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(fā)酵工程放大和優(yōu)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(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(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(jié)浮點運算指令滿足測量和運算的精度?，F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
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,，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。