文 琦，田 明，何佳融，李秋實(shí)

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院 光電工程國家級實(shí)驗教學(xué)示范中心，長春 130022；2.吉林省計量科學(xué)研究院 吉林省計量測試儀器與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室，長春 130103）

0 引言

發(fā)酵在藥品、食品等行業(yè)的生產(chǎn)過程中是必不可少的環(huán)節(jié)，而溶氧量對微生物的發(fā)酵過程又是非常重要的。在發(fā)酵過程中，液態(tài)培養(yǎng)基中的溶解氧參與菌體生長、產(chǎn)物形成并維持細(xì)胞代謝活動，不同階段所需要的氧含量又有區(qū)別。在發(fā)酵的整個過程中，實(shí)時監(jiān)控發(fā)酵液中的氧含量并將其反饋到控制系統(tǒng)，使控制系統(tǒng)做出相關(guān)調(diào)節(jié)是非常重要的[1]。

發(fā)酵是一個復(fù)雜的過程，具有嚴(yán)重的非線性、不確定性和時變性的特點(diǎn)，這就使得常規(guī)的控制方案很難達(dá)到控制要求。早期人們對發(fā)酵過程中溶解氧的控制大多以經(jīng)驗為主，對溶解氧等參數(shù)的控制策略都是基于離線分析的數(shù)據(jù)信息得出的，這種方法往往不能反映當(dāng)前生物的發(fā)酵狀態(tài)，具有極大的滯后性，從而影響發(fā)酵的過程[5]。后期人們提出模糊控制的方法，但也存在一定的缺點(diǎn)，比如穩(wěn)態(tài)精度不高、模糊量化不好確定、模糊規(guī)則的主觀性等[2]。本文針對液態(tài)培養(yǎng)基中溶解氧含量的控制問題，提出了一種自動調(diào)節(jié)溶解氧含量的多參數(shù)關(guān)聯(lián)控制方法。這種方法能夠很好的提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度，使生產(chǎn)質(zhì)量得以保證。

1 系統(tǒng)工作原理

在有氧微生物發(fā)酵過程中，導(dǎo)致液態(tài)培養(yǎng)基中溶解氧含量減少的原因主要是微生物自身的消耗。但是在微生物發(fā)酵過程中的不同階段加入適當(dāng)?shù)奶砑觿热缭谝葝u素發(fā)酵過程中加入甲醇水溶液，即可提升胰島素的產(chǎn)量，但同時也會導(dǎo)致液態(tài)培養(yǎng)基中的溶解氧含量急劇下降。一般情況下，能夠提升液態(tài)培養(yǎng)基中溶解氧含量的方式有三種：一是增加攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在條件允許的情況下，增加攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速不僅可以提高液態(tài)培養(yǎng)基表面溶解氧含量進(jìn)而增加整個培養(yǎng)基溶解氧含量，也能更大程度的擊碎通入氣體產(chǎn)生的氣泡，從而增加液態(tài)培養(yǎng)基中的溶解氧含量；二是增加無菌空氣通入量，直接提供大量空氣，進(jìn)而增加液態(tài)培養(yǎng)基的溶解氧含量；三是增大壓強(qiáng)，通過關(guān)閉氣體排出口閥門使發(fā)酵罐內(nèi)的氣體壓力保持在300kPa（發(fā)酵罐設(shè)計使用的極限壓力），進(jìn)而增加液態(tài)培養(yǎng)基中的溶解氧含量[3]。

在發(fā)酵過程中，用戶可根據(jù)微生物在不同發(fā)酵階段對氧氣的需求量不同，在人機(jī)交互界面設(shè)定適宜微生物發(fā)酵的溶解氧含量。溶氧傳感器測得液態(tài)培養(yǎng)基溶解氧含量數(shù)據(jù)后，經(jīng)信號隔離器傳送給PLC控制器，PLC把接收到的溶解氧含量的數(shù)據(jù)信息按照用戶設(shè)定的比例、積分、微分參數(shù)進(jìn)行PID控制計算，運(yùn)算結(jié)果以百分比的形式輸出。系統(tǒng)提供了攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速、氣體通入量、罐內(nèi)壓力三個參數(shù)與溶解氧相關(guān)聯(lián)，根據(jù)用戶自定義的關(guān)聯(lián)范圍進(jìn)行PID計算，PLC控制器根據(jù)計算結(jié)果給出相應(yīng)的執(zhí)行動作。圖1所示是溶氧控制原理結(jié)構(gòu)圖。

圖1 溶氧控制原理結(jié)構(gòu)圖

2 溶解氧控制系統(tǒng)

2.1 溶解氧控制系統(tǒng)設(shè)計方案

為了提高發(fā)酵過程中溶解氧控制精度，本文提出了一種“多參數(shù)關(guān)聯(lián)控制”的調(diào)節(jié)方式。溶解氧的控制包含三個關(guān)聯(lián)循環(huán)：攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速、空氣通入量以及罐體內(nèi)壓力。關(guān)聯(lián)控制的原理流程圖如圖2所示。

圖2 原理流程圖

系統(tǒng)將當(dāng)前的溶解氧設(shè)定值與采集值按照預(yù)設(shè)的PID調(diào)節(jié)算法進(jìn)行計算得到一個百分比的計算結(jié)果，當(dāng)此計算結(jié)果小于第一關(guān)聯(lián)范圍最小值時，系統(tǒng)不做調(diào)節(jié)；當(dāng)計算結(jié)果介于第一關(guān)聯(lián)的范圍內(nèi)時，系統(tǒng)按照線性比例關(guān)系調(diào)節(jié)攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速；當(dāng)計算結(jié)果介于第二關(guān)聯(lián)的范圍時，第一關(guān)聯(lián)的電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出最大值并且按照線性比例關(guān)系調(diào)節(jié)空氣通入量的大??；當(dāng)計算結(jié)果介于第三關(guān)聯(lián)時，第一第二關(guān)聯(lián)均輸出最大值且按照線性比例關(guān)系調(diào)節(jié)罐內(nèi)壓力的大小；當(dāng)計算結(jié)果大于第三關(guān)聯(lián)時，三個關(guān)聯(lián)參數(shù)均輸出最大值。攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速、空氣通入量和罐體內(nèi)壓力三種參數(shù)設(shè)置示例如表1所示。

表1 關(guān)聯(lián)控制參數(shù)設(shè)置示例

如上表所示，假設(shè)攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍是0～600RPM，空氣通入量為0～300L/min，罐內(nèi)壓力范圍0～400kPa，則當(dāng)PID輸出為50%時，溶解氧控制系統(tǒng)的輸出為：第一關(guān)聯(lián)：600×80%=480RPM，即攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速為480RPM。第二關(guān)聯(lián)：[（50%-40%）/（70%～40%）×（50%～10%）+10%]×300=70L/min。即氣體通入量為70L/min。第三關(guān)聯(lián)：罐內(nèi)壓力不作調(diào)節(jié)，即為常壓。

2.2 數(shù)據(jù)采集與控制、執(zhí)行單元

分析基于PLC的溶解氧控制系統(tǒng)的控制要求、傳感設(shè)備輸出信號的特性以及現(xiàn)場控制設(shè)備的工作特征，對S7-200 Smart系列PLC的控制器、模擬量的輸入/輸出模塊、人機(jī)交互設(shè)備、三相交流變頻器與氣體質(zhì)量流量計等進(jìn)行了選型，如表2所示。

表2 系統(tǒng)配置表

該系統(tǒng)配置提供了12路的數(shù)字量輸入通道、8路的數(shù)字量輸出通道、4路模擬量輸入通道、2路模擬量輸出通道。

根據(jù)系統(tǒng)需要具備的功能，對PLC進(jìn)行I/O口分配，系統(tǒng)需要控制的變量有：攪拌電機(jī)的起停、出氣閥門的開閉、溶氧量測量、質(zhì)量流量計的通氣量和電機(jī)的攪拌速度。I/O口分配如表3所示。

表3 系統(tǒng)I/O口分配表

3 系統(tǒng)控制軟件實(shí)現(xiàn)方法

3.1 溶解氧的PID控制程序?qū)崿F(xiàn)

PID回路指令（比例、積分、微分回路）由 PLC控制器提供，用于執(zhí)行PID計算。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中，PID的計算公式為：

其中：M(t)為回路輸出（時間函數(shù)）；KC為回路增益；e為回路偏差；Minitial為回路輸出的初始值。

將連續(xù)函數(shù)量化為偏差值的周期采樣且由于控制單元的解決方案具有重復(fù)性，因此可以簡化在任何采樣時間都必須求解的方程。簡化后的方程為：

其中：Mn為采樣時間n時回路輸出的計算值；KC為回路增益；en為采樣時間n時的回路偏差值；en-1為前一回路偏差值（采樣時間n-1時）；KI為積分項的比例常量；MX為第一積分項值（采樣時間n-1時）；KD為微分項的比例常量?？刂破魇褂靡陨虾喕匠痰母倪M(jìn)方程計算回路輸出值。

S7-200 Smart系列下的SR20提供了8路PID運(yùn)算回路，此系統(tǒng)選擇第2路PID控制回路，編號為1。因為溶解氧傳感器為4～20mA輸出，所以由設(shè)置向?qū)傻腜ID控制子程序如圖3所示。系統(tǒng)調(diào)用PID運(yùn)算且將結(jié)果轉(zhuǎn)化為0～100%區(qū)間的主程序如圖4所示。

圖3 PID控制子程序

圖4 PID調(diào)節(jié)部分主程序

3.2 溶解氧的“關(guān)聯(lián)控制”程序?qū)崿F(xiàn)

溶解氧的控制采用攪拌電機(jī)、進(jìn)氣閥、出氣閥三者關(guān)聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)預(yù)置每種關(guān)聯(lián)所對應(yīng)的PID輸出的最小值Min和最大值Max，在設(shè)備運(yùn)行過程中，實(shí)際PID輸出結(jié)果與預(yù)置值比較，使相應(yīng)器件動作。每種關(guān)聯(lián)控制程序流程圖如圖5所示。

圖5 關(guān)聯(lián)控制程序流程圖

4 數(shù)據(jù)分析處理

本文以200L發(fā)酵罐為例進(jìn)行溶解氧關(guān)聯(lián)過程的實(shí)

【】【】驗。其中，攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為0～288RPM，質(zhì)量流量計的通氣量范圍為0～200L/min，發(fā)酵罐承受壓力范圍為0～4bar。實(shí)驗過程中，引入了一種溶解氧消耗方式：在發(fā)酵過程中加入刺激微生物呼吸作用的甲醇水溶液。在實(shí)驗過程時，打開溶解氧關(guān)聯(lián)，設(shè)置溶解氧保持范圍為20%～40%之間，每隔十分鐘對三個關(guān)聯(lián)參數(shù)和溶解氧含量進(jìn)行記錄，得到實(shí)驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 實(shí)驗數(shù)據(jù)表

由實(shí)驗數(shù)據(jù)可知，由于甲醇溶液的添加，罐體內(nèi)溶解氧含量逐漸下降，當(dāng)溶解氧含量下降到一定程度時，攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸加快，當(dāng)達(dá)到關(guān)聯(lián)輸出最大值時，質(zhì)量流量計逐漸打開向罐體通入空氣，隨著溶解氧含量的增加，質(zhì)量流量計關(guān)閉，攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，進(jìn)而將溶解氧含量維持在設(shè)定范圍內(nèi)。為了更加直觀的顯示關(guān)聯(lián)變量變化過程與溶解氧的關(guān)系，繪制曲線圖如下：

圖6 溶解氧含量變化曲線圖

從圖中可以看出，隨著甲醇溶液的不斷加入，罐體內(nèi)溶解氧含量持續(xù)下降，隨著溶解氧含量的下降，系統(tǒng)會根據(jù)溶解氧的預(yù)設(shè)值進(jìn)行關(guān)聯(lián)控制調(diào)節(jié)，使得罐體溶解氧保持在20%～40%之間。

5 結(jié)論

實(shí)驗表明，采用了“多參數(shù)關(guān)聯(lián)控制”的液態(tài)培養(yǎng)基溶解氧含量控制系統(tǒng)，在結(jié)合了攪拌電機(jī)轉(zhuǎn)速、空氣通入量以及罐體內(nèi)壓力后，對溶解氧含量具有很好的調(diào)節(jié)能力。通過實(shí)驗和實(shí)驗數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)能夠有效的將溶解氧控制在設(shè)定范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

[1]歐國徽.基于嵌入式的發(fā)酵過程控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].江蘇:江南大學(xué),2012.

[2]張夙夙.溶氧對氨基酸發(fā)酵的影響及其控制[J].安徽農(nóng)學(xué)通報,2014,20(12):25-27.

[3]朱惠蓮,葉凱.基于PLC的生物發(fā)酵控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].機(jī)電技術(shù),2009,(1):3-5.

[4]陸兵,薄翠梅,楊世品,黃慶慶,牛超.基于PLC的微生物通用式發(fā)酵裝置控制系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化,2015,(37):40-42.

[5]李澤福.葡萄酒生產(chǎn)過程溶解氧管控工藝研究[D].山東:齊魯工業(yè)大學(xué),2015.

[6]戴亮.PC-PLC控制系統(tǒng)設(shè)計[D].上海:華東師范大學(xué),2011.