【正文】 為創(chuàng)建 s7 程序 ,表 31 列出的編程語言均可供使用。 (2)執(zhí)行程序。 （ 4） 通過編程器把編輯好的程序傳送到 PLC 中。通信過程中，上位 PC 機與下位機 PLC 之間要先發(fā)送握手信號，只有握手成功后，才可以進行正常通信，傳送數(shù)據(jù)。 圖 39 無擾切換處理程序 /手動切換控制點 ，使手動輸出值等于實際當前值 ，把當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確、快速 、穩(wěn)定的控制整個系統(tǒng)，是對系統(tǒng)進行控制時的不二之選。 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準化換算、定時采樣等功能。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。微分 (D)在信號變化時有超前控制作用，代表了將來的信息。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 （ 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。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 ,對被控對象進行控制 ,故稱 PID 控制器。對于整個發(fā)酵裝置，此流程框圖實現(xiàn)的功能就是當罐溫沒有達到發(fā)酵系統(tǒng)所設(shè)定的溫度，也就是 75℃時需要加熱棒進 行加熱使得整個發(fā)酵罐的溫度達到發(fā)酵所需要的溫度，如果達到了就停止加熱，如果沒有達到就繼續(xù)加熱，經(jīng)過一定的時間，進入下一個選擇就是看罐溫是否達到發(fā)酵溫度，如果沒有達到就返回上一層繼續(xù)加熱，如果達到了就開始整個發(fā)酵過程，發(fā)酵計時開始并且開始發(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)進行發(fā)酵過程，如果確認發(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)，進而整個發(fā)酵過程結(jié)束。 南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 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行放大最終傳送到 PLC 的中央處理器中進行處理，然后 PID 控制，最終達到穩(wěn)定。 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。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。具有耐溫、耐酸堿、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點。 機身長度 /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行，適用于粘稠度不是很大的液體或者固液混合物。只要對步進電機的各相繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。蠕動泵也是這個原理只是由滾輪取代了手指。 控制 檢測 部分 控制部分 控制部分由步進電機和步進電機驅(qū)動器組成的蠕動泵，磁力攪拌器兩部分。其主機的外形結(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。在本次課題中選擇西門子系 列主要因為其廣泛的應(yīng)用。 S7200 PLC 的強大功能使其無論單機運行，或連成網(wǎng)絡(luò)都能實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。 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。 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：可靠性高，抗干擾能力強；結(jié)構(gòu)設(shè)計的模塊化；編程簡單，方便維修；功能完善，適應(yīng)性強。而且其擴展單元以及相應(yīng)的外圍設(shè)備均能與工廠的整個系統(tǒng)連為一體，擴展單元也易于接入。 自動加藥機在使用過程中，明顯提高了自動加藥的精度。首先綜合操作經(jīng)驗，因為在每個階段發(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。 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。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。設(shè)計出的這個微生物發(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，可以很容易的實現(xiàn)頻繁動作以及日常的維護工作，再者而言，這個系統(tǒng)大大減輕了勞動人員的工作強度，而且也不會需要工作人員進入惡劣的環(huán)境進行加藥等操作，經(jīng)濟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。隨著溶解氧以及通氣工藝在技術(shù)上的不斷進步發(fā)展，由表面培養(yǎng)進入到深層攪拌培養(yǎng)這種培養(yǎng)方式也應(yīng)運而生，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為是發(fā)酵工程史上的一 個里程碑。 作坊式或家庭式的發(fā)酵制作在長期的發(fā)展過程中漸漸演變出了發(fā)酵工程，也就是常說的“農(nóng)產(chǎn)手工加工時期”，而后又建立了一個階段，人們將化學(xué)工程也應(yīng)用到了發(fā)酵工程的工業(yè)化生產(chǎn)，也就是“近代發(fā)酵工程時期”，最后一切又回到了對于微生物生命活動的研究，設(shè)計和指導(dǎo)上來，這也就是所謂的“現(xiàn)代發(fā)酵工程”，從此發(fā)酵工 程步入了整個生物工程的行列。本文研究了微生物發(fā)酵自動 加藥的硬件選型和 PLC 軟件編程， WinCC 組態(tài)，以及PLC 與觸摸屏之間， PLC 與現(xiàn)場設(shè)備之間的信號采集與數(shù)據(jù)傳輸方式，接入了 ph，溫度， DO，液位等作為輸入?yún)?shù)，并且將實時的這些參數(shù)數(shù)據(jù)送往中央處理器進行處理，與設(shè)定值之間求差，并且將這一差值作為控制器的輸入值，經(jīng)過 PID 控制處理過后的輸出值自動計算出蠕動泵運行的占空比。整個系統(tǒng)通過傳感器采集對象參數(shù)輸出的模擬量信號，在中央處理器中經(jīng)過 相應(yīng) 控制算法 的計算后 ， PID 給出 輸出的調(diào)節(jié)信號，控制 器件 隨之 對 整個控制系統(tǒng)進行控制，最終達到穩(wěn)態(tài)，使整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行。手工作坊式是最原始的發(fā)酵制作，這種發(fā)酵完全就是從祖輩憑借他們的經(jīng)驗和技巧總結(jié)出來的一套流程來生產(chǎn)發(fā)酵產(chǎn)品，弊端就是由于是手工作坊，所以就會導(dǎo)致會有繁重的體力勞動，除此之外，整個發(fā)酵的生產(chǎn)規(guī)模也不會太大，產(chǎn)品也不會太多，整個生產(chǎn)效率也不會高，工業(yè)化的生產(chǎn)更是可望而不可即。 生物發(fā)酵行業(yè)不斷的發(fā)展便隨而來的是越來越多的關(guān)注，科技、工業(yè)、政府等業(yè)界都看到了這個行業(yè)更好的前景，越來越重視生化工業(yè)。 生物發(fā)酵過程自動加藥技術(shù)的現(xiàn)狀 發(fā)酵過程的進行是一個比較慢的過程，發(fā)酵在進行的過程中，發(fā)酵液中基質(zhì)的 濃度、菌體濃度、產(chǎn)物濃度都會發(fā)生變化，而且發(fā)酵液的性質(zhì)如密度、粘度、熱傳遞系數(shù)和氧傳遞系數(shù)等變化。 發(fā)酵反應(yīng)器中的溫度、 ph、 DO、攪拌量、液位的控制都是發(fā)酵系統(tǒng)中常見的環(huán)境因素。在 ph 的模糊控制中，首先將實際測量的 ph 值與設(shè)定值之間求差值，將這個求值作為過程的 輸入，加入酸或者加入堿的量就作為目標輸入，將 ph值和酸堿輸入量經(jīng)精確量模糊化，然后在轉(zhuǎn)換為模糊變量值，建立起與之相對應(yīng)的模糊規(guī)則，得出模糊關(guān)系，然后在這個關(guān)系的基礎(chǔ)上作出模糊判斷，計算出需要加入酸或者堿的量，使實際測量 ph 值與設(shè)定值之間的偏差不斷縮小，最終達到生物發(fā)酵生產(chǎn)的要求，取得理想的效果。給出了變化區(qū)域的知識庫，推理機運用知識庫中知識進行推理，兩者相結(jié)合最終 使得溶解氧得到控制。除此之外，由于 PLC 的反饋調(diào)節(jié)控制使得選礦質(zhì)量更加優(yōu)良，更加穩(wěn)定，而且耗藥量也有了明顯下降，效率明顯提高，由于自動加藥機處于穩(wěn)定的高效處理階段，所以最終的精礦后的雜質(zhì)也減少了不少，為工廠公司帶來的效益顯著提高。 在美國的馬薩諸塞州，上世紀 60 年代末，世界上誕生第一種 PLC。 PLC 是一個工業(yè)控制器，其主要的運 算方式就是二進制邏輯運算。其可以使用模塊化結(jié)構(gòu)進行自由組合，包括添加 各種輔助接口，擴展模塊，令其功能大大的增強。 S7200PLC 可提供 4 個不同的基本型號與 8 種 CPU 可供選擇使用。而在西門子系列中又有 S7200、S7300、 S7400 等型號。由于 TIA 集成的獨一無二的技術(shù)，您可以大量減少組態(tài)時間，從而降低工程總費用。 蠕動泵由三部分組成：驅(qū)動器，泵頭和軟管。通過對泵的彈性輸送軟管交替進行擠壓和釋放來泵送流體。步進電機驅(qū)動器 實物圖以及各參第三章 生物發(fā)酵自動加藥控制系統(tǒng)的工作原理及運行特性 14 數(shù)如圖 22 所示 ： 圖 22 步進電機驅(qū)動器 下面對于步進電機驅(qū)動器 的使能以及脈沖信號的 頻率 進行詳細的說明 ：步進電機根據(jù)外來的脈沖，通過其內(nèi)部的邏輯電路控制步進電機的繞組按一定次序通電，從事實現(xiàn)其運轉(zhuǎn)。利用了磁場和漩渦的原理將液體放入容器中后，將攪拌子同時放入液體，當?shù)鬃a(chǎn)生磁場后，帶動攪拌子成圓周循環(huán)運動從而達到攪拌液體的目的。是石油、化工、科研、大專院校、醫(yī)療等單位化驗室、實驗室攪拌液第三章 生物發(fā)酵自動加藥控制系統(tǒng)的工作原理及運行特性 16 體之佳品。并由聲波的發(fā)射和接收之間的時間來計算傳感器到被測物體的距離。超聲波脈沖以聲速傳播，超聲波從發(fā)射到接收所用的時間與探頭到被測介質(zhì)表面的距離成反比。 圖 27 ph 傳感器 第三章 生物發(fā)酵自動加藥控制系統(tǒng)的工作原理及運行特性 20 圖 28 DO 檢測傳感器南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 21 第三章 生物發(fā)酵自動加藥控制系統(tǒng)的工作原理及運行特性 生物發(fā)酵自動加藥控制系統(tǒng)的工作原理 基于 PLC 的自動加藥機是以 SIMATIC 系列的 PLC200 SMART 可編程控 制器為加藥控制核心，以西門子觸摸屏為人機交互界面，以在步進電機驅(qū)動器下運作的蠕動泵，變頻調(diào)速器下運作的超聲波液位器以及磁力攪拌器為加藥系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)，用計算機對整個加藥系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和操作的一種遠程控制的定量加藥設(shè)備。 第三章 生物發(fā)酵自動加藥控制系統(tǒng)的工作原理及運行特性 24 圖 36 發(fā)酵系統(tǒng) PLC 流程圖 下面對于整個系統(tǒng)進行詳細的解說，首先打開系統(tǒng)的開關(guān) ，整個系統(tǒng)進入準備階段，開機之后，整個系統(tǒng)會進行開機自檢及數(shù)據(jù)的初始化，檢定一切正常之后進入主程序，首先進入的是滅菌程序，因為微生物發(fā)酵會產(chǎn)生許多的污物，所以，整個系統(tǒng)中滅菌是必須要有的，詢問是否滅菌，如果之前已經(jīng)進行過滅菌此時就不需要再進行滅菌，那就可以直接進入發(fā)酵的過程，如果需要滅菌，那下一步是確保關(guān)閉了發(fā)酵程序，否則發(fā)酵的微生物都將被滅菌的程序殺死，更不用說什么進行下一步發(fā)酵了，所以首先第一步就是關(guān)閉發(fā)酵，下一步就是進行滅菌子程序的施行，之前對于子程序已經(jīng)作了詳細的說明，在此就不再多說了，執(zhí)行完滅菌的 子程序之后詢問滅菌是否結(jié)束，可能剛剛的滅菌還會有菌體的殘留就需要再次進行滅菌，如果不需要就進入下一步發(fā)酵過程了，詢問是否發(fā)酵，總之記住一點就是發(fā)酵和滅菌是相對來說兩個獨立的子程序，而且，兩者之間不能同時運行，要么就是南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 25 發(fā)酵關(guān)閉滅菌程序，要么就是滅菌就必須關(guān)閉發(fā)酵程序，詢問發(fā)酵之后如果發(fā)現(xiàn)原料不足或者操作者有什么其他事宜，再或者其他什么原因?qū)е掳l(fā)酵沒有辦法進行，那就直接跳到最后一步發(fā)酵結(jié)束，再然后整個系統(tǒng)結(jié)束運行，如果進行發(fā)酵的話，關(guān)閉滅菌，進行下一步進入發(fā)酵，下面幾方面的控制是同時進行的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、 ph 調(diào)節(jié)、 DO 調(diào)節(jié)這幾個方面對于微生物發(fā)酵都是非常重要的，任何一方面都是缺一不可的，詢問是否需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，如果轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到穩(wěn)態(tài)，不需要再進行調(diào)節(jié)，那就到達下一步，如果沒有達到穩(wěn)態(tài)就需要調(diào)用轉(zhuǎn)速子程序?qū)D(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，來控制發(fā)酵的效率，溫度調(diào)節(jié)也和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)很類似，如果對于發(fā)酵的溫度不滿足條件的情況下就需要調(diào)用溫度子程序，前面已經(jīng)對于溫度調(diào)節(jié)的 PLC 程序進行詳細的說明， ph 以及溶解氧（ DO）的調(diào)節(jié)也是幾乎相同的，當這些都達到了穩(wěn)定的狀態(tài)，到達下一步詢問是否發(fā)酵是否結(jié)束，如若沒結(jié)束就返回上一級繼續(xù)進行發(fā)酵，調(diào)節(jié)溫度 、轉(zhuǎn)速、 ph 和 DO，如果達到了穩(wěn)態(tài)就直接執(zhí)行下一條語句發(fā)酵結(jié)束，進而結(jié)束發(fā)酵系統(tǒng)的整個發(fā)酵過程。 其控制規(guī)律為： ])()()()(1