0 引言

　　原發酵控制系統技術比較落后，生產中仍以人工控制為主，不僅手工操作，經驗控制，而且有的儀表系統參數檢測和控制采用的全部是模擬儀表，甚至為老式的B型儀表，存在著精度低、干擾影響大的缺點，使得整個系統的控制品質非常差，造成嚴重的經濟損失。面對日益激烈的市場競爭，對生產控制技術進行改造已勢在必行。

　　根據生產要求和杭生素素發酵的特點，結合計算機軟硬件技術、新儀表儀器等，決定采用基于PLC和組態王的控制系統設計方案對抗生素發酵原有控制系統進行全面技術改造。

1 工藝過程

　　抗生素作為發酵代謝過程中的產物，通過下列過程來完旎生產菌種-抱子制備-種子培養-發酵-發酵液預處理及過濾，提取及精制-成品檢驗-成品包裝-出廠檢驗。發酵周期為17an左右。其中種子培養和發酵分別在種子罐(包括一級種子罐和二級種子罐)和發酵罐(三級罐)中進行，選擇合理的方案對種子罐內的培養條件(種子培養基、溫度、pH值、壓力、通人空氣的流量、攪拌等)和發酵罐內的發酵條件(發酵培養基、溫度、PH值、壓力、通入空氣的流量、攪拌等On的控制，對于抗生素發酵水平的穩定和提高至關重要。

2 控制系統硬件構成設計

　　2.1 控制系統的組成及控制方式

　　該控制系統控制器選用S7-3aa系列可編程控制器，CPU型號為315-2DP;上位機管理及監控系統用組態王KingView軟件編程實現。本系統需要控制的對象如下:9個一級種子罐，被控量有罐內的溫度和空氣流量;9個二級種子罐，被控量有罐內的溫度、空氣流量、攪拌轉速和溶解氧;22個發酵罐，被控量有罐內的溫度、壓力、攪拌轉速、空氣流量、補料、溶解氧和PH值;1個熱水罐的溫度，一次水、蒸汽、空氣總管和循環水的流量與壓力;循環水上水溫度和回水溫度;空氣加熱前溫度和加熱后溫度;補料1和補料2溫度。所用的被控量都通過上位機進行實時監控，其中，對發酵罐和種子罐的溫度用PID進行控制;對補料和消泡進行了自動控制。其余被控量通過上位機的實時監控，用手動達到相應的控制目的。整套系統需要模擬量輸人共152點，數字量輸入輸出共141點。

　　(1)將MPI通訊卡安裝在計算機(配置有組態王KingView軟件)的PCI插槽中，用MPI電纜將MPI卡與S7300系列PLC(所有的S7300系列CPU模塊都有MPI口)的MPI口相連，即可實現

　　PLC與上位機的通訊。傳輸速率為187.Skbit/s。

　　(2)由于該控制系統需要管理和監控的數據較多，所以將配置有組態王KingView軟件(1024點)的PGIPC作為服務器，另外為了實現對重要數據的同步實時監控，將兩個客戶端PGIPC(客戶端1和客戶端2都配置有64點的組態王KingView軟件)通過TCP/IP網絡協議連接到局域網，使二者可以與服務器進行通訊，從而起到實時監控一部分重要數據的作用，減輕服務器的負擔。

　　(3)將調度室的PG/PC通過TCPIIP網絡協議連接到該局域網，即可實現對數據的遠程監控。

　　2.2 PLC選型

　　S7-300型PLC的CPU模塊的選擇主要考慮存儲容量、運行速度、I/O模塊擴展能力以及計時器和計數器的數量等指標。綜合分析所要控制的對象及其要求，選用CPU315-2DP。電源模塊主要是為CPU及接口模塊供電，所以I/O模塊、接口模塊和CPU模塊所需電流之和要小于電源模塊的額定電流。這里選用PS307,額定電流為SAo I/O模塊的選擇主要根據控制對象，同時還要留有10%-15%的余量。最終選用8通道模擬量輸入模塊SM331  (21塊)，32點數字量輸人模塊SM321(2塊)，二者的額定電壓均為DC24 I/O  16點繼電器型數字量輸人模塊SM322(7塊)。最高電壓為DC 120 V。由于一塊底板最多只能帶8塊I/O模塊，所以需要擴展，擴展單元通過接口模塊IM360, IM361進行通信，模塊間通過背板總線傳遞數據。SM1-SM10是數字量輸入輸出模塊。所有模塊都安裝在底板上。

　　另外，根據實際要求，采用Pt 100鉑電阻檢測熱水罐、種子罐和發酵罐的溫度，其技術參數為:雙支、三線制、0-150 C、精度:1 0.5 %； PH值的檢測采用復合PH電極和PH變送器來實現，復合PH電極使用465-50-57 , PH變送器采用PH2100，其技術參數為:PH/mV輸入:0.00-14.00/-1500-1500m從測量誤差PH值<<0.02 , mV值<1mV,輸出:4-20mA;檢測溶解氧濃度DO采用DO電極InPro6000和溶氧變送器4100e,測量范圍:0100%:系統誤差:士0.5% }輸出:4-20mA;發酵罐的壓力的檢測采用Honeywell壓力變送器，技術參數為:0--0.4Mpa:二線制，4}20mA;系統精度士0.3%。空氣流量采用渦街流量計測量;熱水罐、消泡和補料時的液位控制采用UDB電極式液位開關。

3 軟件設計

　　本系統使用STEP7的結構化編程方法進行編程。根據工藝要求，控制系統的操作分為自動和手動，即被控對象分為自動和手動，這樣也為程序調試帶來方便。其中OB1, OB35是組織塊，OB1為主程序;FCX(X的值為2, 4, S, b, 7, 8, 10, 11, 12)是功能程序塊;FB59是STEP?軟件“標準庫PID控制”中的溫度控制器，DB I I -DB52是FBS9的背景數據塊，SFC1, SFB3, Sh`F34和FC34是STEP7軟件為用戶提供的系統功能、系統功能塊和功能。DBb和DBS是SFB4的背景數據塊，DB7和DB9是SFB3的背景數據塊。

　　FC11和FC10將采集的生產現場的數據模擬量“規范化，為0-150(溫度)、0-30(進人一級種子罐的空氣流量),0-240(進入二級種子罐的空氣流量)、0-1500(進入發酵罐的空氣流量)、0-14 (PH值)、0-40(壓力)、0-5(補料)、0-100(攪拌轉速)、0-200(溶解氧)、0-1.6(空氣總管壓力和蒸汽壓力)、0_55400(空氣總管流量)、0-9000蒸汽流量)、0-60(循環水壓力和一次水壓力)、0-11000(循環水流量)、0-340(一次水流量)，以上數值全為浮點數(即實數);FC7和FC4是補料控制;FC6和FCS是消泡控制;FC12和FCC分別是自動控制熱水罐冷水閥和手動控制熱水罐冷水閥;OB35調用功能塊FB59進行PID控制算法，其輸出控制各級罐的冷水溫控閥、熱水溫拎閥、三級罐的補料閥和消泡劑閥及熱水灌蒸汽閥的打開和關閉。P1D控制算法的采樣時間為10秒。

　　3.1 消泡控制流程

　　通過對消泡劑閥的自動或手動控制，進而控制進入發酵罐的消泡劑的流量，達到消泡的目的。

3.2 溫度控制流程

　　步進PI控制器FB59用開關量輸出信號控制積分型執行機構(例如電動調節閥》。三態元件具有帶滯環的雙向繼電器非線性特性，它的作用是將小閉環的誤差信號轉換為兩個開關量信號，它們通過伺服電動機來控制調節閥的開度。脈沖發生器PULSEOUT生成用于執行機構的脈沖，可以通過調整三級元件的閡值來降低控制值的開關頻率。脈沖發生器用來保證最小脈沖時間和最小斷開時間，以減小執行機構的磨損。手動模式ON為1時系統處于手動模式，手動與自動的切換過程是平滑的。

　　3.3 補料控制流程

　　為了保證發酵的水平，發酵過程中需要補料(如培養基)，通過自動控制補料閥進行補料。

　　3.4 組態結構圖

　　上位機管理及監控系統用組態王KingView軟件編程實現，抗生素發酵控制系統監控界面的組態結構是發酵罐301的監控。

4 結束語

　　改造后的控制系統，已經成功運用于抗生素發酵過程中，工藝參數得到進一步的優化，發酵生產水平有了很大的提高，平均發酵單位提高了10.8%,并且提高了工廠的工業自動化水平，減少了傳統生產中的人為因素，使生產更科學化，降低了操作者的勞動強度，提高了生產效率。現在，這個產品每年為該廠盈利3000余萬元。同時也為工廠以后的工業自動化進一步的發展奠定了良好的基礎。