菌类发酵培养控制系统设计

才存良+何佳融

摘 要：设计了一种具有结构简单、控制精准、价格低廉、可批量生产等优势的基于PLC控制的菌类发酵培养系统。系统采用西门子PLC的S7-200系列作为控制CPU，通过传感器、HMI、RS-485通讯和以太网通信监测发酵罐内的温度、pH值、含氧量、压力等参数，并组态报警系统。一旦监测参数超过预设范围，即发出报警提示操作人员调整发酵环境，以保证发酵产物的数量与质量。经过多次试验、软硬件改进以及控制方案的优化，基于PLC控制的菌类发酵培养系统已成功实现对发酵罐内被监测参数的控制、采集、存储等各项功能。

关键词：PLC 菌类发酵 控制系统 HMI组态

中图分类号：TP334 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）09（c）-0211-02

所谓发酵生产，其过程就是把微生物放在合适的培养基中，控制适宜的温度、pH、含氧量、压力，进行培养，某些物质会在微生物所产生的酶的作用下转化为人们所需要的产品。发酵生产过程的特点有以下方面。

（1）菌体的生长情况与产物的生产不成正比。

（2）理论产量不能用物料平衡算法来计算。

（3）发酵生产极不稳定。

由此可见，发酵生产的过程是极其复杂的，它有着极大的不确定性，且不能用线性函数关系去阐述，这就导致大多数控制发酵生产过程的方法是离线分析的，但是离线分析有着巨大的缺陷：分析周期长、分析仪器贵、调解策略制定缓慢。

本文从硬件方面着手，建立数字化发酵培养系统，监测发酵情况、采集发酵数据、建立报警系统，根据监测的数据情况调整发酵环境。

1 总体控制方案

1.1 菌类发酵培养系统被控对象分析

本文设计的菌类发酵培养控制系统选择的是补料发酵的方式，并且实现了在线监控生化环境的功能。本文的控制对象是大型液体发酵设备，其罐体结构如图1所示。

1.2 菌类发酵培养控制系统的总体框架

本文采用西门子HMI人机交互设备与S7-200搭配使用组成控制系统体系。两者分工明确，HMI人机交互设进行核心参变量的设置和过程监视，S7-200 226PLC搭载相关功能的模块对每个核心参变量实施实时的测量控制，在S7-200 226PLC内集成了多路PID调控回路，并使用在本设备不锈钢罐体内的温度、酸碱值/ORP、DO等的控制回路中，系统结构框图如图2所示。

2 发酵培养控制系统硬件实现

根据系统要求、传感设备输出信号的特性以及现场控制设备的工作特征，对S7-200系列逻辑可编程控制器的CPU、数字量的输入/输出模块、模拟量的输入/输出模块、以太网通讯模块、人机交互设备进行了选型，如表1所示。

该系统配置提供了40路的数字量输入通道、32路的数字量输出通道、4路模拟量输入通道、1路模拟量输出通道以及以太网通讯端口。

CPU采用的S7-200系列226型，该主机具有16路数字量输入、24路数字量输出以及两个自由通讯口PORT0和PORT1。数字量的输入输出均用两组欧姆龙继电器做隔离，增加系统稳定性，保护PLC主机。PORT0用于与HMI设备SMART 1000通讯，PORT1则用于数据的导出。

EM223模塊作为扩展的数字量输入输出模块用作对PLC主机的扩展，其作用是预留足够的系统有效冗余。这种设计理念能够有效的确保该系统具有可再扩展的能力。

EM235模拟量输入输出模块具有4路模拟量采集通道可用于对四种传感器数据采集，以及单路模拟量输出通道用于控制电机的调速模块。

CP243-1以太网扩展模块的采用给系统配置了一个以太网通讯端口，提供了与工业交换机、工业PC机通信的另一高速通道，使得系统具有组网的能力。

SMART 1000触摸屏为SIEMENS公司工业自动化领域极为稳定的人机交互设备，他提供了简单且强大的组态软件，使得人机交互变得更为便捷与友好。

3 发酵培养控制系统的组态

发酵培养系统在启动后直接进入的就是预先设置的主操作界面。主操作界面中设计有如下几点功能。

（1）对酸料蠕动泵、碱料蠕动泵、补料泵、消泡泵、搅拌器、通气阀、加热器六种输出的状态检测并且以不同颜色的色块表示，对六种输出的开、关时间的设定，以及对转速SPD、压力值的设定，对搅拌器的扇叶做动画处理。

（2）直接用I/O域显示酸料蠕动泵、碱料蠕动泵、补料泵、消泡泵四种泵体各自的泵入总量以及所有泵体泵入液体总量和消耗的总时间。直接用I/O域显示pH、溶解氧、氧化还原电位、温度四种参数的测得值。

（3）标识当前设备的ID、单步/多步运行状态以及多步状态下的当前运行步骤、当前发酵培养的批号等。

（4）组态有报警视图与报警提示窗。在无报警状态下，报警视图中没有内容呈现背景颜色，报警提示窗隐藏。有报警状态下，点击报警视图中的报警条目即可查看报警帮助与解决方案。

菌类发酵培养控制系统的主操作界面组态如图3所示。

4 结语

本文对基于PLC控制的菌类发酵培养系统进行了深入的研究，了解了发酵设备应具有的功能：核心环境参数的检测与控制、强大的现场监视与控制能力以及友好的人机交互界面，开发出一款结构简单、价格低廉、控制精准的菌类发酵培养系统。该系统充分的发挥了PLC控制系统稳定、耐用、控制逻辑强大等优势使得系统在每个方面都表现的很出色。总的来说，该系统实现了自动化的、智能化的发酵控制，对核心环境参数控制精准，对现场设备实现了实时监控，各方面都达到了市场要求，可广泛适用于各种菌类的发酵控制，并且已经具有批量生产的条件，并不是只存在于实验室阶段。

参考文献

[1] 戴亮.PC-PLC控制系统设计[D].上海：华东师范大学，2011.

[2] 苗红霞，齐本胜.PLC控制技术实验教学改革研究与实践[J].实验技术与管理，2010（3）：136-139.

[3] Shuzhi Sam GE，Chee Khiang PANG，Tong Heng LEE. Robust adaptive neuro-fuzzy control of uncertain nonholonomic systems.[J] Journal of Control Theory and Applications，2010（2）：125-138.

[4] 王礼贵.大型精密仪器设备共享平台的建设与实践[J].实验室研究与探索，2011（3）：188-190，197.

[5] 漆海霞，邢航，杨秀丽.基于组态软件的PLC控制系统半实物仿真[J].桂林理工大学学报，2012（4）：543-546.

[6] 朱凌云，林琳.基于WINCC的PLC控制系统仿真平台设计[J].实验室研究与探索，2010（5）：49-53.endprint