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何昕 （1975-）

女，華北制藥股份公司111車間工程師，畢業(yè)于河北科技大學(xué)工業(yè)自動化專業(yè)，研究方向?yàn)樽詣踊夹g(shù)。

摘要：本文針對某抗生素廠番茄紅素發(fā)酵過程控制，提出了基于PLC的自動控制系統(tǒng)的總體設(shè)計方案.該方案采用了復(fù)合模糊控制及軟測量技術(shù)等先進(jìn)控制手段實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)對發(fā)酵過程的優(yōu)化控制。該控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中具有很好的控制精度和可靠性。

關(guān)鍵詞：發(fā)酵過程；復(fù)合模糊控制；軟測量技術(shù)

Abstract: Aim at control system of lycopene fementation of pharmaceutical enterprise, the
 design plan of the control system based on PLC is put forward. The control system realize
 the control and data collection of fementation process based on Fuzzy-PI control 
arithmetic and SoftMeasuring technology.The practical results show that the the control 
system has good performance in control precision and reliability.

Key words: Fermentation process; Multiple-Fuzzy control; Soft-Measuring technology

1 引言

    相對于傳統(tǒng)的以番茄為原料進(jìn)行提取番茄紅素的生產(chǎn)工藝采用生物發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)番茄紅素可大幅度降低生產(chǎn)成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。由于微生物發(fā)酵過程是一個機(jī)理復(fù)雜、要求嚴(yán)格的工業(yè)過程，其對控制系統(tǒng)的要求也相對較高。西門子公司的S7-300 PLC系統(tǒng)具有擴(kuò)充性能良好，組態(tài)靈活、兼容性好等特點(diǎn)，能夠適用于各種復(fù)雜、惡劣的分布或集中環(huán)境，同時可以應(yīng)用各種先進(jìn)的控制算法，在沒有確定的生化過程數(shù)學(xué)模型的情況下仍能對發(fā)酵過程進(jìn)行優(yōu)化控制。

2 工藝過程概述

    番茄紅素發(fā)酵法生產(chǎn)工藝主要包括以下過程：生產(chǎn)菌種、孢子制備、種子培養(yǎng)、發(fā)酵、提取及精制等。在發(fā)酵過程中,由于投入基質(zhì)的種類和濃度、通氣與攪拌強(qiáng)度、pH 值、溫度等環(huán)境條件的差異，微生物的各個生長期的長短將在很大范圍內(nèi)變化，這就使人們有可能通過對環(huán)境條件的控制來提高產(chǎn)物產(chǎn)率。因此選擇合理的方案對種子罐內(nèi)的培養(yǎng)條件(溫度、pH值、壓力、攪拌等)和發(fā)酵罐內(nèi)的發(fā)酵條件(溫度、pH值、壓力、攪拌等)的控制，對于抗生素發(fā)酵水平的穩(wěn)定和提高至關(guān)重要。

3 控制系統(tǒng)配置

    該控制系統(tǒng)控制器選用S7-300系列可編程控制器為下位機(jī)，CPU 型號為315-2DP，通過其與現(xiàn)場設(shè)備的直接連接完成數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)判斷和控制輸出，下位機(jī)設(shè)計為可自動選擇脫機(jī)(脫離上位機(jī)) 或并機(jī)兩種運(yùn)行方式，一旦上位機(jī)出現(xiàn)問題，不會影響下位機(jī)的正常運(yùn)行。上位機(jī)采用工控機(jī)，上位機(jī)管理及監(jiān)控系統(tǒng)用WinCC組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)，組態(tài)軟件以組態(tài)畫面的形式實(shí)時顯示生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)以及報警信息, 并可在組態(tài)畫面上通過設(shè)置工藝和控制參數(shù)實(shí)時控制生產(chǎn)過程。下層網(wǎng)絡(luò)采用Profibus-DP網(wǎng)，Profibus網(wǎng)絡(luò)所具有的良好的實(shí)時處理工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)以及適應(yīng)現(xiàn)場惡劣環(huán)境要求的特性仍然是其他類型的網(wǎng)絡(luò)所無法比擬的。控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1：

                                   圖1   控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

4 發(fā)酵工藝控制

4.1 發(fā)酵罐溫度復(fù)合模糊控制系統(tǒng)

    發(fā)酵系統(tǒng)包括發(fā)酵大罐4個、中罐3個、小罐3個，各罐均要求實(shí)現(xiàn)溫度自控和流量顯示。中罐和小罐體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大發(fā)酵罐，特別是小罐體積只有0.3m3，而且生產(chǎn)工藝要求溫度控制要求極高，因?yàn)榫w生長繁殖和番茄紅素額的合成是在不同的最適溫度下進(jìn)行的，而溫度對象的特點(diǎn)是影響因素多，例如外界環(huán)境溫度、菌體生長吸熱、冷卻水流量等都會導(dǎo)致系統(tǒng)溫度的波動。如采用傳統(tǒng)的PID 控制，控制的超調(diào)大，調(diào)節(jié)時間長，控制效果較差。為此本系統(tǒng)采用先進(jìn)的復(fù)合模糊控制方案（Fuzzy-PI）對溫度進(jìn)行控制[2]。其主要設(shè)計思想是當(dāng)溫度偏差較大時采用Fuzzy 控制，以加快響應(yīng)速度；當(dāng)溫度偏差較小進(jìn)入穩(wěn)態(tài)過程后，則由程序切換到PI 控制，消除靜差，提高控制精度。兩種控制模式的切換由計算機(jī)程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動實(shí)現(xiàn)。

    復(fù)合模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖中PI 為常規(guī)比例積分調(diào)節(jié)器，F(xiàn)LC 為模糊控制器，K 為控制開關(guān)。在本控制系統(tǒng)中，PI 調(diào)節(jié)器和模糊控制器均通過PLC 來實(shí)現(xiàn)，這樣可明顯地提高系統(tǒng)的可靠性，獲得良好的控制效果。

                                   圖2   復(fù)合模糊控制原理圖

    模糊控制魯棒性較強(qiáng)，但存在穩(wěn)態(tài)誤差。PI 控制能有效地克服穩(wěn)態(tài)誤差，但系統(tǒng)存在大滯后及參數(shù)發(fā)生較大變化時，其穩(wěn)定性較差。復(fù)合模糊控制將二者優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，參數(shù)調(diào)整方便，能有效地克服純滯后對控制系統(tǒng)的不利影響。發(fā)酵罐溫度利用模糊控制和PID算法相結(jié)合原理，通過控制冷、熱水閥，采用冷、熱水交替控制。整個系統(tǒng)經(jīng)過適應(yīng)性設(shè)計和反復(fù)整定和調(diào)試，取得了良好的控制效果，有效的解決了發(fā)酵罐溫控不好，影響生產(chǎn)的難題，為菌種的生長提供了良好的溫度環(huán)境。

4.2 發(fā)酵液泡沫和逃液軟測量控制系統(tǒng)

    在發(fā)酵生產(chǎn)過程中，因發(fā)酵液產(chǎn)生泡沫而導(dǎo)致發(fā)酵液產(chǎn)生冒頂甚至逃液的現(xiàn)象，其后果造成發(fā)酵液損失甚至?xí)斐扇揪鹿?。因此及時可靠的發(fā)現(xiàn)逃液，進(jìn)行報警并采取泡沫消除措施，避免逃液一直是發(fā)酵工程技術(shù)人員研究的課題，在本控制系統(tǒng)中，采用最新的軟測試概念，把發(fā)酵罐作為一個系統(tǒng)，或稱之為狀態(tài)空間，把溫度、流量、發(fā)酵周期等工藝參數(shù)作為狀態(tài)變量，軟件自動進(jìn)行分析、辨識、建模，建立泡沫識別報警模型后，該模型可以在PLC上實(shí)時運(yùn)行，對工藝參數(shù)實(shí)時采集、記錄，進(jìn)行綜合判斷分析，通過內(nèi)部表決功能，進(jìn)行逃液報警。

    采用軟測試報警有兩個優(yōu)勢：一是減少了硬件投資，二是現(xiàn)在發(fā)酵車間一般采用電導(dǎo)式泡沫電極報警，電極在使用過程中非常容易發(fā)生短路故障，產(chǎn)生虛假報警，造成誤動作。而軟測試技術(shù)因?yàn)槟芫C合若干工藝參數(shù)作為判斷依據(jù)，能有效消除誤報警，避免了以上缺點(diǎn)。

4.3 發(fā)酵過程pH在線控制系統(tǒng)

    發(fā)酵液的pH值是微生物生長的一個重要環(huán)境參數(shù)，在生化反應(yīng)過程中，必須嚴(yán)格加以控制，否則pH值的變化和偏離會影響微生物的生長代謝正常進(jìn)行，尤其會嚴(yán)重影響和次級代謝產(chǎn)物的合成。番茄紅素發(fā)酵液的pH值對象特性具有如下一些特點(diǎn)：非線性、時變性、不確定性(影響因素多所致) 、較大的時滯（主要由pH值檢測電極和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的動作影響產(chǎn)生）。在發(fā)酵液的pH值控制中，選擇pH 值和給定值之差作為過程輸入，pH 值調(diào)節(jié)泵的開、關(guān)為過程輸出。在控制過程中，為了保證控制系統(tǒng)既不出現(xiàn)超調(diào)，又要有較快的響應(yīng)過渡過程， 經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用了帶死區(qū)空間的二位式控制。即：在發(fā)酵液pH 值過低加堿過程中，給定值與實(shí)際值偏差小于某一負(fù)臨界值時，開堿液泵，直到偏差大于某一臨界值時，關(guān)堿液泵；發(fā)酵液pH 值過高加酸過程中，給定值與實(shí)際值偏差大于某一臨界值時，開酸液泵，直到偏差小于某一負(fù)臨界值時，關(guān)堿液泵；在發(fā)酵液pH 值變化在以上臨界值區(qū)間之外時，保持各泵為關(guān)閉狀態(tài)。此算法雖然簡單，但多次實(shí)驗(yàn)證明，可以很好的滿足過程要求。

    此外，為了在番茄紅素的發(fā)酵生產(chǎn)過程中進(jìn)一步優(yōu)化控制系統(tǒng)，引入發(fā)酵液溶解氧在線測控技術(shù)。通過變頻技術(shù)來控制攪拌葉的轉(zhuǎn)動速率，達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)酵液中溶氧濃度的目的。

5 結(jié)束語

    本控制系統(tǒng)投用后，以穩(wěn)定可靠的自動控制系統(tǒng)和完善的自控方案，為生產(chǎn)提供了高精度控制，以及長期良好的歷史趨勢記錄，對于重要控制參數(shù)提供了及時有效的提示和報警，在PLC控制系統(tǒng)，設(shè)置先進(jìn)的復(fù)合模糊控制算法，充分發(fā)揮了PLC的優(yōu)勢，使番茄紅素發(fā)酵生產(chǎn)自控水平達(dá)到了一個新的高度；在逃液控制方面采取軟測試技術(shù)，大大提高了控制可靠性。

    系統(tǒng)投入使用后原料消耗率等都有大幅度降低，同時也確保了生產(chǎn)的安全可靠運(yùn)行，提高了企業(yè)的市場競爭能力，為企業(yè)帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

其它作者：祁玉平（1981-），女，畢業(yè)于河北科技大學(xué)工業(yè)自動化專業(yè)，華北制藥股份公司工程師。



參考文獻(xiàn)

[1] 熊貴. 發(fā)酵工藝原理 [M]. 北京: 中國醫(yī)藥科技出版社，1995.

[2] 熊偉麗，徐保國，肖應(yīng)旺. 基于PLC的Fuzzy_PI發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)[J]. 計算機(jī)工程，2005，31(9).

[3] 王樹青，元英進(jìn). 生化過程自動化技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，1999.5.

[4] 王奉堂. 智能控制方法在發(fā)酵中的應(yīng)用[J]. 無錫輕工大學(xué)學(xué)報，1996，15(2).