0 引言

　　原發(fā)酵控制系統(tǒng)技術(shù)比較落后，生產(chǎn)中仍以人工控制為主，不僅手工操作，經(jīng)驗(yàn)控制，而且有的儀表系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)和控制采用的全部是模擬儀表，甚至為老式的B型儀表，存在著精度低、干擾影響大的缺點(diǎn)，使得整個(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì)非常差，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。面對(duì)日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)生產(chǎn)控制技術(shù)進(jìn)行改造已勢(shì)在必行。

　　根據(jù)生產(chǎn)要求和杭生素素發(fā)酵的特點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、新儀表儀器等，決定采用基于PLC和組態(tài)王的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案對(duì)抗生素發(fā)酵原有控制系統(tǒng)進(jìn)行全面技術(shù)改造。

1 工藝過(guò)程

　　抗生素作為發(fā)酵代謝過(guò)程中的產(chǎn)物，通過(guò)下列過(guò)程來(lái)完旎生產(chǎn)菌種-抱子制備-種子培養(yǎng)-發(fā)酵-發(fā)酵液預(yù)處理及過(guò)濾，提取及精制-成品檢驗(yàn)-成品包裝-出廠檢驗(yàn)。發(fā)酵周期為17an左右。其中種子培養(yǎng)和發(fā)酵分別在種子罐(包括一級(jí)種子罐和二級(jí)種子罐)和發(fā)酵罐(三級(jí)罐)中進(jìn)行，選擇合理的方案對(duì)種子罐內(nèi)的培養(yǎng)條件(種子培養(yǎng)基、溫度、pH值、壓力、通人空氣的流量、攪拌等)和發(fā)酵罐內(nèi)的發(fā)酵條件(發(fā)酵培養(yǎng)基、溫度、PH值、壓力、通入空氣的流量、攪拌等On的控制，對(duì)于抗生素發(fā)酵水平的穩(wěn)定和提高至關(guān)重要。

2 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成設(shè)計(jì)

　　2.1 控制系統(tǒng)的組成及控制方式

　　該控制系統(tǒng)控制器選用S7-3aa系列可編程控制器，CPU型號(hào)為315-2DP;上位機(jī)管理及監(jiān)控系統(tǒng)用組態(tài)王KingView軟件編程實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)需要控制的對(duì)象如下:9個(gè)一級(jí)種子罐，被控量有罐內(nèi)的溫度和空氣流量;9個(gè)二級(jí)種子罐，被控量有罐內(nèi)的溫度、空氣流量、攪拌轉(zhuǎn)速和溶解氧;22個(gè)發(fā)酵罐，被控量有罐內(nèi)的溫度、壓力、攪拌轉(zhuǎn)速、空氣流量、補(bǔ)料、溶解氧和PH值;1個(gè)熱水罐的溫度，一次水、蒸汽、空氣總管和循環(huán)水的流量與壓力;循環(huán)水上水溫度和回水溫度;空氣加熱前溫度和加熱后溫度;補(bǔ)料1和補(bǔ)料2溫度。所用的被控量都通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，其中，對(duì)發(fā)酵罐和種子罐的溫度用PID進(jìn)行控制;對(duì)補(bǔ)料和消泡進(jìn)行了自動(dòng)控制。其余被控量通過(guò)上位機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，用手動(dòng)達(dá)到相應(yīng)的控制目的。整套系統(tǒng)需要模擬量輸人共152點(diǎn)，數(shù)字量輸入輸出共141點(diǎn)。

　　(1)將MPI通訊卡安裝在計(jì)算機(jī)(配置有組態(tài)王KingView軟件)的PCI插槽中，用MPI電纜將MPI卡與S7300系列PLC(所有的S7300系列CPU模塊都有MPI口)的MPI口相連，即可實(shí)現(xiàn)

　　PLC與上位機(jī)的通訊。傳輸速率為187.Skbit/s。

　　(2)由于該控制系統(tǒng)需要管理和監(jiān)控的數(shù)據(jù)較多，所以將配置有組態(tài)王KingView軟件(1024點(diǎn))的PGIPC作為服務(wù)器，另外為了實(shí)現(xiàn)對(duì)重要數(shù)據(jù)的同步實(shí)時(shí)監(jiān)控，將兩個(gè)客戶端PGIPC(客戶端1和客戶端2都配置有64點(diǎn)的組態(tài)王KingView軟件)通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接到局域網(wǎng)，使二者可以與服務(wù)器進(jìn)行通訊，從而起到實(shí)時(shí)監(jiān)控一部分重要數(shù)據(jù)的作用，減輕服務(wù)器的負(fù)擔(dān)。

　　(3)將調(diào)度室的PG/PC通過(guò)TCPIIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接到該局域網(wǎng)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

　　2.2 PLC選型

　　S7-300型PLC的CPU模塊的選擇主要考慮存儲(chǔ)容量、運(yùn)行速度、I/O模塊擴(kuò)展能力以及計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器的數(shù)量等指標(biāo)。綜合分析所要控制的對(duì)象及其要求，選用CPU315-2DP。電源模塊主要是為CPU及接口模塊供電，所以I/O模塊、接口模塊和CPU模塊所需電流之和要小于電源模塊的額定電流。這里選用PS307,額定電流為SAo I/O模塊的選擇主要根據(jù)控制對(duì)象，同時(shí)還要留有10%-15%的余量。最終選用8通道模擬量輸入模塊SM331  (21塊)，32點(diǎn)數(shù)字量輸人模塊SM321(2塊)，二者的額定電壓均為DC24 I/O  16點(diǎn)繼電器型數(shù)字量輸人模塊SM322(7塊)。最高電壓為DC 120 V。由于一塊底板最多只能帶8塊I/O模塊，所以需要擴(kuò)展，擴(kuò)展單元通過(guò)接口模塊IM360, IM361進(jìn)行通信，模塊間通過(guò)背板總線傳遞數(shù)據(jù)。SM1-SM10是數(shù)字量輸入輸出模塊。所有模塊都安裝在底板上。

　　另外，根據(jù)實(shí)際要求，采用Pt 100鉑電阻檢測(cè)熱水罐、種子罐和發(fā)酵罐的溫度，其技術(shù)參數(shù)為:雙支、三線制、0-150 C、精度:1 0.5 %； PH值的檢測(cè)采用復(fù)合PH電極和PH變送器來(lái)實(shí)現(xiàn)，復(fù)合PH電極使用465-50-57 , PH變送器采用PH2100，其技術(shù)參數(shù)為:PH/mV輸入:0.00-14.00/-1500-1500m從測(cè)量誤差PH值<<0.02 , mV值<1mV,輸出:4-20mA;檢測(cè)溶解氧濃度DO采用DO電極InPro6000和溶氧變送器4100e,測(cè)量范圍:0100%:系統(tǒng)誤差:士0.5% }輸出:4-20mA;發(fā)酵罐的壓力的檢測(cè)采用Honeywell壓力變送器，技術(shù)參數(shù)為:0--0.4Mpa:二線制，4}20mA;系統(tǒng)精度士0.3%。空氣流量采用渦街流量計(jì)測(cè)量;熱水罐、消泡和補(bǔ)料時(shí)的液位控制采用UDB電極式液位開(kāi)關(guān)。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)使用STEP7的結(jié)構(gòu)化編程方法進(jìn)行編程。根據(jù)工藝要求，控制系統(tǒng)的操作分為自動(dòng)和手動(dòng)，即被控對(duì)象分為自動(dòng)和手動(dòng)，這樣也為程序調(diào)試帶來(lái)方便。其中OB1, OB35是組織塊，OB1為主程序;FCX(X的值為2, 4, S, b, 7, 8, 10, 11, 12)是功能程序塊;FB59是STEP?軟件“標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)PID控制”中的溫度控制器，DB I I -DB52是FBS9的背景數(shù)據(jù)塊，SFC1, SFB3, Sh`F34和FC34是STEP7軟件為用戶提供的系統(tǒng)功能、系統(tǒng)功能塊和功能。DBb和DBS是SFB4的背景數(shù)據(jù)塊，DB7和DB9是SFB3的背景數(shù)據(jù)塊。

　　FC11和FC10將采集的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)模擬量“規(guī)范化，為0-150(溫度)、0-30(進(jìn)人一級(jí)種子罐的空氣流量),0-240(進(jìn)入二級(jí)種子罐的空氣流量)、0-1500(進(jìn)入發(fā)酵罐的空氣流量)、0-14 (PH值)、0-40(壓力)、0-5(補(bǔ)料)、0-100(攪拌轉(zhuǎn)速)、0-200(溶解氧)、0-1.6(空氣總管壓力和蒸汽壓力)、0_55400(空氣總管流量)、0-9000蒸汽流量)、0-60(循環(huán)水壓力和一次水壓力)、0-11000(循環(huán)水流量)、0-340(一次水流量)，以上數(shù)值全為浮點(diǎn)數(shù)(即實(shí)數(shù));FC7和FC4是補(bǔ)料控制;FC6和FCS是消泡控制;FC12和FCC分別是自動(dòng)控制熱水罐冷水閥和手動(dòng)控制熱水罐冷水閥;OB35調(diào)用功能塊FB59進(jìn)行PID控制算法，其輸出控制各級(jí)罐的冷水溫控閥、熱水溫拎閥、三級(jí)罐的補(bǔ)料閥和消泡劑閥及熱水灌蒸汽閥的打開(kāi)和關(guān)閉。P1D控制算法的采樣時(shí)間為10秒。

　　3.1 消泡控制流程

　　通過(guò)對(duì)消泡劑閥的自動(dòng)或手動(dòng)控制，進(jìn)而控制進(jìn)入發(fā)酵罐的消泡劑的流量，達(dá)到消泡的目的。

3.2 溫度控制流程

　　步進(jìn)PI控制器FB59用開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)控制積分型執(zhí)行機(jī)構(gòu)(例如電動(dòng)調(diào)節(jié)閥》。三態(tài)元件具有帶滯環(huán)的雙向繼電器非線性特性，它的作用是將小閉環(huán)的誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)，它們通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)控制調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度。脈沖發(fā)生器PULSEOUT生成用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的脈沖，可以通過(guò)調(diào)整三級(jí)元件的閡值來(lái)降低控制值的開(kāi)關(guān)頻率。脈沖發(fā)生器用來(lái)保證最小脈沖時(shí)間和最小斷開(kāi)時(shí)間，以減小執(zhí)行機(jī)構(gòu)的磨損。手動(dòng)模式ON為1時(shí)系統(tǒng)處于手動(dòng)模式，手動(dòng)與自動(dòng)的切換過(guò)程是平滑的。

　　3.3 補(bǔ)料控制流程

　　為了保證發(fā)酵的水平，發(fā)酵過(guò)程中需要補(bǔ)料(如培養(yǎng)基)，通過(guò)自動(dòng)控制補(bǔ)料閥進(jìn)行補(bǔ)料。

　　3.4 組態(tài)結(jié)構(gòu)圖

　　上位機(jī)管理及監(jiān)控系統(tǒng)用組態(tài)王KingView軟件編程實(shí)現(xiàn)，抗生素發(fā)酵控制系統(tǒng)監(jiān)控界面的組態(tài)結(jié)構(gòu)是發(fā)酵罐301的監(jiān)控。

4 結(jié)束語(yǔ)

　　改造后的控制系統(tǒng)，已經(jīng)成功運(yùn)用于抗生素發(fā)酵過(guò)程中，工藝參數(shù)得到進(jìn)一步的優(yōu)化，發(fā)酵生產(chǎn)水平有了很大的提高，平均發(fā)酵單位提高了10.8%,并且提高了工廠的工業(yè)自動(dòng)化水平，減少了傳統(tǒng)生產(chǎn)中的人為因素，使生產(chǎn)更科學(xué)化，降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率。現(xiàn)在，這個(gè)產(chǎn)品每年為該廠盈利3000余萬(wàn)元。同時(shí)也為工廠以后的工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)一步的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。