基于PLC的生物反应器监控系统硬件设计.pdf

9 4 传感器与微系统 T r a n s d u c e r a n d M i c r o s y s t e m T e c h n o l o g i e s 2 0 1 0年 第 2 9卷 第 3期 基于 P L C的生物反应器监控 系统硬件设计 张继 东 黑龙江工程学院 电子工程系， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 5 0 摘要为了获得适宜的动物细胞培养环境， 设计了基于 P L C控制器的生物反应器监控系统。从控制系 统的设计思想、 测控点数分析、 硬件结构、 参数检测、 执行部件 、 上下位机硬件系统集成等方面详细地说明 了监控系统的硬件设计。实验结果表明 所研制的监控系统硬件配置合理、 运行稳定可靠、 操作方便， 系统 对反应器中的温度， p H值与溶氧3个环境参数进行了有效控制， 系统满足细胞培养过程的控制要求。 关键词生物反应器；监控系统； 硬件设计 中图分类号T P 2 7 3， T P 2 1 6 ， R3 1 8 ． 6 文献标识码 A 文章编号1 0 0 0 - 9 7 8 7 2 0 1 0 0 3 - 0 0 9 4 - - 0 3 Ha r d wa r e d e s i g n o f bi o r e a c t o r mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l s y s t e m ba s e d o n PLC Z HANG J i d o n g De p a r t me n t o f E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ， He i l o n g j i a n g I n s ti t u t e o f T ech n o l o g y ， Ha r b i n 1 5 0 0 5 0 ， C h i n a Abs t r a c tI n o r d e r t o a c hi e v e s u i t a b l e e nv i r o nme n t t o c u l t i v a t e a n i ma l c e l l s， a bi o r e a c t o r mo n i t o r i n g a nd c o n t r o l s y s t e m b a s e o n P L C w a s d e s i g n e d ． T h e h a r d wa r e d e s i gn a n d c o n t r o l s y s t e m i s e x p l a i n e d i n d e t a i l t h r o u g h t h e d e s i gn i d e a o f t h e c o n t r o l s y s t e m ， t h e a n a l y s i s o f me a s u r i n g a n d c o n t r o l p o i n t n u mb e r s ， t h e h a r d w are s t r u c t u r e ， t h e p a r a me t e r s d e t e c t i o n， t h e e x e c u t i v e c o mp o n e n t s ， t h e i n t e g r a t i o n o f u p p e r a n d l o w e r c o mp u t e r h a r d w a r e s y s t e m． T h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o ws t h a t t h e h a r d wa r e f l t h e c o n t r o l s y s t e m i s c o n f i g u r e d r e a s o n a b l y， t h e o p e r a t i o n o f c o n t r o l s y s t e m i s r e l i a b l e a n d s t a b l e a n d i t i s e a s 3 t o u s e ． T h e t e mp e r a t u r e ，p H a n d DO c a n b e c o n t r o l l e d e f f e c t i v e l y b y t h e s y s t e m． T h e s y s t e m c a n me e t t h e r e q u i r e me n t o f p r o c e s s c o n t r o l o f c e l l c u l t i v a t i o n ． Ke y wor dsbi o r e a c t o r；mo n i t o r i n g a n d c o n t r o l s y s t e m；h ard wa r e d e s i gn 0引 言 在当今生物制品生产中， 动物细胞大规模培养技术是 实现生物技术由实验室研究向产业化转化的关键技术 。 生物反应器作为细胞体外培养的核心设备， 为活细胞提供 适宜的反应环境以达到细胞增殖或产品形成的目的， 是将 生物技术成果转化产业化的桥梁。目前， 我国还没有商品 化动物细胞生物反应器， 生物反应器监控系统的研究对我 国动物细胞生 物反应 器的发 展有着 积极 的意义 。本 文 所设计的监控系统主要应用于培养动物细胞的生物反应 器， 为该反应器研制温度、 酸碱度 p H 、 溶氧体积分数 D O 的在线监控系统， 实现对生物反应器中温度， p H值， 溶氧以及补料和消泡的控制。 1 生物反应器的组成与工作原理 本文所设计的生物反应器将用于中国仓 鼠卵巢细胞 C H O 的培养， 动物细胞的培养环境参数温度， p H和 D O 收稿 日期 2 O l O _ o 1 _ o 5 的控制要求分别为2 8 - 3 7 ． 5 ℃， 6 ． 7 7 ． 4 ， 4 0 ％ 8 0 ％。只有 环境参数满足控制要求， 才能维持生物体正常的生长和代 谢。 。 。 。 图1是按照控制要求所设计的生物反应器的组成示意 图， 它主要由控制器、 人机界面、 检测单元、 执行单元和反应 器主体等5个功能部分组成， 其中， 反应器主体由罐体和摇 床组成， 罐体为细胞培养的容器。反应器在工作时， 控制器 可控制摇床的摇动， 从而为气体溶解提供搅拌动力， 以增加 细胞培养液中的气液交换面积和氧传递率 。同时， 监控 系统以细胞培养过程中的环境参数为控制对象， 通过标准 检测传感器对环境参数进行检测， 经过变换后输出符合工 业标准的电量 ， 送入控制器中， 由控制器做出控制决策并输 出相应的控制信号来控制执行单元中的现场执行机构完成 控制动作 ， 实现对反应器中温度， p H值， D O以及补料和消 泡的控制。 第 3期 张继东 基于 P L C的生物反应器监控系统硬件设计 9 5 M P I I 控 制 器 人机 界{f If 尾 t 过滤 { 输入现场信 枪 测 姐 ● 几 输出控制信 I } q i 物反应器罐体 摇床 医 l 执 行 单 元 瞳 图 1 生物反应器组成 示意图 Fi g 1 Sc h e ma t i c d i a g r a m o f t h e bi o r e a c t o r 2 生物反应器监控系统硬 件设计 2 ． 1 控制 系统的设计 思想 由于基于 P L C的控制系统具有通信能力强、 使用方 便、 配置灵活、 系统组建难度低、 扩展性强的优点， 为此， 本 设计采用 P L C系统。设计时采用以 P L C为核心控制器的 上下位机形式的硬件系统结构， 上下位机采用点对点通讯 形式连接， 该结构使操作和显示功能集成在上位机系统中， 实现一体化管理。在上位机中， 采用组态技术对其编程， 可 实现对控制现场的监控、 数据显示 、 管理和操作信息的下达 等操作。通过上位机， 操作人可以随时修改生产过程参数。 下位机主要完成现场信号采集和控制决策的执行， 下位机 可脱离上位机而独立运行， 不影响系统的运行效果， 该方式 可使下位机功能扩展更容易。 2 ． 2控 制 器 的硬件 结 构 本设计选用的控制器是西门子 7 - 3 0 0的 P L C， 其是模 块化的组合结构。根据控制器输入和输出点数 、 控制器性 能的要求以及以后功能扩展的需求 ， 综合考虑价格因素， 选 择控制器的硬件模块包括电源模块， C P U模块 ， 模拟量输入 模块和数字量输出模块。模拟量输入模块 S M 3 3 1提供 8 路模拟信号输人接口， 数字量输出模块 S M 3 2 2提供 1 6路 2 4 V D C输出接口， 模块的选取完全满足系统的需要。根据 S 7 - 3 0 0 P L C的模块化设计安装原则， 可得到图2所示 的系 统 7 - 3 0 0结构。 图 2 生物反应器监控 系统 7 - 3 0 0结构 F i g 2 S t c m r e o f 7- 3 0 0 b i o r e a c t or mo mn g a n d c o n t r o l s y s t e m 2 ． 3 控制 系统的参数检测 本系统中主要对温度， p H和 D O3个参数进行检测和 控制， 为此 ， 本设计选用了3种符合 G MP标准的对应传感 器。温度传感器选用的是测温精度高、 稳定性好、 性能可靠 的P t l 0 0热敏电阻器， p H传感器选用的是汉密尔顿公司的 0 0 1 5 1 4 4型电极， 在 0 1 4的p H变化内， 电极的电位变化为 - 4 1 4 ． 4 - 4 1 4 ． 4mV ／ 2 5℃， 为便于控制系统对信号的采集 和 A ／ D转换， 增加 了 p H变送器， 将输 出信号转换为 0 一 l 0 V 的电压信号。D O传感器选用的是汉密尔顿公司的 1 4 1 0 1 1 5 0 2型电极 ， 该电极为电流型传感器， 电极间的极限 扩散电流与水中溶解氧体积分数成正比， 空气标定时的电 流一般为5 0 - 2 0 0 n A。由于电极输 出的电流信号过小， 远 低于 S M3 3 1 输入信号的要求值， 因此， 该电极需要配变送 器， 将信号放大为 0 一 l 0 V的标准传感器信号。本系统中所 有现场检测信号都需要接入到模拟量输入模块 S M 3 3 1 A I 8 1 2上， P t l 0 0采用的三线式方式接入， p H电极和溶氧 电极均采用两线制带变送器方式接入P L C 。 2 ． 4 控 制系统的执行部件 本系统中与控制器连接的执行部件是常规继电器和固 态继电器， P L C的数字量输出模块可直接驱动这 2种继电 器实现控制信号的输出。本系统中的执行部件主要有控制 温度用加热器 、 控制各种气体通断的电磁阀和控制各种液 体加入的蠕动泵， 这些执行部件均和对应的继电器连接。 需要说明的是 ， 蠕动泵是一种可以定量控制液体流量的可 调泵 ， 为此， 在使用蠕动泵之前， 可将泵的流量设定为固定 值 ， 只需控制蠕动泵的运转时间就能控制各种受控液体加 入反应器中的量 ， 如， 营养液、 消泡剂等。在蠕动泵的控制 中， 用继电器通断作为开关信号控制蠕动泵的启停， 通电的 时间由对应的P L C输出端点的导通时间决定。 2 ． 5 监控 系统上下位机硬件 系统集成 本系统人机界面采用西门子触摸屏 T P 2 7 0 。使用人机 界面时， 要解决画面设计和与 P L C通信的问题。西门子触 摸屏 T P 2 7 0与西门子 S 7 - 3 0 0 P L C之间可通过专用的通信电 缆以 M P I 多点接 口通信方式进行连接， 在组态软件中设置 相应的地址， 即可实现上下位机通信。图3为监控系统硬 件结构图， 图4为监控系统电气控制接线图。 P S 3 0 7} CP U3 l 4 l S M3 3l l SM3 2 2 { - 1 里 Q ] ． ． 雨 继电 器 组 图 3监控 系统硬件结构图 F i g 3 Ha r dwa s t c m r e d i a g r a m o f t h e momn g a nd c o n t r o l s y s t e m 3监控 系统测试 与性能分析 图5 a 为系统在 1 h内的 p H变化曲线， 图5 b 为系 统在 2 h内温度的变化曲线， 图5 C 为系统在 3 h内的 D O 变化曲线。上述实验曲线表明本系统能较好地对生物反应 器的环境参数实施实时的有效监控， 为动物细胞的培养提 供适宜 的生长环境 。 一 传 感 器 与 微 系 统 第 2 9卷 X 田 因 兰 薹 毫 图 4 监控系统 电气控制接线图 Fi g 4 El e c t r i c c o n t r o l wi rin g d i a g r a m o f t h e m o mt o n g a n d c o n t r o l s y s t e m 4 结束语 本文针对复杂的细胞培养过程， 结合生物反应器的结 构特点和工作原理 ， 提出了基于P L C控制技术的生物反应 器监控系统的设计思路， 完成了以西门子 S 7 - 3 0 0 P L C为核 心控制器的生物反应器监控系统的硬件设计。通过实验对 系统进行调试和性能分析， 实验结果表明 系统运行稳定可 靠， 上位机界面友好， 操作方便， 系统对反应器中的温度， p H值与 D O 3个最重要的环境参数进行了有效控制， 能较 好地维持细胞生长适宜的环境， 系统满足细胞培养过程的 控制要求。 ＼ 赠 3 8 3 6 3 4 3 2 3 O 2 8 时间 ／ s f a p H 一 时间关系曲线 a r e l a t i o n c o 3 “v e o f p H c h a n g e o v e r t i me 0 l 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 7 0 0 0 时间 ／ s b 温度一 时间关系曲线 b r e la ti o n c u r v e o f t e mp e r a t u r e c h a n g e o v e r t i me 7 0 6 6 6 2 5 8 5 4 5 0 时问 ／ s C D O 一 时间关系曲线 C r e l a t i o n c u r v e o f D O c h a n g e o v e r t i me 图 5 实验结果 F i g 5 Ex p e r i me nt a l r e s un s 参考文献 [ 1 ] L i u C， H o n g L ． D e v e l o p m e n t o f a s h a k i n g b i o r e a c t o r s y s t e m f o r a n i m a l c e l l c u l t u r e s [ J ] ． B i o c h e mi c a l E n g i n e e r i n g J o u r n a l ， 2 0 0 1 ， 7 2 1 2 1 --1 2 5 ． [ 2 ] 张嗣良， 张拘． 发展我国大规模细胞培养生物反应器装备 制造业[ J ] ． 中国生物工程杂志， 2 0 0 5， 2 5 7 1 8 ． [ 3 ] 陈国豪． 生物工程设备[ M] ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 6 ． [ 4 ] 自力． 锥底生物反应器 的动物细胞培养 [ J ] ． 华东理工大学 学报 ， 2 0 0 8 ， 6 3 4 3 3 8- 3 4 1 ． 作者简介 张继东 1 9 7 0一 ， 男， 黑 龙江肇源人 ， 硕士 ， 副教 授， 研究方 向 为传感器与检测技术 、 自动化仪表。 ‘ j t 产 ≯ t ≯ 。 0≯ 、 、 0 产 ≯ ，、 t ， 0p0 、 ； ＼ 、 、 ； 、 ‘ ≯ 、 0 p t ； 。 ≥ 、 p 、 上接 第 9 3页 [ 3 ] 张博， 彭军．激光跟踪测量系统[ J ] ． 计测技术， 2 0 0 6 ， 法 、 减法和除法运算 ， 得到 P S D上光斑重 心位置 的二维 坐 标， 从根本上消除了模拟器件本身存在的噪声干扰信号和 温度漂移特性带来 的测量误差 。测量过程 中， 取不 同的有 效位数， 可满足不同测量精度的要求。加入滤光片后， 背景 光影响所带来的测量误差有所减小， 信噪比提高。 参考文献 [ 1 ] 苏少华 ， 石庚辰． P S D信号处理 电路 的研究 [ J ] ． 华北 工学 院 测试技术学报， 2 0 0 1 ， 1 5 2 8 3- 8 5 ． [ 2 ] 张国雄 ， 林永兵 ， 李杏华 ， 等． 四路激光跟 踪干涉三维坐标测 量系统 [ J ] ． 光学学报， 2 0 0 3， 2 3 9 1 0 3 0-1 0 3 6 ． 2 6 4 5-6 ， 4 1 ． [ 4 ] 苗书立， 杨建字 ， 熊金涛． 1 2 b双通道高速 A ／ D转换器 A D 9 2 3 8的 原理及应用[ J ] ． 工控新技术 ， 2 0 0 4 1 3 1 4 ， 7 ． [ 5] 牟丽娜． 基 于 P S D的位移检 测系统设 计 [ D] ． 太原 中北大 学 ， 2 0 0 7 9--1 1 ． [ 6 ] 张晓芳， 俞信， 蒋诚志， 等． 位置敏感探测器 P S D特性的试 验研究[ J ] ． 仪器仪表学报 ， 2 0 0 3， 2 4 4 2 5 0-- 2 5 2 ． 作者简介 李杏华 1 9 7 6一 ， 男 ， 江西南 昌人 ， 博 士， 副教授 ， 主要研究方 向为柔性三坐标测量、 激光跟踪系统 、 三坐标测量机设计。 2 3 4 i 彻 ≥ 墨王