6ES7314-6BH04-0AB0性能参数
1． 前言
发酵工程，利用细胞大规模培养技术，已深入到医药、轻工、食品、农业、环保各个领域，在国民经济中占有很大的比重。提高发酵水平，具有重要的经济和社会意义。基于参数相关的发酵过程多尺度问题研究的放大和优化技术的理论，在发酵工程放大和优化上取得了很大的成绩。 由于发酵过程的复杂性和高度非线性等诸多因素和多容量过程特征，使系统具有动态性和难以预测性，同时发酵过程严酷的工况条件，如高温、高湿、长周期发酵等都对生物反应器控制系统提出了严格的要求。以FX2n系列PLC为主控制器的生物反应器控制系统, 是新的发酵工程放大和优化理论的支撑工作平台。
2． 控制系统技术要求
1） 生物反应器控制系统的数据采样对象，温度、pH、溶解氧等环境参数是连续量。
2） 执行器，大部分是开关量，如电磁阀、隔膜阀等各类阀门，间隙工作的各类补料泵等。
3） 另有部分模拟量输出，如搅拌电机转速控制等。
4） 过程特征变量一般分直接变量和间接变量。发酵工程，是生物反应过程，过程特征中含有许多难以直接测量的生物变量，如摄氧率OUR，二氧化碳释放率CER，呼吸商RQ等，这些间接变量对基于多尺度法研究的新的发酵工程放大和优化具有极为重要的意义，只能把直接测量得到的直接变量，使用软测量技术，经函数运算，映射得到。直接测量的精度，稳定性和控制系统的运算能力决定了整个系统的品质。
5） 随着Internet技术的推广，现代信息技术正在进入到每个领域，并且基于参数相关的发酵过程多尺度问题研究的放大和优化技术的理论，是个全新的概念，正在逐步发展，需要国内各方面专家的协同努力，本系统应具有开放的通讯接口，在车间范围内组成局域网，并通过Internet ，使远方终端可以浏览现场数据，或进行干预。
3． 系统的组成
根据上述技术要求和以往的经验，我们觉得选用三菱公司的FX2n系列PLC是合适的。FX2n系列PLC有各种扩展模块可以选择，如FX2n-4AD-PT, FX2n-4AD, FX2n-232-Bd等扩展模块，适合模拟量的输入和数据通信；开关量可以直接输出；FX2n系列PLC指令集丰富，涵盖大部分运算。双字节浮点运算指令满足测量和运算的精度。现场**传感器检测各种物理，化学，生物参数，输入FX2n-4AD-PT和FX2n-4AD等摸块，PLC运算后输出控制执行器，并和车间操作站数据交换。 人机界面采用三菱公司的A975GOT-TBA-B, 10.4英寸液晶屏带触摸键，画面丰富，还编制了多幅用户帮助画面，提供在线帮助，界面友好。现场控制站安置在生物反应器旁，各类传感器和PLC安装在同一控制柜内, 变送器、PLC等供电回路加配交流滤波器。通讯用双绞电缆链往车间操作站，与PC-baseD结构相比,简化了现场布线。车间操作站IPC, 带有以太网口，可以和其他PC机组成局域网；C++ 编写的多线程，多任务软件包，完成数据分析，趋势曲线，查询，打印等功能，并集成了TCP/IP, 便于远方终端在Internet网上访问 。图1是系统配置示意图。
图1 系统配置示意图
4. 主要控制算法和PLC指令
相同的算法可以调用相应的子程序。
1） 带不灵敏度区的分程控制 温度、Ph等参数的控制规律如式1：
式中 Δ----- │设定值 – 测量值│（误差）
P ------ 比例系数（单位: 被控制量）
FS ----- *大开启时间（单位: 秒）
MS ---- *小开启时间 (单位: 秒)
NSB --- 不灵敏区 （单位: 被控制量）
PLC程序中使用了区间比较16位指令ZCP。需注意的是执行该指令后， 要执行区间复位指令ZRST。图2是带不灵敏度区的分程控制
2）扩展模块的初始化和pH 、DO 电极的标定
图2 带不灵敏区分程控制
FX2n-4AD,FX2n-4AD-PT 等模块在第一次使用时，要根据被测工程量范围、滤波常数等初始设置；pH ,DO 等电极在正式使用前要标定，f(x)=ax+b, 用标准缓冲液定出a、b 使用双字节浮点运算指令FLT, BCD, DEADD, DESUB, DEMUL, DED等。
3）数据的存储
PLC检测到的数据在送往操作站存储同时，也在PLC中实时存储，以提高系统的冗余度。一般认为PLC不容易数据采集和存储[4]，FX2n 为我们提供了8K字存储区，可以满足每批发酵的数据量。我们使用了两种方法：1.定时采集 每隔一段时间采样一次,存储后,指针加1, 存储格式固定, 存储区的长度与已存数长度相配,不存时间。2.变化采集 当被采集的参数的变化值大于预定的记录精度,把此时的数据和时间存入存储区。使用变址寄存器V，Z，改变软元件地址号，对文件寄存器地址号变址修改。
4） 软测量技术的实现 **传感器测得信号后，PLC根据预设的生物数学模型运算，得到不能直接测量的间接变量。如细胞代谢流信息之一摄氧率OUR，摩尔氧表示：
式中 Co2-------- 溶解氧浓度，mol/m3
Fa,i ------ 进入发酵液的空气体积流量， m3/h
Fa,o ------ 排出发酵液的空气体积流量， m3/h
V -------- 发酵液体积， m3
F ----------- 流加补料速率， m3/h
no2,i------ 进入发酵液的空气中氧的体积分数；
no2,o------ 排出发酵液的空气中氧的体积分数；
ro2--------- 氧利用率，mol/m3h
系统趋于稳定时，
使用FX2n的双字节浮点运算指令，求取ro2 。
5。 小结
以FX2n系列PLC为主体的生物反应器数据采集和控制系统，性能稳定, 使用于发酵工程放大和优化，取得了很好的成绩，现已推广应用于疫苗、微生态制剂、生物农药、生物肥料等医药、食品、农业、环保等行业，并在我国(包括传统生物技术和基因工程技术在内)发酵行业装备现代化技术改造和信息化进程中发挥了积极作用。本文研究的系统作为项目：”基于过程参数相关的发酵过程优化与放大技术及其生物反应器装置研究”的组成，被评为2OO1年上海市科技进步一等奖。
2． 硬件电路设计
系统的硬件电路包括：监控终端硬件设计；集中监控中心。
监控终端硬件包括：数据采集部分；TC35接口电路；温度传感器电路；遥调电路。
集中监控中心硬件包括：上位机；TC35T手机终端。
2.1 数据采集部分
数据的采集分为：模拟量的采集和开关量的采集。
模拟量主要采集各种工业仪表的数据，如压力、流量、温度、湿度、电压、电流等。
开关量的检测，分别为：220V交流电压检测，门禁检测。
电路原理框图如图2所示。
2.2遥调电路设计
为了能够实现远程自动调节各种现场的参数。作者设计了遥调电路。采用固态非易失性数字电位器X9313。电路图如图3所示。数字电位器是一种特殊的DAC，它的模拟量输出不是电压或电流，而是电阻。滑动单元的位置是由CS、U/D、INC三个输入端控制。当CS为高，INC为高时，滑动端的位置可以被储存在一个非易失性存储器内，因此在下一次上电工作时可以被重新调用。当电位器的滑动端移到某一新位置时，而保持INC为低，CS为高时，此位置不存储。VH、VL、VW相当于一般电位器的三个端。
图3 遥调电路
2.3温度传感器电路设计
为了实时监视数据采集与监测终端的温度变化，当温度超过上限值时启动排风装置。当温度低过下限值时启动加温装置，作者设计了温度传感器电路。由于采集的温度范围属于常温范围，所以采用晶体管传感器LM335。它的输出电压与热力学温度成正比，灵敏度10mv/c。输出后的电压经过LM358放大器的放大后送A/D转换器。电路图如图4所示。
图4 温度传感器电路
2.4 TC35接口电路设计
TC35模块主要是由射频天线、内部FLASH、GSM基带处理器、匹配电源和一个40脚的ZIP插座组成。TC35接口电路设计主要是40针的电缆与单片机的接口。如图所示5。1~5脚提供3.3~5.5V峰值2A的直流电源；6~10接地；15脚为点火信号，接到单片机的P1.7，可以通过软件启动模块。16脚~23脚是RS232串口的功能引脚，18脚、19脚分别为发送RXD和接收TXD引脚。24脚~29脚对应的是SIM卡的引脚。32脚为指示灯引脚，当未插入SIM卡或40脚的电缆没有接好或者模块正在入网时，指示灯处于闪亮状态，亮600ms 灭600ms；当模块登录网络时，指示灯亮75ms灭3s。
2.5 电平转换器设计
FX2系列PLC的编程接口采用RS-422标准，而计算机的串行口采用RS-232标准。因此，作为实现PLC计算机通信的接口电路，必须将RS-422标准转换成RS-232标准。RS-232与RS-422标准在信号的传送、逻辑电平均不相同。RS-232采用单端接收器和单端发送器，只用一根信号线来传送信息，并且根据该信号线上电平相对于公共的信号地电平的大小来决定逻辑的“1”。RS-422标准是一种以平衡方式传输的标准，即双端发送和双端接收，根据两条传输线之间的电位差值来决定逻辑状态。RS-422电路由发送器、平衡连接电缆、电缆终端负载和接收器组成。它通过平衡发送器和差动接收器将逻辑电平和电位差之间进行转换。作者选用MAXIM公司的MAX232实现RS-232与TTL之间的电平转换。MAX232内部有电压倍增电路和转换电路，仅需+5V电源就可工作，使用十分方便；选用MAX485实现RS-485与TTL之间的转换。每片MAX485有一对发送器/接收器，由于通信采用全双工方式，故需两片MAX485，另外只需外接4只电容即可。
图5 TC35接口电路
3．软件设计
系统的软件设计包括：下位机软件设计；上位机软件设计；下位机与上位机通信软件设计。
3.1短消息PDU格式分析及实用的AT命令
发送和接收SMS信息有两种方式：基于AT命令的Text Mode（文本模式）和基于AT命令的PDU(protocol debbbbbbion unit) Mode模式。西门子的手机大多只支持PDU模式，在PDU模式下短信息正文经过编码后转换成UNICODE码被传送。由于我们采用的是西门子的TC35手机模块和TC35T手机终端，所以本文主要探讨PDU模式的发送和接收。
下面通过对发送的短消息格式分析，来介绍SMS PDU的数据格式。假设准备发送中文短消息内容为“晚上好123”。首先，将TC35T与计算机的串口相连，并打开计算机的超级终端：
3.1.1发送短消息的具体操作过程如下(带下划线字符为响应信息，{}内为注释)：
AT
OK {计算机与手机的连接成功，这时就可以输入各类GSM AT指令了}
AT+CNMI=1，1，2
OK {设置收到短消息提示}
当模块收到短消息时，给出回应：
例如：+CMTI：“SM”，4
AT+CMGF=0
OK {设置模块工作的模式：0为PDU模式，1为文本模式}
AT+CMGS=26{发送短消息的字节数}
>0905F0 0103 0D91 F9 3208 0C 65A4E0A597D003
键入Ctrl+Z，看到提示符->出现在*后一个数字后面，说明系统已经收到了命令。系统会返回操作的结果。
OK {OK表示成功，ERROR表示发送失败}
+CMGS：32
下面分析这条信息：
08：表示短消息中心地址长度
91：表示短消息中心号码类型
F0：表示短消息房屋中心号码
0103：表示发送短消息的编码方式
0D：表示目的地址长度
91：表示目的地址类型
F9：表示目的地址，即接收短消息的手机号码为：
3208：表示发送中文字符方式
0C：表示短消息长度
665A4E0A597D：表示发送中文字符的UNICODE码
665A {晚} 4E0A{上} 597D{好} 0031{1} 0032{2} 0033{ 3}
3.1.2模块接收短消息的分析：
AT+CMGR={阅读短消息的内容，Index 表示短消息存放的位置}
AT＋CMGL= {列表短信息：stat =0，列未读过的短消息；stat =4，列所有的短消息}
＋CMGL: 1,2,,24 {1表示信息个数，2表示未发信息，24表示信息总容量}
AT+CMGD={删除短消息，Index 表示短消息存放的位置}
OK {删除成功}
3.2 下位机软件设计
包括：数据采集及A/D转换程序；越限报警程序。
3.3上位机软件设计
包括：监控中心主界面设计；数据库程序设计。
3.4下位机与上位机通信软件设计
因为下位机与上位机通信是通过短消息来完成的，所以通信软件设计的关键是单片机如何发送AT命令。
4．结束语
本文采用短消息业务完成数据采集与监测终端与控制中心的通信。实现了数据采集与监测终端的遥控，远程控制电源的通断；遥测，远程测量各种开关量；遥调，远程调节各种增益；遥讯，远程查询采集各种模拟量。短消息业务具有永远在线、不需拨号、价格便宜、覆盖范围广等优势，特别适用于需频繁传送小数据量的应用，还适用于偏远地区、架设通信线路困难的地方。对于数据采集与监测终端来说，它一般放在无人值守地区，应用短消息业务来传送数据*为合适。作者设计的该系统现在已经投入运行，实践证明了该系统工作非常的可靠。