设备达到既定的温度和气压并保持一段时间，完成后才开始原料配制。热辅材料和碱液直接加装已灭菌的原料，并控制在一定浓度内，糖盐原料配料后需要进行高温消毒过程。考虑到之前的灭菌过程会使得设备中存有冷凝水，所以在进入调节管前都进行了浓度检测，并且在软件上设置一定时间的配料回流，防止初始原料浓度过低。

图4 启动程序控制流程图

3 人机界面与故障报警实现

为了加强监控系统的智能化，本文设计了人机界面和故障报警系统。操作员站采用西门子IPC3000smart工控机，在PCI插槽中安装CP5611采集卡，操作员站与PLC采用Profibus-DP通讯协议，在组态过程中选择相应的驱动，设置与软件程序中相符合的各个变量，实现变量之间的通讯连接[7]。图5是设计的控制系统监控界面，利用工控机的WinCC人机界面平台，当有报警发生时，操作人员只需点击故障报警条，就可直接切换到操作界面。系统故障写入也是采用同步写入法。把优先级最高的故障写入故障选择列表。一旦检测到故障发生，则会根据故障的优先级在界面上显示出来，界面上的解决方法会和工程师站上诊断的结果同步更新，显示结果如图6所示。

图5 控制系统监控界面图

图6 故障记录图

工程师站采用研华工控机，通过构建的工业以太网与服务器相连，通过OPC协议实现数据通讯[8,9]。通常，一次微生物发酵实验不可能在一天内完成，总是不分白昼的进行，所以需要对反应对象进行不间断的监控和故障报警提示。晚上无人监管实验时，出现的故障报警需要被一一记录下来，供第二天的分析和预警。本项目设计中的故障报警系统程序运行在工程师站上，采用专家系统方法开发，由六大部分组成：人机接口、知识获取机制、知识库、推理机、实时数据库和人机对话模块，结构框图如图7所示。

本系统是基于专家系统构建的，所以知识是决定本系统性能是否优越的关键因素[10,11]。其知识应该包含了发酵过程的事实类知识，过程参数知识，机理模型知识（例如：动力学方程）。生物发酵反应是不断提高目标产物的生物量浓度，当目标产物的生物量浓度长时间不变时有可能是反应已经接近尾声，也可能是营养液不足的问题。然而，工业生产中尚无法实现基质、产物、代谢物浓度等的在线快速测量，所以无法快速，但可以测量相关的过程量数据，如温度，空气流速，搅拌速度，培养液体积。利用专家系统，依据已知的过程量数据，根据用户输入的数据和信息，对生物发酵反应过程运行情况作出分析，确定反应是否出现问题，如有问题则给出相应的解决方案。利用专家系统分析故障准确，高效，灵活的特点，可以方便本系统的使用。

故障报警系统和监控系统分离是本系统的一大特点。复杂的推理过程需要占用大量的计算机系统资源，如把系统整体运行在操作员站上，将会造成系统的不稳定，存在不可预知的隐患。因此，本系统把系统的知识库、规则库和推理机等故障诊断程序运行在工程师站上，而只把人机监控界面运行在操作员站上，通过OPC技术实现工业以太网内电脑之间的自由通信，保证了操作员站的稳定运行。

4 结束语

本系统根据发酵领域的工艺要求，可以实现一键式的开停车工作，减少操作员的手动控制，实现微生物连续发酵过程的自动化控制，能够运用于多种菌类的发酵生产，达到既定的生产工艺要求。同时，本系统不间断的监控和记录重要参数，并能调出历史曲线，利用专家系统对设备进行故障报警，有利于分析微生物发酵结果产物的品质，保证控制系统运行的稳定与安全。

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