5 L發(fā)酵罐LabVIEW管理控制系統(tǒng)設(shè)計

郭 峰，崔棟帥，李 杰，崔佳煜

（東北大學(xué)秦皇島分校控制工程學(xué)院，河北秦皇島 066004）

0 引言

微生物發(fā)酵工程是生化工程和現(xiàn)代生物技術(shù)及實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)，隨著微生物技術(shù)的迅速發(fā)展，發(fā)酵過程控制向自動化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，對復(fù)雜的發(fā)酵過程進行科學(xué)分析和合理控制，已成為可能。近年來將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到發(fā)酵過程控制系統(tǒng)的研究也越來越深入。LabVIEW是測試領(lǐng)域應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件開發(fā)集成技術(shù)之一，獨特的圖形化開發(fā)環(huán)境，既簡化了與測量設(shè)備的接口，而交互式助手、代碼生成特性等，又極大簡化了數(shù)據(jù)采集模式，將計算機的強大處理能力與儀器的硬件測試控制很好地結(jié)合在一起。針對酵母的補料分批培養(yǎng)等工藝過程，開發(fā)的控制酵母生長速率的系統(tǒng)可實時監(jiān)視發(fā)酵過程，設(shè)計的pH值報警程序及采集界面也使操作更為便捷。

1 系統(tǒng)總體方案

5 L玻璃發(fā)酵罐是企業(yè)發(fā)酵車間常用的發(fā)酵設(shè)備，多采用傳統(tǒng)控制方式，操作人員憑經(jīng)驗來補加營養(yǎng)物料并對發(fā)酵過程的控制參數(shù)進行調(diào)節(jié)，自動化水平不高，控制不精確。特別是傳統(tǒng)的設(shè)備控制方式，無法采用智能控制算法對發(fā)酵過程的復(fù)雜非線性反應(yīng)過程進行控制。采用LabVIEW開發(fā)平臺設(shè)計發(fā)酵罐的管理控制系統(tǒng)，來實現(xiàn)對發(fā)酵過程的有效監(jiān)測與控制，既可以提高發(fā)酵工藝水平，又可增加產(chǎn)量和保證產(chǎn)品質(zhì)量。

1.1 設(shè)計思路

發(fā)酵管理控制系統(tǒng)除了硬件設(shè)備外，還需要一套運行良好、性能卓越的軟件。本系統(tǒng)采用LabVIEW作為發(fā)酵過程管理控制系統(tǒng)的上位機開發(fā)軟件，通過SHC68-68-EPM Cable線纜將接受傳感器信號的接線盒與NI PCI-6221采集卡連接，實現(xiàn)對溫度、pH值、溶解氧等信號的數(shù)據(jù)采集、調(diào)理和轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)據(jù)傳送到計算機。在LabVIEW平臺，對數(shù)據(jù)進行處理、分析、存儲與顯示，在系統(tǒng)中可構(gòu)造智能算法控制器，分析處理的結(jié)果通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)桨l(fā)酵罐的控制部分，實現(xiàn)對5 L發(fā)酵罐的管理與控制。對于發(fā)酵車間的多臺發(fā)酵罐，也可通過1臺上位機進行數(shù)據(jù)處理和管控，以降低系統(tǒng)成本。軟件部分采用模塊化和層次化的思路，由上至下設(shè)計LabVIEW程序，系統(tǒng)能定時采集數(shù)據(jù)，并進行保存、分析和處理，以及控制信號的下發(fā)。新系統(tǒng)與原系統(tǒng)可無縫集成，可根據(jù)實際需要在2個系統(tǒng)中方便切換。

1.2 外圍設(shè)備

系統(tǒng)中所需的外圍設(shè)備主要有2部分，一是傳感器或其他測量設(shè)備，二是信號采集裝置。采用PCI-6221作為數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵設(shè)備，負責模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換；采用DAQ采集通道實現(xiàn)在上位機的編程驅(qū)動，能夠?qū)F(xiàn)場采集到的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后存入內(nèi)部緩沖區(qū)中。在進行長時間高速數(shù)據(jù)采集時，PCI-6221多采用循環(huán)方式，啟動1次采集過程能進行無數(shù)次的A/D轉(zhuǎn)換。一個NI-DAQmx虛擬通道包括一個DAQ設(shè)備上的物理通道和對這個物理通道的配置信息，實現(xiàn)輸入范圍和自定義的比例縮放。主要任務(wù)是設(shè)置虛擬通道、定時和觸發(fā)信息，以及其他與采集或生成相關(guān)屬性的組合。采集參數(shù)的設(shè)定要滿足發(fā)酵工藝與設(shè)備工作條件，只有在選定好通道，設(shè)定好采樣參數(shù)后，才可進行DAQmx驅(qū)動工作，才能進行采樣分組與收集。

2 基于LabVIEW的上位管理控制系統(tǒng)設(shè)計

由于LabVIEW是測試領(lǐng)域應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件，具有開發(fā)與集成的特定環(huán)境，所以簡化了與測量設(shè)備的接口，實現(xiàn)電路硬件部分的連接。使現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集信號通過數(shù)據(jù)采集卡傳回到上位機，通過LabVIEW軟件設(shè)計管理與控制界面，實現(xiàn)上位機與下位機的交互，是智能化的自動管理控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通信由數(shù)據(jù)采集卡組成的小系統(tǒng)可對溫度、pH值等信號進行采集、調(diào)理和轉(zhuǎn)換，在LabVIEW開發(fā)的平臺下，一是對數(shù)據(jù)進行各種處理，并通過數(shù)據(jù)分析下達控制信號。二是對采樣數(shù)據(jù)進行存儲、顯示，最后由PC機監(jiān)控界面顯示實時測量的發(fā)酵環(huán)境中溶解氧、pH值及溫度值等，實現(xiàn)對發(fā)酵全過程的在線管理與控制。

2.1 軟件的模塊化功能設(shè)計

（1）在實際的設(shè)計工作中，根據(jù)5 L玻璃發(fā)酵罐的現(xiàn)實條件和LabVIEW的編程思想，整個上位機系統(tǒng)分為若干個模塊，以調(diào)用子程序的方式整合在一起。由于微生物發(fā)酵需要一個穩(wěn)定的生存環(huán)境，為了達到控制要求，整個系統(tǒng)設(shè)計了反饋回路控制功能，對溫度等進行有效控制。同時，通過控制攪拌電機轉(zhuǎn)速、加酸堿、發(fā)酵罐底座加熱器等，分別控制參數(shù)值的變化情況，為發(fā)酵過程的正常運行提供可靠的保障環(huán)境。

（2）由于發(fā)酵實驗的特殊性以及對發(fā)酵環(huán)境的敏感度較高，為了保障系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行和良好的安全效果，需要系統(tǒng)設(shè)定超限報警功能，如果發(fā)酵條件有較大波動并超出警戒線值時，系統(tǒng)將自動報警并將報警數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。這樣，既可以完善和增加專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及內(nèi)容，也能增強歷史數(shù)據(jù)的查詢價值。

（3）系統(tǒng)除了要滿足對發(fā)酵溫度、pH值、溶氧值以及攪拌電機轉(zhuǎn)速等進行實時監(jiān)測外，還需要對采集到的實時數(shù)據(jù)進行保存，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示處理與分析調(diào)用等功能，對于歷史數(shù)據(jù)查詢與專家系統(tǒng)的建立等，都可起到?jīng)Q定性作用。

2.2 主界面顯示

（1）以發(fā)酵控制系統(tǒng)參數(shù)值作為基準值，將采集到的數(shù)據(jù)與參考值進行比較，從而確定系統(tǒng)顯示是否準確可靠，系統(tǒng)將會有多大的延時，以及對控制效果有多大的影響等。通過一系列的調(diào)試后，使系統(tǒng)達到良好的監(jiān)控效果，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化與控制目的。其中，對實時數(shù)據(jù)采集界面的功能設(shè)計最為關(guān)鍵。

（2）通過LabVIEW的圖形化可視界面編輯功能，設(shè)計出可直觀反映發(fā)酵過程與狀態(tài)，并可自動調(diào)節(jié)控制的管理主控系統(tǒng)，使發(fā)酵控制系統(tǒng)主界面更加直觀，而且利于操作。

3 結(jié)論

針對發(fā)酵車間常用的5 L玻璃發(fā)酵罐，研究影響發(fā)酵過程的參數(shù)，基于LabVIEW平臺設(shè)計了一套生物發(fā)酵過程管理控制系統(tǒng)。在LabVIEW開發(fā)平臺下，對數(shù)據(jù)進行各種處理、分析，并對信號進行存儲與顯示，由PC機監(jiān)控界面顯示實時測量的發(fā)酵環(huán)境中溶解氧、pH值及溫度值，因而實現(xiàn)了對發(fā)酵的整個過程進行在線監(jiān)測與控制。通過現(xiàn)場實驗，管理與控制系統(tǒng)不僅能有效地對數(shù)據(jù)進行采集、分析與處理，而且極大地提高和保證了產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量。