（检测技术与自动化装置专业论文）微生物发酵过程建模及控制开发环境的研究.pdf

摘要 本课题“微生物发酵过程建模及控制开发环境的研究”是天津市自然科学 基金资助项目“抗生素发酵过程建模及控制开发环境的研究”的子项目。 微生物发酵过程具高度的非线性和时变性，其内在机理非常复杂。一些重 要的过程变量不能在线测量。这使对发酵过程的建模和优化更为复杂。 针对这一问题，本论文首先通过对以传统仪表为主、容量为1 5 升的发酵罐 控制装置的技术改造，设计完成了发酵罐计算机控制系统，采用上下位机分级 控制，由p l c 完成过程环境参数控制，p c 机完成数据保存及处理。为发酵过 程建模及其优化控制的进一步研究提供了硬、软件平台。 在此基础上，经多次酵母发酵实验、聚赖氨酸发酵实验及对大量实验数据 的分析，深入了解了微生物发酵的一般性规律；建立了微生物发酵过程的软测 量模型，对不可在线测量的生物参数进行估计，包括由主元回归分析得到的解 析，模型，由丰| | i 经网络算法得到的神经网络模型。指导发酵过程的流加控制和 环境变量沿着优化的轨迹进行，达到提高最终得率的目的，并对过程当前状态 即发酵时期进行识别。 关键词：发酵过程建模控制软测量回归分析神经网络 a b s t r a c t t h et h e s i s ，a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n ts t u d yo fa n i m a l c u l ef e r m e n t a t i o np r o c e s s m o d e l i n ga n dc o n t r o l l i n g ，i sap a r to f t h ep r o j e c t ，a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n ts t u d yo f a n t i b i o t i cf e r m e n t a t i o np r o c e s s m o d e l i n ga n dc o n t r o l l i n gw h i c hi ss p o n s o r e db y n a t u r a ls c i e n c ef u n do f t i a n j i n c i t y a n i m a l c u l ef e r m e n t a t i o np r o c e s sp o s s e s s e sn o n l i n e a rm a dt i m ed i f f e r e n c e ，i ti s i n h e r e n c em e c h a n i s mi sv e r y c o m p l e x ，s o m ei m p o r t a n tc o n r s ev a r i a b l ec a n tm e a s u r e o n l i n e t h i sm a d et h em o d e l i n ga n d c o n t r o l l i n gi r l o r ec o m p l e x i t y a i ma tt h i si s s u e ，t h et h e s i sf i r s t l yt e c h n i c a l l ym o d i f i e da 1 1o l d j a rw h i c hm a i n l y c o n s i s t so fc o n v e n t i o n a li n s t m m e n ta n dw h o s ec a p a c i t yi s 1 5 l ，u s i n gp l cf o r p r o c e s se n v i r o n m e n tp a r a m e t e rc o n t r o l ，p cf o rd a t as a v ea n dm a n a g e m e n t p r o v i d e h a r d w a r ea n ds o t l w a r ep l a t f o r mf o rf e r m e n t a t i o np m c e s s m o d e l i n ga n do p t i m i z a t i o n c o n t r 0 1 b a s e do nt h i s ，t h r o u g hal o to fy e a s t ，- p o l y l y s i n ef e r m e n te x p e r i m e n t sa n d a n a l y z i n g t h e d a t a ，c o m p r e h e n d t h e u n i v e r s a l i t y r u l eo fa n i m a l c u l e f e r m e n t ； a d v a n c e ds o f t m e a s u r e m o d e l ，e s t i m a t et h ep a r a m e t e rn o n - m e a s u r a b l eo n l i n e ， i n c l u d i n gt h ep a r s em o d e lb a s e dm a i n - r e g r e s s i o na n a l y z e ，t h ea n nm o d e lb a s e d a n na r i t h m e t i c g u i d et h ef e d b a t c hc o n t r o la n de n v i r o n m e n tp a r a m e t e rb yt h e o p t i m i z e dt r a c k t oa d v a n c et h el a s tg a i n ，i d e n t i f yt h ef e m a e n t a t i o np h a s e k e yw o r d s ：f e r m e n t a t i o np r o c e s sm o d e l i n gc o n t r o l s o f t - m e a s u r i n gr e g r e s s i o na n a l y z e n n 天津科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 发酵过程控制概述 随着生物工程的迅速发展，生化反应过程，如发酵工业越来越引起科技 界、工业界和政府部门的重视，因为生物工程的许多成果，需经过发酵工业 转化为工业产晶，而成为商品。对发酵生产过程的参数测量、操作监视、自 动控制、建模与优化的目的是缩短新产品的开发周期和提高发酵过程的得率。 到九十年代初期，国内一些发酵工厂已普遍采用计算机进行在线控制。 1 传统的操作方式是开环的，尽管对环境参数如p h ，发酵温度，溶氧浓度 d 0 都可以控制得很好，但由于微生物生长过程动态是高度的非线性和时变性， 关键变量，如菌体浓度和产物浓度又不可在线测量，使发酵过程控制问题变 得很复杂。所以，生化工业的闭环控制落后于一般的工业生产过程控制。 加强发酵过程的监督和控制是提高发酵效益的重要措施。近几年，人们 开始用估计技术来预估生化过程的重要变量如菌体浓度和产物浓度，实现发 酵过程的建模。包括对环境参量和过程状态的建模。建模方法分别基于数学 模型( 状态方程，差分方程或回归方程等) 或智能模型( 模糊模型，神经网 络模型或专家系统模型等) 。”“。”近年来，智能模型尤其是神经网络建模在 生化过程中得到了越来越广泛的应用。“”“4 我们建模的最终目的是实现优 化控制，最终提高产物得率。包括环境参量优化和流加方法优化。”1 。环境 参量优化即在不同的发酵时期采用不同的最适环境参量。迄今为止，仍采用 多次实验试值的方法。流加方式优化即控制补料流加方式，使各过程变量按 优化轨线进行，采用的方法多为根据经验确定流加时机和流加速率。 1 1 1 发酵过程参数检测 要对发酵过程实行建模与控制，首先要解决过程的有关参数在线检测问 题。一般的耗氧型发酵罐系统要测量的过程参数可分为物理参数、化学参数 和生物参数。 物理参数通常有发酵罐温度，发酵罐压力，发酵液体积，空气流量，冷 却水流量，冷却水进出口温度，搅拌转速，泡沫高度等。 化学参数典型的有p h 值、溶解氧浓度( d o ) 。 生物参数通常包括生物质呼吸代谢参数、生物质浓度、代谢产物浓度、 底物浓度以及生物比生长速率，底物消耗速率和产物形成速率等 物理参数、化学参数及部分生物参数可以选用有关的测量仪表或基于系 统气相物料平衡计算而得。 主要生物参数如基质浓度、产物浓度和代谢物浓度，还没有可在线实用 的测量仪器。在实验室中，已有用质谱仪、高压液相分析仪( h p l c ) 、流注 式分析仪( f i a ) 和核磁共振分析仪来测量发酵液中各种物质的浓度。由于成 本太高，尚没有处在应用阶段。所以，在工业生产上，这些参数的测量大都 l ，绪论 基于取出发酵液样品到实验室采用化学分析方法或借用如h p l c 仪器来分 析。由于分析一个样品要很长的时间，一般是1 小时或数小时取样分析一次， 这对于实时控制来说，很难利用这些数据。 正在研究的测量方法有两种，一种是研究新的生物传感器，另一种是采 用软测量技术。大多采用软测量技术。 1 1 2 发酵过程控制 为使发酵生产过程安全、平稳的运行，以达到优化生产的目的，必须对 z 之略! u 进jj ：( j 动控制。围绕蓿发酵罐，通常进行下述状态的控制。 温度控制 对于特定的微生物，都有一个最适宜的生长温度。如果从生物酶动力学 方面来考虑，酶的最佳活力对应着一最好的温度。因此，罐温是一个重要的 环境参数，采用加热器、冷却水的作用进行控制。 消泡控制 在发酵前期，微生物生长旺盛。加入料液满载，搅拌马达全速开动，空 气通入量达到最大，这时候，发酵液上浮很厉害，稍有不慎，就可能会产生 逃液现象。此时必须及时加入消泡剂，以减少泡沫，防止发酵液上浮。这样 的控制，通常用双位式的控制方法，当发酵液液面达到一定的高度时，自动 打开消泡剂的阀门，当液面降回到正常时，自动关闭消泡剂阀门。 p h 摔制 p h 是微生物生长的重要环境参数。必须加以严格控制，否则会严重影响 微生物代谢的进行和代谢产物的台成。工业生产上，若发酵液p h 值偏低，则 通过补加氨水的方法使其回升；若p h 值偏高，在发酵前期，可适当增加糖的 补加量来调整，一般没有其它的控制手段。因此，控制中必须严格控制好氨 水的加入量，绝对不能过量。 溶解氧控制 在耗氧型发酵过程中，氧是作为微生物生长必须的原料，若供氧不足， 将会抑制微生物的生长和代谢的进行，为此，在发酵过程中，要保持一定的 溶氧浓度。影响溶解氧浓度的主要因素有供给的空气量、搅拌转速和发酵罐 的压力。其控制主要通过采用调节搅拌转速或者调节供给的空气量来实现。 补料控制 住半连续发酵过程中，随着发酵的进行，中间要连续不断地补充营养物 质，使微生物按照优化的生长轨迹生长，以获得高产的微生物代谢产物。由 于微生物和代谢状况无法实时在线测量，使得这一补料控制极为困难。一般 的发酵工业生产过程是根据实验室大量的试验研究结果得出的补料轨线来指 导工业生产的补料，发酵工艺技术人员根据离线的化验室化验数据适当修正 补料速率。这种方法，不能确保发酵过程沿着优化的轨线生长，不能获得最 天津科披大学硬士学位论文 好的代谢产物。针对这种发酵过程的复杂性和信息的缺乏，发酵工艺技术人 员与自动控制人员一起，共同研究，企图寻找出好的补料方法和策略。例如， 基于出口气体二氧化碳的释放率来控制补料速率；有的用化学元索乎衡的方 法来调整补糖量；也有的用控制呼吸商的办法来控制补料等等。直至今日， 如何控制好中间补料，仍是亟待解决的难题。 1 1 3 发酵过程建模 我们研究发酵过程的方法和目的是首先了解微生物发酵过程的内在规 律，寻求出最优的生产条件并加以控制，以期获得最大效益。生物反应过程 具有多输入、多输出关系，如图1 1 一l 所示 冷却水流量 醚，强 加料 盐，有机物 稀释量 空气巯量 氧气溉 搅拌 & 乡夕 温度 p 州宜 莲质猿度 盐浓度 有机物比率 产物浓度 菌体浓度 溶解氧浓度 图1 1 - 1 过程参数之闻的关系 此图显示了发酵过程参数之间的相关性，但是未涉及表示菌丝代谢过程 中内部结构和组分变化到代谢过程中酶活性变化影响的微生物特性。因此， 耍彻底弄清其内部机理以获得一个为发酵反应器的设计和控制所用的数学模 型是很不容易的， 从大体上浼，发酵过程的机理模型有三种： 生化模型：反映生化，生理状态参数之间相互关系的数学模型。此类 模型都是建立在依据守恒定理所描述的关系上的，即： 菌体积累速率= 生长量一移出量 基质积累速率= 基质进入量一菌体生长需要量维持菌体生长需要量一 基质移出量 产物积累速率一合成量一移出量降解量 物理模型：依据传质、传热规律建立的模型。 系统模型：即包括物理与生化作用相结合的模型。也就是我们所研究 的生化反应器，是根据物料平衡以及生化反应能量平衡建立的广义对象的模 犁。 绪论 发酵过程动力学是模型探讨中的重点。动力学行为是非常复杂的。针对 细胞生长动力学中的复杂情况，可以根据实际情况做出一些简化，包括： 培养基环境中所有其它组分较高，足以使其浓度变化不影响总体效 率。因此在分析培养基成分对生长的影响时，只要研究一个组分成为限制基 质就可以了。 限制性基质也可以改为抑制性基质或竞争性基质分别给于研究。 生化反应器的外部控制使得温度，p h 等环境条件基本恒定。 根据不同简化程度可得到四种模型：非结构模型、结构模型、分离模型 和非分离模型，凡是把细胞看成多组分的，既考虑到环境变化而引起的菌体 组成变化的模型为结构模型。单组分即为非结构模型。把菌体细胞看成是单 个的非均向，则是分离模型。如果看成是平均的细胞性质就是非分离模型。 显然非结构模型有比较好的工程实用性，它在模型中占有举足轻重的地 位a 但这要取决于其它操作条件的控制情况，一般来说这类模型的重复性较 差。 发酵过程建模除了机理建模的方法外，还有利用辨识的办法以获得实用 模型的方法。由于过程是一个时变、非线性、多变量输入输出系统，因此也 给辨u 带来了困难。 众所周知，当讨论建模和控制的问题时，两者是相互依存的。当人们对 发酵过程有足够的了解时才有可能提出合理的控制策略。所以只有在获得数 学模型以后( 例如利用采集的生产数据作模型的参数估计) ，才。能使用这个模 型来实现设想的控制策略。进行生化反应过程的计算机优化控制。 1 2 论文的主要工作和意义 1 2 1 论文的主要工作 本论文的研究内容是天津市自然基金项目“抗生素发酵过程建模及控制开 发环境的研究”的一部分。 本课题通过多次实验数据分析与验证，实现了发酵过程建模，发酵时期的 识别，重要参数的估计。从硬件系统和软件系统两个方面入手，研究开发出 了发酵过程计算机控制系统，实现发酵过程自动控制。为进一步实现过程的 优化控制创造了条件。主要完成了以下工作： 原有发酵罐改造 修复原有发酵罐各控制回路，使其恢复原有功能 改造发酵罐硬件，自行设计控制柜，内装有酸度计、溶氧仪、p l c ，使之 可实现手动控制( 原有功能) 与自动控制( 添加功能) 的切换。 p l c 控制程序设计 与上位机的通信程序 温度、p h 值、搅拌转速、补料流加等控制程序 4 天津科挫人学坝上学位论义 控制系统软件设计 过程状态实时监控，包括数据采集、显示、存储和控制 根据过程可测参量实时辨识发酵时期 根据可在线采集的过程参数，通过大量实验分析得出影响过程状态的主要 参数，依据软测量原理估计不可测过程参数。 利用神经网络算法估计发酵过程重要参数。指导补料流加量。为最终实现 优化奠定基础。 1 2 2 论文的研究意义 发酵是生物技术产业化的基础。随着发酵工厂的规模不断扩大，由于反 应器结构不当或控制不合理引起的投资风险也急剧增加。要规避这种风险， 就必须对发酵过程优化进行研究，特别是生物反应宏观动力学和生物反应器 的研究。 简而言之，生物反应动力学是有关生物的、化学的与物理过程之间的相 互作用，诸如生物反应器中发生的细胞生长、产物生成、传递过程等。生物 反应动力学研究的目的是为描述细胞动态行为提供数学依据，以便进行数量 化处理。生物反应宏观动力学是发酵过程优化的基础。生物反应器则是发酵 过程的外部环境，反应器类型对发酵过程的效率及发酵过程优化的难易程度 影响很大。 发酵过程优化的目标就是使细胞生理调节、细胞环境、反应器特性、工 艺操作条件与反应器控制之间这种复杂的相互作用尽可能地简化，并对这些 条件和相互关系进行优化，使之最适于特定发酵过程的进行。 本论文提出依据软测量原理构造的过程参数在线估计：依据神经网络算 法构造的过程参数预测估计。基本反映了微生物发酵过程；实现了过程计算 机控制。为发酵过程优化控制奠定了基础。 确定过程各阶段的最佳操作变量如搅拌速率、d o 、p h 、温度、流加量等 以提高产物得率，需要做大批量的实验。依据本论文的研究成果，大大缩短 了实验的周期。提高了实验效率。 建立计算机测控系统开发环境，有利于自动获取样本数据，实现预估和 优化算法。 提出一种环境参数优化的方法，大大缩短了寻优周期。 2 硬件搜p l c 2 硬件及p l c 2 1 硬件部分 2 1 1 现有设备的状况及改造 本课题的现场部分在食品工程学院的生化工程研究室，该实验室提供了 一个1 5 升的发酵罐，由三相交流2 2 0 v a c 供电。其工作原理如图所示。 w 冉1 _ k k b a t i - i 图2 1 1 日本发酵罐工作原理图 由图可见，这套装置主要有如下几个测量、控制量。p h 值、温度、消泡 控制是闭环控制，根据测量值与给定值的偏差进行控制。转速控制是开环控 制。 检测量p h 值泡沫高度温度溶氧值 f 控制量p h 控制消泡控制温度控制转速控制 温度控制 温度控制部分由温度控制器( p z x v h d 7 1 - - 0 g ) 实现，控制1 0 0 w 和3 0 0 w 的加热器以及冷水阀的丌关。控制机理如下表： 6 天津科技大学硕：b 学位论文 表2 1 1 温度控制机理 名称 abcd 温度设置 t 1t 2tt 3 3 0 0 w o no f fo f fo f f 加热器 1 0 0 w o no no no f fo f f 加热器 冷却水o f f o f fo f fo f f 电磁阀( c l o s e ) ( c l o s e )( c l o s e )( c l o s e l t ：温度设定值 t 1 ：温度低限值 t 2 ：比例控制带温度低限值 t 3 ：比例控制带温度高限值 t 2 ”和“t 3 ”是不可调的。 t t 2 = t 3 一t ( = x t ) ，t 设置于控制器中( t = o 0 1 5 t ) 发酵过程中，始终保持发酵罐的玻璃夹套以及加热器b 中充满水，当温 度过低需要加热时，关闭三通电磁阀a 的上部开口，冷水经a 直接流出，不 进入循环水中。加热器b 中的热水由泵c 抽回发酵罐，再流回b 中循环加热； 当温度过高需要冷却时，关闭三通电磁阎a 的左部开口，冷水经a 流入发酵 罐夹套进行冷却，b 中多余热水由其顶部常开的出水口流出。 p h 值、消泡控制 均为对蠕动泵的开关控制。p h 值与设定值出现偏差时，开泵加碱或酸进 行中和反应。消泡电极检测到泡沫达到警戒高度时，开泵加消泡荆。 转速控制 通过人工设定转速值。控制电机搅拌转速为恒定值。 本套设备部分部件即p h 电极及控制器、溶氧电极及测量仪已经损坏，而 且没有与计算机的接d ，为了实现发酵过程的计算机控制，本课题首先依照 以下原则对原有发酵设备进行了部分改造。 要求对原控制系统的改动是可逆的、易恢复的： 保留原有功能及操作习惯： 增加计算机检测和控制，要求所有参数能被计算机检测，所有控 制回路能受计算机控制。 改造前后的详细电气连线如图所示。 2 硼件及p l c 改 造 一 月u 改 造 后 ：。，。b | 毫 嚣隔。 。li 盖叫 - 蜊p 壤 y 隔嚣f _l百 l l 二一 蚪睥 书 图2 1 2 发酵罐改造前后电气连线图 采用继电器开关进行手自动切换，手动状态时，恢复原有功能。自动状 态时，由p l c 作为控制器进行控制。需要注意的是，由于改造后的系统要添 加自动流加功能，而相对于流加功能来说，消泡功能可以由手动完成，因此 将消泡泵改为流加泵。 天津科技大学硕士学位论文 2 1 2 测控系统的构成 图2 1 - 3 测控系统总貌 本课题采用上、下位机的方式构建系统，即下位机p l c 进行环境参数控 制，上位机采用普通p c 机完成数据的保存于复杂操作的实现，两者通过串口 进行通m 。根捌如卜： 采用p l c 作为下位机，设计为可自动选择脱机( 脱离上位机) 或并机 两种运行方式，p l c 运行可靠，一旦上位机出现问题，不会影响下位机的正 常运行； 电路设计简单。上、下位机之间的通讯采用专用的隔离电缆，p l c 本 身具有与现场信号光电隔离的设计，避免现场信号对计算机的冲击，从而保 护了计算机。 控制系统可分为检测部分和控制部分 检测部分 检测龉检测设备信号类型 温度铂电阻( p t l 0 0 )毫伏电压( i 5 0 0 m v ) p h 值 g k f 玻璃p h 电极 标准电流( 4 - 2 0 m a ) 溶氧 i n g o l d 溶氧电极 标准电流( 4 2 0 m a ) 以上3 个测量量均为模拟信号。它们直接从发酵罐现场引入p l c 的模拟 9 2 硬件及p l c 扩展模块e m 2 3 5 的输入端。 控制部分 包括温度控制，p h 值控制，流加控制和转速控制。其中温度、p h 值、 流加控制均为数字量控制，由p l c 的数字数出口控制，转速控制为o 1 0 v 的 电压模拟量控制，由e m 2 3 5 的模拟量数出口控制。如图所示 图2 1 4 扩展模拟i o 模块现场连接图 图2 1 5 本机数字i o 模块现场连接图 2 2 p l c 部分 2 2 1 通信部分 可编程控制器( p l c ) 作为一种新型工业自动控制装置在近年来发展非常 迅速，它以微处理器为核心，将自动化技术、计算机技术、通信技术融为一 体。由于p l c 的控制可靠性高、结构小巧、编程简单、运行速度快等优点， 天津科技大学硕士学位论文 使其广泛应用于工业控制领域的各个方面。在通常的控制系统中，p l c 总是 作为下位机进行工作，其通过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；而上位机一般使用处理速度快、存储量大的p c 机或工业控制 机来完成数据分析、存储，各种状态的显示以及相关信息的打印输出。 本论文采用自行拟定的通讯协议，将其下装入p l c 的程序存储器中，与 其它算法程序同时运行于p l c 中。通过使用此上、下位机之间的通讯协议， 在本课题所设计的控制系统中，下位机使用的是西门子s 7 2 0 0 系列的p l c ， 它与上位机通过专用电缆一p c p p i 电缆进行点对点通讯。该电缆的两端分别为 r s 一2 3 2 口和r s 一4 8 5 口，它们分别连于p c 机和p l c 的串口，该电缆本身能 够完成r s 一2 3 2 与r s - 4 8 5 的隔离转换。数据进行传输时的速率是通过p c p p i 电缆盒上的d i p 开关进行设置的，其值可为6 0 0 波特3 8 ，4 0 0 波特。当数据从 r s 一2 3 2 传送到r s 一4 8 5 口时，p c p p i 电缆是发送模式：当数据从r s 一4 8 5 传 送到r s 一2 3 2 口时，p c p p i 电缆是接收模式。当检测到r s 一2 3 2 的发送线有字 符时，电缆立即从接收模式转换到发送模式；当r s - 2 3 2 发送线处于闲置的时 间超过电缆切换时间时，电缆又切换到接收模式。p l c 中需将c o m m p c p p i c a b l e p r o p e r t i e s l o c a lc o n n e c t i o n 的端口号作相应改动( 1 2 ) 这样才能实现 p l c 内部程序的下载与修改。 西门子公司的s 7 2 0 0 系列p l c 本机带有一个或两个4 8 5 物理接口，此 4 8 5 口具有3 种通讯协议：p p i ；自由口通讯协议：p r o f i b u s 协议。其中， 自由口协议是一种完全开放的协议，其通讯格式可以由用户自己定义，通过 其可将c p u 与任意通讯协议公开的设备联网，如上位计算机、打印机、变频 器、条码阅读器等。由于自由口协议可以根据用户的要求灵括定义，故该协 议在p c 机与p l c 的通讯编程中应用非常广泛。本论文中所采用的即是自由 口通讯协议。 使用自由口协议，用户需要通过设置p l c 的特殊寄存器s m b 3 0 、 s m b l 3 0 的参数来改变4 8 5 口的波特率、数据格式( 数据位数、停止位、校 验) ，以适应不同的通讯协议。 本自由口协议为实现上位机与德国西门子公司s i m a t i cs 7 2 0 0 系列 p l c 之间的通讯而编制的串行通讯协议，采用主从问答方式，上位机为主呼 方，下位机为应答方，主机给一个下位机发送请求，然后等待下位机的响应。 下位杌将回答此请求己收到或出现错误。如果请求没有正确接收到，则有如 奇偶错或c r c ( 校验和) 错这一类的传送错误，此时下位机将不响应，主机必 须在等待一个适当的时间后重新发送请求。 协议格式如下，最后一字节为校验字节，校验字节为前面所有字节的按 位异或值。 上位机从p l c 中读数据： 2 碗件及p l c 上位机发送读指令： b y t e i ：p l c 地址n 2 5 5 ) b y t e 2 ：0 x 0 0 ( 读指令代码) b y t e 3 ：寄存器类型( 0 - v ，1 - q ，2 - i ) b y t e 4 5 ：读缓冲区偏移地址( 0 - 9 9 9 9 ) v w 6 6 0 b y t e 6 7 ：温度 b y t e 8 9 ：p h 值 b y t e l 0 1 1 ：d o 溶氧值 b y t e l 2 1 3 ：温度变化量 b y t e l 4 15 ：p h 值变化量 b y t e l 6 1 7 ：d o 溶氧变化量 b y t e l 8 ：q 0 ( p l c 数字量输出口) b y t e l 9 ：q i ( p l c 数字量输出口) b y t e 2 0 2 3 ：保留 b y t e 2 4 ：校验字节 p l c 应答： 读成功时： b y t e l ：p l c 地址n - - 2 5 5 ) b y t e 2 ：0 x 0 0 ( 读指令代码) b y t e 3 ：寄存器类型( 0 一v ，l q ，2 - i ) b y t e 4 5 ：起始偏移地址( 0 - 9 9 9 9 ) v w 6 6 0 b y t e 6 7 ：温度 b y t e 8 9 ：p h 值 b y t e l 0 1 1 ：d o 溶氧值 b y t e l 2 - 1 3 ：温度变化量 b y t e l 4 - 1 5 ：p h 值变化量 b y t e l 6 - 1 7 ：d o 溶氧变化量 b y t e l 8 ：q 0 ( p l c 数字量输出口) b y t e l 9 ：q i ( p l c 数字量输出口) b y t e 2 0 2 3 ：保留 b y t e 2 4 ：校验字节 读失败时： b y t e l ：p l c 地址( 1 2 5 5 ) b y t e 2 ：0 x 8 0 ( 读指令失败代码) b y t e 3 ：寄存器类型( o v ，1 - e ，2 - i ) b y t e 4 5 ：起始偏移地址( 0 - 9 9 9 9 ) v w 6 6 0 2 天津科技大学硕士学位论文 b y t e 6 7 ：温度 b y t e 8 9 ：p h 值 b y t e l 0 - 1 1 ：d o 溶氧值 b y t e l 2 1 3 ：温度变化量 b y t e l 4 15 ：p h 值变化量 b y t e l 6 - 1 7 ：d o 溶氧变化量 b y t e l 8 ：q o ( p l c 数字量输出1 5 ) b y t e l 9 ：q 1 ( p l c 数字量输出1 5 ) b y t e 2 0 2 3 ：保留 b y t e 2 4 ：校验字节 上位机向p l c 中写入数据： 上位机发送写指令： b y t e i ：p l c 地址f l 2 5 5 ) b y t e 2 ：0 x 0 1 ( 写指令代码) b y t e 3 ：寄存器类型( o v 1 - q ，2 - i ) b y t e 4 5 ：写缓冲区偏移地址( 0 - 9 9 9 9 ) b y t e 6 7 ：温度 b y t e 8 - 9 ：p h 值 b y t e l o 一1 l ：d o 溶氧值 b y t e l 2 一1 3 ：温度变化量 b y t e l 4 一l5 ：p h 值变化量 b y t e l 6 - 1 7 ：d o 溶氧变化量 b y t e l8 ：q 0 ( p l c 数字量输出口) b y t e l 9 ：q 1 ( p l c 数字量输出口) b y t e 2 0 2 3 ：保留 b y t e 2 4 ：校验字节 p l c 应答： 写成功时： b y t e l ：p l c 地址f l 2 5 5 ) b y t e 2 ：0 x 0 1 ( 写指令代码) b y t e 3 ：寄存器类型( 0 - v ，1 - q ，2 - i ) b y t e 4 5 ：读缓冲区偏移地址( 0 - 9 9 9 9 ) b y t e 6 7 ：温度 b y t e 8 9 ：p h 值 b y t e1 0 - 1 1 ：d o 溶氧值 b y t e l 2 - 1 3 ：温度变化量 v w 6 8 0 v w 6 8 0 2础件及p l c b y t e l 4 1 5 ：p h 值变化量 b y t e l 6 1 7 ：d o 溶氧变化量 b y t e l 8 ：q 0 ( p l c 数字量输出口) b y t e l 9 ：q 1 ( p l c 数字量输出1 2 1 ) b y t e 2 0 2 3 ：保留 b y t e 2 4 ：校验字节 写失败时： b y t e l ：p l c 地址f 1 - - 2 5 5 ) b y t e 2 ：0 x 8 l ( 写指令代码) b y t e 3 ：寄存器类型( o v ，1 - q ，2 - i ) b y t e 4 5 ：写缓冲区偏移地址( 0 - 9 9 9 9 ) v w 6 8 0 b y t e 6 7 ：温度 b y t e 8 9 ：p h 值 b y t e l 0 1 1 ：d o 溶氧值 b y t e l 2 1 3 ：温度变化量 b y t e l 4 1 5 ：p h 值变化量 b y t e l 6 - 1 7 ：d o 溶氧变化量 b y t e l 8 ：q 0 ( p l c 数字量输出口1 b y i e 1 9 ：q 1 ( p l c 数字量输出l j ) b y t e 2 0 2 3 ：保留 b y t e 2 4 ：校验字节 下面将此程序所用到的寄存器资源及其所代表的含义解释如下： v w 8 ：存放p l c 的地址 v w 5 4 ：存放发送数据按字节异或校验的次数 v d 4 0 ：存放接收缓冲区的首指针 v b l 0 0 ：接收缓冲区的首字节 v b 2 0 0 ：发送缓冲区的首字节 v d 6 0 ：发送缓冲区的首指针 v w 4 4 ：存放接收数据按字节异或校验的次数 v d 4 6 ：j ：r 向接收缓冲区的指针 v d 6 6 ：指向发送缓冲区的指针 v d 5 0 ：指向要读取或写入数据的指针 s m b 2 ：特殊标志位，是自由口接收字符缓冲器。在自由口方式下收 至0 的每个字符都放到这里便于用户程序进行存取。 s m b 3 0 ：特殊标志位，是自出口控制寄存器，存放自由口控制字节。 s m b 3 4 ：时钟中断时间间隔寄存器。 1 4 天津科技大学顿士学位论文 注意： 在编制控制程序时用以上寄存器资源不能被占用。应当使用v 3 0 0 以后的 寄存器。另外可以通过更改v w 8 的值实现对不同地址p l c 的访问，这样可 以完成一对多的多机控制。 2 2 2 温度、p h 控制 温度控制 在发酵环境参数中温度是非常重要的，菌体生长繁殖和抗生素合成是在 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、滞后大，例如 外冕环境温度、菌体生氏吸热、冷却水流量等都会导致系统温度的波动。根 据多次实验研究，得出一套温度控制规则。主要输入量有设定值s p n 、实际值 p v n 、极值t m 、当前过程即升温或降温等。以两个加热器3 0 0 w 、1 0 0 w 的启停 作为输出。 发酵液温度对象滞后大，如果检测到已达设定值再停止加热，则最终温 度就会超出设定值。出现超调。冷却过程亦然。很难精确控制。必须考虑超 前控制，避免出现超调。 当偏差值很大，则两个加热器全开或全关；偏差值在一定范围内，则只 丌1 0 0 w 加热器；在升温过程中，当升高到接近设定值时，关加热器；降温过 程中，当降低到接近设定值，开始加热。具体规则如下： 引用设定值与实际值的偏差e n = ( s p n p v n ) 1 e l l = 0 0 5 1 。c 则操作a 3 。升温过程( 1 0 0 w 丌) ：超过4 8 秒则加热器全关 超过2 4 秒且p v n t m 则加热器全关 4 降温过程( 3 0 0 w ，1 0 0 w 全关) ：超过4 8 秒则开1 0 0 w 加热器 p v n t m 则开1 0 0 w ，关3 0 0 w 5 p v n = t m ：超过6 秒则开1 0 0 w ，关3 0 0 w a ：0 0 6 4 “c = e n 0 1 0 9 。c 则开1 0 0 w 关3 0 0 w 0 1 0 9 。c = v w 3 1 0 ，+ 6 0 a w =v w 3 0 8 + l s q o 1 ，1 s v 6 7 2 1 ，1 2 r 7 酸 l ds m o 0 l d w v w 3 1 0 ， + 6 0 a w v w 3 0 8 ，+ l r q o 1 ，1 r v 6 7 2 1 ，1 l d w ( = v w 3 1 0 ，一6 0 a w ( v w 3 0 8 + 1 s q o 1 ，1 sv 6 7 2 1 1 r e a dp v n s p n e n = s p n p v n h e n e n ( 一0 0 3 e n = o 0 3 j j r 碱 e n ( = 一0 0 3 a n 酸 e n ：o 0 3 2 2 3 转速、流加控制 转速控制 发酵过程的溶解氧是一个综合参数，影响因素多，除了搅拌转速、空气 流量、罐压和罐温等可检测参数的影响外，基质浓度、产物浓度等不可检测 1 6 天津科技大学倾：j ：学位论文 参数对其也有影响。此外，实际发酵过程中，还会出现不同程度的染菌，这 会导致氧需求的增加，而且生产原料、菌种的不同，都对溶解氧有不同的要 求。综上所述，发酵过程的溶解氧的对象特性很难通过系统辩识方法获得， 传统的控制方法难以得到理想的控制效果。通过一些抗生素发酵实验，发现 搅拌转速对产率的影响远比空气流动大。因此，采用控制搅拌转速的方案， 而空气流量保持定值。可以间接达到控制溶解氧的目的。 转速设定由屏幕手工输入，通过串口传输给p l c 的相应寄存器中，在给 到模拟量模块的输出口。 m o v wv w 3 4 6 ，a c o m o v wa c o ，a q w o 多次实验数据表明，转速控制精度基本达到要求。实现溶解氧的控制。 流加控制 随着生化反应地进行，以及抗生素生长状态和生物代谢状况，中间要补 充营养物质，使微生物沿着优化的生长轨迹生长，以获得的高产的产物得率。 本课题的研究目标就是通过对过程状态的预估，得到最佳流加量。因此，通 过两种途径来进行流加量的计算。一种是通过当前取样所得状态，根据经验 估计下一状态，指导流加；一种是用神经网络预估下一状态，指导流加。 由于加入器的流加速率是一定的，我们可通过控制流加的时间来控制流 加量。通过上述两种方法计算得出流加量，与流加速率相除，得出流加时间。 通过串口，传输给p l c ，p l c 执行流加操作，打开相应的数字输出口( q 。) ， 通过计时器计时，时间到，停止流加。 l d w + o ，v w l 0 0 0流加 q o 2 ， l v 6 7 2 2 1 v 3 9 8 1 。l v 3 9 8 1 t 3 7 ，v w l 0 0 0 t 3 7 + o t 3 7 q o 2 ，1 v 6 7 2 2 ，l v 3 9 8 1 ，1 + 0 v w l 0 0 0 1 7 d e l a y x l o o m s( 9 0 s ) p u t o f fp u m p r e s e tt i m e r n v 。凹俐。删。 4 发酵过程建模方案设计 3 控制系统软件 3 1 控制系统软件组成 本课题控制系统软件使用m i c r o s o f t 公司面向对象的可视化编程语言 v c + + 6 0 编写完成。面向对象软件编程的特点就是对各种消息的响应及处理， 依照消息的不同来源，本软件主要包括通讯参数设定模块和状态监控模块。 通讯参数设定模块 l 上_ l 一 一 曲参数状数 历 线 数时 据态据史 显设操保 估传数 示作 仔 1 ，t 输据 模 模模模模模 模 块 块块块块块 块 图31 1 软件系统组成 3 2 通讯参数设定模块 通讯参数设定模块：程序启动先运行此模块，设定上下位机之间的通讯 参数，包括端口，波特率，数据位，奇偶校验，停止位的设定。模块包括数 据文件名的设定。键入发酵过程数据文件名，则按此文件名存储查找发酵数 据。 软件界面如图所示 图3 2 1 通讯参数设定界面 天津科技大学硕士学位论文 通讯参数包括：端口号c o m p o r t ，波特率b a u d ，数据位b y t e s i z e ，校验 p a r i t y ，停止位s t o p b i t s 。初始化采用默认值。 可选值默认值 c o m p o r tc o r n ic o m 2 c o m 2 b a u d 4 8 0 09 6 0 01 9 2 0 05 6 0 0 09 6 0 0 b y t e s i z e 5678 8 p a r i t y 奇校验偶校验无校验无校验 s t o p b i t s l 2l 图3 2 2 通讯参数设定模块 采用r e m o ns p e k r e i j s e 编写的一个串口类c s e r i a l p o r t 类，该类中封装了 大量用于串行口通信的函数，程序中可做很多复杂处理而不必自行编写底层。 使用方便，简单易学，稳定性好。由于它不是v c 默认的类，因此使用时要 先进行手工添加。具体步骤如下：建立工程后用p r o i e c t a d dt op r o j e c t f i l e s 命 令将c s e r i a l p o r t h c s e r i a l p o r t c p p 两个类文件加入工程并将头文件 c s e r i a l p o r t h 说明：# i n c l u d e “c s e r i a l p o r t h ”；人工增加串口消息响应函数： o n c o m m u n i c a t i o n ( w p a r a mc h ，l p a t a mp o r t ) 添加串口字符接收消息 w m c o m mr x c h a i t ( 串口接收缓冲区内有一个字符) 的响应函数声明，然 后在源文件中进行w m _ c o m m _ r x c h a