隨著我國大力發展生物工程技術，生物發酵技術也實現了快速發展，可以人為控制和改造微生物生產如人的胰島素、生長激素和干擾素等醫療藥品。微生物發酵過程是一個多參數融合的極其復雜的過程，實驗結果的成敗依賴工藝參數的控制精確度，控制系統的穩定運行決定著實驗的反應速率和代謝產物的質量。同時，微生物發酵實驗過程也是一個緩慢的過程，需要實驗人員長時間監測與調整。因此，設計一款精確度高、運行可靠并能夠遠程監測與控制的生物發酵罐系統是非常必要的。嵌入式系統和可編程控制器是當今最流行的控制器，綜合考慮生物發酵罐的可靠性需求，本系統采用工業控制設備可編程控制器作為核心控制器。
1 系統總體設計方案
系統采用西門子S7-1200PLC CPU1214為主控制器，如圖1所示，通過傳感器檢測發酵罐中的溫度、pH值、溶氧量等發酵過程中重要的指標參數，通過電機、蠕動泵等執行器控制調節發酵罐中的各項指標。人機界面(HMI)通過以太網通信，可以實時監測和控制發酵罐中的各項參數，同時利用以太網連接GRM533YW遠程模塊，將發酵罐中的參數以4G或WIFI網絡發送到遠程手機/平板或WEB網頁中，方便實驗人員遠程監測和控制發酵罐中的參數調整。
圖1 系統總體框圖
2 硬件系統設計
西門子S7-1200 PLC是目前使用最廣泛的工業控制器，其優秀的可靠性和簡單的編程方法使其在工業領域具有重要地位。該系統采用S7-1200 PLC系列中的CPU1214C集成以太網接口，CUP帶有14點集成24VDC數字量輸入，10點集成數字量輸出和2點集成0～10 V模擬量輸入，并且帶有PID控制器，具有自動整定功能。由于發酵過程需要控制如溫度、pH值和溶氧等模擬量信號，因此該系統還增加了4路模擬量輸入、2路模擬量輸出SM1234和4路模擬量輸入SM1231擴展模塊以及CM1241 RS485/422通訊模塊。
如圖2所示，考慮到發酵實驗過程中通常需要多組對照實驗，該系統設計了實驗組和對照組兩組相同但獨立的反應系統，采用一個控制器進行控制以減少非發酵過程中的因素影響。發酵過程中的消泡、補料、補酸和補堿泵采用RS-485通信方式STM17S集成步進電機，如圖3所示，采用兩線制半雙工連接方式可以使用一臺PLC主機連接并控制多臺驅動器。溫度測量采用PT100傳感器和4～20 mA的導軌式溫度變送器，基本無誤差。pH值和溶氧(DO)采用Hamilton高精度傳感器。采用盤式電熱絲和循環冷卻水控制發酵過程溫度。采用西門子V20變頻器控制三相異步電動機完成攪拌。采用MCGS觸摸屏完成發酵過程的數據監控、存儲與分析。采用GRM533YW通過4G/WIFI完成遠程監控。
圖2 系統結構圖
圖3 集成步進電機
3 系統軟件設計
發酵是一個復雜的過程，涉及微生物細胞的生長和代謝，是具有時變性、隨機性和多變量輸入的動態過程。PLC程序設計通過模糊自適應PID等各種控制方法確保發酵技術參數穩定與準確，人機界面軟件確保發酵過程操作簡單方便，遠程監控系統減少實驗人員的盯守時間。
3.1 PLC軟件設計
根據實驗復雜多變的需求，融合生物發酵多個參數指標，補料方式設計為恒動補料、恒頻補料和關聯補料方式三種方式。恒動補料是可以設定恒動的流速和補料的容量，可以最大的流速不能超過1 500 mL/h; 恒頻補料實現恒定的時間補加指定容量的料液，可以設定間隔的時間(單位是min)和間隔的時間內添加容量，可以最大的流速不能超過1 500 mL/h; 關聯補料是實現多段不同流速和不同容量的料液，可以設定開始和結束的關聯時間，設定多段不同流速和不同容量的間隔時間，以及每段中的流速和補料的總容量。并且可以顯示在實驗開始到結束的每個蠕動泵的不同補料方式的總補料容量，方便統計發酵過程的補料總數。
溫度、pH值控制方案采用模糊自適應PID算法，如圖4所示，模糊控制器以誤差E和誤差變化率EC作為輸入，利用模糊規則對PID控制器的參數Kp、Ki和Kd進行自適應整定，使被控對象保持在良好的動、靜態穩定狀態。對于發酵反應過程的時變性和非線性較大系統，采用模糊自適應PID相比傳統的PID,控制過程靈活穩定，控制效果更加突出。
自動攪拌過程攪拌速度融合于DO變化，通過傳感器監測到DO值的變換線性關聯攪拌速度，在上位機界面可以設置DO數值的上限和下限、DO與攪拌速度的關系阻尼系數、攪拌速度的上限和下限和攪拌的轉數變化比例。例如，發酵工藝需要將DO控制在25%～40%的范圍內，DO與攪拌速度的關系阻尼系數可以設定為30 s, 表示DO不在設定的上下限范圍內時，可以每隔30 s根據設定的步伐調整一次轉速的設定值，當DO在設定范圍內時，攪拌速度在設定上下限關聯于設定的DO上下限。
圖4 模糊自適應PID算法框圖
3.2 人機界面設計
人機界面是實驗人員觀察和調整發酵過程的窗口。本方案設計的重要參數集中觀察的主界面、溫度和pH值、攪拌與DO、補料等觀察數據和調整參數界面。如圖5所示，在參數主頁面中可以查看溫度、pH值、DO、攪拌速度和泵的流量等重要參數，可以通過單擊發酵罐切換實驗組和對照組的界面。如圖6所示，補料方式設計恒動補料、恒頻補料和關聯補料方式的設計窗口。
圖5 參數主頁面
圖6 補料泵A1頁面
溫度和pH值設置頁面如圖7所示。溫度值可以設定并可以顯示當前溫度，既可手動加熱和冷卻，也可以根據設定值自動調溫，并有加熱和冷卻狀態指示燈。pH值可以設定并可以顯示當前pH值，既可手動加堿和加酸，也可以根據設定值自動調節，并有加堿和加酸狀態指示燈。添加顯示補堿和補酸的累計容量，方便統計實驗過程中總的補料量。添加溫度和pH值實時曲線。自動控制范圍：冷卻水溫+5～50 ℃(±0.2 ℃)顯示范圍：0～150 ℃。pH值顯示控制：2.00～12.00(pH值±0.05)。
圖7 溫度和pH設置頁面
攪拌和DO設置頁面如圖8所示，攪拌速度可以設定并可以顯示當前速度，既可以按照設定速度自動運行，也可以根據溶氧量關聯運行，并有攪拌電機和急停狀態指示燈。攪拌和溶氧關聯運行時，按照設定的溶氧量范圍關聯攪拌速度從設定的最小速度到最大速度調節。調節速度的精度可以設置，默認是0.5 r/min。攪拌轉速：變頻調速范圍50～800(±5 r/min);溶解氧：0～150(±2%)。
圖8 攪拌和DO設置頁面
泵校準頁面如圖9所示，一般設定時間輸入框輸入600 s, 單擊“開泵”按鈕，此時補料泵A1開始運行，記錄測得總的容積，填寫到測得總容積輸入框中，單擊“校準”按鈕完成校準操作。此時流量輸入框中自動計算出泵的流速。同時本頁面保留定量加酸和加堿功能。
圖9 泵校準頁面
DO和pH電極校驗頁面如圖10所示，將電極放在配置好的發酵罐中靜止，待電極穩定后，單擊“校驗”按鈕，完成靜止溶液溶氧100%的校驗；將pH電極放置到pH值為7.0的標準液中，待數值穩定后，單擊“校驗”按鈕，完成校驗，將電極擦拭干凈，再將電極放置pH值為4.01標準液中，待數值穩定后，驗證pH電極校準是否準確，完成pH電極校準工作。
圖10 電極校準頁面
在實驗過程中為方便分析重要參數的趨勢，設計了歷史曲線界面包括溫度、pH值、DO、攪拌、補料A1、補料A2和堿泵補料總量，如圖11所示。在歷史曲線的左下角有7個按鈕，可以控制曲線控件的左翻、左翻半頁、左翻四分之一頁、右翻、右翻半頁、右翻四分之一頁和數據顯示設定特定范圍。畫面右側是7個添加曲線按鈕，可以在按鈕右邊輸入框中輸入顯示當前數據曲線的最小和最大縱坐標的范圍。
圖11 歷史曲線頁面
為了記錄發酵過程中的是否發生影響實驗結果的意外，設計的報警界面可以查閱發酵過程中的所有報警信息。當前報警位于上表格，歷史報警位于下表格，如圖12所示。
圖12 報警頁面
為試驗后能夠總結發酵過程的重要參數趨勢，整個實驗的重要參數都進行了記錄，如圖13所示。默認顯示所有的數據，單擊 “設置”按鈕，可以顯示設置的特定范圍內的數據，數據可以通過U盤導出。
圖13 報表頁面
設計溫度跟蹤控制，如圖14所示。該系統溫度可以實現多段控制及跟蹤控制。單擊“溫控曲線”頁面右下的“設定”按鈕，進入“配方”頁面，選擇已有的“配方”,也可以編輯新的配方，滿足不同實驗溫度控制要求。
圖14 溫控曲線頁面
3.3 遠程監控軟件設計
遠程監控軟件通過無線通信模塊GRM530實現，其可做PLC系統的協議轉換網關，支持現場數據轉發、手機APP監控、微信消息推送報警等功能。本方案中現場監測的數據到服務器端的數據采用的GRM530無線通信模塊轉發，通信網絡可以選擇4G或WIFI。報警信息通過此模塊完成轉發，并且可以通過APP或網頁監控現場的實時數據。如圖15所示，使用微信報警和微信查看數據的方法，模塊需要選配歷史數據和微信報警功能，在GRMDEV軟件中配置短信報警，包括報警條件(比如PLC寄存器大于30)、報警內容，下載到模塊。必須先配置歷史報警，GRMDEV軟件工程選項的基本選項里面要勾選。發生報警后，管理員微信可以收到報警信息，提示相關實驗人員處理報警。遠程監控軟件除了設計微信推送報警功能外，還可以通過手機APP或網頁，完成重要參數的觀察和調整等相關的控制，界面設計與觸摸屏設計風格相同，如圖16所示。
圖15 微信報警
圖16 遠程監控主頁面
4 實驗驗證
為了驗證發酵罐的發酵質量，選用5組發酵罐以大腸桿菌和釀酒酵母作為底盤物種，發酵產出番茄紅素、β-胡蘿卜素、玉米黃質、蝦青素、藏紅花酸。系統的溫控曲線跟蹤穩定，pH值和溶氧指標均穩定控制在實驗需要的范圍。發酵產品的產量穩定產率良好，如表1所示。
表1 發酵產品的產量和產率
5 結束語
本文詳細闡述了一種基于可編程控制的新型發酵罐系統的設計。本系統采用工業領域的可編程控制器和更加精確的集成步進電機作為加料泵，提高系統的穩定和可靠性；本系統設計更加符合實驗要求的一拖二式的發酵罐，系統的關鍵參數設計了更加先進的模糊自適應PID算法增加實驗的準確性；設計恒動補料、恒頻補料、關聯補料等更多樣的補料方式增加實驗的靈活性；設計的微信報警和遠程監控減少實驗人員的長時間盯守增加方便性。
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