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。基于參數(shù)相關(guān)的發(fā)酵過程多尺度問題研究的放大和優(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。 由于發(fā)酵過程的復(fù)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(dòng)態(tài)性和難以預(yù)測性，同時(shí)發(fā)酵過程嚴(yán)酷的工況條件，如高溫、高濕、長周期發(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(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，只能把直接測量得到的直接變量，使用軟測量技術(shù)，經(jīng)函數(shù)運(yùn)算，映射得到。直接測量的精度，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)酵過程多尺度問題研究的放大和優(yōu)化技術(shù)的理論，是個(gè)全新的概念，正在逐步發(fā)展，需要國內(nèi)各方面專家的協(xié)同努力，本系統(tǒng)應(yīng)具有開放的通訊接口，在車間范圍內(nèi)組成局域網(wǎng)，并通過Internet ，使遠(yuǎn)方終端可以瀏覽現(xiàn)場數(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)算指令滿足測量和運(yùn)算的精度?，F(xiàn)場精確傳感器檢測各種物理，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?，F(xiàn)場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,簡化了現(xiàn)場布線。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 。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 – 測量值│（誤差）
P —————— 比例系數(shù)（單位: 被控制量）
FS ————- 最大開啟時(shí)間（單位: 秒）
MS ———— 最小開啟時(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
FX2n-4AD,FX2n-4AD-PT 等模塊在第一次使用時(shí)，要根據(jù)被測工程量范圍、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)[4]，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)的長度與已存數(shù)長度相配,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） 軟測量技術(shù)的實(shí)現(xiàn) 精確傳感器測得信號(hào)后，PLC根據(jù)預(yù)設(shè)的生物數(shù)學(xué)模型運(yùn)算，得到不能直接測量的間接變量。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,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(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，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（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。本文研究的系統(tǒng)作為項(xiàng)目：”基于過程參數(shù)相關(guān)的發(fā)酵過程優(yōu)化與放大技術(shù)及其生物反應(yīng)器裝置研究”的組成，被評(píng)為2OO1年上海市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。