隨著(zhù)我國大力發(fā)展生物工程技術(shù)，生物發(fā)酵技術(shù)也實(shí)現了快速發(fā)展，可以人為控制和改造微生物生產(chǎn)如人的胰島素、生長(cháng)激素和干擾素等醫療藥品。微生物發(fā)酵過(guò)程是一個(gè)多參數融合的極其復雜的過(guò)程，實(shí)驗結果的成敗依賴(lài)工藝參數的控制精確度，控制系統的穩定運行決定著(zhù)實(shí)驗的反應速率和代謝產(chǎn)物的質(zhì)量。同時(shí)，微生物發(fā)酵實(shí)驗過(guò)程也是一個(gè)緩慢的過(guò)程，需要實(shí)驗人員長(cháng)時(shí)間監測與調整。因此，設計一款精確度高、運行可靠并能夠遠程監測與控制的生物發(fā)酵罐系統是非常必要的。嵌入式系統和可編程控制器是當今最流行的控制器，綜合考慮生物發(fā)酵罐的可靠性需求，本系統采用工業(yè)控制設備可編程控制器作為核心控制器。

1 系統總體設計方案

系統采用西門(mén)子S7-1200PLC CPU1214為主控制器，如圖1所示，通過(guò)傳感器檢測發(fā)酵罐中的溫度、pH值、溶氧量等發(fā)酵過(guò)程中重要的指標參數，通過(guò)電機、蠕動(dòng)泵等執行器控制調節發(fā)酵罐中的各項指標。人機界面(HMI)通過(guò)以太網(wǎng)通信，可以實(shí)時(shí)監測和控制發(fā)酵罐中的各項參數，同時(shí)利用以太網(wǎng)連接GRM533YW遠程模塊，將發(fā)酵罐中的參數以4G或WIFI網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到遠程手機/平板或WEB網(wǎng)頁(yè)中，方便實(shí)驗人員遠程監測和控制發(fā)酵罐中的參數調整。

圖1 系統總體框圖   

2 硬件系統設計

西門(mén)子S7-1200 PLC是目前使用最廣泛的工業(yè)控制器，其優(yōu)秀的可靠性和簡(jiǎn)單的編程方法使其在工業(yè)領(lǐng)域具有重要地位。該系統采用S7-1200 PLC系列中的CPU1214C集成以太網(wǎng)接口，CUP帶有14點(diǎn)集成24VDC數字量輸入，10點(diǎn)集成數字量輸出和2點(diǎn)集成0～10 V模擬量輸入，并且帶有PID控制器，具有自動(dòng)整定功能。由于發(fā)酵過(guò)程需要控制如溫度、pH值和溶氧等模擬量信號，因此該系統還增加了4路模擬量輸入、2路模擬量輸出SM1234和4路模擬量輸入SM1231擴展模塊以及CM1241 RS485/422通訊模塊。

如圖2所示，考慮到發(fā)酵實(shí)驗過(guò)程中通常需要多組對照實(shí)驗，該系統設計了實(shí)驗組和對照組兩組相同但獨立的反應系統，采用一個(gè)控制器進(jìn)行控制以減少非發(fā)酵過(guò)程中的因素影響。發(fā)酵過(guò)程中的消泡、補料、補酸和補堿泵采用RS-485通信方式STM17S集成步進(jìn)電機，如圖3所示，采用兩線(xiàn)制半雙工連接方式可以使用一臺PLC主機連接并控制多臺驅動(dòng)器。溫度測量采用PT100傳感器和4～20 mA的導軌式溫度變送器，基本無(wú)誤差。pH值和溶氧(DO)采用Hamilton高精度傳感器。采用盤(pán)式電熱絲和循環(huán)冷卻水控制發(fā)酵過(guò)程溫度。采用西門(mén)子V20變頻器控制三相異步電動(dòng)機完成攪拌。采用MCGS觸摸屏完成發(fā)酵過(guò)程的數據監控、存儲與分析。采用GRM533YW通過(guò)4G/WIFI完成遠程監控。

圖2 系統結構圖   

圖3 集成步進(jìn)電機   

3 系統軟件設計

發(fā)酵是一個(gè)復雜的過(guò)程，涉及微生物細胞的生長(cháng)和代謝，是具有時(shí)變性、隨機性和多變量輸入的動(dòng)態(tài)過(guò)程。PLC程序設計通過(guò)模糊自適應PID等各種控制方法確保發(fā)酵技術(shù)參數穩定與準確，人機界面軟件確保發(fā)酵過(guò)程操作簡(jiǎn)單方便，遠程監控系統減少實(shí)驗人員的盯守時(shí)間。

3.1 PLC軟件設計

根據實(shí)驗復雜多變的需求，融合生物發(fā)酵多個(gè)參數指標，補料方式設計為恒動(dòng)補料、恒頻補料和關(guān)聯(lián)補料方式三種方式。恒動(dòng)補料是可以設定恒動(dòng)的流速和補料的容量，可以最大的流速不能超過(guò)1 500 mL/h; 恒頻補料實(shí)現恒定的時(shí)間補加指定容量的料液，可以設定間隔的時(shí)間(單位是min)和間隔的時(shí)間內添加容量，可以最大的流速不能超過(guò)1 500 mL/h; 關(guān)聯(lián)補料是實(shí)現多段不同流速和不同容量的料液，可以設定開(kāi)始和結束的關(guān)聯(lián)時(shí)間，設定多段不同流速和不同容量的間隔時(shí)間，以及每段中的流速和補料的總容量。并且可以顯示在實(shí)驗開(kāi)始到結束的每個(gè)蠕動(dòng)泵的不同補料方式的總補料容量，方便統計發(fā)酵過(guò)程的補料總數。

溫度、pH值控制方案采用模糊自適應PID算法，如圖4所示，模糊控制器以誤差E和誤差變化率EC作為輸入，利用模糊規則對PID控制器的參數Kp、Ki和Kd進(jìn)行自適應整定，使被控對象保持在良好的動(dòng)、靜態(tài)穩定狀態(tài)。對于發(fā)酵反應過(guò)程的時(shí)變性和非線(xiàn)性較大系統，采用模糊自適應PID相比傳統的PID,控制過(guò)程靈活穩定，控制效果更加突出。

自動(dòng)攪拌過(guò)程攪拌速度融合于DO變化，通過(guò)傳感器監測到DO值的變換線(xiàn)性關(guān)聯(lián)攪拌速度，在上位機界面可以設置DO數值的上限和下限、DO與攪拌速度的關(guān)系阻尼系數、攪拌速度的上限和下限和攪拌的轉數變化比例。例如，發(fā)酵工藝需要將DO控制在25%～40%的范圍內，DO與攪拌速度的關(guān)系阻尼系數可以設定為30 s, 表示DO不在設定的上下限范圍內時(shí)，可以每隔30 s根據設定的步伐調整一次轉速的設定值，當DO在設定范圍內時(shí)，攪拌速度在設定上下限關(guān)聯(lián)于設定的DO上下限。

圖4 模糊自適應PID算法框圖   

3.2 人機界面設計

人機界面是實(shí)驗人員觀(guān)察和調整發(fā)酵過(guò)程的窗口。本方案設計的重要參數集中觀(guān)察的主界面、溫度和pH值、攪拌與DO、補料等觀(guān)察數據和調整參數界面。如圖5所示，在參數主頁(yè)面中可以查看溫度、pH值、DO、攪拌速度和泵的流量等重要參數，可以通過(guò)單擊發(fā)酵罐切換實(shí)驗組和對照組的界面。如圖6所示，補料方式設計恒動(dòng)補料、恒頻補料和關(guān)聯(lián)補料方式的設計窗口。

圖5 參數主頁(yè)面   

圖6 補料泵A1頁(yè)面   

溫度和pH值設置頁(yè)面如圖7所示。溫度值可以設定并可以顯示當前溫度，既可手動(dòng)加熱和冷卻，也可以根據設定值自動(dòng)調溫，并有加熱和冷卻狀態(tài)指示燈。pH值可以設定并可以顯示當前pH值，既可手動(dòng)加堿和加酸，也可以根據設定值自動(dòng)調節，并有加堿和加酸狀態(tài)指示燈。添加顯示補堿和補酸的累計容量，方便統計實(shí)驗過(guò)程中總的補料量。添加溫度和pH值實(shí)時(shí)曲線(xiàn)。自動(dòng)控制范圍：冷卻水溫+5～50 ℃(±0.2 ℃)顯示范圍：0～150 ℃。pH值顯示控制：2.00～12.00(pH值±0.05)。

圖7 溫度和pH設置頁(yè)面   

攪拌和DO設置頁(yè)面如圖8所示，攪拌速度可以設定并可以顯示當前速度，既可以按照設定速度自動(dòng)運行，也可以根據溶氧量關(guān)聯(lián)運行，并有攪拌電機和急停狀態(tài)指示燈。攪拌和溶氧關(guān)聯(lián)運行時(shí)，按照設定的溶氧量范圍關(guān)聯(lián)攪拌速度從設定的最小速度到最大速度調節。調節速度的精度可以設置，默認是0.5 r/min。攪拌轉速：變頻調速范圍50～800(±5 r/min);溶解氧：0～150(±2%)。

圖8 攪拌和DO設置頁(yè)面   

泵校準頁(yè)面如圖9所示，一般設定時(shí)間輸入框輸入600 s, 單擊“開(kāi)泵”按鈕，此時(shí)補料泵A1開(kāi)始運行，記錄測得總的容積，填寫(xiě)到測得總容積輸入框中，單擊“校準”按鈕完成校準操作。此時(shí)流量輸入框中自動(dòng)計算出泵的流速。同時(shí)本頁(yè)面保留定量加酸和加堿功能。

圖9 泵校準頁(yè)面   

DO和pH電極校驗頁(yè)面如圖10所示，將電極放在配置好的發(fā)酵罐中靜止，待電極穩定后，單擊“校驗”按鈕，完成靜止溶液溶氧100%的校驗；將pH電極放置到pH值為7.0的標準液中，待數值穩定后，單擊“校驗”按鈕，完成校驗，將電極擦拭干凈，再將電極放置pH值為4.01標準液中，待數值穩定后，驗證pH電極校準是否準確，完成pH電極校準工作。

圖10 電極校準頁(yè)面   

在實(shí)驗過(guò)程中為方便分析重要參數的趨勢，設計了歷史曲線(xiàn)界面包括溫度、pH值、DO、攪拌、補料A1、補料A2和堿泵補料總量，如圖11所示。在歷史曲線(xiàn)的左下角有7個(gè)按鈕，可以控制曲線(xiàn)控件的左翻、左翻半頁(yè)、左翻四分之一頁(yè)、右翻、右翻半頁(yè)、右翻四分之一頁(yè)和數據顯示設定特定范圍。畫(huà)面右側是7個(gè)添加曲線(xiàn)按鈕，可以在按鈕右邊輸入框中輸入顯示當前數據曲線(xiàn)的最小和最大縱坐標的范圍。

圖11 歷史曲線(xiàn)頁(yè)面   

為了記錄發(fā)酵過(guò)程中的是否發(fā)生影響實(shí)驗結果的意外，設計的報警界面可以查閱發(fā)酵過(guò)程中的所有報警信息。當前報警位于上表格，歷史報警位于下表格，如圖12所示。

圖12 報警頁(yè)面   

為試驗后能夠總結發(fā)酵過(guò)程的重要參數趨勢，整個(gè)實(shí)驗的重要參數都進(jìn)行了記錄，如圖13所示。默認顯示所有的數據，單擊 “設置”按鈕，可以顯示設置的特定范圍內的數據，數據可以通過(guò)U盤(pán)導出。

圖13 報表頁(yè)面   

設計溫度跟蹤控制，如圖14所示。該系統溫度可以實(shí)現多段控制及跟蹤控制。單擊“溫控曲線(xiàn)”頁(yè)面右下的“設定”按鈕，進(jìn)入“配方”頁(yè)面，選擇已有的“配方”,也可以編輯新的配方，滿(mǎn)足不同實(shí)驗溫度控制要求。

圖14 溫控曲線(xiàn)頁(yè)面   

3.3 遠程監控軟件設計

遠程監控軟件通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊GRM530實(shí)現，其可做PLC系統的協(xié)議轉換網(wǎng)關(guān)，支持現場(chǎng)數據轉發(fā)、手機APP監控、微信消息推送報警等功能。本方案中現場(chǎng)監測的數據到服務(wù)器端的數據采用的GRM530無(wú)線(xiàn)通信模塊轉發(fā)，通信網(wǎng)絡(luò )可以選擇4G或WIFI。報警信息通過(guò)此模塊完成轉發(fā)，并且可以通過(guò)APP或網(wǎng)頁(yè)監控現場(chǎng)的實(shí)時(shí)數據。如圖15所示，使用微信報警和微信查看數據的方法，模塊需要選配歷史數據和微信報警功能，在GRMDEV軟件中配置短信報警，包括報警條件(比如PLC寄存器大于30)、報警內容，下載到模塊。必須先配置歷史報警，GRMDEV軟件工程選項的基本選項里面要勾選。發(fā)生報警后，管理員微信可以收到報警信息，提示相關(guān)實(shí)驗人員處理報警。遠程監控軟件除了設計微信推送報警功能外，還可以通過(guò)手機APP或網(wǎng)頁(yè)，完成重要參數的觀(guān)察和調整等相關(guān)的控制，界面設計與觸摸屏設計風(fēng)格相同，如圖16所示。

圖15 微信報警   

圖16 遠程監控主頁(yè)面   

4 實(shí)驗驗證

為了驗證發(fā)酵罐的發(fā)酵質(zhì)量，選用5組發(fā)酵罐以大腸桿菌和釀酒酵母作為底盤(pán)物種，發(fā)酵產(chǎn)出番茄紅素、β-胡蘿卜素、玉米黃質(zhì)、蝦青素、藏紅花酸。系統的溫控曲線(xiàn)跟蹤穩定，pH值和溶氧指標均穩定控制在實(shí)驗需要的范圍。發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)量穩定產(chǎn)率良好，如表1所示。

表1 發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)量和產(chǎn)率 

5 結束語(yǔ)

本文詳細闡述了一種基于可編程控制的新型發(fā)酵罐系統的設計。本系統采用工業(yè)領(lǐng)域的可編程控制器和更加精確的集成步進(jìn)電機作為加料泵，提高系統的穩定和可靠性；本系統設計更加符合實(shí)驗要求的一拖二式的發(fā)酵罐，系統的關(guān)鍵參數設計了更加先進(jìn)的模糊自適應PID算法增加實(shí)驗的準確性；設計恒動(dòng)補料、恒頻補料、關(guān)聯(lián)補料等更多樣的補料方式增加實(shí)驗的靈活性；設計的微信報警和遠程監控減少實(shí)驗人員的長(cháng)時(shí)間盯守增加方便性。