【正文】 會出現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品的結(jié)果往往很難預(yù)測出結(jié)果，于是，人們又回到了對于微生物的研究上來，一切回到原點(diǎn)，研究人員有了新的認(rèn)識，發(fā)酵工程真正的核心其實(shí)就是微生物而并非一系列的化學(xué)方程式，研究人員認(rèn)定了微生物的生物學(xué)屬性，進(jìn)而有了新的方向就是對于微生物的研究，讓你們真正進(jìn)入了生物工程的 領(lǐng)域，這也是如今生物發(fā)酵行業(yè)最開始的地方，正因?yàn)榉较虻恼_，才有了后期的這個行業(yè)的蓬勃發(fā)展。隨著溶解氧以及通氣工藝在技術(shù)上的不斷進(jìn)步發(fā)展，由表面培養(yǎng)進(jìn)入到深層攪拌培養(yǎng)這種培養(yǎng)方式也應(yīng)運(yùn)而生，發(fā)酵工程的逐漸發(fā)展，一些方式不斷衍生出來，一些方式也逐漸被淘汰，這種利用通氣技術(shù)的深層發(fā)酵工作方式成為微生物發(fā)酵過程中最主要的生產(chǎn)方法，這個方法的誕生也被譽(yù)為是發(fā)酵工程史上的一 個里程碑。 微生物發(fā)酵的過程需要對溫度、 ph、 DO 等參數(shù)進(jìn)行相對準(zhǔn)確的控制，如果單純依靠人工進(jìn)行控制會導(dǎo)致一系列的問題出現(xiàn)，控制效果差，而且這樣的培養(yǎng)環(huán)境對于工作人員的安全也是一個極大的威脅，同樣的，勞動的強(qiáng)度也很大，最終一切的努力也還是換來生產(chǎn)率的低下，可見微生物發(fā)酵過程是一個非常復(fù)雜 的過程，需要穩(wěn)定控制的參數(shù)特別多，而且?guī)讉€參數(shù)之間都是缺一不可的。設(shè)計(jì)出的這個微生物發(fā)酵過程自動加藥控制系統(tǒng)能夠提高在生物發(fā)酵的過程中給藥的快速性和準(zhǔn)確性，除此之外， PLC 自動加藥的控制線路簡單易懂，可以很容易的實(shí)現(xiàn)頻繁動作以及日常的維護(hù)工作，再者而言，這個系統(tǒng)大大減輕了勞動人員的工作強(qiáng)度，而且也不會需要工作人員進(jìn)入惡劣的環(huán)境進(jìn)行加藥等操作，經(jīng)濟(jì)效益也隨著自動化快速、穩(wěn)定的生產(chǎn)得到了有效的提升。 控制整個發(fā)酵過程并不是說需要一直看著發(fā)酵的狀態(tài)，最主要的還是需要對一些重要參數(shù)的控制，例如發(fā)酵過程中的 DO、 ph、溫度、攪拌量、液位等等，將這些控制在一個穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)上，這就提供給了微生物發(fā)酵一個相對穩(wěn)定的發(fā)酵環(huán)境，而且這個發(fā)酵環(huán)境也是相對而言發(fā)酵產(chǎn)出比較高的環(huán)境，換一句話說控制了這幾個關(guān)鍵的參數(shù)也就控制了整個發(fā)酵的過程。通過剛剛的敘述比較，可見離線控制 和在線控制這兩種發(fā)酵過程的控制方法，在線控制明顯更優(yōu)，在線控制方法能夠在過程動力學(xué)特征發(fā)生偏移、發(fā)酵環(huán)境發(fā)生變化之后處理的更好，通過反饋調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)自適應(yīng)整個發(fā)酵過程，所以說在線控制方法對于生物發(fā)酵自動控制系統(tǒng)是再合適不過了。德國的貝朗公 司在 1982 年將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到微南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 5 生物發(fā)酵控制系統(tǒng)中，該公司也是最早將生物發(fā)酵設(shè)備商業(yè)化的公司。 ph 值得控制方法：生物發(fā)酵有很多種，其中有很多的發(fā)酵只有在 ph值維持在一個很小的范圍區(qū)間才能最高效的進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，甚至說有些發(fā)酵需要恒定的 ph 值才能高效發(fā)酵，因此對于這些發(fā)酵生產(chǎn)， ph 值得實(shí)時控制就顯得尤為重要，所以說常規(guī)的 ph控制方法肯定就不足以滿足高效發(fā)酵這一要求，因此，我們將智能控制的方法應(yīng)用到了 ph控制中，而且也取得了很理想的效果。 溶解氧控制方法：溶解氧控制也被稱為 DO 控制，發(fā)酵過程中的溶氧值會受到很多因第一章 引言 6 素的影響，例如攪拌量、反應(yīng)器的壓力值和溫度、基質(zhì)濃度等等，有些參數(shù)比較容易檢測出來，有些可以說以現(xiàn)階段的技術(shù)升值檢測不出來，所以說溶氧值在發(fā)酵過程中可以說是一個綜合參 數(shù)，對于這個參數(shù)的影響不可能完全消除。首先綜合操作經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)樵诿總€階段發(fā)酵過程對于氧的需求都不一樣，因此根據(jù)這個情況劃分不同發(fā)酵階段對于氧需求的變化區(qū)域。 消泡控制方法：生物發(fā)酵系統(tǒng)在剛開始進(jìn)行發(fā)酵的時候，微生物處于旺盛狀態(tài)，料液不斷加入，攪拌子也在不斷進(jìn)行攪拌，溶氧量此時也相對較高，所有這一切都會使得發(fā)酵劇烈，同樣會因此產(chǎn)生大量的泡沫，泡沫不斷上浮，甚至?xí)霈F(xiàn)逃液的現(xiàn)象。 自動加藥機(jī)在使用過程中，明顯提高了自動加藥的精度。由此可見，基于 PLC 的生物發(fā)酵過程自動加藥技術(shù)的應(yīng)用前景很廣闊。而且其擴(kuò)展單元以及相應(yīng)的外圍設(shè)備均能與工廠的整個系統(tǒng)連為一體，擴(kuò)展單元也易于接入。 90 年代是 PLC 的第三階段，這個階段頒布了工業(yè)控制的編程語言 IEC 611313， PLC 突破了既有的技術(shù)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上以及應(yīng)用上都實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模的突破。 區(qū)別于其他控制系統(tǒng)， PLC 構(gòu)成的控制系統(tǒng)有以下幾個特點(diǎn)：可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的模塊化；編程簡單，方便維修；功能完善，適應(yīng)性強(qiáng)。 德國西門子 (SIEMENS)公司生產(chǎn)的可編程序控制器在我國的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛 ,在冶金 、化工、印 刷生產(chǎn) 線等領(lǐng) 域都有 應(yīng)用。 S7200 可編程控制器（ PLC）是一種小型化的 PLC 系統(tǒng)，能滿足中等性能要求的應(yīng)用。 （ 3） S7200 內(nèi)部擁有的各種繼電器，定時器，寄存器，計(jì)數(shù)器等等一系列元器件的組合，使得該 PLC 能夠完成系統(tǒng)所指定的各種工作。 S7200 PLC 的強(qiáng)大功能使其無論單機(jī)運(yùn)行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。 PLC 內(nèi)部擁有其自己的繼電器，他的繼電器是作為其本身的一種內(nèi)部工作單元而存在的，可以多次使用，壽命長，而且相對于一般的外置繼電器， PLC 內(nèi)部繼電器的可靠性更高，自動化水平比較高。在本次課題中選擇西門子系 列主要因?yàn)槠鋸V泛的應(yīng)用。 產(chǎn)品的亮點(diǎn)在于：機(jī)型豐富，更多選擇；選件擴(kuò)展，精確定制；高速芯片，性能卓越； 以太互聯(lián)，經(jīng)濟(jì)便捷；三軸脈沖，運(yùn)動自如；通用 SD 卡，方 便下載；軟件友好，編程高效；完美整合，無縫集成。其主機(jī)的外形結(jié)構(gòu)如圖 31 所示： 第三章 生物發(fā)酵自動加藥控制系統(tǒng)的工作原理及運(yùn)行特性 12 圖 21 西門子 smart200 外形結(jié)構(gòu)圖 西門子視窗控制中心 SIMATIC 系列面板 Smart Line SIMATIC 操作面板是全集成自動化（ TIA）的一部分， 在全世界廣泛地應(yīng)用于自動化系統(tǒng)中。 如今， 人機(jī)界面 已經(jīng)成為大多數(shù)工業(yè)機(jī)械設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置，尤其在使用小型機(jī)器和簡單應(yīng)用時，成本成了關(guān)鍵因素。 控制 檢測 部分 控制部分 控制部分由步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器組成的蠕動泵，磁力攪拌器兩部分。此種蠕動泵能夠快速更換軟管，具有自適應(yīng)卡管裝置，適用 7 種不同尺寸的軟管，應(yīng)以滿足不同的流量要求。蠕動泵也是這個原理只是由滾輪取代了手指。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。只要對步進(jìn)電機(jī)的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動。其微步細(xì)分?jǐn)?shù)有 15 種，最大步數(shù)為 25000Pulse/rev；其工作峰值電流范圍為 － ，輸出電流共有 8 檔，電流的分辨率約為 ；具有自動半流，過壓和過流保護(hù)等功能。 機(jī)身長度 /mm 電流 /A 電阻 /Ω 電感/MH 保持轉(zhuǎn)矩/ 轉(zhuǎn)動慣量/g． cm2 引線數(shù)/個 軸徑 /mm LC57HS6430 1． 8 56 3． 0 0． 8 2． 4 1． 10 280 4 6． 35 除了蠕動泵以外還有一個控制器件就是磁力攪拌器， 磁力攪拌器適用于攪拌或加熱攪拌同時進(jìn)行，適用于粘稠度不是很大的液體或者固液混合物。一般的磁力攪拌器具有攪拌和加熱兩個作用。具有耐溫、耐酸堿、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。 檢測部分 檢測部分與 PLC 相連接 的 縮略圖 如圖 23 所示 ， ph 傳感器 的 正負(fù) 電極 在 經(jīng)過變送器的放大電流作用之后與 PLC 的 AI 端 連接起來，這樣 就能 達(dá)到 PLC 的 控制功能。在測 量中脈沖超聲波由傳感器（換能器）發(fā)出，聲波經(jīng)過物體表面反射后被同一傳感器接收，轉(zhuǎn)換成電信號?，F(xiàn)已廣泛用于 各種液體和固體料位的在線測量。 12kHz 至 70kHz 范圍內(nèi)的超聲波脈沖通過探頭發(fā)射，遇到被測介質(zhì)后被反射回來，通過同一探頭接收。 第三章 生物發(fā)酵自動加藥控制系統(tǒng)的工作原理及運(yùn)行特性 18 圖 24 溫度 變送器 圖 25 溫度 變送器 的 常用接線圖 溫度檢測實(shí)際中的使用的是一體式的檢測裝置，其實(shí)際的圖示如圖圖 26 所示，因?yàn)闇囟葘τ跈z測裝置的損耗不大，所以為了方便快捷的使用，所以采用一體式的溫度檢測裝置。 南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 19 圖 26 一體式溫度傳感器 ph 檢測 和 DO 檢測的傳感器如圖 2 圖 28 所示，也是運(yùn)用了類似的原理，首先通過傳感器檢測出裝置中的溶氧量并將模擬量信號采集，在經(jīng)過變送器對電流值進(jìn)行放大最終傳送到 PLC 的中央處理器中進(jìn)行處理，然后 PID 控制，最終達(dá)到穩(wěn)定。在該系統(tǒng)中，上位機(jī)主要起到遠(yuǎn)程監(jiān)控的作用。對于整個發(fā)酵裝置，此流程框圖實(shí)現(xiàn)的功能就是當(dāng)罐溫沒有達(dá)到發(fā)酵系統(tǒng)所設(shè)定的溫度，也就是 75℃時需要加熱棒進(jìn) 行加熱使得整個發(fā)酵罐的溫度達(dá)到發(fā)酵所需要的溫度，如果達(dá)到了就停止加熱，如果沒有達(dá)到就繼續(xù)加熱，經(jīng)過一定的時間，進(jìn)入下一個選擇就是看罐溫是否達(dá)到發(fā)酵溫度，如果沒有達(dá)到就返回上一層繼續(xù)加熱，如果達(dá)到了就開始整個發(fā)酵過程，發(fā)酵計(jì)時開始并且開始發(fā)酵，然后經(jīng)過一段時間傳感器檢測到發(fā)酵已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的效果就停止發(fā)酵，如果沒有就返回上一級繼續(xù)進(jìn)行發(fā)酵過程，如果確認(rèn)發(fā)酵過程已經(jīng)結(jié)束就可以關(guān)閉所有與發(fā)酵相關(guān)的開關(guān)，進(jìn)而整個發(fā)酵過程結(jié)束。PID 是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例－積分－微分控制算法， PID 控制器根據(jù)設(shè)定值（給定）與被控對象的實(shí)際值（反饋）的差值按，照 PID 算法計(jì)算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)去影響被控對象的變化。將偏差的比例 (P)積分 (I)和微分 (D)通過線性組合構(gòu)成控制量 ,對被控對象進(jìn)行控制 ,故稱 PID 控制器。 (2)積分環(huán)節(jié) (I):主要用于消除靜差 ,提高系統(tǒng)的無差度。其傳遞函數(shù)為 : )11(1)11()( STSTKSG IIPC ???? ? (2)比例微分 (PD)調(diào)節(jié) : 這種調(diào)節(jié)器由于有微分的超前作用 ,能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度 ,加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程 ,減小動南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 27 態(tài)和靜態(tài)誤差 ,但微分抗干擾能力較差 ,且微分過大 ,易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動作向兩端飽和。它的傳遞函數(shù)為 : )11(1)11()( STSTSTSTKSG DIDIPC ?????? ? PLC 編程算法中有 PID 控制算法和模糊控制算法，利用 PID 算法可以更快更準(zhǔn)確的達(dá)到穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而提高生產(chǎn)的效率，再來看看 PID 控制算法道德一些特性了解到由線性控制理論可知 ,積分控制作用 (I)能消除穩(wěn)態(tài)誤差 ,但動態(tài) 響應(yīng)慢 。微分 (D)在信號變化時有超前控制作用，代表了將來的信息。此控制算法具有準(zhǔn)確性、快速性，穩(wěn)定性。最大動態(tài)偏差是指整個過渡過程中被控參數(shù)偏離給定值的最大差值；靜態(tài)偏差是過渡過程結(jié)束后被控參數(shù)與給定值之間的差值。當(dāng)然，過渡時間越短，控制過程進(jìn)行的就越快，系統(tǒng)品質(zhì)也就越好。 在使用 PID 指令向?qū)Ь幊虝r，指令向?qū)詣诱{(diào)用 PID 指令，并且編寫外圍的控制變量標(biāo)準(zhǔn)化換算、定時采樣等功能。但是這里整個系統(tǒng)的運(yùn)行存在一個明顯南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 29 的問題，那就是當(dāng)整個系統(tǒng)出現(xiàn)問題時就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)不會處在相對穩(wěn)定的狀態(tài)下工作，甚至停止工作，此時就需要人為控制設(shè)定，但是在這個系統(tǒng)中人為設(shè)定值時不變的，就會使得整個系統(tǒng)的工作曲線發(fā)生突變，瞬時的上升或者瞬時的下降導(dǎo)致原料和能源的浪費(fèi)，所以我們就需要這個設(shè)定值隨著系統(tǒng)的運(yùn)行不斷發(fā)生變化，避免在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時發(fā)生工作溫度、溶解氧、 ph、溫度、轉(zhuǎn)速發(fā)生突變對資源造成浪費(fèi)，下面圖 36 就應(yīng) 對這個問題對PID 輸出控制做出了相應(yīng)的調(diào)整以避免這種情況。 圖 39 無擾切換處理程序 /手動切換控制點(diǎn) ，使手動輸出值等于實(shí)際當(dāng)前值 ，把當(dāng)前反饋量換算為相應(yīng)的給定值 由此可見， PID 比例積分微分控制算法能夠準(zhǔn)確、快速 、穩(wěn)定的控制整個系統(tǒng)，是對系統(tǒng)進(jìn)行控制時的不二之選。其方式簡單 ,應(yīng)用方便。通信過程中，上位 PC 機(jī)與下位機(jī) PLC 之間要先發(fā)送握手信號，只有握手成功后，才可以進(jìn)行正常通信，傳送數(shù)據(jù)。南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 31 第四章 控制系統(tǒng)編程 PLC 編程軟件 STEP7MICRO Win SMART PLC 軟件程序設(shè)計(jì)的一般步驟： （ 1） 具體明了工藝和設(shè)備對控制系統(tǒng)的要求，必要是可以借助工作循環(huán)圖、流程圖以及時序圖。 （ 4） 通過編程器把編輯好的程序傳送到 PLC 中。其工作過程框圖如圖 41 所示。 (2)執(zhí)行程序。 完成上述三個階段稱作一個掃描周期。 為創(chuàng)建 s7 程序 ,表 31 列出的編程語言均可供使用。 表 41 PLC 的 編程語言 編程語言 用戶組 應(yīng)用 增量輸入 自由編輯模式 塊 可由 CPU 重新歸檔 語句表STL 偏好使用 類似機(jī)器碼 的語言 進(jìn)行 編程 的用戶 程序?qū)⒏鶕?jù)運(yùn)行時間 和存儲 器 要求進(jìn)行 優(yōu)化 梯形圖LAD 習(xí)慣于 使用電路圖 進(jìn)行工作的用戶 編輯 邏輯控制 程序 功能 塊圖 FBD 熟練布爾代數(shù)的 邏輯 框的用戶 編輯邏輯控制程序 FLAD、FFBD選項(xiàng)包 熟悉編程語言 LAD 和FDB 的用戶 編寫 F 系統(tǒng)的安全程序 SCL（結(jié)構(gòu)控制語言 ） 使用過 高級語言 例如 C語言進(jìn)行編程 的用戶 編寫 數(shù)據(jù)處理