虛實結合的土霉素發酵罐控制系統在實驗教學中的應用

高月華 郝雷 白雪

摘 要：在PLC實驗室，建設真實的被控對象實驗裝置難度大，維護困難，功能無法更新，無法滿足多樣化教學需求。因此設計、開發了土霉素發酵罐虛擬仿真控制系統，可用于過程控制和PLC等課程的實驗教學。該系統采用羅克韋爾PLC為控制器，使用MATLAB搭建SY3010B型土霉素發酵罐的數學模型，RSView SE軟件組態虛擬界面，通過RSLinx軟件實現PLC與被控對象之間基于OPC的通訊。根據土霉素發酵工藝的要求，利用該平臺對發酵罐內部影響其產物優劣的兩個重要因素溫度和發酵液PH值實現基于PID的控制算法，使其基本穩定在土霉素發酵各階段的最適值，實時數值曲線通過監控界面顯示。結果表明，系統利用以工程實際案例為背景開發的虛擬仿真實驗系統開展實驗教學，可以實現激發學生學習興趣、培養學生創新能力、提高學習效果的目的。

關鍵詞：發酵罐;溫度;氫離子濃度指數;虛擬仿真實驗教學

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2021.03.004

本文著錄格式：高月華，郝雷，白雪.虛實結合的土霉素發酵罐控制系統在實驗教學中的應用[J].軟件，2021，42（03）：015-018

Application of Oxytetracycline Fermentor Control System Based on Virtual Reality in Experimental Teaching

GAO Yuehua1， HAO Lei1， BAI Xue2

（1.College of Electronic and Information Engineering ， Hebei University， Baoding? Hebei? 071002;

2.General Electric Hualun Medical Device Co.， Ltd.， Beijing? 100000）

【Abstract】：In PLC laboratory， it is difficult to build a real controlled object experimental device， maintenance is difficult， function cannot be updated， and cannot meet the diversified teaching needs. The design adopts the Rockwell PLC as the controller， MATLAB is used to build the mathematical model of the oxytetracycline fermentation tank SY3010B. RSView SE software is used to configure virtual interface， and RSLinx software is used to realize the communication of the virtual simulation platform based on OPC. According to the requirements of oxytetracycline fermentation technology， we apply the PID algorithm for the two important factors， temperature and PH， which affecting the products quality inside the fermentation tank， and making it basically stable at the optimum value of different stages in terramycin fermentation with this platform. The real-time numerical curves can be displayed on the monitor interface. The results show that virtual simulation experiment system developed on practical engineering cases stimulate students' interest in learning， cultivate students' innovation ability and improve the learning effect.

【Key words】：fermentation tank;temperature;PH value;virtual simulation experiment teaching

0引言

發酵體系是一個復雜的多相共存的動態系統，發酵控制系統實驗是典型的流程行業自動化的被控對象[1-4]。優化過程需進行大量的實驗，從而獲得優化所需的溫度、PH值、溶氧、攪拌轉速等實驗數據和模型機理分析[5]。本文利用虛擬仿真技術，搭建無污染、無危險的土霉素發酵罐虛擬實驗平臺，旨在優化土霉素發酵過程控制。

虛擬仿真技術在臨床醫學[6-7]、汽車工業設計與分析[8]、機器人技術[9]等領域已被廣泛應用。因此本文將此技術應用于發酵罐過程控制優化，構建了虛擬仿真平臺。利用此平臺反復進行具有操作危險性和需人長時間值守的發酵實驗，可達到消除人身危險、節省設備運行費、物料能量損耗費的目的，還可降低設備損壞和污染等不利因素的影響，優化發酵過程，提高產出率。

結合工程案例，利用PLC技術和仿真技術，本文開發了用于實驗教學的土霉素發酵罐虛擬仿真控制系統。首先針對土霉素發酵罐建模，在此基礎上，提出了一套發酵罐過程控制系統虛擬仿真平臺，并驗證了平臺的有效性。對發酵過程中的兩個重要參數，即溫度和PH值，使用實驗法與機理法復合建模方法[10]，分別建立了精確的數學模型，為設計仿真控制器，對模型進行了簡化，簡化后的模型由MATLAB 的Simulink搭建，最終分別實現兩個參數的閉環PID控制。選用羅克韋爾PLC作為控制器[11-13]，使用RSLogix 5000軟件編寫控制程序，并下載到由RSLogix Emulate軟件虛擬的PLC中。使用RSView SE軟件制作發酵罐虛擬仿真系統，用于顯示動畫、調試參數和控制效果的檢驗。通過RSLinx軟件，建立PLC與MATLAB之間的數據通信，實現了基于Logix的發酵罐仿真過程控制系統。

1系統結構

為保證系統兼容性，采用羅克韋爾編程、通訊、組態和仿真控制器軟件，以及支持OPC工具箱的MATLAB 7.9。發酵罐虛擬仿真控制系統架構如圖1所示，系統分為五個部分：第一部分是在MATLAB Simulink工具箱中搭建的被控對象的數學模型;第二部分是使用RSLogix 5000軟件編寫基于PID算法的溫度、PH值自動控制程序;第三部分是使用RSView SE軟件編寫的發酵罐虛擬仿真監控顯示界面;第四部分是羅克韋爾仿真PLC;第五部分便是將以上四部分聯系在一起的紐帶—RSLinx軟件，作為下位機和上位機通訊的橋梁。系統的監控界面可以顯示發酵開始前的準備工作、發酵過程的PID參數值以及實時監控的曲線狀態等內容。

2數學模型及控制系統實現

2.1 數學模型

本設計對土霉素發酵溫度使用了實驗法與機理法復合建模[10]。根據生物發酵動態機理，由溫度控制器與分程控制、時間比例控制以及執行機構（加熱器、冷卻水電磁閥、蠕動泵）、檢測變送器與被控對象構成生物發酵溫度閉環控制系統。在模型簡化過程中，將分程控制、時間比例控制以及執行機構、檢測變送器與被控對象作為廣義被控對象，這與設計的缺少執行器的純仿真系統所需的被控對象相一致。針對廣義被控對象加以定值階躍信號實測了發酵罐溫度動態系統的階躍響應曲線，記錄響應曲線，將其近似為一階慣性加滯后環節，再根據的值確定準確的控制系統階數n。然后將得到的n階廣義被控對象進行如下化簡。

（1）當時，

（2）當時，

最終得到簡化后近似于二階慣性加遲滯的形式。使用MATLAB對實驗數據進行非線性曲線擬合，最終得出二階積分時滯廣義溫度動態模型，如式（1）。

（1）

使用上述方法和步驟，得出PH值動態模型的狀態方程和輸出方程，對其進行變換并合理簡化后，得出的生物發酵過程的PH值動態系統是一個變增益積分過程，后經測試階躍響應曲線計算出非線性增益，最后將其擬合成一階慣性環節加純滯后環節，得出變增益積分PH非線性動態模型，如式（2）。

（2）

2.2 被控對象模型的功能

本設計為仿真的發酵罐控制系統，被控對象實時仿真模型的搭建如圖2所示。為了達到實時仿真的效果，將發酵罐數學模型放置在Logix平臺以外的在MATLAB Simulink中，作為PLC控制的外部被控對象，并使用RSLinx軟件實現其與Logix平臺基于OPC服務器的通訊。

2.3 控制程序設計及調試

發酵罐控制系統的控制算法部分設計由RSLogix 5000開發的控制程序實現，發酵罐控制程序連續任務由主例程和四個子例程組成，主例程主要用于實現初始化和發酵過程控制中的邏輯控制功能，子例程為升溫、降溫、加酸、加堿的PID控制程序，可使用軟件中自帶的Trend功能調試曲線。以溫度控制為例：在溫控過程中由設定值將控制過程分為升溫和降溫兩個過程，不同的控制輸出對應著被控對象不同的響應?？刂葡到y程序流程圖如圖3所示，圖中SP為系統設定值，PV為系統測量值。

設計采用RSLogix 5000內部的PID塊來實現PID運算，這個模塊將PID運算和整定過程集成在了一起，PID參數的設置部分在PID選項卡內。仿真的控制系統不存在模擬量信號與數字量信號之間的轉換環節，因而無需向標準信號整定，則在整定選項卡中可將參數范圍均設定為0.0～100.0。運行時將PID的輸出控制值送給數學模型，經數學模型運算后輸出送還給PID的輸入，從而形成閉環控制。

3 系統監控界面

發酵罐的溫度控制有升溫和降溫兩個過程，在監控界面制作了相應的動畫顯示。發酵罐不銹鋼部分夾層內部是循環水通道，加熱棒為螺旋態的金屬材質。將圖形連接上PLC中的溫度顯示變量，動畫程序在PLC中編輯，在執行加熱操作時，夾層內加熱棒亮成紅色;在執行降溫操作時，夾層內水亮成藍色，呈現出良好的動畫效果。

發酵罐的PH值控制有加酸和加堿兩個過程，在監控界面也制作了相應的動畫顯示。選取發酵罐上部兩個閥門和管道作為酸液、堿液的入口。當執行加酸動作時，最下邊的管道顯示紅色，當執行加堿動作時，上一個管道顯示藍色。

同時對于發酵之前為準備工作制作了簡單的示意動畫：啟動后，按下滅菌按鈕，發酵罐下半部分不銹鋼體變紅5s，代表滅菌操作的執行，實際滅菌操作需要120℃～124℃的高溫蒸汽滅菌30min。滅菌后，按下接種按鈕，罐體透明部分顯示兩個橙色橢圓形，代表接種成功，計時5s后進入溫度和PH值自動控制階段。運行主界面如圖4所示。

溫度和PH曲線顯示界面如圖5、圖6所示?？紤]到調試要求，首次啟動時可在監控界面手動設置PID運算的三個參量，在監控界面建立兩個趨勢圖來繪制曲線，以觀測控制過程溫度和PH的變化過程，采集的數據為溫度和PH值的過程量。

為了使發酵罐溫度和PH控制達到最好的效果，要調整選擇最優的Kp、Ki、Kd參數。由于溫度控制和PH值控制模型均為大滯后環節，在Simulink中，實時仿真過程過于緩慢，不利于PID參數的調節，因而選擇在Simulink里搭建一個帶PID的控制回路，設置不同的PID參數，也將其輸出限定在0～100之間，進行仿真測試。

4 結論

本文給出了一套完整可行的用于PLC和過程控制課程實驗教學的虛擬仿真系統搭建方案。通過羅克韋爾的通訊軟件的連接，系統實現了PLC與被控對象的數學模型（在MATLAB中運行）形成了閉環反饋控制系統，具有較穩定的控制質量，監控界面上手動設置PID參數也為PID調試提供了便捷的途徑，結果達到了預期的效果。本設計實現了生物發酵過程控制的虛擬化，仿真控制系統擺脫了針對實物實驗的局限性。實踐證明，本系統具備高階性、創新性和高挑戰度，適合開展項目化實驗。

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