本发明涉及一种生物发酵过程控制装置，具体涉及生物发酵培养罐中温度等相关参数的控制、监测及显示，属于过程控制技术领域。
背景技术：
生物发酵是一个复杂的生物化学的反应过程，为了使最终产物有较高的的获得率，所以需要保证在整个发酵的过程中有一个适宜的微生物生存及代谢的环境，在这个基础上对发酵系统进行控制和优化。采用plc与触摸屏联动控制，可实现对发酵过程各个参数的在线实时检测和记录、变化趋势曲线的显示、参数的自动控制、历史数据的自动存储，等等。
生物发酵系统的意义在于:生物发酵技术和发酵装置作为生物技术产业化的基础，已引起人们广泛的关注。十分繁杂的机理和影响因素使得，生物发酵过程很难用确定的数学模型来描述，同时缺乏在线检测发酵生物量参数的系统，给生物发酵的产率优化带来了困难，因此开发一个能有效监控的系统尤为必要。
随着计算机技术、自动控制技术的发展及现代工业生产过程的需求，越来越多的计算机监控系统正在广泛应用于各种工业生产过程。计算机监控系统是集控制和管理于一身，形成顺序生产过程的集成控制系统。此外，随着可编程控制器(plc)的发展和应用，已逐步取代能耗高、体积庞大、可靠性差的其他控制系统。可编程控制器(plc)在工控领域的应用已变得越来越广泛，以触摸屏与plc结合的控制系统的应用最为突出。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种生物发酵过程控制装置，用于克服传统人工发酵控制的复杂且效率低的缺点，本发明的优点在于对生物发酵各个阶段影响发酵的参数的最优控制，来达到发酵产物的最大化。
本发明技术方案是：一种生物发酵过程控制装置，包括触摸屏13、plc控制器12、a/d转换模块、d/a转换模块、传感器和执行机构；
所述传感器连接于a/d转换模块，a/d转换转换模块连接于plc控制器12，plc控制器12连接于触摸屏13，plc控制器12连接d/a转换模块用于控制执行结构工作，所述执行机构用于对发酵时、压力、氧浓度、ph参数进行调节；
所述传感器用于检测得到发酵时的温度、压力、氧浓度、ph参数的模拟信号，这些模拟信号经a/d转换模块转换变成数字信号后送入plc控制器12中与设定值相比较，经plc控制器的控制算法后的控制信号通过d/a转换模块变成模拟信号去控制执行机构工作，从而调节发酵时的温度、压力、氧浓度、ph参数，并同时通过触摸屏显示发酵时的上述相关参数。
所述传感器包括温度传感器1、压力传感器2、氧浓度传感器3、ph传感器4；温度传感器1、压力传感器2、氧浓度传感器3、ph传感器4分别用于检测培养罐14内的温度、压力、溶氧浓度、ph参数；
所述执行机构包括排水口5、燃料阀6、加热装置、进气阀7、供氧阀8、ph调节液阀9、搅拌器10、排气阀11、培养罐夹套15；用于生物发酵的培养罐14外面设有培养罐夹套15，培养罐夹套15上设有排水口5，培养罐夹套15的进水管上设有加热装置，加热装置的进料管上设有燃料阀6，培养罐14的进气管、排气管、供氧管、ph调节液管上分别设有进气阀7、排气阀11、供氧阀8、ph调节液阀9，培养罐14内设有搅拌器10。
所述温度传感器1选择vivo40mf，采用了二线制4～20madc输出，具有冷端、温漂、非线形自动补偿，其温度范围：0-1000℃、最小量程：80℃、绝对误差：±1℃、基本误差：±0.2％；
当温度传感器1检测出培养罐内温度高于设定值时，plc控制器发出信号，控制燃料阀6的开度变小，使进入加热装置的燃料变少进而使得进入培养罐夹套15的水的温度降低，以降低罐内温度；当温度传感器1检测出培养罐内温度过低时，plc控制器发出信号，控制燃料阀6的开度变大，使加热装置的燃料变多进而使得进入培养罐夹套的水的温度升高，以提高罐内温度。
所述ph传感器4选择inpro3030，采用4-20ma二线制输出，用于生物工艺场合下的在线测量，其测量范围：0-14ph、测量精度：0.01、工作温度：0-140℃；
当ph传感器4检测出培养罐14内ph值高于设定值时，plc控制器发出信号，控制ph调节液阀9开度变大，以降低罐内ph值；当ph传感器4检测出培养罐内ph值过低时，plc控制器发出信号，控制ph调节液的阀门9开度变小，以提高罐内ph值。
所述氧浓度传感器3选择inpro6800，输出4-20ma的直流电压，其测量范围：6ppb-饱和、精度：0.01、工作温度：0-160℃；
所述压力传感器2选择yy-yl100，采用4-20ma二线制输出，其量程范围：0-600kpa、精确度：±0.1％f.s；
发酵时氧浓度传感器3检测出培养罐内的融氧浓度信号，该融氧浓度信号为4-20ma的直流信号，经a/d转换模块数模转换，输入plc控制器，plc控制器检测该融氧浓度信号与设定的融氧浓度对比，输出相应的供氧阀8的控制信号；
发酵时压力传感器2检测出培养罐内的压力信号，该压力信号为4-20ma的直流信号，经a/d转换模块数模转换，输入plc控制器，plc控制器检测该压力信号与设定的压力对比，输出相应的进气阀7和排气阀11的控制信号。
所述plc控制器对培养罐14内压力和供氧参数的控制算法采用解耦控制。
所述触摸屏13使用昆仑通态tpc7062k触摸屏，
所述触摸屏13用于实现对生物发酵不可直接观测部分的动态模拟，参数显示，报警提示，历史数据的监控；
用于实现对生物发酵不可直接观测部分的动态模拟即是在触摸屏13中的组态软件上模拟一个生物发酵系统，能够模拟出发酵时各个参数的变化过程；
用于参数显示，显示的是培养罐内的温度、ph值、罐内压力、融氧浓度、搅拌速率；
用于报警提示是指培养罐内的温度、ph值、罐内压力、融氧浓度、搅拌速率超过设定值时进行报警；
用于历史数据的监控是指对发酵时的温度、压力、ph值、融氧浓度、搅拌速率的参数进行存储，实现发酵过程的实时监控。
所述plc控制器12采用pid控制，通过对发酵过程中相关参数的过程分析和优化计算，确定其各个参数的最优状态的数值解和最优曲线的实际表达式来设计控制器的pid数值。
本发明的工作原理是：
本发明是采用基于mcgs的plc组态监控，plc与上位机(选用昆仑通态tpc7062k触摸屏)之间进行通信。通过对plc控制算法的设计来实现对发酵过程中相关参数的最优控制，而上位机在mcgs环境下主要承担监控管理功能，同时兼备部分控制功能，以实现远程监控。
在发酵过程中，微生物在其生长的每个阶段、生产代谢产物的每个时期，对环境条件可能会有不同的要求，所以应该在培养罐内，使温度、ph值、罐内压力、融氧浓度、搅拌速率等可控的直接参数不断调整，始终为微生物提供最优的发酵条件，给予一个良好的代谢环境，从而提高目的产物的生产率。
对培养罐内温度等相关参数的控制，是采用西门子s7-1200plc及昆触摸屏组态监控系统完成对各项参数进行控制的系统设计。
在微生物发酵阶段酶起催化发酵的作用，而温度是保证酶活性的重要条件。在发酵时，不同的菌种，不同产品，发酵不同阶段所需的温度亦不相同。
发酵时影响培养罐内温度的因素有：生物热q生物(即发酵时，菌体氧化分解而产生的能量，其中一部分能量以热能形式散发。)、搅拌热q搅拌(搅拌时搅拌器与发酵液的摩擦。)、蒸发热q蒸发(即发酵液中部分水气化，随空气排出时所带出的热量。)
培养罐中的温度控制环节，是利用温度传感器1对罐中的温度进行检测，将检测的参数传输给控制器进行分析控制和在线显示，最后通过加热装置的燃料的流量来调节到培养罐夹套中水的温度，通过热传导效应来改变罐中温度。这样的调温方法不会使温度出现瞬时的大幅改变，非常适用于发酵过程。
发酵过程中培养液的ph值是微生物在一定环境条件下代谢活动的综合指标，对菌体的生长和产品的积累有很大的影响。发酵过程中不同微生物、不同的发酵阶段所需的ph也不同。
发酵时影响培养罐内ph值的因素有：营养物质的代谢和发酵产物的形成。即有的代谢产物本身就呈现酸性或碱性，使得发酵液的ph值发生变化。
培养罐中的ph控制环节，是利用ph传感器4对罐内的ph值进行检测，将检测的参数传输给控制器进行分析控制和在线显示，最后通过控制送料阀间歇补充氨水来保持ph值额度恒定。
培养罐内压力可以作为提高发酵时应激产物的生成量以及改变酵母细胞的通透性。
发酵时，影响罐内压力的主要因素来自于发酵时对罐内氧气的消耗以及发酵产物中co2等气体的形成。
培养罐内的压力控制环节，是利用压力传感器进行检测罐内压力，将检测的参数传输给控制器进行分析控制和在线显示，最后通过控制进气阀或排气阀来增加或减少罐内压力。
微生物发酵可分为好氧发酵、厌氧发酵以及兼性厌氧发酵三大类。所以融氧浓度影响着影响细胞的生长和产物的生成。罐内氧浓度的变化主要是微生物发酵时的消耗和气体产物的生成所导致的。
培养罐中融氧浓度的控制环节，是利用氧传感器对罐内的融氧浓度进行检测，将检测的参数传输给控制器进行分析控制和在线显示，最后通过控制供氧阀的开度来调节罐内氧气含量。
罐内压力的稳定是通过进气和排气两个控制变量来实现的，所以对压力采用分程控制。由于培养罐内的压力控制和氧浓度控制之间会互相影响，所以对压力和氧浓度设计成解耦控制。
搅拌能够改善发酵液中热传递、氧传递及各组分浓度的均匀。搅拌器由电机带动，可以通过改变电机的转速来控制培养罐内搅拌器搅拌速率。
这样，通过上述过程就实现了对培养罐中的温度、ph值、压力、融氧浓度和搅拌速率的控制，并且还能够通过触摸屏对这些参数进行实时显示，实现对发酵过程的在线监控。
本发明的有益效果是：
(1)plc因其高度的集成化，使其能够能快速准确的采集数据读写数据，同时受环境影响小，控制效率高，所以采用plc控制可以克服人工发酵控制的复杂且效率低的缺点，满足烟生物发酵系统的工业控制要求。
(2)采用plc控制可以克服生物发酵系统繁多的控制变量的缺点，改变规模就需要改动大量的线路，需要较长时间的安装调试。而plc具有扩展接口，可以满足多个设备的信号采集与控制；
(3)采用触摸屏控制之后，生物发酵的实时监控并非难题，在人机互动界面即可实时观测生物参量的变化，同时免去采用pc机控制设备的高成本，同时也可以实时地对故障进行反馈；
(4)、本发明利用过程控制算法对发酵环境中的各个参数进行控制，克服传统人工发酵控制的复杂且效率低的缺点，实现各个发酵阶段所需参数的最优化自动调节，来达到发酵产物的最大化，同时在线监测生物发酵过程的相关参数，将实时测量的监控数据保存在电脑内，根据实时数据对发酵过程进行在线监控。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的一种生物发酵装置结构示意图。
图2中：1-温度传感器，2-压力传感器，3-氧浓度传感器，4-ph传感器，5-排水口，6-燃料阀，7-进气阀，8-供氧阀，9-ph调节液阀，10-搅拌器，11-排气阀，12-plc控制器，13-触摸屏，14-培养罐，15-培养罐夹套。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-2所示，一种生物发酵过程控制装置，包括触摸屏13、plc控制器12、a/d转换模块、d/a转换模块、传感器和执行机构；
所述传感器连接于a/d转换模块，a/d转换转换模块连接于plc控制器12，plc控制器12连接于触摸屏13，plc控制器12连接d/a转换模块用于控制执行结构工作，所述执行机构用于对发酵时、压力、氧浓度、ph参数进行调节；
所述传感器用于检测得到发酵时的温度、压力、氧浓度、ph参数的模拟信号，这些模拟信号经a/d转换模块转换变成数字信号后送入plc控制器12中与设定值相比较，经plc控制器的控制算法后的控制信号通过d/a转换模块变成模拟信号去控制执行机构工作，从而调节发酵时的温度、压力、氧浓度、ph参数，并同时通过触摸屏显示发酵时的上述相关参数。
进一步的，所述传感器包括温度传感器1、压力传感器2、氧浓度传感器3、ph传感器4；温度传感器1、压力传感器2、氧浓度传感器3、ph传感器4分别用于检测培养罐14内的温度、压力、溶氧浓度、ph参数；
所述执行机构包括排水口5、燃料阀6、加热装置、进气阀7、供氧阀8、ph调节液阀9、搅拌器10、排气阀11、培养罐夹套15；用于生物发酵的培养罐14外面设有培养罐夹套15，培养罐夹套15上设有排水口5，培养罐夹套15的进水管上设有加热装置，加热装置的进料管上设有燃料阀6，培养罐14的进气管、排气管、供氧管、ph调节液管上分别设有进气阀7、排气阀11、供氧阀8、ph调节液阀9，培养罐14内设有搅拌器10。
进一步的，所述温度传感器1选择vivo40mf，采用了二线制4～20madc输出，具有冷端、温漂、非线形自动补偿，其温度范围：0-1000℃、最小量程：80℃、绝对误差：±1℃、基本误差：±0.2％；
当温度传感器1检测出培养罐内温度高于设定值时，plc控制器发出信号，控制燃料阀6的开度变小，使进入加热装置的燃料变少进而使得进入培养罐夹套15的水的温度降低，以降低罐内温度；当温度传感器1检测出培养罐内温度过低时，plc控制器发出信号，控制燃料阀6的开度变大，使加热装置的燃料变多进而使得进入培养罐夹套的水的温度升高，以提高罐内温度。
发酵时温度传感器1检测出培养罐内的温度信号，该温度信号为4-20ma的直流信号，经a/d转换模块(利用plc的sm1234模块实现)数模转换，输入plc，plc检测该温度信号与设定的温度对比，输出控制燃料阀6流量来控制水加热的温度，来控制培养罐内的温度。
进一步的，所述ph传感器4选择inpro3030，采用4-20ma二线制输出，具有优良的耐压能力，被专门开发用于生物工艺场合下的在线测量，其测量范围：0-14ph、测量精度：0.01、工作温度：0-140℃；
当ph传感器4检测出培养罐14内ph值高于设定值时，plc控制器发出信号，控制ph调节液阀9开度变大，以降低罐内ph值；当ph传感器4检测出培养罐内ph值过低时，plc控制器发出信号，控制ph调节液的阀门9开度变小，以提高罐内ph值。
发酵时ph传感器4检测出培养罐内的ph值信号，该ph值信号为4-20ma的直流信号，经a/d转换模块(利用plc的sm1234模块实现)数模转换，输入plc，plc检测该ph值信号与设定的ph值对比，输出相应的ph调节液阀9的控制信号。
进一步的，所述氧浓度传感器3选择inpro6800，输出4-20ma的直流电压，其测量范围：6ppb-饱和、精度：0.01、工作温度：0-160℃；
所述压力传感器2选择yy-yl100，采用4-20ma二线制输出，适用于在酸碱条件不断变化的生物发酵系统中保持传感器各部分的完整，其量程范围：0-600kpa、精确度：±0.1％f.s；
发酵时氧浓度传感器3检测出培养罐内的融氧浓度信号，该融氧浓度信号为4-20ma的直流信号，经a/d转换模块数模转换，输入plc控制器，plc控制器检测该融氧浓度信号与设定的融氧浓度对比，输出相应的供氧阀8的控制信号；
发酵时压力传感器2检测出培养罐内的压力信号，该压力信号为4-20ma的直流信号，经a/d转换模块数模转换，输入plc控制器，plc控制器检测该压力信号与设定的压力对比，输出相应的进气阀7和排气阀11的控制信号。
进一步的，所述plc控制器对培养罐14内压力和供氧参数的控制算法采用解耦控制。
融氧浓度的变化影响着罐内的压力，同样，罐内压力的变化也影响着融氧浓度。即对罐内的供氧加大，会影响罐内压力的加大。对罐内增加空气来加大压力，会影响罐内融氧浓度减低。它们之间是相互影响、相互耦合的关系，所以对这两个变量的控制是采用解耦控制。
对培养罐内压力和融氧浓度解耦控制如下：
利用系统辨识的方法，通过模拟实验得到的一组压力和融氧浓度之间的的输入和输出数据(即是给定一个压力或融氧浓度的输入值，记录此时培养罐内压力和融氧浓度的变化作为输出值)，来得到该生物发酵过程控制系统中培养罐内压力、融氧浓度以及两者之间互相影响的数学模型。
若得到表示为，培养罐内压力的数学模型
可将上述数学模型写成矩阵形式为：
取解耦控制器的结构为：
解耦的意思在数学层面上就是解耦控制器与得到的有耦合的数学模型相乘后，保留其中的主对角线元素，使副对角线元素为0，这样就能消除两控制量之间的耦合关系。
则依据上述条件，解耦控制的获取需要满足下面的式子：
通过解上式可以得到d12(s)和d21(s)，但在多数情况下d12(s)和d21(s)不能物理实现，所以需要用一些数学方法进行处理。如下：
如果l21-l22<0或l12-l11<0，则d(s)不能实现，所以需要对其进行修改使得l21-l22或l12-l11均大于零，这样系统才能实现，依据等价变换原则，对d(s)的变换如下：
其中：
通过这样得到的解耦控制器d(s)就能实现培养罐内压力和融氧浓度的解耦控制。
进一步的，所述触摸屏13使用昆仑通态tpc7062k触摸屏，
所述触摸屏13用于实现对生物发酵不可直接观测部分的动态模拟，参数显示，报警提示，历史数据的监控；
用于实现对生物发酵不可直接观测部分的动态模拟即是在触摸屏13中的组态软件上模拟一个生物发酵系统，能够模拟出发酵时各个参数的变化过程；
用于参数显示，显示的是培养罐内的温度、ph值、罐内压力、融氧浓度、搅拌速率；
用于报警提示是指培养罐内的温度、ph值、罐内压力、融氧浓度、搅拌速率超过设定值时进行报警；
用于历史数据的监控是指对发酵时的温度、压力、ph值、融氧浓度、搅拌速率的参数进行存储，实现发酵过程的实时监控。
进一步的，所述plc控制器12采用pid控制，通过对发酵过程中相关参数的过程分析和优化计算，确定其各个参数的最优状态的数值解和最优曲线的实际表达式来设计控制器的pid数值以达到理想的控制效果。
ph值调节液的原理，首先调节好基础料的ph值，之后在基础料中加入维持ph值的物质，如碳酸钙，或者具有中和能力的试剂，如磷酸缓冲液等来完成配料在控制发酵的过程中通过补料调节ph值。
发酵时的搅拌器10速率的控制，由plc控制变频器的输出控制电机的转速来实现。
本发明的工作过程是：
在发酵过程中，由于菌种对发酵环境有要求(这会影响到发酵产物和发酵效率)，需要对发酵罐内的参数即温度、ph值、罐内压力、融氧浓度和搅拌速率进行控制，这些控制参数是通过计算或经验得来的。
菌种在发酵罐内发酵的前期、中期和后期都会对上述参数有一个要求，这个过程中就是控制这些参数的恒定，通过温度传感器1、压力传感器2、氧浓度传感器3、ph传感器4这4个传感器检测出培养罐内的温度、压力、氧浓度和ph值，经由a/d(即把检测到的模拟量转化为数字量的器件)将检测到的信号转化为计算机可以识别的数字量传入到plc中，这些检测值一方面在触摸屏上显示，另一方面与plc中的设定值相比较得出偏差，通过偏差plc输出控制量，该控制量经由d/a(即数字量转换为模拟量的器件)将控制量转化为模拟量，来控制执行机构的执行，执行机构有燃料阀6、进气阀7、供氧阀8、ph调节液阀9、搅拌器10和排气阀11。
举一个例子来说，假设在发酵的前期需要控制发酵罐内温度为15℃、压力为0.05mpa、氧浓度为300mg/l、ph值为5、搅拌速率为100转每分钟。那么现在温度传感器1检测到的罐内温度为10℃温度低于设定值，那么现在就有plc计算出这个偏差，给出控制燃料阀6开大的信号，通过给输入培养罐夹套中的水加温，来改变罐内温度，若是高于设定值，则关小燃料阀6以降低温度，排水口5的作用就是排水，防止夹套内水过多，同时也可以通过排水改变培养罐内的温度；对于压力传感器2，若检测到的值高于0.05mpa，plc发出控制信号，则排气阀11排气减压，若检测到的值低于0.05mpa，则进气阀7进气升压；同理，在控制氧浓度时，若低于氧浓度的设定值，则plc控制供氧阀8工作提升氧浓度，若高于氧浓度的设定值，则控制进气阀7进气来降低氧浓度；在控制ph值时，就是控制ph调节液阀9的开度来实现的，ph值低了就控制ph调节液阀9开大，高了就控制关小。
控制过程中，plc控制量的给出是通过pid控制器得到的。
触摸屏用于实现对生物发酵系统不可直接观测部分的动态模拟(这里的意思是在触摸屏中的组态软件上模拟组件了一个生物发酵系统，能够模拟出发酵时中控制各个参数的变化过程)，参数显示(显示的是培养罐内的温度、ph值、罐内压力、融氧浓度、搅拌速率)，报警提示(对控制的参数有设定一个上下限，超过上下限则报警，例如设定温度的上下限是5℃-25℃，当检测到培养罐内温度超过这个范围则报警)，历史数据的监控(就把对发酵过程中各个参数的数据记录下来)。
选用昆仑通态的触摸屏，触摸屏里采用了昆仑通态的mcgs组态软件来搭建该生物发酵系统的组态界面。首先，在该触摸屏的组态界面中模拟组件了一个完整生物发酵系统，能够通过该系统模拟整个生物发酵系统的运作过程，直接的观测到发酵过程中温度、ph值、罐内压力、融氧浓度和搅拌速率这些参数的变化情况；其次，还能进行参数显示，即是在该生物发酵系统实际工作的时候能够实时显示温度、ph值、罐内压力、融氧浓度和搅拌速率各个参数的实际值；再次，还能进行报警提示，即是能在触摸屏中对温度、ph值、罐内压力、融氧浓度和搅拌速率这些参数设定上下限，当实际测量数值大于或小于触摸屏中设定的上下限时，则触摸屏中显示报警信号且指示灯闪烁，一旦测量数据恢复到允许值范围警报立即消除，同时指示灯停止闪烁；最后，还可以进行历史数据的监控，即是把发酵过程中各个参数的数据记录并保存下来。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。