虚实结合的土霉素发酵罐控制系统在实验教学中的应用

高月华 郝雷 白雪

摘 要：在PLC实验室，建设真实的被控对象实验装置难度大，维护困难，功能无法更新，无法满足多样化教学需求。因此设计、开发了土霉素发酵罐虚拟仿真控制系统，可用于过程控制和PLC等课程的实验教学。该系统采用罗克韦尔PLC为控制器，使用MATLAB搭建SY3010B型土霉素发酵罐的数学模型，RSView SE软件组态虚拟界面，通过RSLinx软件实现PLC与被控对象之间基于OPC的通讯。根据土霉素发酵工艺的要求，利用该平台对发酵罐内部影响其产物优劣的两个重要因素温度和发酵液PH值实现基于PID的控制算法，使其基本稳定在土霉素发酵各阶段的最适值，实时数值曲线通过监控界面显示。结果表明，系统利用以工程实际案例为背景开发的虚拟仿真实验系统开展实验教学，可以实现激发学生学习兴趣、培养学生创新能力、提高学习效果的目的。

关键词：发酵罐;温度;氢离子浓度指数;虚拟仿真实验教学

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.03.004

本文著录格式：高月华，郝雷，白雪.虚实结合的土霉素发酵罐控制系统在实验教学中的应用[J].软件，2021，42（03）：015-018

Application of Oxytetracycline Fermentor Control System Based on Virtual Reality in Experimental Teaching

GAO Yuehua1， HAO Lei1， BAI Xue2

（1.College of Electronic and Information Engineering ， Hebei University， Baoding  Hebei  071002;

2.General Electric Hualun Medical Device Co.， Ltd.， Beijing  100000）

【Abstract】：In PLC laboratory， it is difficult to build a real controlled object experimental device， maintenance is difficult， function cannot be updated， and cannot meet the diversified teaching needs. The design adopts the Rockwell PLC as the controller， MATLAB is used to build the mathematical model of the oxytetracycline fermentation tank SY3010B. RSView SE software is used to configure virtual interface， and RSLinx software is used to realize the communication of the virtual simulation platform based on OPC. According to the requirements of oxytetracycline fermentation technology， we apply the PID algorithm for the two important factors， temperature and PH， which affecting the products quality inside the fermentation tank， and making it basically stable at the optimum value of different stages in terramycin fermentation with this platform. The real-time numerical curves can be displayed on the monitor interface. The results show that virtual simulation experiment system developed on practical engineering cases stimulate students' interest in learning， cultivate students' innovation ability and improve the learning effect.

【Key words】：fermentation tank;temperature;PH value;virtual simulation experiment teaching

0引言

發酵体系是一个复杂的多相共存的动态系统，发酵控制系统实验是典型的流程行业自动化的被控对象[1-4]。优化过程需进行大量的实验，从而获得优化所需的温度、PH值、溶氧、搅拌转速等实验数据和模型机理分析[5]。本文利用虚拟仿真技术，搭建无污染、无危险的土霉素发酵罐虚拟实验平台，旨在优化土霉素发酵过程控制。

虚拟仿真技术在临床医学[6-7]、汽车工业设计与分析[8]、机器人技术[9]等领域已被广泛应用。因此本文将此技术应用于发酵罐过程控制优化，构建了虚拟仿真平台。利用此平台反复进行具有操作危险性和需人长时间值守的发酵实验，可达到消除人身危险、节省设备运行费、物料能量损耗费的目的，还可降低设备损坏和污染等不利因素的影响，优化发酵过程，提高产出率。

结合工程案例，利用PLC技术和仿真技术，本文开发了用于实验教学的土霉素发酵罐虚拟仿真控制系统。首先针对土霉素发酵罐建模，在此基础上，提出了一套发酵罐过程控制系统虚拟仿真平台，并验证了平台的有效性。对发酵过程中的两个重要参数，即温度和PH值，使用实验法与机理法复合建模方法[10]，分别建立了精确的数学模型，为设计仿真控制器，对模型进行了简化，简化后的模型由MATLAB 的Simulink搭建，最终分别实现两个参数的闭环PID控制。选用罗克韦尔PLC作为控制器[11-13]，使用RSLogix 5000软件编写控制程序，并下载到由RSLogix Emulate软件虚拟的PLC中。使用RSView SE软件制作发酵罐虚拟仿真系统，用于显示动画、调试参数和控制效果的检验。通过RSLinx软件，建立PLC与MATLAB之间的数据通信，实现了基于Logix的发酵罐仿真过程控制系统。

1系统结构

为保证系统兼容性，采用罗克韦尔编程、通讯、组态和仿真控制器软件，以及支持OPC工具箱的MATLAB 7.9。发酵罐虚拟仿真控制系统架构如图1所示，系统分为五个部分：第一部分是在MATLAB Simulink工具箱中搭建的被控对象的数学模型;第二部分是使用RSLogix 5000软件编写基于PID算法的温度、PH值自动控制程序;第三部分是使用RSView SE软件编写的发酵罐虚拟仿真监控显示界面;第四部分是罗克韦尔仿真PLC;第五部分便是将以上四部分联系在一起的纽带—RSLinx软件，作为下位机和上位机通讯的桥梁。系统的监控界面可以显示发酵开始前的准备工作、发酵过程的PID参数值以及实时监控的曲线状态等内容。

2数学模型及控制系统实现

2.1 数学模型

本设计对土霉素发酵温度使用了实验法与机理法复合建模[10]。根据生物发酵动态机理，由温度控制器与分程控制、时间比例控制以及执行机构（加热器、冷却水电磁阀、蠕动泵）、检测变送器与被控对象构成生物发酵温度闭环控制系统。在模型简化过程中，将分程控制、时间比例控制以及执行机构、检测变送器与被控对象作为广义被控对象，这与设计的缺少执行器的纯仿真系统所需的被控对象相一致。针对广义被控对象加以定值阶跃信号实测了发酵罐温度动态系统的阶跃响应曲线，记录响应曲线，将其近似为一阶惯性加滞后环节，再根据的值确定准确的控制系统阶数n。然后将得到的n阶广义被控对象进行如下化简。

（1）当时，

（2）当时，

最终得到简化后近似于二阶惯性加迟滞的形式。使用MATLAB对实验数据进行非线性曲线拟合，最终得出二阶积分时滞广义温度动态模型，如式（1）。

（1）

使用上述方法和步骤，得出PH值动态模型的状态方程和输出方程，对其进行变换并合理简化后，得出的生物发酵过程的PH值动态系统是一个变增益积分过程，后经测试阶跃响应曲线计算出非线性增益，最后将其拟合成一阶惯性环节加纯滞后环节，得出变增益积分PH非线性动态模型，如式（2）。

（2）

2.2 被控对象模型的功能

本设计为仿真的发酵罐控制系统，被控对象实时仿真模型的搭建如图2所示。为了达到实时仿真的效果，将发酵罐数学模型放置在Logix平台以外的在MATLAB Simulink中，作为PLC控制的外部被控对象，并使用RSLinx软件实现其与Logix平台基于OPC服务器的通讯。

2.3 控制程序设计及调试

发酵罐控制系统的控制算法部分设计由RSLogix 5000开发的控制程序实现，发酵罐控制程序连续任务由主例程和四个子例程组成，主例程主要用于实现初始化和发酵过程控制中的逻辑控制功能，子例程为升温、降温、加酸、加碱的PID控制程序，可使用软件中自带的Trend功能调试曲线。以温度控制为例：在温控过程中由设定值将控制过程分为升温和降温两个过程，不同的控制输出对应着被控对象不同的响应。控制系统程序流程图如图3所示，图中SP为系统设定值，PV为系统测量值。

设计采用RSLogix 5000内部的PID块来实现PID运算，这个模块将PID运算和整定过程集成在了一起，PID参数的设置部分在PID选项卡内。仿真的控制系统不存在模拟量信号与数字量信号之间的转换环节，因而无需向标准信号整定，则在整定选项卡中可将参数范围均设定为0.0～100.0。运行时将PID的输出控制值送给数学模型，经数学模型运算后输出送还给PID的输入，从而形成闭环控制。

3 系统监控界面

发酵罐的温度控制有升温和降温两个过程，在监控界面制作了相应的动画显示。发酵罐不锈钢部分夹层内部是循环水通道，加热棒为螺旋态的金属材質。将图形连接上PLC中的温度显示变量，动画程序在PLC中编辑，在执行加热操作时，夹层内加热棒亮成红色;在执行降温操作时，夹层内水亮成蓝色，呈现出良好的动画效果。

发酵罐的PH值控制有加酸和加碱两个过程，在监控界面也制作了相应的动画显示。选取发酵罐上部两个阀门和管道作为酸液、碱液的入口。当执行加酸动作时，最下边的管道显示红色，当执行加碱动作时，上一个管道显示蓝色。

同时对于发酵之前为准备工作制作了简单的示意动画：启动后，按下灭菌按钮，发酵罐下半部分不锈钢体变红5s，代表灭菌操作的执行，实际灭菌操作需要120℃～124℃的高温蒸汽灭菌30min。灭菌后，按下接种按钮，罐体透明部分显示两个橙色椭圆形，代表接种成功，计时5s后进入温度和PH值自动控制阶段。运行主界面如图4所示。

温度和PH曲线显示界面如图5、图6所示。考虑到调试要求，首次启动时可在监控界面手动设置PID运算的三个参量，在监控界面建立两个趋势图来绘制曲线，以观测控制过程温度和PH的变化过程，采集的数据为温度和PH值的过程量。

为了使发酵罐温度和PH控制达到最好的效果，要调整选择最优的Kp、Ki、Kd参数。由于温度控制和PH值控制模型均为大滞后环节，在Simulink中，实时仿真过程过于缓慢，不利于PID参数的调节，因而选择在Simulink里搭建一个带PID的控制回路，设置不同的PID参数，也将其输出限定在0～100之间，进行仿真测试。

4 结论

本文给出了一套完整可行的用于PLC和过程控制课程实验教学的虚拟仿真系统搭建方案。通过罗克韦尔的通讯软件的连接，系统实现了PLC与被控对象的数学模型（在MATLAB中运行）形成了闭环反馈控制系统，具有较稳定的控制质量，监控界面上手动设置PID参数也为PID调试提供了便捷的途径，结果达到了预期的效果。本设计实现了生物发酵过程控制的虚拟化，仿真控制系统摆脱了针对实物实验的局限性。实践证明，本系统具备高阶性、创新性和高挑战度，适合开展项目化实验。

参考文献

[1] 汤海峰，李臣亮，周毓麟，等.对微生物工程类虚拟仿真实验建设与共享应用的思考[J].生物工程学报，2021，37（12）：1-7.

[2] 韩晓敏，李建颖，王文忠，等.基于仿真技术的青霉素生产实验教学系统设计[J].实验技术与管理，2020，37（9）：155-159.

[3] 常雅宁，彭钰珂，魏东芝，等.虚拟仿真技术在酶工程实验教学上的应用[J].实验室研究与探索，2019，38（2）：237-239.

[4] Androga D D，Sevin? P，Koku H，et al.Optimization of Temperature and Light Intensity for Improved Photofermentative Hydrogen Production Using Rhodobacter Capsulatus DSM 1710[J].International Journal of Hydrogen Energy，2014，39（6）：2472-2480.

[5] 贺晓冉，陈宸，金光石，等.青霉素发酵过程的模型仿真与补料优化[J].化工学报，2012，63（9）：2831-2835.

[6] Foronda C，Bauman E B.Strategies to Incorporate Virtual Simulation in Nurse Education[J].Clinical Simulation in Nursing，2014（10）：412-418.

[7] Henderson A，Kornerbitensky N，Levin M.Virtual Reality in Stroke Rehabilitation：A Systematic Review of its Effectiveness for Upper Limb Motor Recovery[J]. Topics in Stroke Rehabilitation，2015，14（2）： 52-61.

[8] 余卓平，邢星宇，陳君毅.自动驾驶汽车测试技术与应用进展[J].同济大学学报（自然科学版），2019，47（4）：540-547.

[9] 孙伟，黄昆，张小瑞，等.移动机器人虚拟仿真平台的设计和实现[J].测控技术，2014，33（11）：115-117.

[10] Anderson J C，Gerbing D W.Structural Equation Modeling in Practice：A Review and Recommended Two-step Approach[J].Psychological Bulletin，1988，103（3）：411-423.

[11] 张旻，王新.PLC在PVC生产监控系统中的应用[J].自动化仪表，2010，31（2）：58-61.

[12] 张哲铭，魏衡华.基于NetLinx架构的远程控制系统设计及应用[J].自动化与仪表，2010，25（9）：1-4.

[13] 马晓泽.带式输送机集中控制系统改造设计[J].工矿自动化，2012，38（10）：89-91.