0 引言
原发酵控制系统技术比较落后，生产中仍以人工控制为主，不仅手工操作，经验控制，而且有的仪表系统参数检测和控制采用的全部是模拟仪表，甚至为老式的B型仪表，存在着精度低、干扰影响大的缺点，使得整个系统的控制品质非常差，造成严重的经济损失。面对日益激烈的市场竞争，对生产控制技术进行改造已势在必行。
根据生产要求和杭生素素发酵的特点，结合计算机软硬件技术、新仪表仪器等，决定采用基于PLC和组态王的控制系统设计方案对抗生素发酵原有控制系统进行全面技术改造。
1 工艺过程
抗生素作为发酵代谢过程中的产物，通过下列过程来完旎生产菌种-抱子制备-种子培养-发酵-发酵液预处理及过滤，提取及精制-成品检验-成品包装-出厂检验。发酵周期为17an左右。其中种子培养和发酵分别在种子罐(包括一级种子罐和二级种子罐)和发酵罐(三级罐)中进行，选择合理的方案对种子罐内的培养条件(种子培养基、温度、pH值、压力、通人空气的流量、搅拌等)和发酵罐内的发酵条件(发酵培养基、温度、PH值、压力、通入空气的流量、搅拌等On的控制，对于抗生素发酵水平的稳定和提高至关重要。
2 控制系统硬件构成设计
2.1 控制系统的组成及控制方式
该控制系统控制器选用S7-3aa系列可编程控制器，CPU型号为315-2DP;上位机管理及监控系统用组态王KingView软件编程实现。本系统需要控制的对象如下:9个一级种子罐，被控量有罐内的温度和空气流量;9个二级种子罐，被控量有罐内的温度、空气流量、搅拌转速和溶解氧;22个发酵罐，被控量有罐内的温度、压力、搅拌转速、空气流量、补料、溶解氧和PH值;1个热水罐的温度，一次水、蒸汽、空气总管和循环水的流量与压力;循环水上水温度和回水温度;空气加热前温度和加热后温度;补料1和补料2温度。所用的被控量都通过上位机进行实时监控，其中，对发酵罐和种子罐的温度用PID进行控制;对补料和消泡进行了自动控制。其余被控量通过上位机的实时监控，用手动达到相应的控制目的。整套系统需要模拟量输人共152点，数字量输入输出共141点。
(1)将MPI通讯卡安装在计算机(配置有组态王KingView软件)的PCI插槽中，用MPI电缆将MPI卡与S7300系列PLC(所有的S7300系列CPU模块都有MPI口)的MPI口相连，即可实现
PLC与上位机的通讯。传输速率为187.Skbit/s。
(2)由于该控制系统需要管理和监控的数据较多，所以将配置有组态王KingView软件(1024点)的PGIPC作为服务器，另外为了实现对重要数据的同步实时监控，将两个客户端PGIPC(客户端1和客户端2都配置有64点的组态王KingView软件)通过TCP/IP网络协议连接到局域网，使二者可以与服务器进行通讯，从而起到实时监控一部分重要数据的作用，减轻服务器的负担。
(3)将调度室的PG/PC通过TCPIIP网络协议连接到该局域网，即可实现对数据的远程监控。
2.2 PLC选型
S7-300型PLC的CPU模块的选择主要考虑存储容量、运行速度、I/O模块扩展能力以及计时器和计数器的数量等指标。综合分析所要控制的对象及其要求，选用CPU315-2DP。电源模块主要是为CPU及接口模块供电，所以I/O模块、接口模块和CPU模块所需电流之和要小于电源模块的额定电流。这里选用PS307,额定电流为SAo I/O模块的选择主要根据控制对象，同时还要留有10%-15%的余量。最终选用8通道模拟量输入模块SM331 (21块)，32点数字量输人模块SM321(2块)，二者的额定电压均为DC24 I/O 16点继电器型数字量输人模块SM322(7块)。最高电压为DC 120 V。由于一块底板最多只能带8块I/O模块，所以需要扩展，扩展单元通过接口模块IM360, IM361进行通信，模块间通过背板总线传递数据。SM1-SM10是数字量输入输出模块。所有模块都安装在底板上。
另外，根据实际要求，采用Pt 100铂电阻检测热水罐、种子罐和发酵罐的温度，其技术参数为:双支、三线制、0-150 C、精度:1 0.5 %； PH值的检测采用复合PH电极和PH变送器来实现，复合PH电极使用465-50-57 , PH变送器采用PH2100，其技术参数为:PH/mV输入:0.00-14.00/-1500-1500m从测量误差PH值<<0.02 , mV值<1mV,输出:4-20mA;检测溶解氧浓度DO采用DO电极InPro6000和溶氧变送器4100e,测量范围:0100%:系统误差:士0.5% }输出:4-20mA;发酵罐的压力的检测采用Honeywell压力变送器，技术参数为:0--0.4Mpa:二线制，4}20mA;系统精度士0.3%。空气流量采用涡街流量计测量;热水罐、消泡和补料时的液位控制采用UDB电极式液位开关。
3 软件设计
本系统使用STEP7的结构化编程方法进行编程。根据工艺要求，控制系统的操作分为自动和手动，即被控对象分为自动和手动，这样也为程序调试带来方便。其中OB1, OB35是组织块，OB1为主程序;FCX(X的值为2, 4, S, b, 7, 8, 10, 11, 12)是功能程序块;FB59是STEP?软件“标准库PID控制”中的温度控制器，DB I I -DB52是FBS9的背景数据块，SFC1, SFB3, Sh`F34和FC34是STEP7软件为用户提供的系统功能、系统功能块和功能。DBb和DBS是SFB4的背景数据块，DB7和DB9是SFB3的背景数据块。
FC11和FC10将采集的生产现场的数据模拟量“规范化，为0-150(温度)、0-30(进人一级种子罐的空气流量),0-240(进入二级种子罐的空气流量)、0-1500(进入发酵罐的空气流量)、0-14 (PH值)、0-40(压力)、0-5(补料)、0-100(搅拌转速)、0-200(溶解氧)、0-1.6(空气总管压力和蒸汽压力)、0_55400(空气总管流量)、0-9000蒸汽流量)、0-60(循环水压力和一次水压力)、0-11000(循环水流量)、0-340(一次水流量)，以上数值全为浮点数(即实数);FC7和FC4是补料控制;FC6和FCS是消泡控制;FC12和FCC分别是自动控制热水罐冷水阀和手动控制热水罐冷水阀;OB35调用功能块FB59进行PID控制算法，其输出控制各级罐的冷水温控阀、热水温拎阀、三级罐的补料阀和消泡剂阀及热水灌蒸汽阀的打开和关闭。P1D控制算法的采样时间为10秒。
3.1 消泡控制流程
通过对消泡剂阀的自动或手动控制，进而控制进入发酵罐的消泡剂的流量，达到消泡的目的。
3.2 温度控制流程
步进PI控制器FB59用开关量输出信号控制积分型执行机构(例如电动调节阀》。三态元件具有带滞环的双向继电器非线性特性，它的作用是将小闭环的误差信号转换为两个开关量信号，它们通过伺服电动机来控制调节阀的开度。脉冲发生器PULSEOUT生成用于执行机构的脉冲，可以通过调整三级元件的阂值来降低控制值的开关频率。脉冲发生器用来保证最小脉冲时间和最小断开时间，以减小执行机构的磨损。手动模式ON为1时系统处于手动模式，手动与自动的切换过程是平滑的。
3.3 补料控制流程
为了保证发酵的水平，发酵过程中需要补料(如培养基)，通过自动控制补料阀进行补料。
3.4 组态结构图
上位机管理及监控系统用组态王KingView软件编程实现，抗生素发酵控制系统监控界面的组态结构是发酵罐301的监控。
4 结束语
改造后的控制系统，已经成功运用于抗生素发酵过程中，工艺参数得到进一步的优化，发酵生产水平有了很大的提高，平均发酵单位提高了10.8%,并且提高了工厂的工业自动化水平，减少了传统生产中的人为因素，使生产更科学化，降低了操作者的劳动强度，提高了生产效率。现在，这个产品每年为该厂盈利3000余万元。同时也为工厂以后的工业自动化进一步的发展奠定了良好的基础。
(审核编辑: 智汇张瑜)
