摘要：本文针对某抗生素厂番茄红素发酵过程控制，提出了基于PLC的自动控制系统的总体设计方案.该方案采用了复合模糊控制及软测量技术等先进控制手段实现了计算机对发酵过程的优化控制。该控制系统在实际运行中具有很好的控制精度和可靠性。
关键词：发酵过程；复合模糊控制；软测量技术
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
相对于传统的以番茄为原料进行提取番茄红素的生产工艺采用生物发酵技术生产番茄红素可大幅度降低生产成本，具有明显的经济效益。由于微生物发酵过程是一个机理复杂、要求严格的工业过程，其对控制系统的要求也相对较高。西门子公司的S7-300 PLC系统具有扩充性能良好，组态灵活、兼容性好等特点，能够适用于各种复杂、恶劣的分布或集中环境，同时可以应用各种先进的控制算法，在没有确定的生化过程数学模型的情况下仍能对发酵过程进行优化控制。
2 工艺过程概述
番茄红素发酵法生产工艺主要包括以下过程：生产菌种、孢子制备、种子培养、发酵、提取及精制等。在发酵过程中,由于投入基质的种类和浓度、通气与搅拌强度、pH 值、温度等环境条件的差异，微生物的各个生长期的长短将在很大范围内变化，这就使人们有可能通过对环境条件的控制来提高产物产率。因此选择合理的方案对种子罐内的培养条件(温度、pH值、压力、搅拌等)和发酵罐内的发酵条件(温度、pH值、压力、搅拌等)的控制，对于抗生素发酵水平的稳定和提高至关重要。
3 控制系统配置
该控制系统控制器选用S7-300系列可编程控制器为下位机，CPU 型号为315-2DP，通过其与现场设备的直接连接完成数据采集、状态判断和控制输出，下位机设计为可自动选择脱机(脱离上位机) 或并机两种运行方式，一旦上位机出现问题，不会影响下位机的正常运行。上位机采用工控机，上位机管理及监控系统用WinCC组态软件实现，组态软件以组态画面的形式实时显示生产过程中的各种参数以及报警信息, 并可在组态画面上通过设置工艺和控制参数实时控制生产过程。下层网络采用Profibus-DP网，Profibus网络所具有的良好的实时处理工业现场数据以及适应现场恶劣环境要求的特性仍然是其他类型的网络所无法比拟的。控制系统网络结构如图1：
图1 控制系统网络结构图
4 发酵工艺控制
4.1 发酵罐温度复合模糊控制系统
发酵系统包括发酵大罐4个、中罐3个、小罐3个，各罐均要求实现温度自控和流量显示。中罐和小罐体积远远小于大发酵罐，特别是小罐体积只有0.3m3，而且生产工艺要求温度控制要求极高，因为菌体生长繁殖和番茄红素额的合成是在不同的最适温度下进行的，而温度对象的特点是影响因素多，例如外界环境温度、菌体生长吸热、冷却水流量等都会导致系统温度的波动。如采用传统的PID 控制，控制的超调大，调节时间长，控制效果较差。为此本系统采用先进的复合模糊控制方案（Fuzzy-PI）对温度进行控制[2]。其主要设计思想是当温度偏差较大时采用Fuzzy 控制，以加快响应速度；当温度偏差较小进入稳态过程后，则由程序切换到PI 控制，消除静差，提高控制精度。两种控制模式的切换由计算机程序根据事先给定的偏差范围自动实现。
复合模糊控制系统的结构如图2 所示。图中PI 为常规比例积分调节器，FLC 为模糊控制器，K 为控制开关。在本控制系统中，PI 调节器和模糊控制器均通过PLC 来实现，这样可明显地提高系统的可靠性，获得良好的控制效果。
图2 复合模糊控制原理图
模糊控制鲁棒性较强，但存在稳态误差。PI 控制能有效地克服稳态误差，但系统存在大滞后及参数发生较大变化时，其稳定性较差。复合模糊控制将二者优点结合起来，参数调整方便，能有效地克服纯滞后对控制系统的不利影响。发酵罐温度利用模糊控制和PID算法相结合原理，通过控制冷、热水阀，采用冷、热水交替控制。整个系统经过适应性设计和反复整定和调试，取得了良好的控制效果，有效的解决了发酵罐温控不好，影响生产的难题，为菌种的生长提供了良好的温度环境。
4.2 发酵液泡沫和逃液软测量控制系统
在发酵生产过程中，因发酵液产生泡沫而导致发酵液产生冒顶甚至逃液的现象，其后果造成发酵液损失甚至会造成染菌事故。因此及时可靠的发现逃液，进行报警并采取泡沫消除措施，避免逃液一直是发酵工程技术人员研究的课题，在本控制系统中，采用最新的软测试概念，把发酵罐作为一个系统，或称之为状态空间，把温度、流量、发酵周期等工艺参数作为状态变量，软件自动进行分析、辨识、建模，建立泡沫识别报警模型后，该模型可以在PLC上实时运行，对工艺参数实时采集、记录，进行综合判断分析，通过内部表决功能，进行逃液报警。
采用软测试报警有两个优势：一是减少了硬件投资，二是现在发酵车间一般采用电导式泡沫电极报警，电极在使用过程中非常容易发生短路故障，产生虚假报警，造成误动作。而软测试技术因为能综合若干工艺参数作为判断依据，能有效消除误报警，避免了以上缺点。
4.3 发酵过程pH在线控制系统
发酵液的pH值是微生物生长的一个重要环境参数，在生化反应过程中，必须严格加以控制，否则pH值的变化和偏离会影响微生物的生长代谢正常进行，尤其会严重影响和次级代谢产物的合成。番茄红素发酵液的pH值对象特性具有如下一些特点：非线性、时变性、不确定性(影响因素多所致) 、较大的时滞（主要由pH值检测电极和调节机构的动作影响产生）。在发酵液的pH值控制中，选择pH 值和给定值之差作为过程输入，pH 值调节泵的开、关为过程输出。在控制过程中，为了保证控制系统既不出现超调，又要有较快的响应过渡过程， 经过多次实验验证，采用了带死区空间的二位式控制。即：在发酵液pH 值过低加碱过程中，给定值与实际值偏差小于某一负临界值时，开碱液泵，直到偏差大于某一临界值时，关碱液泵；发酵液pH 值过高加酸过程中，给定值与实际值偏差大于某一临界值时，开酸液泵，直到偏差小于某一负临界值时，关碱液泵；在发酵液pH 值变化在以上临界值区间之外时，保持各泵为关闭状态。此算法虽然简单，但多次实验证明，可以很好的满足过程要求。
此外，为了在番茄红素的发酵生产过程中进一步优化控制系统，引入发酵液溶解氧在线测控技术。通过变频技术来控制搅拌叶的转动速率，达到调节发酵液中溶氧浓度的目的。
5 结束语
本控制系统投用后，以稳定可靠的自动控制系统和完善的自控方案，为生产提供了高精度控制，以及长期良好的历史趋势记录，对于重要控制参数提供了及时有效的提示和报警，在PLC控制系统，设置先进的复合模糊控制算法，充分发挥了PLC的优势，使番茄红素发酵生产自控水平达到了一个新的高度；在逃液控制方面采取软测试技术，大大提高了控制可靠性。
系统投入使用后原料消耗率等都有大幅度降低，同时也确保了生产的安全可靠运行，提高了企业的市场竞争能力，为企业带来了明显的经济效益。
其它作者：祁玉平（1981-），女，毕业于河北科技大学工业自动化专业，华北制药股份公司工程师。
参考文献
[1] 熊贵. 发酵工艺原理 [M]. 北京: 中国医药科技出版社，1995.
[2] 熊伟丽，徐保国，肖应旺. 基于PLC的Fuzzy_PI发酵温度控制系统[J]. 计算机工程，2005，31(9).
[3] 王树青，元英进. 生化过程自动化技术[M]. 北京: 化学工业出版社，1999.5.
[4] 王奉堂. 智能控制方法在发酵中的应用[J]. 无锡轻工大学学报，1996，15(2).
