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第六届原创——发酵控制系统的整体设计

省部重点实验室

2013/12/19
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私聊

生命科学仪器综合讨论

发酵控制系统的整体设计

一、控制系统功能设计

为了提高发酵过程的自动化水平，增加发酵产物产量，改善发酵工艺，该发酵控制系统主要完成以下功能：

1) 发酵过程完全自动化，包括每阶段的操作动作的实现，即按照工艺要求或者随动控制蠕动泵分别补充碳氮、调整搅拌转速以调整溶氧量浓度，同时当达到发酵要求后，自动切换到下一个阶段；

2) 当脱离上位机后，下位机也能够实现简单控制，增加系统的稳定性；

3) 对发酵环境敏感因素，即温度T、溶解氧DO、搅拌转速v、酸碱度PH的实时采集，现场和远程显示，Excel文件记录，以及这些数据的历史曲线回顾。

二、发酵罐的外围设备

该发酵系统除了发酵罐外，还包括辅助的外围设备，对于发酵控制系统开发来说主要有：发酵罐的执行器系统、传感器系统等。

1发酵罐的执行器系统

发酵罐的执行器系统主要有：

1) 搅拌电机转速控制，该电机是交流变频马达，功率1千瓦，电机转速范围是50-1500转/分，变频器的输入信号是4-20 mA直流电流；

2) 罐体温控及灭菌，罐体具有双夹套结构，用自带的小型蒸汽发生器产生蒸汽进入外夹套，间接加热罐内发酵液，降温采用市政自来水在内夹套循环的方式；温度范围自来水温度-150摄氏度；

3) 酸碱度调节，采用蠕动泵间断加入氨水或氢氧化钠溶液的方式调整；补C、补N，采用蠕动泵分别加入葡萄糖溶液和？？？？溶液的方式来补给；该蠕动泵参数，固定转速50转/分，50 Hz交流230 V供电，功率11W；

4) 进气和排气系统为全自动系统。

对于本控制系统设计有关的控制量、执行器及控制信号，见下表，

表控制量、控制信号与执行器

控制量	控制信号	执行器
搅拌电机转速	4~20 mA直流电流	交流变频器
PH值	220V交流脉冲	酸碱蠕动泵
补C、补N	220V交流脉冲	C、N蠕动泵
温度	4~20 mA直流电流	加热炉，冷却供水泵

2 发酵罐的传感器系统

发酵罐的传感器系统主要有：

1) 温度，由DN19-Pt100测量，并用自带的变送器变为4-20 mA直流电流，最大测量温度150摄氏度；

2) PH值，采用DN25-PH电极测量，测量变送范围2-14，相应变送直流电流为4-20 mA，其中PH=7，电流为12 mA ，耐温130摄氏度；

3) 溶解氧，采用DN25-pO2溶氧电极，测量范围0-800 mmH，相应变送直流电流为4-20 mA，对应显示值为0-100，耐温130摄氏度；

4) 搅拌电机转速，采用转速传感器，测量范围0-1500转/分，相应变送直流电流为4-20 mA；

5) 液位及泡沫，采用DN19消泡液位探头，工作压力小于6 bar，反应时间0.2秒，耐温130摄氏度。

对于本控制系统设计有关的测量量、测量设备及变送信号，见下表，

表测量量、测量设备及变送信号

测量量	测量设备	变送信号类型
温度	DN19-Pt100铂电阻	4-20 mA直流电流
pH值	DN25-PH电极	4-20 mA直流电流
溶氧	DN25-pO2溶氧电极	4-20 mA直流电流
搅拌电机转速	转速传感器	4-20 mA直流电流

三、发酵控制系统设计方案

单独依靠工控机很难实现实时精确控制，而单独依靠下位机又很难实现高级的控制算法，所以设想采用上、下位机的方式构建系统：

上位机采用工控计算机，人机交互界面由NI公司的LabVIEW编写而成，智能算法由MathWorks公司的MATLAB编写，两者混合编程。下位机采用MCU，系统核心选用Silicon Lab公司生产的C8051F340 CPU。下位机主要获取发酵设备状况，实现数据采集并直接控制设备。上下位机两者之间通过USB进行通讯。

四、下位机部分软件设计

1 下位机软件主要内容与功能

下位机软件设计主要包括：系统初始化程序、主程序、中断服务子程序，下面将分别做介绍。

1) 系统初始化程序，主要包括MCU特殊功能寄存器设置，例如MCU时钟配置，定时器/计数器设置，PCA、ADC工作方式设置， I/O口、USB口初始化等；MAX536、液晶显示屏等外配芯片初始化设置等；程序全局变量初始化赋值；

2) 主程序：包括键盘扫描、中断响应、液晶屏显示、工艺程序。

① 键盘扫描，程序周期性的扫描判断是否有某个按键按下，这个周期越短按键响应的速度越快，也越灵敏；同时为消除按键按下时产生的物理抖动干扰，需要增加按键防止抖动程序，这个程序的原理是，键按下后计时，计时达到后触发按键成功的标志，在判断按键的地方，与判断加入这个标志位，这样便可以屏蔽按键抖动产生的影响；同时，在不同的显示界面，每个按键有各自不同的作用；

② 中断响应，在程序中加入所需要中断的程序入口，以便在该中断产生后，进行中断服务子程序；

③ 液晶显示，所有有关屏幕显示的操作，都需要由C8051F340 MCU将命令和数据分别发送给8803A，也就是说屏幕控制器内核的所有动作由系统的MCU送给。主要包含了：往屏幕控制器的特殊寄存器写数据来控制了屏幕；往屏幕显示内容寄存器写数据；设置光标位置；读出控制寄存器中的设置数据；读出显示寄存器中的数据。

④ 工艺程序，使控制系统按照发酵的工艺要求进行相应的操作；

3) 中断服务子程序，用于在主程序运行时，能够腾出CPU实时响应其它操作，主要包括了时间中断服务子程序、USB通讯中断服务子程序、PCA中断服务子程序、ADC中断服务子程序：

① 时间中断服务子程序，用于MCU的内部晶振产生出以秒为标准的时间，成为下位机的时间基准；

② USB通讯中断服务子程序，使下位机响应与上位机通讯的USB中断，包括接收完成中断、发送完成中断等内容，接受上位机的操作和参数设置，向上位机传输在线实时监测的发酵罐运行数据；

③ PCA中断服务子程序，准确的设置PWM的占空比，使蠕动泵能快速、有效、精确的工作；

④ ADC中断服务子程序，主要完成模拟量的采集，使下位机能通过内部一个ADC，将发酵罐运行的PH、溶氧、温度、搅拌电机转速等四路模拟量转换成数字量；

2 下位机软件编写

下面就以下位机程序中最主要功能的软件实现，做简单介绍。

1) 数字量模拟量转换DAC

模拟量数字量转换使用了MAX536，软件编程也主要是系统MCU与其通信。MAX536有3线制接口和4线制接口两种形式，本文使用了4线制接口形式，SCK、SDI 、/LDAC引脚由I/O口P3.2、P3.3、P3.0控制，/CS由逻辑运算器输出/CS1控制，同一时间只激活某一个MAX536，当/CS为低电平时，该MAX536被激活，SDI引脚的串行输入数据在SCK脉冲时钟的上升沿，被送入了MAX536的移位寄存器，当16位数据全部被送入移位寄存器中后，在/CS从0变成1的上升沿时，移位寄存器输出的并行数据被装入到输入寄存器中，在/LDAC从1变成0的下降沿时，输入寄存器的数据被送入了DAC，转换成了模拟量，详细的工作时序见下图。

转换公式是

图 4线接口工作时序

如图所示，MAX 536的编程命令字是16 bit的串行数据，其中低位在后，高位在前，其中A1、A0是两个地址位，C1、C0是两个控制位，D11到D0是12位待转换的数据。

图 MAX536编程命令字格式

按照MAX536编程命令字的格式，再按照表3.2所示的串行接口编程命令，即可完成MAX536的编程。

表MAX536串行接口编程命令

16 bit串行命令字			/LDAC	功能
A1 A0	C1 C0	D11…D0	/LDAC	功能
0 0	X 1	12 bit数据	0	加载DAC A输出寄存器的同时改变DAC输出
0 1	X 1	12 bit数据	0	加载DAC B输出寄存器的同时改变DAC输出
1 0	X 1	12 bit数据	0	加载DAC C输出寄存器的同时改变DAC输出
1 1	X 1	12 bit数据	0	加载DAC D输出寄存器的同时改变DAC输出

附注1：X表示‘0’‘1’都无影响。

MAX536 12bit数据对应的模拟量输出编码表见下表，

表MAX536输出编码表

DAC 12 bit数据	模拟量输出
MSB LSB	计算公式输出电压
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1		4.9988 V
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1		2.5012 V
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0		2.5000 V
0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1		2.4988 V
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1		0.0012 V
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0	0	0 V

附注1：以5 V为参考电压，单极性输出。

详细的程序见附录，其中DAC输出函数是DA_OUT(通道号，数字输出量)。

以MCU输出的数字量控制搅拌电机转速为例，DAC输出函数的数字输出量从1866递增到8381，输出的模拟量驱动搅拌电机转速从0增加到1500，见下图，

图数字输出量和搅拌电机转速关系

其中数字输出量从1866递增到8381的变化是线性的，观察上图可以发现，数字输出量从1866到5663，从6780到8381，转速均匀增加，斜率基本保持相同，但5663到6780之间是这两部分的过渡阶段，斜率发生了突变，这表示：搅拌电机并不是完全均匀加速的，这是电机线性度不好的部分，在编写提速程序的时候，为了达到均匀提速需要特别注意这一段。

2) 模拟量数字量转换ADC

模拟量数字量转换是用于对模拟量的采集和转换，编程思路是，将采集数据求8000次和后除以800求平均值，这样既可以减少某次采集的测量误差，又可以将采集数据放大10倍，提高了采集的精度。

为了测验模拟量与采集值是否保持线性增加，做了以下检测试验：

① 实验一，测验搅拌电机转速与采集值线性关系，测出转速为某一值时的采集值，然后转速再增加约50转/分后，再测采集值，直到转速到达1500，将搅拌电机转速与采集值对应数值绘制如下图，

图搅拌电机转速和采集值的关系

观察上图可以发现，搅拌电机转速与采集值基本保持线性增长的趋势，但在转速为901是个拐点，相比之前，在此后转速增加相同值后，采集值增加的更多，在有关工艺的编程要特别注意这一点。

② 试验二，测验溶解氧与采集值线性关系，从小到大改变溶解氧，测量采集值，将得到数据绘制如下图，

图溶解氧和采集值的关系

观察上图可以发现，图中存在几个明显的跳跃点，这是由于溶解氧的数值在这几处发生不连续的增加，比如从8.7增加到18.1，而这种不均匀增加是由于形成指定溶解氧大小的溶液是很困难的，通常只能在水中逐渐溶解亚硫酸钠等方法不精确的进行改变，所以会产生误差。但排除这几个点的影响，曲线整体保持相同的斜率，线性度高，波动较小。

③ 实验三，测验PH与采集值线性关系，从小到大改变PH值，测量采集值，将得到数据绘制如下图，

图 PH和采集值的关系

观察上图可以发现，图中存在采集值从3340到4740的跳跃，这是由于PH值从4.02到5.91不连续的增加造成，而这种不均匀增加是由于形成指定PH大小的溶液是很困难的，实验时在盐酸中缓慢加入氢氧化钠逐步改变，受环境制约，加入量由人工控制胶头滴管加入，不够精确，难免会产生误差。对于本发酵而言，我们最关心的是PH=6.8~7.0的点，这段曲线整体保持线性增加关系，波动较小。

④ 实验四，测验温度与采集值线性关系，测出某一温度值时的采集值，然后温度再增加约0.5℃，再测采集值，将温度值与采集值对应数值绘制如下图，

图温度和采集值的关系

观察上图可以发现，图中有35℃、36.8℃、41℃等几个点波动大，这是由于增加量加大到约1℃造成的，而我们观察的是整体的增长趋势和曲线的斜率，以及温度是34℃、42℃、39℃这三个工艺点，温度的整体变化线性度很高，三个工艺点采集值准确波动小。

3 下位机印刷电路板设计

在完成硬件原理图绘制后，将进行最关键的印刷电路板(PCB板)设计，它决定了最终的电路实体。PCB设计中要注意以下几个事项：

1) 电磁干扰屏蔽，PCB引线尽量短，功率输出部分引线尽量宽，有时还要加焊锡条，高压元件需要有足够的安全间距；

2) 由于下位机电路中同时有模拟电路和数字电路，分别在两个区域用地线覆铜，而且这两部分电路的地线要分开连接，最后通过0欧姆电阻连接在一起，防止出现共地干扰；

3) 同模块元件之间、各相关模块之间的连线尽量短；在放置元件时，先放置模块电路中的主要元件和对此模块或者整体电路起决定作用的元件，再放置其次的元件，要保证尽量紧凑集中，连线尽量短；

4) 相邻导线之间的间距要满足电气安全要求，减少相互干扰，同时为了便于生产加工，需要适当的加宽间距；要注意，特别在高压部分最小间距要能承受工作电压，在布线密度较低的部分，可加大信号线间距，对高低电平差值大的信号线要尽量短、粗；

5) 导线的宽度要满足工作要求，实践证明，0.3 mm厚，1 mm宽的导线能通过1 A的电流，因此地线和交流部分的宽度要大；

6) 为了铜箔脱落、电路板强度不够、防止加工精度不够，需要将连线的拐角设置成45°、增加泪滴焊盘、适量增大过孔大小；

本文设计使用主板和底板两块电路板，其中主板用作连接液晶屏和按键，底板用作承载电源模块、DAC模块等其他模块。为了提高布线成功率和有效安排各模块，本文使用了纯手工布局和纯手工布线。最终的PCB设计图如下图所示，

图主板PCB

图底板PCB

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