FX2N 用于发酵工程放大和优化

1． 前言 
    发酵工程，利用细胞大规模培养技术，已深入到医药、轻工、食品、农业、环保各个领域，在国民经济中占有很大的比重。提高发酵水平，具有重要的经济和社会意义。基于参数相关的发酵过程多尺度问题研究的放大和优化技术的理论，在发酵工程放大和优化上取得了很大的成绩。 由于发酵过程的复杂性和高度非线性等诸多因素和多容量过程特征，使系统具有动态性和难以预测性，同时发酵过程严酷的工况条件，如高温、高湿、长周期发酵等都对生物反应器控制系统提出了严格的要求。以FX2n系列PLC为主控制器的生物反应器控制系统, 是新的发酵工程放大和优化理论的支撑工作平台。 
2． 控制系统技术要求 
    1） 生物反应器控制系统的数据采样对象，温度、pH、溶解氧等环境参数是连续量。 
    2） 执行器，大部分是开关量，如电磁阀、隔膜阀等各类阀门，间隙工作的各类补料泵等。
    3） 另有部分模拟量输出，如搅拌电机转速控制等。
    4） 过程特征变量一般分直接变量和间接变量。发酵工程，是生物反应过程，过程特征中含有许多难以直接测量的生物变量，如摄氧率OUR，二氧化碳释放率CER，呼吸商RQ等，这些间接变量对基于多尺度法研究的新的发酵工程放大和优化具有极为重要的意义，只能把直接测量得到的直接变量，使用软测量技术，经函数运算，映射得到。直接测量的精度，稳定性和控制系统的运算能力决定了整个系统的品质。
    5） 随着Internet技术的推广，现代信息技术正在进入到每个领域，并且基于参数相关的发酵过程多尺度问题研究的放大和优化技术的理论，是个全新的概念，正在逐步发展，需要国内各方面专家的协同努力，本系统应具有开放的通讯接口，在车间范围内组成局域网，并通过Internet ，使远方终端可以浏览现场数据，或进行干预。 
3． 系统的组成
    根据上述技术要求和以往的经验，我们觉得选用三菱公司的FX2n系列PLC是合适的。FX2n系列PLC有各种扩展模块可以选择，如FX2n-4AD-PT, FX2n-4AD, FX2n-232-Bd等扩展模块，适合模拟量的输入和数据通信；开关量可以直接输出；FX2n系列PLC指令集丰富，涵盖大部分运算。双字节浮点运算指令满足测量和运算的精度。现场传感器检测各种物理，化学，生物参数，输入FX2n-4AD-PT和FX2n-4AD等摸块，PLC运算后输出控制执行器，并和车间操作站数据交换。 人机界面采用三菱公司的A975GOT-TBA-B, 10.4英寸液晶屏带触摸键，画面丰富，还编制了多幅用户帮助画面，提供在线帮助，界面友好。现场控制站安置在生物反应器旁，各类传感器和PLC安装在同一控制柜内, 变送器、PLC等供电回路加配交流滤波器。通讯用双绞电缆链往车间操作站，与PC-BASED结构相比,简化了现场布线。车间操作站IPC, 带有以太网口，可以和其他PC机组成局域网；C++ 编写的多线程，多任务软件包，完成数据分析，趋势曲线，查询，打印等功能，并集成了TCP/IP, 便于远方终端在Internet网上访问 。图1是系统配置示意图。    

4. 主要控制算法和PLC指令
    相同的算法可以调用相应的子程序。 
    1） 带不灵敏度区的分程控制 温度、Ph等参数的控制规律如式1：

    式中 Δ————- │设定值 – 测量值│（误差） 
            P —————— 比例系数（单位: 被控制量） 
            FS ————- zui大开启时间（单位: 秒） 
            MS ———— zui小开启时间 （单位: 秒）
            NSB ——- 不灵敏区 （单位: 被控制量）
    PLC程序中使用了区间比较16位指令ZCP。需注意的是执行该指令后， 要执行区间复位指令ZRST。图2是带不灵敏度区的分程控制 
    2）扩展模块的初始化和pH 、DO 电极的标定

    FX2n-4AD,FX2n-4AD-PT 等模块在*次使用时，要根据被测工程量范围、滤波常数等初始设置；pH ,DO 等电极在正式使用前要标定，f（x）=ax+b, 用标准缓冲液定出a、b 使用双字节浮点运算指令FLT, BCD, DEADD, DESUB, DEMUL, DED等。
3）数据的存储
    PLC检测到的数据在送往操作站存储同时，也在PLC中实时存储，以提高系统的冗余度。一般认为PLC不容易数据采集和存储[4]，FX2n 为我们提供了8K字存储区，可以满足每批发酵的数据量。我们使用了两种方法：1.定时采集 每隔一段时间采样一次,存储后,指针加1, 存储格式固定, 存储区的长度与已存数长度相配,不存时间。2.变化采集 当被采集的参数的变化值大于预定的记录精度,把此时的数据和时间存入存储区。使用变址寄存器V，Z，改变软元件地址号，对文件寄存器地址号变址修改。
    4） 软测量技术的实现 传感器测得信号后，PLC根据预设的生物数学模型运算，得到不能直接测量的间接变量。如细胞代谢流信息之一摄氧率OUR，摩尔氧表示：

    式中 Co2———————— 溶解氧浓度，mol/m3
               Fa,i —————— 进入发酵液的空气体积流量， m3/h 
              Fa,o —————— 排出发酵液的空气体积流量， m3/h 
                 V ———————— 发酵液体积， m3
                F ——————————- 流加补料速率， m3/h 
                no2,i—————— 进入发酵液的空气中氧的体积分数；
                no2,o—————— 排出发酵液的空气中氧的体积分数；
                ro2————————- 氧利用率，mol/m3h 
    系统趋于稳定时， 

    使用FX2n的双字节浮点运算指令，求取ro2 。
5. 小结
    以FX2n系列PLC为主体的生物反应器数据采集和控制系统，性能稳定, 使用于发酵工程放大和优化，取得了很好的成绩，现已推广应用于疫苗、微生态制剂、生物农药、生物肥料等医药、食品、农业、环保等行业，并在我国（包括传统生物技术和基因工程技术在内）发酵行业装备现代化技术改造和信息化进程中发挥了积极作用。本文研究的系统作为项目：”基于过程参数相关的发酵过程优化与放大技术及其生物反应器装置研究”的组成，被评为2OO1年上海市科技进步一等奖。