生物反应器控制系统系列：Applikon BioBatch_（12）.生物反应器控制系统的自动化与集成.docx

PAGE1

PAGE1

生物反应器控制系统的自动化与集成

在生物技术工业中，生物反应器控制系统的自动化与集成是提高生产效率、确保产品质量和降低运营成本的关键技术。本节将详细介绍如何实现生物反应器控制系统的自动化与集成，包括硬件和软件的配置、数据采集与处理、控制系统设计与实现、以及系统集成的具体步骤和方法。

1.硬件配置

1.1生物反应器的传感器与执行器

生物反应器控制系统的硬件配置主要包括传感器和执行器。传感器用于实时监测反应器内的关键参数，如温度、pH值、溶解氧（DO）、基质浓度等，而执行器则用于根据控制策略调整这些参数。以下是几种常见的传感器与执行器及其应用：

温度传感器：常用的温度传感器有热电偶和RTD（电阻温度检测器）。这些传感器可以精确测量反应器内的温度，并将数据传输到控制系统。

pH传感器：pH传感器用于监测反应器内的酸碱度。常见的是玻璃电极pH传感器，可以实时反馈pH值。

溶解氧传感器：用于监测反应器内的溶解氧浓度，确保微生物或细胞的正常生长。常见的有光学溶解氧传感器和极谱溶解氧传感器。

基质浓度传感器：用于监测反应器内的基质浓度，如葡萄糖、氨氮等。常见的有电导率传感器和光谱传感器。

1.2控制器与数据采集系统

控制器是生物反应器控制系统的中枢，负责处理传感器数据并生成控制指令。常见的控制器有PLC（可编程逻辑控制器）和DCS（分布式控制系统）。数据采集系统则用于收集和存储传感器数据，常见的有数据采集卡和工业计算机。

PLC：PLC是一种专为工业环境设计的控制器，具有高可靠性和强大的逻辑处理能力。可以使用西门子、施耐德等品牌的PLC。

DCS：DCS是一种更加先进的控制系统，适用于大规模的生产环境。它可以实现集中管理和分散控制，常见的有Honeywell、ABB等品牌的DCS。

1.3通信接口与网络

生物反应器控制系统需要通过通信接口和网络与各个传感器和执行器进行数据交换。常见的通信接口有4-20mA模拟信号、ModbusRTU、Profibus等。网络方面，可以使用以太网、无线网络等技术实现远程监控和数据传输。

4-20mA模拟信号：用于传输传感器的模拟数据，是一种标准的工业通信信号。

ModbusRTU：一种常用的串行通信协议，用于控制器与传感器之间的数据交换。

Profibus：一种高速的现场总线技术，适用于复杂的工业控制系统。

2.软件配置

2.1数据采集与处理

数据采集与处理是生物反应器控制系统的核心功能之一。常见的数据采集软件有LabVIEW、MATLAB等，这些软件可以实时采集传感器数据并进行分析处理。

2.1.1LabVIEW数据采集示例

//创建一个新的VI

//添加一个DAQ助手，选择模拟输入通道

//配置采样频率和采样点数

//添加一个图表控件，用于显示实时数据

//使用一个循环结构，实现数据的连续采集

//在循环内，使用DAQ助手读取传感器数据，并将其显示在图表控件上

//添加一个记录数据的文件I/O节点，将数据保存到文件中

2.2控制算法设计

控制算法是实现生物反应器参数精确控制的关键。常见的控制算法有PID（比例-积分-微分）控制、模糊控制、自适应控制等。

2.2.1PID控制示例

importnumpyasnp

importtime

#定义PID控制器

classPIDController:

def__init__(self,Kp,Ki,Kd,setpoint):

self.Kp=Kp

self.Ki=Ki

self.Kd=Kd

self.setpoint=setpoint

self.last_error=0

egral=0

defupdate(self,current_value,dt):

error=self.setpoint-current_value

egral+=error*dt

derivative=(error-self.last_error)/dt

output=self.Kp*error+self.Ki*egral+self.Kd*derivative

self.last_error=error

returnoutput

#模拟温度控制

setpoint=37.0#设定温度

Kp=1.0

Ki=0.1

Kd=