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CytoLinX BR一次性生物反應(yīng)器如何實(shí)現(xiàn)高效自動化控制？

發(fā)布時間：2023-6-6

　　CytoLinX® BR一次性罐體式反應(yīng)器及配套耗材能夠涵蓋50L, 200L, 500L, 1000L, 2000 L 規(guī)模，由罐體、控制器及溫度控制單元(TCU)集合而成，可以應(yīng)用于工業(yè)級哺乳動物、昆蟲類細(xì)胞、及其他低剪切力需求的細(xì)胞培養(yǎng)。CLX-BR 控制柜包括控制硬件及底層硬件模組。CLX-BR 控制柜的控制硬件采用西門子PCS 7構(gòu)建，對培養(yǎng)過程提供穩(wěn)定高效的過程控制。

　　西門子PCS 7分布式控制系統(tǒng) (DCS) 是一套簡單易用的自動化系統(tǒng)，可降低運(yùn)營復(fù)雜性和項(xiàng)目風(fēng)險。作為先進(jìn)的產(chǎn)品和服務(wù)套件，它能通過易于操作和維護(hù)的智能控制來提高工廠績效。

　　Q　　什么是DCS控制系統(tǒng)？

DCS俗稱為“工業(yè)大腦”

　　• DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫(Distributed Control System)，在國內(nèi)自控領(lǐng)域又稱為集散控制系統(tǒng)。

　　• DCS的主要特點(diǎn)歸結(jié)為一句話就是“分散控制，集中管理”。

　　• DCS通常采用若干個控制器(過程站)對一個生產(chǎn)過程中的眾多控制點(diǎn)進(jìn)行控制，各控制器間通過網(wǎng)絡(luò)連接并可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

　　• 生產(chǎn)控制操作采用計(jì)算機(jī)操作站，通過網(wǎng)絡(luò)與控制器連接，收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，傳達(dá)操作指令。

　　Q　　什么是I/O點(diǎn)？

　　A　　在自動化控制系統(tǒng)中，I/O點(diǎn)是最經(jīng)常聽到的一個術(shù)語。它是指輸入/輸出點(diǎn)，I代表INPUT，指輸入，O代表OUTPUT，指輸出。輸入/輸出都是針對控制系統(tǒng)而言，輸入指從儀表進(jìn)入控制系統(tǒng)的測量參數(shù)，輸出指從控制系統(tǒng)輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參量，一個參量叫做一個點(diǎn)。一個控制系統(tǒng)的規(guī)模有時按照它最大能夠控制的I/O點(diǎn)的數(shù)量來定的。

　　Q　　I/O信號是如何分類的？

　　A　　常用的I/O信號一般分為：AI、AO、DI和DO。

　　• AI--模擬量輸入信號

　　• AO--模擬量輸出信號

　　• DI--數(shù)字量輸入信號

　　• DO--數(shù)字量輸出信號

　　Q　　什么是I/O單元？

　　A　　通常，一個過程控制站是有幾個機(jī)架組成，每個機(jī)架可以擺放一定數(shù)量的模塊。CPU所在的機(jī)架被稱為CPU單元，同一個過程站中只能有一個CPU單元，其他只用來擺放I/O模塊的機(jī)架就是I/O單元。

　　Q　　什么是開關(guān)量和模擬量？

　　A　　在控制系統(tǒng)中，另一個常見的術(shù)語就是模擬量和開關(guān)量。不論輸入還是輸出，一個參數(shù)要么是模擬量，要么是開關(guān)量。模擬量指控制系統(tǒng)量的大小是一個在一定范圍內(nèi)變化的連續(xù)數(shù)值，比如溫度，從0-100度，壓力從0-10MPA，液位從1-5米，電動閥門的開度從0-100%，等等，這些量都是模擬量。而開關(guān)量指該物理量只有兩種狀態(tài)，如開關(guān)的導(dǎo)通和斷開的狀態(tài)，繼電器的閉合和打開，電磁閥的通和斷等等。

　　對控制系統(tǒng)來說，由于CPU是二進(jìn)制的，數(shù)據(jù)的每位有“0”和“1”兩種狀態(tài)，因此，開關(guān)量只要用CPU內(nèi)部的一位即可表示，比如，用“0”表示開，用“1”表示關(guān)。而模擬量則根據(jù)精度，通常需要8位到16為才能表示一個模擬量。最常見的模擬量是12位的，即精度為2-12，最高精度約為萬分之二點(diǎn)五。當(dāng)然，在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，模擬量的精度還要受模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器和儀表的精度限制，通常不可能達(dá)到這么高。

　　Q　　什么是系統(tǒng)冗余？

　　A　　在一些對系統(tǒng)可靠性要求很高的應(yīng)用中，DCS的設(shè)計(jì)需要考慮熱備份也就是系統(tǒng)冗余，這是指系統(tǒng)中一些關(guān)鍵模塊或網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)上有一個或多個備份，當(dāng)現(xiàn)在工作的部分出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)可以通過特殊的軟件或硬件自動切換到備份上，從而保證了系統(tǒng)不間斷工作。通常設(shè)計(jì)的冗余方式包括：CPU冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余、電源冗余。在極端情況下，一些系統(tǒng)會考慮全系統(tǒng)冗余，即還包括I/O冗余。

　　Q　　什么是I/O余量？

　　A　　與冗余不同，I/O余量只是系統(tǒng)中I/O數(shù)量大于應(yīng)用的要求，這種余量只是數(shù)量上的，主要目的是使系統(tǒng)今后有繼續(xù)加入控制信號的可能。

　　Q　　什么是DCS的開放性？

　　A　　DCS的開放性是指DCS能通過不同的接口方便地與第三方系統(tǒng)或設(shè)備連接，并獲取其信息的性能。這種連接主要是通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，采用通用的、開放的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口是DCS開放性的保障。我公司目前采用的DCS系統(tǒng)有很好的開放性。

　　Q　　什么是組態(tài)？

　　A　　通過專用的軟件定義系統(tǒng)的過程就是組態(tài)(configuration)。定義過程站各模塊的排列位置和類型的過程叫過程站硬件組態(tài)；定義過程站控制策略和控制程序的過程叫控制策略組態(tài)；定義操作員站監(jiān)控程序的過程叫操作員站組態(tài)；定義系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接方式和各站地址的過程叫網(wǎng)絡(luò)組態(tài)。

　　Q　　PLC和DCS之間的抉擇——

　　 如何選擇正確的控制系統(tǒng)？

　　A　　DCS(分布式控制系統(tǒng))：相對于集中控制系統(tǒng)而言的一種新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，在集中控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來。DCS作為一個集過程控制和過程監(jiān)控為一體的計(jì)算機(jī)綜合系統(tǒng)，在通信網(wǎng)絡(luò)的帶動下，已成為一個綜合計(jì)算機(jī)、通信、顯示和控制等技術(shù)的完整體系。其主要特點(diǎn)是分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便。

　　PLC(可編程邏輯控制器)：是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制，定時，計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程，是工業(yè)控制的核心部分。

　　從系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和兼容性方面：

　　對于PLC系統(tǒng)來說，一般沒有或很少有擴(kuò)展的需求，也很少有兼容性的要求。PLC一般都采用專用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如果兩個或以上的系統(tǒng)要求資源共享，對PLC來講是很困難的事。

　　DCS在發(fā)展的過程中也是各廠家自成體系，但大部分的DCS系統(tǒng)雖說系統(tǒng)內(nèi)部(過程級)的通訊協(xié)議不盡相同，但操作級的網(wǎng)絡(luò)平臺不約而同的選擇了以太網(wǎng)絡(luò)，采用標(biāo)準(zhǔn)或變形的TCP/IP協(xié)議，這樣就提供了很方便的可擴(kuò)展能力。

　　從數(shù)據(jù)庫方面：

　　DCS一般都提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫。在DCS系統(tǒng)中一旦一個數(shù)據(jù)存在于數(shù)據(jù)庫中，就可在任何情況下引用。而PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫通常都不是統(tǒng)一的，組態(tài)軟件和監(jiān)控軟件甚至歸檔軟件都有自己的數(shù)據(jù)庫。

　　從時間調(diào)度方面：

　　PLC的程序一般不能按事先設(shè)定的循環(huán)周期運(yùn)行。PLC程序是從頭到尾執(zhí)行一次后又從頭開始執(zhí)行。(現(xiàn)在一些新型PLC有所改進(jìn)，不過對任務(wù)周期的數(shù)量還是有限制)。

　　而DCS可以設(shè)定任務(wù)周期。比如，快速任務(wù)等，同樣是傳感器的采樣，壓力傳感器的變化時間很短，可以用200ms的任務(wù)周期采樣，而溫度傳感器的滯后時間很大，可以用2s的任務(wù)周期采樣。這樣，DCS可以合理的調(diào)度控制器的資源。

　　從應(yīng)用對象方面：

　　PLC一般應(yīng)用在小型自控場所，比如設(shè)備的控制或少量的模擬量的控制及聯(lián)鎖，而大型的應(yīng)用一般都是DCS。當(dāng)然，這個概念不太準(zhǔn)確，但很直觀，習(xí)慣上把大于600點(diǎn)的系統(tǒng)稱為DCS，小于這個規(guī)模叫做PLC。

　　西門子PCS 7(DCS系統(tǒng))在CytoLinX® BR應(yīng)用

　　百林科采用的控制器是在 PCS7的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)，提供完整的 DCS 系統(tǒng)，從系統(tǒng)架構(gòu)到軟件硬件組成，真正發(fā)揮 PCS7 平臺優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)全局?jǐn)?shù)據(jù)庫管理。西門子PCS 7系統(tǒng)的內(nèi)部集成可擴(kuò)展到批處理、先進(jìn)控制、變更管理、診斷等功能。PCS 7可以根據(jù)您的需求靈活調(diào)整，輕松擴(kuò)展，而且不會增加復(fù)雜性。

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　　CytoLinX® BR 200L-CHO細(xì)胞培養(yǎng)應(yīng)用案列

　　CHO-K1細(xì)胞培養(yǎng)中15天周期中，溫度、溶氧、pH等關(guān)鍵控制參數(shù)均控制平穩(wěn)。細(xì)胞培養(yǎng)過程中最難控制的溶氧參數(shù)波動范圍在±3%內(nèi)。細(xì)胞密度和活率均保持較高水平。培養(yǎng)過程中pCO2控制在80mmHg左右，乳酸等代謝參數(shù)控制平穩(wěn)。