C3000在补料分批发酵控制系统中的应用

∀自动化仪表 #第 28 卷增刊 2007 年 9 月
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C3000在补料分批发酵控制系统中的应用 同阶段被控制在最优值。
刘
哲, 等 据、 参数作不断优化后, 最终实现了对发酵不同阶段温 度、 压力、 酸碱度和溶解 氧的 自动控 制, 达 到了满 意的 控制效果。在该 控制 系统 的 pH 值 控制 回路 中, 采 用 了不同于前 述的 控制 策略, 当 检测 到的 pH 值 低于 设 定值时, 控制器每 5 s输出 1 s开关量信号开启加碱阀, 当检测到 pH 值达到 设定 值时 控制 器关 闭加 碱 阀, 通 过这样 的 控制 方 式 对 pH 值 实 现 有效 控 制。应 用 表 明, C3000过程控制器针对不同的 工艺工况条 件, 可通 过灵活的编程来实现 设计人 员的各 种控 制策略, 同时 实现对多个回路的有效控制。 另外, C3000的记录功能可对数 据进行实 时记录, 并可转存拷贝至上位机作进一步优化分析处理。
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在发酵阶段, 主要影响因素有以下几点: 温度。温度是 影响菌 体生 长和代 谢活力 的重 要因素。严格保持菌体的生长繁殖和生物合成所需要 的最适温度, 对稳定发 酵、 缩 短发酵 周期, 提高发 酵单 位和产量, 具有很大的作用。 压力。在发酵 过程中 发酵 罐的罐 压必须 保持 正压, 如果罐压为零或 负, 则 会造成 菌体 的染菌, 大大 影响了该罐发酵的产量和质量。同时罐压也影响氧在 发酵液中的溶解度。 ! 溶解氧。对于好氧发酵过程, 为保证菌体在生 长阶段和产物生成 阶段所需 的耗 氧量和 氧溶解 量, 必 须不断地提供氧气, 使 菌体生 长和 产物生 成能顺 利进 行。增加发酵液中氧溶解度的方法主要通过提高机械 搅拌速度和增大空气流量两种途径。 ∃ 酸碱度 ( pH ) 。在发 酵过 程中, 酸碱 度变 化将 会引起各种酶活力 的改变, 影 响菌 体对基 质代谢 的速 度, 甚至改变菌体的代谢途径和细胞结构, 最终影响产 品的得率, 因此, 发酵液的 pH 必须加以控制。 % 基质浓度。基 质浓度 直接 影响到 菌体的 代谢 变化和产物的合成。 在实际 发酵过 程中, 基质的 浓度 主要依靠补料来维 持, 所以发 酵过 程中的 补料一 定要 控制好时间和数量, 使 其过程 按合 成产物 最大的 方向 进行。
修改稿收到日期 : 2007- 07- 16 。 第一作者刘哲, 男 , 1980 年生 , 1998 年毕业于浙江大学电机系, 获学 士学位 , 助理工程师 ; 主要从事控制类仪表的研究。
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记录间隔, 可以手动或者自动 启动 (或 停止 )控制 器的 记录
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C3000过程控制器功能强大而 灵活, 适用 于冶金、 石油、 化工、 建材、 造纸、 食品、 制药、 热处理和水处理等 各种工业现场, 并在这 些工业 控制领 域都 有成功 的应 用控制方案。 在食品、 制药行业中 大量 应用到 补料 分批发 酵过 程, 该过程中需控制的参数较多且控制过程比较复杂, 用普通控制器很难保 证控制 性能的 稳定 可靠, 且 所需 仪表较多, 集成度低。为 此本 文介绍 了如 何使用 浙江 中控生产的 C3000过程控制器实现该发酵过程的自动 控制。在控制系统中针对发酵过程中温度、 压力、 溶解 氧、 pH 值等受控变量的特点, 运用了专家控 制、 回路控 制、 非线性补 偿、 定时 批量 控制 等 多种 控制 算 法和 技 术。借助 C3000控制器强大的函数功能及方便的参数 整定方式, 使这些算法 得以实 现并在 生产 中获得 了良 好的控制效果。
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图 1 发酵控制系统整体设计示意图 F ig 1 O ve ra ll des ign o f fer m enta tion contro l syste m
控制器通过调节夹套内的循环水流量对罐温进行 控制, 由于在整个发酵 过程中 温度的 最优 值会发 生变 化, 所以可采用程序设定控制方式, 将发酵各阶段的温 度最优值设定并保存 好, 在各 阶段程 序将 自动调 用设 定信息, 把温度自动 控制在 发酵 各阶段 的最优 值。同 时考虑到日夜温差及 季节变 换, 在控 制算 法中还 可加 入变增益环节, 保证控制质量。 控制器通过调节排 气量 来控制 罐压, 和罐温 控制 类似, 通过程序设定的 控制方 式使得 罐压 在发酵 的不
参考文献
1 胡 2 真. 补料分批发酵过程计 算机控 制系统 的开发 和应用 [ J]. 化工自动化及仪表, 1999 , 26( 5 ). JALEL N A, LE I GH J I , FI ACCO M, et a.lM odelling and con trol of the fed batch fer m entation process us ing statis tical techn iques[ C ] ( C ontrolApp lications 1994 Proceed ings for the Th ird I EEE C on fer ence , 1994, ( 3): 1929- 1933 . 3 SCHNE I DER R, J ALEL N A, M UNACK A, et a.l A daptive pred ic tive con trol for the fed batch fer m en tation p rocess [ C ] ( C ontrol) 94 In ternational Conference , 1994 , ( 1): 249- 254 . 4 JI N X M, WANG S Q, RONG G. S trep tom ycin fer mentation p rocess modeling w ith p rincipal com pon ent an alysis and fuzzy m od el[ C ] ( In telligent Con trol and A utom ation , Proceed ings of th e 3 rdW orld C on gress , 2000, ( 3): 2095 - 2098 . 5 曹永岩. 现代控制理论的工程应用 [M ]. 杭州: 浙江大学 出版社, 2000. 6 王骥程, 祝和云. 化工 过程 控制 工程 [M ]. 北 京: 化 学工 业 出版 社, 1991 .
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C3000作为强 大的 多功 能过程 控制 器, 具 有 以下
1 补料分批发酵介绍
补料分批发酵是介于分批发酵和连续发酵之间的 过渡类型。这种发酵是指在分批发酵中间歇地或连续 地补加含有限制性营 养物的 培养基, 但所 需产物 不到 某一时刻不从罐内放出的一种与分批发酵相似的发酵 方法。这种方法几乎遍及整个发酵工业, 如生产酵母、 氨基酸、 抗生素、 酶制剂、 有 机酸、 溶 剂、 维生 素等。这
0 引言
C3000过程控制器是采用工 业级 32 位 ARM 微处 理器和 5. 6 英 吋 TFT 彩 色液 晶 显示 屏的 多回 路 控制 器。它集成了测量、 显示、 记录、 控制、 报警、 通信、 运算 等多种功能, 可以实现 单回 路控制、 串级 控制、 分 程控 制、 比值控制、 程序曲线控制等多种控制功能 特点: 强大的 运算 功能。 C3000 过 程控 制器 的 内部 有 8个虚拟模拟量通道和 8 个虚拟量开关量通道。每 个通道都可以使用多 达 56种 函数 来进行 算术运 算和 逻辑运算。运算结果 可以任 意引用, 实现 各种各 样的 灵活操作。 程序控制 功能。程序 控制 支持多 达 3 路 独立 的程序输出, 每一路输 出可以 从所 有的模 式中选 择一 个模式输出, 最多 30 种模式 可选, 单模 式最多支 持 99 段程序折线段, 程序输出折线段最多支持 10 组 P I D参 数的切换。 ! 历史数 据记 录功 能。 C3000 过程 控制 器 提供 了强大的历史数据 记录功能, 可自 由选择 需要记 录的 数据, 并支持记录 间隔的 动态 修改, 最小 支持 0. 125 s
2 C3000补料分批发酵控制系统
2 1 补料分批发酵控制系统设计思路 从上文对补料 分批发 酵的介 绍可 知, 罐温、 罐压、 溶解氧、 酸碱度和基质浓度都会对发酵过程产生影响。 它们成为系统的被 控变量, 对 这些 量需加 以控制 以保 证发酵过程能顺利进行。 发酵过程的内 部机 理复杂, 输入量 多。这些 输入 量包括 冷却水 流量、 排 气量、 加酸 /碱 量、 空气 流量、 搅 拌速度和补料量。这些输入量会同时影响若干个被控 变量。如排气量不仅影响罐压, 同时也影响罐温, 这就 增加了过程的复杂性 一些研究和尝试
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如何实现对这类 复杂过 程的控 制, 专 家们也 有过 。而最终我 们结合业内 人士的专
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业知识与丰富的工 程实践 经验
, 对这一 复杂的 控制
过程实现 & 解耦 ∋, 将多输入多 输出的系 统分解 成包含 若干个单输入单输 出回路的 系统, 整个控 制系统 同时 对多个回路进行控 制。其中, 每一 个控制 回路由 于对
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PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTAT ION Vo. l 28 Supp lem en t Issu e Sep te mb er 2007
C3000在补料分批发酵控制系统中的应用 种方法兼有分批发 酵和连续 发酵 的优点, 而且克 服了 两者的缺点, 是目前发 酵工业 中较 有代表 性的一 种发 酵工艺
的基础上, 设计了以 C3000 控制器为核心的自动控制系统。该系统实现了对生物发酵生产过程中各主要参数的自动控制 , 并取得了 良好的应用效果。 关键词 : 发酵 溶解氧 控制系统 智能仪表 C3000过程控制器 中图分类号 : TP273 文献标志码: B
A bstract : A type of intelligent andm ultifunctional instrum en, t C3000 process controller , is introduced. On the basis of the syste m atic analysis o f the key influencing factors and characteristics of fed batch fer m enta tion process , an auto m a tic contro l syste m w ith C3000 contro ller as the core is designed. In the syste m, autom atic contro l ofm ain para m eters in bio log ic fer m entation process is m i ple m ented and the satisfactory results are ach ieved . K eyw ords : Fer m entation D issolved oxygen Control syste m Inte lligent instrum ent C3000 process contro ller