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何昕 （1975-）

女，華北制藥股份公司111車間工程師，畢業于河北科技大學工業自動化專業，研究方向為自動化技術。

摘要：本文針對某抗生素廠番茄紅素發酵過程控制，提出了基于PLC的自動控制系統的總體設計方案.該方案采用了復合模糊控制及軟測量技術等先進控制手段實現了計算機對發酵過程的優化控制。該控制系統在實際運行中具有很好的控制精度和可靠性。

關鍵詞：發酵過程；復合模糊控制；軟測量技術

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

    相對于傳統的以番茄為原料進行提取番茄紅素的生產工藝采用生物發酵技術生產番茄紅素可大幅度降低生產成本，具有明顯的經濟效益。由于微生物發酵過程是一個機理復雜、要求嚴格的工業過程，其對控制系統的要求也相對較高。西門子公司的S7-300 PLC系統具有擴充性能良好，組態靈活、兼容性好等特點，能夠適用于各種復雜、惡劣的分布或集中環境，同時可以應用各種先進的控制算法，在沒有確定的生化過程數學模型的情況下仍能對發酵過程進行優化控制。

2 工藝過程概述

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

3 控制系統配置

    該控制系統控制器選用S7-300系列可編程控制器為下位機，CPU 型號為315-2DP，通過其與現場設備的直接連接完成數據采集、狀態判斷和控制輸出，下位機設計為可自動選擇脫機(脫離上位機) 或并機兩種運行方式，一旦上位機出現問題，不會影響下位機的正常運行。上位機采用工控機，上位機管理及監控系統用WinCC組態軟件實現，組態軟件以組態畫面的形式實時顯示生產過程中的各種參數以及報警信息, 并可在組態畫面上通過設置工藝和控制參數實時控制生產過程。下層網絡采用Profibus-DP網，Profibus網絡所具有的良好的實時處理工業現場數據以及適應現場惡劣環境要求的特性仍然是其他類型的網絡所無法比擬的。控制系統網絡結構如圖1：

                                   圖1   控制系統網絡結構圖

4 發酵工藝控制

4.1 發酵罐溫度復合模糊控制系統

    發酵系統包括發酵大罐4個、中罐3個、小罐3個，各罐均要求實現溫度自控和流量顯示。中罐和小罐體積遠遠小于大發酵罐，特別是小罐體積只有0.3m3，而且生產工藝要求溫度控制要求極高，因為菌體生長繁殖和番茄紅素額的合成是在不同的最適溫度下進行的，而溫度對象的特點是影響因素多，例如外界環境溫度、菌體生長吸熱、冷卻水流量等都會導致系統溫度的波動。如采用傳統的PID 控制，控制的超調大，調節時間長，控制效果較差。為此本系統采用先進的復合模糊控制方案（Fuzzy-PI）對溫度進行控制[2]。其主要設計思想是當溫度偏差較大時采用Fuzzy 控制，以加快響應速度；當溫度偏差較小進入穩態過程后，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程序根據事先給定的偏差范圍自動實現。

    復合模糊控制系統的結構如圖2 所示。圖中PI 為常規比例積分調節器，FLC 為模糊控制器，K 為控制開關。在本控制系統中，PI 調節器和模糊控制器均通過PLC 來實現，這樣可明顯地提高系統的可靠性，獲得良好的控制效果。

                                   圖2   復合模糊控制原理圖

    模糊控制魯棒性較強，但存在穩態誤差。PI 控制能有效地克服穩態誤差，但系統存在大滯后及參數發生較大變化時，其穩定性較差。復合模糊控制將二者優點結合起來，參數調整方便，能有效地克服純滯后對控制系統的不利影響。發酵罐溫度利用模糊控制和PID算法相結合原理，通過控制冷、熱水閥，采用冷、熱水交替控制。整個系統經過適應性設計和反復整定和調試，取得了良好的控制效果，有效的解決了發酵罐溫控不好，影響生產的難題，為菌種的生長提供了良好的溫度環境。

4.2 發酵液泡沫和逃液軟測量控制系統

    在發酵生產過程中，因發酵液產生泡沫而導致發酵液產生冒頂甚至逃液的現象，其后果造成發酵液損失甚至會造成染菌事故。因此及時可靠的發現逃液，進行報警并采取泡沫消除措施，避免逃液一直是發酵工程技術人員研究的課題，在本控制系統中，采用最新的軟測試概念，把發酵罐作為一個系統，或稱之為狀態空間，把溫度、流量、發酵周期等工藝參數作為狀態變量，軟件自動進行分析、辨識、建模，建立泡沫識別報警模型后，該模型可以在PLC上實時運行，對工藝參數實時采集、記錄，進行綜合判斷分析，通過內部表決功能，進行逃液報警。

    采用軟測試報警有兩個優勢：一是減少了硬件投資，二是現在發酵車間一般采用電導式泡沫電極報警，電極在使用過程中非常容易發生短路故障，產生虛假報警，造成誤動作。而軟測試技術因為能綜合若干工藝參數作為判斷依據，能有效消除誤報警，避免了以上缺點。

4.3 發酵過程pH在線控制系統

    發酵液的pH值是微生物生長的一個重要環境參數，在生化反應過程中，必須嚴格加以控制，否則pH值的變化和偏離會影響微生物的生長代謝正常進行，尤其會嚴重影響和次級代謝產物的合成。番茄紅素發酵液的pH值對象特性具有如下一些特點：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值檢測電極和調節機構的動作影響產生）。在發酵液的pH值控制中，選擇pH 值和給定值之差作為過程輸入，pH 值調節泵的開、關為過程輸出。在控制過程中，為了保證控制系統既不出現超調，又要有較快的響應過渡過程， 經過多次實驗驗證，采用了帶死區空間的二位式控制。即：在發酵液pH 值過低加堿過程中，給定值與實際值偏差小于某一負臨界值時，開堿液泵，直到偏差大于某一臨界值時，關堿液泵；發酵液pH 值過高加酸過程中，給定值與實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臨界值時，關堿液泵；在發酵液pH 值變化在以上臨界值區間之外時，保持各泵為關閉狀態。此算法雖然簡單，但多次實驗證明，可以很好的滿足過程要求。

    此外，為了在番茄紅素的發酵生產過程中進一步優化控制系統，引入發酵液溶解氧在線測控技術。通過變頻技術來控制攪拌葉的轉動速率，達到調節發酵液中溶氧濃度的目的。

5 結束語

    本控制系統投用后，以穩定可靠的自動控制系統和完善的自控方案，為生產提供了高精度控制，以及長期良好的歷史趨勢記錄，對于重要控制參數提供了及時有效的提示和報警，在PLC控制系統，設置先進的復合模糊控制算法，充分發揮了PLC的優勢，使番茄紅素發酵生產自控水平達到了一個新的高度；在逃液控制方面采取軟測試技術，大大提高了控制可靠性。

    系統投入使用后原料消耗率等都有大幅度降低，同時也確保了生產的安全可靠運行，提高了企業的市場競爭能力，為企業帶來了明顯的經濟效益。

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



參考文獻

[1] 熊貴. 發酵工藝原理 [M]. 北京: 中國醫藥科技出版社，1995.

[2] 熊偉麗，徐保國，肖應旺. 基于PLC的Fuzzy_PI發酵溫度控制系統[J]. 計算機工程，2005，31(9).

[3] 王樹青，元英進. 生化過程自動化技術[M]. 北京: 化學工業出版社，1999.5.

[4] 王奉堂. 智能控制方法在發酵中的應用[J]. 無錫輕工大學學報，1996，15(2).