隨著我國大力發(fā)展生物工程技術(shù)，生物發(fā)酵技術(shù)也實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)激素和干擾素等醫(yī)療藥品。微生物發(fā)酵過程是一個(gè)多參數(shù)融合的極其復(fù)雜的過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的成敗依賴工藝參數(shù)的控制精確度，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行決定著實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)速率和代謝產(chǎn)物的質(zhì)量。同時(shí)，微生物發(fā)酵實(shí)驗(yàn)過程也是一個(gè)緩慢的過程，需要實(shí)驗(yàn)人員長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)與調(diào)整。因此，設(shè)計(jì)一款精確度高、運(yùn)行可靠并能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制的生物發(fā)酵罐系統(tǒng)是非常必要的。嵌入式系統(tǒng)和可編程控制器是當(dāng)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(tǒng)采用工業(yè)控制設(shè)備可編程控制器作為核心控制器。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)采用西門子S7-1200PLC CPU1214為主控制器，如圖1所示，通過傳感器檢測(cè)發(fā)酵罐中的溫度、pH值、溶氧量等發(fā)酵過程中重要的指標(biāo)參數(shù)，通過電機(jī)、蠕動(dòng)泵等執(zhí)行器控制調(diào)節(jié)發(fā)酵罐中的各項(xiàng)指標(biāo)。人機(jī)界面(HMI)通過以太網(wǎng)通信，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制發(fā)酵罐中的各項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)利用以太網(wǎng)連接GRM533YW遠(yuǎn)程模塊，將發(fā)酵罐中的參數(shù)以4G或WIFI網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程手機(jī)/平板或WEB網(wǎng)頁中，方便實(shí)驗(yàn)人員遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制發(fā)酵罐中的參數(shù)調(diào)整。
圖1 系統(tǒng)總體框圖
2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
西門子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(tǒng)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(shù)字量輸入，10點(diǎn)集成數(shù)字量輸出和2點(diǎn)集成0～10 V模擬量輸入，并且?guī)в蠵ID控制器，具有自動(dòng)整定功能。由于發(fā)酵過程需要控制如溫度、pH值和溶氧等模擬量信號(hào)，因此該系統(tǒng)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(kuò)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(yàn)過程中通常需要多組對(duì)照實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組兩組相同但獨(dú)立的反應(yīng)系統(tǒng)，采用一個(gè)控制器進(jìn)行控制以減少非發(fā)酵過程中的因素影響。發(fā)酵過程中的消泡、補(bǔ)料、補(bǔ)酸和補(bǔ)堿泵采用RS-485通信方式STM17S集成步進(jìn)電機(jī)，如圖3所示，采用兩線制半雙工連接方式可以使用一臺(tái)PLC主機(jī)連接并控制多臺(tái)驅(qū)動(dòng)器。溫度測(cè)量采用PT100傳感器和4～20 mA的導(dǎo)軌式溫度變送器，基本無誤差。pH值和溶氧(DO)采用Hamilton高精度傳感器。采用盤式電熱絲和循環(huán)冷卻水控制發(fā)酵過程溫度。采用西門子V20變頻器控制三相異步電動(dòng)機(jī)完成攪拌。采用MCGS觸摸屏完成發(fā)酵過程的數(shù)據(jù)監(jiān)控、存儲(chǔ)與分析。采用GRM533YW通過4G/WIFI完成遠(yuǎn)程監(jiān)控。
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖3 集成步進(jìn)電機(jī)
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及微生物細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝，是具有時(shí)變性、隨機(jī)性和多變量輸入的動(dòng)態(tài)過程。PLC程序設(shè)計(jì)通過模糊自適應(yīng)PID等各種控制方法確保發(fā)酵技術(shù)參數(shù)穩(wěn)定與準(zhǔn)確，人機(jī)界面軟件確保發(fā)酵過程操作簡(jiǎn)單方便，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)減少實(shí)驗(yàn)人員的盯守時(shí)間。
3.1 PLC軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)實(shí)驗(yàn)復(fù)雜多變的需求，融合生物發(fā)酵多個(gè)參數(shù)指標(biāo)，補(bǔ)料方式設(shè)計(jì)為恒動(dòng)補(bǔ)料、恒頻補(bǔ)料和關(guān)聯(lián)補(bǔ)料方式三種方式。恒動(dòng)補(bǔ)料是可以設(shè)定恒動(dòng)的流速和補(bǔ)料的容量，可以最大的流速不能超過1 500 mL/h; 恒頻補(bǔ)料實(shí)現(xiàn)恒定的時(shí)間補(bǔ)加指定容量的料液，可以設(shè)定間隔的時(shí)間(單位是min)和間隔的時(shí)間內(nèi)添加容量，可以最大的流速不能超過1 500 mL/h; 關(guān)聯(lián)補(bǔ)料是實(shí)現(xiàn)多段不同流速和不同容量的料液，可以設(shè)定開始和結(jié)束的關(guān)聯(lián)時(shí)間，設(shè)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(bǔ)料的總?cè)萘?。并且可以顯示在實(shí)驗(yàn)開始到結(jié)束的每個(gè)蠕動(dòng)泵的不同補(bǔ)料方式的總補(bǔ)料容量，方便統(tǒng)計(jì)發(fā)酵過程的補(bǔ)料總數(shù)。
溫度、pH值控制方案采用模糊自適應(yīng)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(guī)則對(duì)PID控制器的參數(shù)Kp、Ki和Kd進(jìn)行自適應(yīng)整定，使被控對(duì)象保持在良好的動(dòng)、靜態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于發(fā)酵反應(yīng)過程的時(shí)變性和非線性較大系統(tǒng)，采用模糊自適應(yīng)PID相比傳統(tǒng)的PID,控制過程靈活穩(wěn)定，控制效果更加突出。
自動(dòng)攪拌過程攪拌速度融合于DO變化，通過傳感器監(jiān)測(cè)到DO值的變換線性關(guān)聯(lián)攪拌速度，在上位機(jī)界面可以設(shè)置DO數(shù)值的上限和下限、DO與攪拌速度的關(guān)系阻尼系數(shù)、攪拌速度的上限和下限和攪拌的轉(zhuǎn)數(shù)變化比例。例如，發(fā)酵工藝需要將DO控制在25%～40%的范圍內(nèi)，DO與攪拌速度的關(guān)系阻尼系數(shù)可以設(shè)定為30 s, 表示DO不在設(shè)定的上下限范圍內(nèi)時(shí)，可以每隔30 s根據(jù)設(shè)定的步伐調(diào)整一次轉(zhuǎn)速的設(shè)定值，當(dāng)DO在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，攪拌速度在設(shè)定上下限關(guān)聯(lián)于設(shè)定的DO上下限。
圖4 模糊自適應(yīng)PID算法框圖
3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)
人機(jī)界面是實(shí)驗(yàn)人員觀察和調(diào)整發(fā)酵過程的窗口。本方案設(shè)計(jì)的重要參數(shù)集中觀察的主界面、溫度和pH值、攪拌與DO、補(bǔ)料等觀察數(shù)據(jù)和調(diào)整參數(shù)界面。如圖5所示，在參數(shù)主頁面中可以查看溫度、pH值、DO、攪拌速度和泵的流量等重要參數(shù)，可以通過單擊發(fā)酵罐切換實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的界面。如圖6所示，補(bǔ)料方式設(shè)計(jì)恒動(dòng)補(bǔ)料、恒頻補(bǔ)料和關(guān)聯(lián)補(bǔ)料方式的設(shè)計(jì)窗口。
圖5 參數(shù)主頁面
圖6 補(bǔ)料泵A1頁面
溫度和pH值設(shè)置頁面如圖7所示。溫度值可以設(shè)定并可以顯示當(dāng)前溫度，既可手動(dòng)加熱和冷卻，也可以根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)調(diào)溫，并有加熱和冷卻狀態(tài)指示燈。pH值可以設(shè)定并可以顯示當(dāng)前pH值，既可手動(dòng)加堿和加酸，也可以根據(jù)設(shè)定值自動(dòng)調(diào)節(jié)，并有加堿和加酸狀態(tài)指示燈。添加顯示補(bǔ)堿和補(bǔ)酸的累計(jì)容量，方便統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程中總的補(bǔ)料量。添加溫度和pH值實(shí)時(shí)曲線。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(shè)置頁面
攪拌和DO設(shè)置頁面如圖8所示，攪拌速度可以設(shè)定并可以顯示當(dāng)前速度，既可以按照設(shè)定速度自動(dòng)運(yùn)行，也可以根據(jù)溶氧量關(guān)聯(lián)運(yùn)行，并有攪拌電機(jī)和急停狀態(tài)指示燈。攪拌和溶氧關(guān)聯(lián)運(yùn)行時(shí)，按照設(shè)定的溶氧量范圍關(guān)聯(lián)攪拌速度從設(shè)定的最小速度到最大速度調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)速度的精度可以設(shè)置，默認(rèn)是0.5 r/min。攪拌轉(zhuǎn)速：變頻調(diào)速范圍50～800(±5 r/min);溶解氧：0～150(±2%)。
圖8 攪拌和DO設(shè)置頁面
泵校準(zhǔn)頁面如圖9所示，一般設(shè)定時(shí)間輸入框輸入600 s, 單擊“開泵”按鈕，此時(shí)補(bǔ)料泵A1開始運(yùn)行，記錄測(cè)得總的容積，填寫到測(cè)得總?cè)莘e輸入框中，單擊“校準(zhǔn)”按鈕完成校準(zhǔn)操作。此時(shí)流量輸入框中自動(dòng)計(jì)算出泵的流速。同時(shí)本頁面保留定量加酸和加堿功能。
圖9 泵校準(zhǔn)頁面
DO和pH電極校驗(yàn)頁面如圖10所示，將電極放在配置好的發(fā)酵罐中靜止，待電極穩(wěn)定后，單擊“校驗(yàn)”按鈕，完成靜止溶液溶氧100%的校驗(yàn)；將pH電極放置到pH值為7.0的標(biāo)準(zhǔn)液中，待數(shù)值穩(wěn)定后，單擊“校驗(yàn)”按鈕，完成校驗(yàn)，將電極擦拭干凈，再將電極放置pH值為4.01標(biāo)準(zhǔn)液中，待數(shù)值穩(wěn)定后，驗(yàn)證pH電極校準(zhǔn)是否準(zhǔn)確，完成pH電極校準(zhǔn)工作。
圖10 電極校準(zhǔn)頁面
在實(shí)驗(yàn)過程中為方便分析重要參數(shù)的趨勢(shì)，設(shè)計(jì)了歷史曲線界面包括溫度、pH值、DO、攪拌、補(bǔ)料A1、補(bǔ)料A2和堿泵補(bǔ)料總量，如圖11所示。在歷史曲線的左下角有7個(gè)按鈕，可以控制曲線控件的左翻、左翻半頁、左翻四分之一頁、右翻、右翻半頁、右翻四分之一頁和數(shù)據(jù)顯示設(shè)定特定范圍。畫面右側(cè)是7個(gè)添加曲線按鈕，可以在按鈕右邊輸入框中輸入顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)曲線的最小和最大縱坐標(biāo)的范圍。
圖11 歷史曲線頁面
為了記錄發(fā)酵過程中的是否發(fā)生影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的意外，設(shè)計(jì)的報(bào)警界面可以查閱發(fā)酵過程中的所有報(bào)警信息。當(dāng)前報(bào)警位于上表格，歷史報(bào)警位于下表格，如圖12所示。
圖12 報(bào)警頁面
為試驗(yàn)后能夠總結(jié)發(fā)酵過程的重要參數(shù)趨勢(shì)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的重要參數(shù)都進(jìn)行了記錄，如圖13所示。默認(rèn)顯示所有的數(shù)據(jù)，單擊 “設(shè)置”按鈕，可以顯示設(shè)置的特定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以通過U盤導(dǎo)出。
圖13 報(bào)表頁面
設(shè)計(jì)溫度跟蹤控制，如圖14所示。該系統(tǒng)溫度可以實(shí)現(xiàn)多段控制及跟蹤控制。單擊“溫控曲線”頁面右下的“設(shè)定”按鈕，進(jìn)入“配方”頁面，選擇已有的“配方”,也可以編輯新的配方，滿足不同實(shí)驗(yàn)溫度控制要求。
圖14 溫控曲線頁面
3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件通過無線通信模塊GRM530實(shí)現(xiàn)，其可做PLC系統(tǒng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，支持現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、手機(jī)APP監(jiān)控、微信消息推送報(bào)警等功能。本方案中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)到服務(wù)器端的數(shù)據(jù)采用的GRM530無線通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)，通信網(wǎng)絡(luò)可以選擇4G或WIFI。報(bào)警信息通過此模塊完成轉(zhuǎn)發(fā)，并且可以通過APP或網(wǎng)頁監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。如圖15所示，使用微信報(bào)警和微信查看數(shù)據(jù)的方法，模塊需要選配歷史數(shù)據(jù)和微信報(bào)警功能，在GRMDEV軟件中配置短信報(bào)警，包括報(bào)警條件(比如PLC寄存器大于30)、報(bào)警內(nèi)容，下載到模塊。必須先配置歷史報(bào)警，GRMDEV軟件工程選項(xiàng)的基本選項(xiàng)里面要勾選。發(fā)生報(bào)警后，管理員微信可以收到報(bào)警信息，提示相關(guān)實(shí)驗(yàn)人員處理報(bào)警。遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件除了設(shè)計(jì)微信推送報(bào)警功能外，還可以通過手機(jī)APP或網(wǎng)頁，完成重要參數(shù)的觀察和調(diào)整等相關(guān)的控制，界面設(shè)計(jì)與觸摸屏設(shè)計(jì)風(fēng)格相同，如圖16所示。
圖15 微信報(bào)警
圖16 遠(yuǎn)程監(jiān)控主頁面
4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)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(tǒng)的溫控曲線跟蹤穩(wěn)定，pH值和溶氧指標(biāo)均穩(wěn)定控制在實(shí)驗(yàn)需要的范圍。發(fā)酵產(chǎn)品的產(chǎn)量穩(wěn)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(jié)束語
本文詳細(xì)闡述了一種基于可編程控制的新型發(fā)酵罐系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)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(jī)作為加料泵，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性；本系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加符合實(shí)驗(yàn)要求的一拖二式的發(fā)酵罐，系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)了更加先進(jìn)的模糊自適應(yīng)PID算法增加實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性；設(shè)計(jì)恒動(dòng)補(bǔ)料、恒頻補(bǔ)料、關(guān)聯(lián)補(bǔ)料等更多樣的補(bǔ)料方式增加實(shí)驗(yàn)的靈活性；設(shè)計(jì)的微信報(bào)警和遠(yuǎn)程監(jiān)控減少實(shí)驗(yàn)人員的長(zhǎng)時(shí)間盯守增加方便性。
