高月華 郝雷 白雪

摘 要：在PLC實(shí)驗(yàn)室，建設(shè)真實(shí)的被控對(duì)象實(shí)驗(yàn)裝置難度大，維護(hù)困難，功能無法更新，無法滿足多樣化教學(xué)需求。因此設(shè)計(jì)、開發(fā)了土霉素發(fā)酵罐虛擬仿真控制系統(tǒng)，可用于過程控制和PLC等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該系統(tǒng)采用羅克韋爾PLC為控制器，使用MATLAB搭建SY3010B型土霉素發(fā)酵罐的數(shù)學(xué)模型，RSView SE軟件組態(tài)虛擬界面，通過RSLinx軟件實(shí)現(xiàn)PLC與被控對(duì)象之間基于OPC的通訊。根據(jù)土霉素發(fā)酵工藝的要求，利用該平臺(tái)對(duì)發(fā)酵罐內(nèi)部影響其產(chǎn)物優(yōu)劣的兩個(gè)重要因素溫度和發(fā)酵液PH值實(shí)現(xiàn)基于PID的控制算法，使其基本穩(wěn)定在土霉素發(fā)酵各階段的最適值，實(shí)時(shí)數(shù)值曲線通過監(jiān)控界面顯示。結(jié)果表明，系統(tǒng)利用以工程實(shí)際案例為背景開發(fā)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以實(shí)現(xiàn)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、提高學(xué)習(xí)效果的目的。

關(guān)鍵詞：發(fā)酵罐;溫度;氫離子濃度指數(shù);虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shí)結(jié)合的土霉素發(fā)酵罐控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)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(fā)酵體系是一個(gè)復(fù)雜的多相共存的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，發(fā)酵控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是典型的流程行業(yè)自動(dòng)化的被控對(duì)象[1-4]。優(yōu)化過程需進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，從而獲得優(yōu)化所需的溫度、PH值、溶氧、攪拌轉(zhuǎn)速等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型機(jī)理分析[5]。本文利用虛擬仿真技術(shù)，搭建無污染、無危險(xiǎn)的土霉素發(fā)酵罐虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，旨在優(yōu)化土霉素發(fā)酵過程控制。

虛擬仿真技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)[6-7]、汽車工業(yè)設(shè)計(jì)與分析[8]、機(jī)器人技術(shù)[9]等領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。因此本文將此技術(shù)應(yīng)用于發(fā)酵罐過程控制優(yōu)化，構(gòu)建了虛擬仿真平臺(tái)。利用此平臺(tái)反復(fù)進(jìn)行具有操作危險(xiǎn)性和需人長時(shí)間值守的發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，可達(dá)到消除人身危險(xiǎn)、節(jié)省設(shè)備運(yùn)行費(fèi)、物料能量損耗費(fèi)的目的，還可降低設(shè)備損壞和污染等不利因素的影響，優(yōu)化發(fā)酵過程，提高產(chǎn)出率。

結(jié)合工程案例，利用PLC技術(shù)和仿真技術(shù)，本文開發(fā)了用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的土霉素發(fā)酵罐虛擬仿真控制系統(tǒng)。首先針對(duì)土霉素發(fā)酵罐建模，在此基礎(chǔ)上，提出了一套發(fā)酵罐過程控制系統(tǒng)虛擬仿真平臺(tái)，并驗(yàn)證了平臺(tái)的有效性。對(duì)發(fā)酵過程中的兩個(gè)重要參數(shù)，即溫度和PH值，使用實(shí)驗(yàn)法與機(jī)理法復(fù)合建模方法[10]，分別建立了精確的數(shù)學(xué)模型，為設(shè)計(jì)仿真控制器，對(duì)模型進(jìn)行了簡化，簡化后的模型由MATLAB 的Simulink搭建，最終分別實(shí)現(xiàn)兩個(gè)參數(shù)的閉環(huán)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(fā)酵罐虛擬仿真系統(tǒng)，用于顯示動(dòng)畫、調(diào)試參數(shù)和控制效果的檢驗(yàn)。通過RSLinx軟件，建立PLC與MATLAB之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)了基于Logix的發(fā)酵罐仿真過程控制系統(tǒng)。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為保證系統(tǒng)兼容性，采用羅克韋爾編程、通訊、組態(tài)和仿真控制器軟件，以及支持OPC工具箱的MATLAB 7.9。發(fā)酵罐虛擬仿真控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)分為五個(gè)部分：第一部分是在MATLAB Simulink工具箱中搭建的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)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(dòng)控制程序;第三部分是使用RSView SE軟件編寫的發(fā)酵罐虛擬仿真監(jiān)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(lián)系在一起的紐帶—RSLinx軟件，作為下位機(jī)和上位機(jī)通訊的橋梁。系統(tǒng)的監(jiān)控界面可以顯示發(fā)酵開始前的準(zhǔn)備工作、發(fā)酵過程的PID參數(shù)值以及實(shí)時(shí)監(jiān)控的曲線狀態(tài)等內(nèi)容。

2數(shù)學(xué)模型及控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)學(xué)模型

本設(shè)計(jì)對(duì)土霉素發(fā)酵溫度使用了實(shí)驗(yàn)法與機(jī)理法復(fù)合建模[10]。根據(jù)生物發(fā)酵動(dòng)態(tài)機(jī)理，由溫度控制器與分程控制、時(shí)間比例控制以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)（加熱器、冷卻水電磁閥、蠕動(dòng)泵）、檢測變送器與被控對(duì)象構(gòu)成生物發(fā)酵溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)。在模型簡化過程中，將分程控制、時(shí)間比例控制以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測變送器與被控對(duì)象作為廣義被控對(duì)象，這與設(shè)計(jì)的缺少執(zhí)行器的純仿真系統(tǒng)所需的被控對(duì)象相一致。針對(duì)廣義被控對(duì)象加以定值階躍信號(hào)實(shí)測了發(fā)酵罐溫度動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，記錄響應(yīng)曲線，將其近似為一階慣性加滯后環(huán)節(jié)，再根據(jù)的值確定準(zhǔn)確的控制系統(tǒng)階數(shù)n。然后將得到的n階廣義被控對(duì)象進(jìn)行如下化簡。

（1）當(dāng)時(shí)，

（2）當(dāng)時(shí)，

最終得到簡化后近似于二階慣性加遲滯的形式。使用MATLAB對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性曲線擬合，最終得出二階積分時(shí)滯廣義溫度動(dòng)態(tài)模型，如式（1）。

（1）

使用上述方法和步驟，得出PH值動(dòng)態(tài)模型的狀態(tài)方程和輸出方程，對(duì)其進(jìn)行變換并合理簡化后，得出的生物發(fā)酵過程的PH值動(dòng)態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)變?cè)鲆娣e分過程，后經(jīng)測試階躍響應(yīng)曲線計(jì)算出非線性增益，最后將其擬合成一階慣性環(huán)節(jié)加純滯后環(huán)節(jié)，得出變?cè)鲆娣e分PH非線性動(dòng)態(tài)模型，如式（2）。

（2）

2.2 被控對(duì)象模型的功能

本設(shè)計(jì)為仿真的發(fā)酵罐控制系統(tǒng)，被控對(duì)象實(shí)時(shí)仿真模型的搭建如圖2所示。為了達(dá)到實(shí)時(shí)仿真的效果，將發(fā)酵罐數(shù)學(xué)模型放置在Logix平臺(tái)以外的在MATLAB Simulink中，作為PLC控制的外部被控對(duì)象，并使用RSLinx軟件實(shí)現(xiàn)其與Logix平臺(tái)基于OPC服務(wù)器的通訊。

2.3 控制程序設(shè)計(jì)及調(diào)試

發(fā)酵罐控制系統(tǒng)的控制算法部分設(shè)計(jì)由RSLogix 5000開發(fā)的控制程序?qū)崿F(xiàn)，發(fā)酵罐控制程序連續(xù)任務(wù)由主例程和四個(gè)子例程組成，主例程主要用于實(shí)現(xiàn)初始化和發(fā)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(diào)試曲線。以溫度控制為例：在溫控過程中由設(shè)定值將控制過程分為升溫和降溫兩個(gè)過程，不同的控制輸出對(duì)應(yīng)著被控對(duì)象不同的響應(yīng)?？刂葡到y(tǒng)程序流程圖如圖3所示，圖中SP為系統(tǒng)設(shè)定值，PV為系統(tǒng)測量值。

設(shè)計(jì)采用RSLogix 5000內(nèi)部的PID塊來實(shí)現(xiàn)PID運(yùn)算，這個(gè)模塊將PID運(yùn)算和整定過程集成在了一起，PID參數(shù)的設(shè)置部分在PID選項(xiàng)卡內(nèi)。仿真的控制系統(tǒng)不存在模擬量信號(hào)與數(shù)字量信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，因而無需向標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)整定，則在整定選項(xiàng)卡中可將參數(shù)范圍均設(shè)定為0.0～100.0。運(yùn)行時(shí)將PID的輸出控制值送給數(shù)學(xué)模型，經(jīng)數(shù)學(xué)模型運(yùn)算后輸出送還給PID的輸入，從而形成閉環(huán)控制。

3 系統(tǒng)監(jiān)控界面

發(fā)酵罐的溫度控制有升溫和降溫兩個(gè)過程，在監(jiān)控界面制作了相應(yīng)的動(dòng)畫顯示。發(fā)酵罐不銹鋼部分夾層內(nèi)部是循環(huán)水通道，加熱棒為螺旋態(tài)的金屬材質(zhì)。將圖形連接上PLC中的溫度顯示變量，動(dòng)畫程序在PLC中編輯，在執(zhí)行加熱操作時(shí)，夾層內(nèi)加熱棒亮成紅色;在執(zhí)行降溫操作時(shí)，夾層內(nèi)水亮成藍(lán)色，呈現(xiàn)出良好的動(dòng)畫效果。

發(fā)酵罐的PH值控制有加酸和加堿兩個(gè)過程，在監(jiān)控界面也制作了相應(yīng)的動(dòng)畫顯示。選取發(fā)酵罐上部兩個(gè)閥門和管道作為酸液、堿液的入口。當(dāng)執(zhí)行加酸動(dòng)作時(shí)，最下邊的管道顯示紅色，當(dāng)執(zhí)行加堿動(dòng)作時(shí)，上一個(gè)管道顯示藍(lán)色。

同時(shí)對(duì)于發(fā)酵之前為準(zhǔn)備工作制作了簡單的示意動(dòng)畫：啟動(dòng)后，按下滅菌按鈕，發(fā)酵罐下半部分不銹鋼體變紅5s，代表滅菌操作的執(zhí)行，實(shí)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(gè)橙色橢圓形，代表接種成功，計(jì)時(shí)5s后進(jìn)入溫度和PH值自動(dòng)控制階段。運(yùn)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(diào)試要求，首次啟動(dòng)時(shí)可在監(jiān)控界面手動(dòng)設(shè)置PID運(yùn)算的三個(gè)參量，在監(jiān)控界面建立兩個(gè)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(shù)據(jù)為溫度和PH值的過程量。

為了使發(fā)酵罐溫度和PH控制達(dá)到最好的效果，要調(diào)整選擇最優(yōu)的Kp、Ki、Kd參數(shù)。由于溫度控制和PH值控制模型均為大滯后環(huán)節(jié)，在Simulink中，實(shí)時(shí)仿真過程過于緩慢，不利于PID參數(shù)的調(diào)節(jié)，因而選擇在Simulink里搭建一個(gè)帶PID的控制回路，設(shè)置不同的PID參數(shù)，也將其輸出限定在0～100之間，進(jìn)行仿真測試。

4 結(jié)論

本文給出了一套完整可行的用于PLC和過程控制課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬仿真系統(tǒng)搭建方案。通過羅克韋爾的通訊軟件的連接，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了PLC與被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型（在MATLAB中運(yùn)行）形成了閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，具有較穩(wěn)定的控制質(zhì)量，監(jiān)控界面上手動(dòng)設(shè)置PID參數(shù)也為PID調(diào)試提供了便捷的途徑，結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的效果。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了生物發(fā)酵過程控制的虛擬化，仿真控制系統(tǒng)擺脫了針對(duì)實(shí)物實(shí)驗(yàn)的局限性。實(shí)踐證明，本系統(tǒng)具備高階性、創(chuàng)新性和高挑戰(zhàn)度，適合開展項(xiàng)目化實(shí)驗(yàn)。

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