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何昕 （1975-）

女，華北制藥股份公司111車(chē)間工程師，畢業(yè)于河北科技大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化專業(yè)，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化技術(shù)。

摘要：本文針對(duì)某抗生素廠番茄紅素發(fā)酵過(guò)程控制，提出了基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案.該方案采用了復(fù)合模糊控制及軟測(cè)量技術(shù)等先進(jìn)控制手段實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)對(duì)發(fā)酵過(guò)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(guò)程；復(fù)合模糊控制；軟測(cè)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(duì)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(guò)程是一個(gè)機(jī)理復(fù)雜、要求嚴(yán)格的工業(yè)過(guò)程，其對(duì)控制系統(tǒng)的要求也相對(duì)較高。西門(mén)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(shí)可以應(yīng)用各種先進(jìn)的控制算法，在沒(méi)有確定的生化過(guò)程數(shù)學(xué)模型的情況下仍能對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制。

2 工藝過(guò)程概述

    番茄紅素發(fā)酵法生產(chǎn)工藝主要包括以下過(guò)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(guò)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(gè)生長(zhǎng)期的長(zhǎng)短將在很大范圍內(nèi)變化，這就使人們有可能通過(guò)對(duì)環(huán)境條件的控制來(lái)提高產(chǎn)物產(chǎn)率。因此選擇合理的方案對(duì)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(duì)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(hào)為315-2DP，通過(guò)其與現(xiàn)場(chǎng)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(jì)為可自動(dòng)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(wèn)題，不會(huì)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(huà)面的形式實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)過(guò)程中的各種參數(shù)以及報(bào)警信息, 并可在組態(tài)畫(huà)面上通過(guò)設(shè)置工藝和控制參數(shù)實(shí)時(shí)控制生產(chǎn)過(guò)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(shí)處理工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)以及適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境要求的特性仍然是其他類型的網(wǎng)絡(luò)所無(wú)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(gè)、中罐3個(gè)、小罐3個(gè)，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(zhǎng)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(duì)象的特點(diǎn)是影響因素多，例如外界環(huán)境溫度、菌體生長(zhǎng)吸熱、冷卻水流量等都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)溫度的波動(dòng)。如采用傳統(tǒng)的PID 控制，控制的超調(diào)大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，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(duì)溫度進(jìn)行控制[2]。其主要設(shè)計(jì)思想是當(dāng)溫度偏差較大時(shí)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(guò)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(jì)算機(jī)程序根據(jù)事先給定的偏差范圍自動(dòng)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(kāi)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(guò)PLC 來(lái)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(shí)，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(lái)，參數(shù)調(diào)整方便，能有效地克服純滯后對(duì)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(guò)控制冷、熱水閥，采用冷、熱水交替控制。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)適應(yīng)性設(shè)計(jì)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(zhǎng)提供了良好的溫度環(huán)境。

4.2 發(fā)酵液泡沫和逃液軟測(cè)量控制系統(tǒng)

    在發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)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鹿省Ｒ虼思皶r(shí)可靠的發(fā)現(xiàn)逃液，進(jìn)行報(bào)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(cè)試概念，把發(fā)酵罐作為一個(gè)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(dòng)進(jìn)行分析、辨識(shí)、建模，建立泡沫識(shí)別報(bào)警模型后，該模型可以在PLC上實(shí)時(shí)運(yùn)行，對(duì)工藝參數(shù)實(shí)時(shí)采集、記錄，進(jìn)行綜合判斷分析，通過(guò)內(nèi)部表決功能，進(jìn)行逃液報(bào)警。

    采用軟測(cè)試報(bào)警有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是減少了硬件投資，二是現(xiàn)在發(fā)酵車(chē)間一般采用電導(dǎo)式泡沫電極報(bào)警，電極在使用過(guò)程中非常容易發(fā)生短路故障，產(chǎn)生虛假報(bào)警，造成誤動(dòng)作。而軟測(cè)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(bào)警，避免了以上缺點(diǎn)。

4.3 發(fā)酵過(guò)程pH在線控制系統(tǒng)

    發(fā)酵液的pH值是微生物生長(zhǎng)的一個(gè)重要環(huán)境參數(shù)，在生化反應(yīng)過(guò)程中，必須嚴(yán)格加以控制，否則pH值的變化和偏離會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)代謝正常進(jìn)行，尤其會(huì)嚴(yán)重影響和次級(jí)代謝產(chǎn)物的合成。番茄紅素發(fā)酵液的pH值對(duì)象特性具有如下一些特點(diǎn)：非線性、時(shí)變性、不確定性(影響因素多所致) 、較大的時(shí)滯（主要由pH值檢測(cè)電極和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的動(dòng)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(guò)程輸入，pH 值調(diào)節(jié)泵的開(kāi)、關(guān)為過(guò)程輸出。在控制過(guò)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(guò)渡過(guò)程， 經(jīng)過(guò)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(guò)低加堿過(guò)程中，給定值與實(shí)際值偏差小于某一負(fù)臨界值時(shí)，開(kāi)堿液泵，直到偏差大于某一臨界值時(shí)，關(guān)堿液泵；發(fā)酵液pH 值過(guò)高加酸過(guò)程中，給定值與實(shí)際值偏差大于某一臨界值時(shí)，開(kāi)酸液泵，直到偏差小于某一負(fù)臨界值時(shí)，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(shí)，保持各泵為關(guān)閉狀態(tài)。此算法雖然簡(jiǎn)單，但多次實(shí)驗(yàn)證明，可以很好的滿足過(guò)程要求。

    此外，為了在番茄紅素的發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)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(cè)控技術(shù)。通過(guò)變頻技術(shù)來(lái)控制攪拌葉的轉(zhuǎn)動(dòng)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(yǔ)

    本控制系統(tǒng)投用后，以穩(wěn)定可靠的自動(dòng)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(zhǎng)期良好的歷史趨勢(shì)記錄，對(duì)于重要控制參數(shù)提供了及時(shí)有效的提示和報(bào)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(shì)，使番茄紅素發(fā)酵生產(chǎn)自控水平達(dá)到了一個(gè)新的高度；在逃液控制方面采取軟測(cè)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(shí)也確保了生產(chǎn)的安全可靠運(yùn)行，提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，為企業(yè)帶來(lái)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(dòng)化專業(yè)，華北制藥股份公司工程師。



參考文獻(xiàn)

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