郭 峰，崔栋帅，李 杰，崔佳煜

（东北大学秦皇岛分校控制工程学院，河北秦皇岛 066004）

0 引言

微生物发酵工程是生化工程和现代生物技术及实现产业化的基础，随着微生物技术的迅速发展，发酵过程控制向自动化、数字化、智能化方向发展，对复杂的发酵过程进行科学分析和合理控制，已成为可能。近年来将虚拟仪器技术应用到发酵过程控制系统的研究也越来越深入。LabVIEW是测试领域应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成技术之一，独特的图形化开发环境，既简化了与测量设备的接口，而交互式助手、代码生成特性等，又极大简化了数据采集模式，将计算机的强大处理能力与仪器的硬件测试控制很好地结合在一起。针对酵母的补料分批培养等工艺过程，开发的控制酵母生长速率的系统可实时监视发酵过程，设计的pH值报警程序及采集界面也使操作更为便捷。

1 系统总体方案

5 L玻璃发酵罐是企业发酵车间常用的发酵设备，多采用传统控制方式，操作人员凭经验来补加营养物料并对发酵过程的控制参数进行调节，自动化水平不高，控制不精确。特别是传统的设备控制方式，无法采用智能控制算法对发酵过程的复杂非线性反应过程进行控制。采用LabVIEW开发平台设计发酵罐的管理控制系统，来实现对发酵过程的有效监测与控制，既可以提高发酵工艺水平，又可增加产量和保证产品质量。

1.1 设计思路

发酵管理控制系统除了硬件设备外，还需要一套运行良好、性能卓越的软件。本系统采用LabVIEW作为发酵过程管理控制系统的上位机开发软件，通过SHC68-68-EPM Cable线缆将接受传感器信号的接线盒与NI PCI-6221采集卡连接，实现对温度、pH值、溶解氧等信号的数据采集、调理和转换，然后将数据传送到计算机。在LabVIEW平台，对数据进行处理、分析、存储与显示，在系统中可构造智能算法控制器，分析处理的结果通过数据采集卡传输到发酵罐的控制部分，实现对5 L发酵罐的管理与控制。对于发酵车间的多台发酵罐，也可通过1台上位机进行数据处理和管控，以降低系统成本。软件部分采用模块化和层次化的思路，由上至下设计LabVIEW程序，系统能定时采集数据，并进行保存、分析和处理，以及控制信号的下发。新系统与原系统可无缝集成，可根据实际需要在2个系统中方便切换。

1.2 外围设备

系统中所需的外围设备主要有2部分，一是传感器或其他测量设备，二是信号采集装置。采用PCI-6221作为数据采集的关键设备，负责模拟/数字信号的转换；采用DAQ采集通道实现在上位机的编程驱动，能够将现场采集到的信号经A/D转换后存入内部缓冲区中。在进行长时间高速数据采集时，PCI-6221多采用循环方式，启动1次采集过程能进行无数次的A/D转换。一个NI-DAQmx虚拟通道包括一个DAQ设备上的物理通道和对这个物理通道的配置信息，实现输入范围和自定义的比例缩放。主要任务是设置虚拟通道、定时和触发信息，以及其他与采集或生成相关属性的组合。采集参数的设定要满足发酵工艺与设备工作条件，只有在选定好通道，设定好采样参数后，才可进行DAQmx驱动工作，才能进行采样分组与收集。

2 基于LabVIEW的上位管理控制系统设计

由于LabVIEW是测试领域应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件，具有开发与集成的特定环境，所以简化了与测量设备的接口，实现电路硬件部分的连接。使现场数据采集信号通过数据采集卡传回到上位机，通过LabVIEW软件设计管理与控制界面，实现上位机与下位机的交互，是智能化的自动管理控制系统。系统通信由数据采集卡组成的小系统可对温度、pH值等信号进行采集、调理和转换，在LabVIEW开发的平台下，一是对数据进行各种处理，并通过数据分析下达控制信号。二是对采样数据进行存储、显示，最后由PC机监控界面显示实时测量的发酵环境中溶解氧、pH值及温度值等，实现对发酵全过程的在线管理与控制。

2.1 软件的模块化功能设计

（1）在实际的设计工作中，根据5 L玻璃发酵罐的现实条件和LabVIEW的编程思想，整个上位机系统分为若干个模块，以调用子程序的方式整合在一起。由于微生物发酵需要一个稳定的生存环境，为了达到控制要求，整个系统设计了反馈回路控制功能，对温度等进行有效控制。同时，通过控制搅拌电机转速、加酸碱、发酵罐底座加热器等，分别控制参数值的变化情况，为发酵过程的正常运行提供可靠的保障环境。

（2）由于发酵实验的特殊性以及对发酵环境的敏感度较高，为了保障系统能够稳定运行和良好的安全效果，需要系统设定超限报警功能，如果发酵条件有较大波动并超出警戒线值时，系统将自动报警并将报警数据存入数据库。这样，既可以完善和增加专家系统的数据及内容，也能增强历史数据的查询价值。

（3）系统除了要满足对发酵温度、pH值、溶氧值以及搅拌电机转速等进行实时监测外，还需要对采集到的实时数据进行保存，以实现数据的显示处理与分析调用等功能，对于历史数据查询与专家系统的建立等，都可起到决定性作用。

2.2 主界面显示

（1）以发酵控制系统参数值作为基准值，将采集到的数据与参考值进行比较，从而确定系统显示是否准确可靠，系统将会有多大的延时，以及对控制效果有多大的影响等。通过一系列的调试后，使系统达到良好的监控效果，实现系统优化与控制目的。其中，对实时数据采集界面的功能设计最为关键。

（2）通过LabVIEW的图形化可视界面编辑功能，设计出可直观反映发酵过程与状态，并可自动调节控制的管理主控系统，使发酵控制系统主界面更加直观，而且利于操作。

3 结论

针对发酵车间常用的5 L玻璃发酵罐，研究影响发酵过程的参数，基于LabVIEW平台设计了一套生物发酵过程管理控制系统。在LabVIEW开发平台下，对数据进行各种处理、分析，并对信号进行存储与显示，由PC机监控界面显示实时测量的发酵环境中溶解氧、pH值及温度值，因而实现了对发酵的整个过程进行在线监测与控制。通过现场实验，管理与控制系统不仅能有效地对数据进行采集、分析与处理，而且极大地提高和保证了产品产量与质量。