1． 前言

      發酵工程，利用細胞大規模培養技術，已深入到醫藥、輕工、食品、農業、環保各個領域，在國民經濟中占有很大的比重。提高發酵水平，具有重要的經濟和社會意義。基于參數相關的發酵過程多尺度問題研究的放大和優化技術的理論，在發酵工程放大和優化上取得了很大的成績。 由于發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，使系統具有動態性和難以預測性，同時發酵過程嚴酷的工況條件，如高溫、高濕、長周期發酵等都對生物反應器控制系統提出了嚴格的要求。以FX2n系列PLC為主控制器的生物反應器控制系統, 是新的發酵工程放大和優化理論的支撐工作平臺。

2． 控制系統技術要求

      1） 生物反應器控制系統的數據采樣對象，溫度、pH、溶解氧等環境參數是連續量。

      2） 執行器，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酵工程放大和優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，穩定性和控制系統的運算能力決定了整個系統的品質。

       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酵過程多尺度問題研究的放大和優化技術的理論，是個全新的概念，正在逐步發展，需要國內各方面專家的協同努力，本系統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是系統配置示意圖。   

                                                              圖1 系統配置示意圖

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） 帶不靈敏度區的分程控制 溫度、Ph等參數的控制規律如式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 （單位: 被控制量）

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

       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，可以滿足每批發酵的數據量。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。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 ------ 進入發酵液的空氣體積流量， m3/h

              Fa,o ------ 排出發酵液的空氣體積流量， m3/h

                 V -------- 發酵液體積， m3

                F ----------- 流加補料速率， m3/h

                no2,i------ 進入發酵液的空氣中氧的體積分數；

                no2,o------ 排出發酵液的空氣中氧的體積分數；

                ro2--------- 氧利用率，mol/m3h

       系統趨于穩定時，

       使用FX2n的雙字節浮點運算指令，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，性能穩定, 使用于發酵工程放大和優化，取得了很好的成績，現已推廣應用于疫苗、微生態制劑、生物農藥、生物肥料等醫藥、食品、農業、環保等行業，并在我國(包括傳統生物技術和基因工程技術在內)發酵行業裝備現代化技術改造和信息化進程中發揮了積極作用。本文研究的系統作為項目：”基于過程參數相關的發酵過程優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。