西门子6ES7231-0HF22-0XA0介绍说明
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。**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。[1] 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，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[2]，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。
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也在PLC中实时存储，以**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[3]。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**， m3/h
Fa,i ------ 排出发酵液的空气体积**， 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 。
下文说明了一个参数设置的例子 ，按照下列步骤设置网络参数。 (a) 设置要设置的网络参数中的“所含板数” 缺省值 ：无 设置范围 ：0到4（模块） 例）设置为1（模块） (b) 设置主站的“起始I/O 地址” 缺省值 ：无 设置范围 ：0000到0FE0 例）设置为0000。 (c) 用“操作设置”设置参数名。（没有设置参数名也不会影响CC-bbbb系统的运行）。 缺省值 ：无 设置范围 ：8 个字母或少于8 个字母 例）设置为“CC-bbbbM” (d)用“操作设置”设置数据链接出错站的输入状态。 缺省值 ：清除（不选中“保持输入数据”） 设置范围 ：保持（选中“保持输入数据”）清除（不选中“保持输入数据”） 例）设置为清除（不选中“保持输入数据”） (e) 用“类型”设置站类型 缺省值 ：主站设置范围 ：主站 主站（双工功能） 本地站 备用主站 例）设置为主站 (f) 用“模式”设置CC-bbbb 模式 缺省值：在线（远程网络模式） 设置范围 ：在线（远程网络模式） 在线（远程I/O 网络模式） 离线 例：设置为在线（远程网络模式） (g) 用“所有连接计数”设置包括保留站在内的CC-bbbb 系统中连接的站的总数。 缺省值 ：64（模块） 设置范围：1 到64（模块） 例）设置为5（模块）。 (h) 用“重试计数”设置发生通信错误时的重试次数。 缺省值 ：3（次）设置范围 ：1 到7（次） 例）设置为5（次） (i)用“自动重新连接站计数”设置通过一次链接扫描可以回复到系统运行的模块数。 缺省值 ：1（模块） 设置范围 ：1 到10（模块）例）设置为2（模块） (j) 用“备用主站号”设置备用主站的站号。 缺省值 ：空白（未指定备用主站） 设置范围：空白，1 到64（空白：未指定备用主站） 例）设置为空白（未指定备用主站） (k) 用“PLC宕机选择”设置主站PLC CPU 发生错误时的数据连接状态。 缺省值 ：停止 设置范围 ：停止 继续 例）设置为停止。 (l) 用“扫描模式设置”设置顺控扫描的链接扫描是同步的还是异步的。 缺省值 ：异步 设置范围 ：异步 同步 例）设置为异步。 (m) 用“延迟信息设置”设置链接扫描间隔。 缺省值 ：0（未指定） 设置范围 ：0 到100（单位50μs）例）设置为10（500μs）。 (n) 用“站信息设置”设置站数据。 缺省值 ：远程I/O站，占有站1，或者不设置保留站/出错无效站 设置范围 ：站类型－未设置 远程I/O 站 远程设备站 智能设备站（包括本地站和备用主站）专有站计数－未设置、专有站1、专有站2、专有站3、专有站4 保留/无效站选择－未设置、保留站、无效站（出错无效站）智能缓冲区选择（字）－未设置 发送 0，64 到4096、接收 0，64 到4096、自动 0，128 到4096 例）根据6.3节中指定的系统配置设置站数据。 (3) 下文给出了通信缓冲区和自动更新缓冲区分配的结果 (2) 按照下列步骤设置自动刷新参数。 (a)用“远程输入（RX）”设置远程输入（RX）刷新软元件。 缺省值 ：无 设置范围 ：软元件名称－从X、M、L、B、D、W、R或ZR中选择。 软元件地址号－在CPU 拥有的软元件点范围内。 例）设置为X1000 (b)用“远程输出（RY）”设置远程输出（RY）刷新软元件。缺省值：无 设置范围 ：软元件名称－从Y、M、L、B、T、C、ST、D、W、R或ZR 中选择。 软元件地址号－在CPU 拥有的软元件点范围内。 例）设置为Y1000 (c)用“远程寄存器（RWr）”设置远程寄存器（RWr）刷新软元件。 缺省值：无 设置范围 ：软元件名称－从M、L、B、D、W、R 或ZR 中选择。软元件地址号－在CPU 拥有的软元件点范围内。 例）设置为D1000 (d)用“远程寄存器（RWw）”设置远程寄存器（RWw）刷新软元件。 缺省值 ：无 设置范围：软元件名称－从M、L、B、T、C、ST、D、W、R 或ZR 中选择。 软元件地址号－在CPU 拥有的软元件点范围内。例）设置为D2000 (e) 用“特殊继电器（SB）”设置特殊继电器（SB）刷新软元件。 缺省值 ：无 设置范围：软元件名称－从M、L、B、D、W、R、SB 或ZR中选择。 软元件地址号－在CPU 拥有的软元件点范围内。 例）设置为SB0 (f)用“特殊寄存器（SW）”设置特殊寄存器（SW）刷新软元件。 缺省值 ：无 设置范围 ：软元件名称－从M、L、B、D、W、R、SW或ZR中选择。 软元件地址号－在CPU 拥有的软元件点范围内。 例）设置为SW0 10.3.2设置注册步骤登记 设置远程设备站设置的条件和具体步骤。 在本节中，用AJ65BT-64AD 作为注册步骤登记的例子。 设置步骤如下：从“电压/电流”中选择电流（条件）。 选择偏置/增益值的出厂设置值（第二条件）。 设置通道2 的平均次数为50 次（第三条件）。设置通道3 的平均时间为100ms（第四条件）。 指定通道2 和3 的平均处理设置，通道2 的次数，通道3 的时间（第五条件）。设置数据格式为-2000～2000（第六条件）。 设置通道1～3 为允许A-D 转换状态（第七条件）。将初始数据处理完成标志置为“ON”（第八条件）。 将初始数据设置请求标志置为“ON”（第九条件）。将初始数据处理完成标志置为“OFF”（第十条件）。 将初始数据设置请求标志置为“OFF”（第十一条件）。 关于设置的详细信息，请参见远程设备站用户手册。 (1) 设置条件 (a) 执行标志设置将“执行标志”设置为“执行”。 (b) 操作条件设置 将“操作条件”设置为“设置新条件”。 (c) 执行条件的设置将“条件软元件”设置为“RX”，“软元件地址”为“18”，“执行条件” 为“ON”。 (d) 执行的设置将“写入软元件”设置为“RY”，“软元件地址”为“01”，“写数据”为 “ON”。 (2) 设置第二条件 (a) 执行标志设置将“执行标志”设置为“执行”。 (b) 操作条件设置 将“操作条件”设置为“同前面的设置”。 (c) 执行的设置将“写入软元件”设置为“RY”，“软元件地址”为“00”，“写数据”为 “ON”。 (3) 设置第三条件 (a) 执行标志设置将“执行标志”设置为“执行”。 (b) 操作条件设置 将“操作条件”设置为“同前面的设置”。 (c) 执行的设置将“写入软元件”设置为“RWw”，“软元件地址”为“02”，“写数据” 为“50”。 (4) 设置第四条件 (a) 执行标志设置将“执行标志”设置为“执行”。 (b) 操作条件设置 将“操作条件”设置为“同前面的设置”。 (c) 执行的设置将“写入软元件”设置为“RWw”，“软元件地址”为“03”，“写数据” 为“1000”。 (5) 设置第五条件 (a) 执行标志设置将“执行标志”设置为“执行”。 (b) 操作条件设置 将“操作条件”设置为“同前面的设置”。 (c) 执行的设置将“写入软元件”设置为“RWw”，“软元件地址”为“00”，“写数据” 为“1540（604 H）”。 (6)设置第六条件
当你写完梯形图，后写上END语句后，必须进行程序转换，转换功能键有两种，在下图5-8的箭头所示位置。
在程序的转换过程中，如果程序有错，它会显示，也可通过菜单“工具”，查询程序的正确性。
只有当梯形图转换完毕后，才能进行程序的传送,传送前，必须将FX2N面板上的开关拨向STOP状态，再打开“在线”菜单，进行传送设置，如下图5-9所示：
图 5-9
根据图示，你必须确定你的PLC与计算机的连接是通过COM1口还是COM2口连接，在实验中我们已统一将RS-232线连在了计算机的COM1口，你在操作上只要进行设置选择。
写完梯形图后，在菜单上还是选择“在线”，选中“写入PLC（W）”，就出现如图5-9
图 5-9
从图上可看出，在执行读取及写入前必须先选中MAIN、PLC参数，否则，不能执行对程序的读取、写入，点击“开始执行”即可。