【正文】 )([)(0I tdtdeTtdteTteKtu Dt ??? ?? 寫成傳遞函數(shù)的形式： )11()( )()( STSTKSE SUsG DIP ???? 式中， KP—— 比例系數(shù)； Tl—— 積分時間常數(shù)； TD—— 微分時間常 數(shù)。因此一般不用于流量和液位 控制系統(tǒng)。在過程開始時強迫過程進行，過程結(jié)束時減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過渡過程?，F(xiàn)場中希望兩個偏差越小越好。用戶在使用 PID 指令向?qū)r，需要在用戶程序中 用 調(diào)用指令向?qū)傻淖映绦颍ㄈ? PIDx_INIT 子程序）。 上下位機 的通信流程 系統(tǒng)設(shè)計中一個重要的問題就是 PC 機和 PLC 之間的通信。如果握手不成功，就應該檢查網(wǎng)絡(luò)，檢查過程中下位機不能正常工作。 （ 5） 調(diào)試程序，修改程序，直到滿意為止。 PLC 按用戶程序中的指令逐條執(zhí)行，同時把執(zhí)行結(jié)果暫時存儲起來，使元件的狀態(tài)隨著程序 執(zhí)行的過程而變化。標 準 STEP7 軟件包提供有 STEP7編程語言 LAD、 FBD 以及 STL。 PLC 采用的串行工作方式 ,可以減少瞬間干擾所引起的誤動作 ,增強系統(tǒng)的抗干擾能力。在執(zhí)行面的過程時，無論輸入信號如何變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容都保持不便，直到下一個掃描周期開始。 （ 3） 根據(jù)控制要求設(shè)計程序。因為通信是在上位機與下位機之間協(xié)調(diào)進行的，所以通信程序也應該協(xié)調(diào)，一方處于發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)時，另一方應該處于接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。 因此，編寫了以下的算法程序來應對這種情況。如圖35 所示。準確性指被控參數(shù)的實際值與給定值之間的動態(tài)偏差和靜態(tài)偏差。比例 (P)代表了當前的信息，起糾正偏差的作用，使過程反應迅速。 下面介紹一下常規(guī) PID 組合成的控制方案： (1)比例積分 (PI)調(diào)節(jié) : PI 調(diào)節(jié)器就是利用 P 調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響 ,同時利用 I 調(diào)節(jié)消除殘差 ,但 I 調(diào)節(jié)會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ,這種調(diào)節(jié)器在過程控制中是應用最多的一種調(diào)節(jié)器。 圖 37 常規(guī) PID 控制 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 26 PID 控制器是一種線性控制器 ,它根據(jù)給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)構(gòu)成控制偏差 :e(t)=r(t)c(t)。維持發(fā)酵罐的溫度對于整個發(fā)酵過程而言是非常重要的一個環(huán)節(jié)。溫度傳感器結(jié)合變送器將模擬信號，比如 420ma，05v 直接連接 PLC， PLC 通過讀取信號，程序中設(shè)立 4mA 和 20mA 的分別對應的溫度值，可以計算出傳感器顯示 的溫度。脈沖發(fā)送和接收之間的時間（聲波的運動時間）與換能器到物體表面的距離成正比，聲波傳輸?shù)木嚯x S 與聲速 C 和傳輸時間 T 之間的關(guān)系可以用公式表示： S= CⅩ T/2。 超聲波液位計是由微處理器控制的數(shù)字物位儀表。聚四氟乙烯全封永磁攪拌子，耐化學腐蝕，耐磨，無毒性，攪拌力強，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，型號規(guī)格齊全，最高工作溫度 120度左右。步進電機具體參數(shù)如表格 21 所示： 表 21 步進電機具體參數(shù) 型號 步距角 /。步進電機驅(qū)動器的原理，采用單極性直流電源供電。 原理是蠕動泵就像用手指夾擠一根充滿流體的軟管，隨著手指向前滑動管內(nèi)流體向前移動。 西門子視窗控制中心 SIMATIC 系列面板 Smart Line 具有 以下幾個 特點 ：高分辨率寬屏顯示 ； 背光，節(jié)能降耗 ； 強大且豐富的通訊能力 ； 高性能處理器、高速外部總線及 64M DDR 內(nèi)存 ； 德國品質(zhì)輕松擁有 ； 先進的生產(chǎn)失效故障模式分析 ； 先進的工業(yè)設(shè)計理念 ； 可靠的南京工業(yè)大學 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 13 電源設(shè)計 ； 軟件特點 ； 變量管理 ； 報警管理 ； 豐富的畫面對象庫 ； 豐富的動畫效果簡單的生成方式 ； 高效、智能的組態(tài)方式 ； 獨一無二的多語言組態(tài) ； 輕松的項目更新與維護 。 S7200 系列 PLC 可提供 4 個不同的基本型號與 8 種 CPU 可供選擇使用。 PLC 選擇的方案有很多種，可以采用歐姆龍、西門子、三菱 PLC、施耐德系列等。 SIMATIC S7200 PLC S7200 PLC 是超小型化的 PLC，它適用于各行各業(yè)，各種場合中的自動檢測、監(jiān)測及控制等。 S7 系列 PLC 產(chǎn)品可分為微型PLC(如 S7200),小規(guī)模性能要求的 PLC(如 S7300)和中、高性能要求的 PLC(如 S7400)等。另外值得關(guān)注的是， PLC 的應用擠占了單片機市場，除此之外， PLC 在通訊和網(wǎng)絡(luò)方面的進步，使 PLC 從單體或局部控制向大型生產(chǎn)過程控制邁進。 PLC 所采用的存儲器比較特殊，可以用來編程， PLC 的存儲器可以用來執(zhí)行一系列操作 的指令，例如：邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)等等指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出 ,控制各種類型機械的生產(chǎn)過程。 生物發(fā)酵過程自動加藥技術(shù)的應用前景 之前基于 PLC 的自動加藥系統(tǒng)已在多領(lǐng)域投入使用，例如選礦廠等，原理類似，所以就拿基于 PLC 的自動加藥系統(tǒng)在選礦廠的實際生產(chǎn)情況分析生物發(fā)酵過程自動加藥技術(shù)的應用前景，自動加藥系統(tǒng)在很多方面都起到了積極有效的作用，對于選礦廠的技術(shù)管理有了明顯的規(guī)范，還有就是 操作都是由機器自動去完成，大大降低了工作人的勞動強度，而且機器的自動加藥更加有效，一方面降低了耗藥量，節(jié)約了成本，另一方面整個加藥系統(tǒng)南京工業(yè)大學 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 7 很穩(wěn)定，基本維持在高效運轉(zhuǎn)，顯著提升了生產(chǎn)效率，為公司創(chuàng)造了更好的效益。所以，對于這一參數(shù)的控制我們將采用人工智能的方法 —— 專家系統(tǒng)。 除了生物發(fā)酵設(shè)備，隨著生物發(fā)酵行業(yè)技術(shù)的日趨進步，研究人員也不斷的創(chuàng)新，更加穩(wěn)定的控制著發(fā)酵反應器內(nèi)部的參數(shù)，后來這些參數(shù)有些甚至可以直接進行獨立的控制，下面詳細了解一下這幾種較為成 熟的控制實現(xiàn)方式，例如： ph 值得控制方法、溫度控制方法、溶解氧控制方法、消泡控制方法。另一種控制發(fā)酵過程的方式是在線控制，這種控制方法是將實際測量值和發(fā)酵之前的設(shè)定值兩者之間相互比較，之間的所產(chǎn)生的偏差會被 PLC 中的反饋控制調(diào)節(jié)器檢測并且按照既定的編程自動對實際測量值進行調(diào)整，進而逐漸縮小偏差量，最終使得實際測量值和設(shè)定值之間能夠維持一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，通俗一點來說就是將實際測量值控制在設(shè)定值附件，使整個系統(tǒng)依舊高效的運轉(zhuǎn)。這個系統(tǒng)經(jīng)過實際的運行使用，成功的解決了以上所說的兩個問 題，系統(tǒng)控制精度高，采用 PID 控制調(diào)節(jié)來抗干擾并且維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。深層發(fā)酵顧名思義也就是將微生物放在液體的底物里面進行培養(yǎng)，這樣就可以與表面培養(yǎng)之間相互形成比較。在輕工發(fā)酵行業(yè)中，各個國家面臨著與日俱增的全球競爭，由此利用計算機自動控制整個發(fā)酵過程的技術(shù)應運而生，這種新興技術(shù)也使各個國家強烈需求的。 本文在介紹了生物發(fā)酵控制技術(shù)現(xiàn)如今的發(fā)展概況以及 PLC 在整個控制行業(yè)的應用情況，根據(jù)設(shè)計的要求，構(gòu)建了由 PLC 作為下位機，西門子觸摸屏作為監(jiān)控面板的自動加藥控制系統(tǒng)。 改造 后的微生物自動加藥控制系統(tǒng)集技術(shù)性、操作性、實用性、科研性于一體。于是，隨著人們的需求不斷增多，越來越多新的嘗試應用用到了發(fā)酵制造上來，隨著化學工程和農(nóng)業(yè)化學方面的知識運用到發(fā)酵生產(chǎn)過程中，工業(yè)化的發(fā)酵制造逐漸得到了一些實現(xiàn)，人們首先規(guī)范了發(fā)酵生產(chǎn)工藝，在技術(shù)方面，人工搬運的肩挑 手提式制造逐漸被管道運輸和泵所取代，以機器代替了人工，實現(xiàn)了發(fā)酵工程的初步工業(yè)化，這一次發(fā)酵生產(chǎn)效率相較于之前的人工作方式有了明顯提升，原因就是人們在發(fā)酵生產(chǎn)過程中融入了化學工程和農(nóng)業(yè)化學的相關(guān)知識。由此，生物發(fā)酵罐的體積也由幾立方米不斷發(fā)展到了幾十立方米，再到現(xiàn)如今的幾百立方米，有的地方甚至達到了上千立方米。除了這些變化，隨著發(fā)酵的進行，發(fā)酵液的溫度、 ph、 DO、體積都會不斷第一章 引言 4 發(fā)生變化，這就需要監(jiān)控界面要實時的反應出變化的曲線，并且可以進行一些簡單的控制，這樣就可以保證生產(chǎn)效率盡可能的高。隨著計算機檢測技術(shù)的不斷發(fā)展以及監(jiān)控觸摸屏相關(guān)產(chǎn)品的出現(xiàn)，生物發(fā)酵系統(tǒng)也將這一技術(shù)應用到了其中。 溫度控制方法：對于生物發(fā)酵中的溫度控制可以借鑒之前的在線控制，采用分段的反饋調(diào)節(jié)算法，將各個階段的反饋參數(shù)固化在控制器內(nèi)部，雖然這種控制算法不能說像 ph 值調(diào)節(jié)那么準確，但是在實際的應用上卻是收到了很好的效果。在生物發(fā)酵實際進行中，專家系統(tǒng)會根據(jù)知識庫中的知識不斷的和內(nèi)部的知識進行比較，在知識庫中找到相對應的變化區(qū)域，根據(jù)此變化區(qū)域的規(guī)則和語句對溶解氧進行控制。 所以，基于 PLC 型的生物發(fā)酵過程自動 加藥機結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，基本無故障。隨后， 70 年代是PLC 的第一階段，這個階段 PLC 開始發(fā)展起來，初步應用于汽車流水線。 PLC 現(xiàn)在被廣泛應用于國內(nèi)外的工控領(lǐng)域，計算機技術(shù)和控制技術(shù)在 PLC 上得到了結(jié)合，這也體現(xiàn)了 PLC 相較于單片機擁有更強大的功能以及優(yōu)點，優(yōu)點就在于：故障率低，順序控制、數(shù)據(jù)處理等等工業(yè)控制領(lǐng)域常用的功能都可以在 PLC 上得到很好的完成。 S7200 系統(tǒng) PLC 的優(yōu)點： 南京工業(yè)大學 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 9 （ 1） S7200 配置較靈活，除主機單元以外，還可以擴展 I/O 模塊， A/D 、 D/A 模塊以及其它的特殊功能模塊。 SIMATIC S7200 系列特點是一種小型的 PLC，此款 PLC 擁有一些 S7300 和 S7400 無法比擬的有單，其設(shè)計緊湊、擴展性良好、指令完成功能強大以及價格低廉， S7200 PLC這些優(yōu)點也很好地滿足了小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的要求。 SIMATIC S7200 SMART 是西門子公司經(jīng)過大量市場調(diào)研，為中國客戶量身定制的一款高性價比小型 PLC 產(chǎn)品。 西門子 順應市場需求推出的全新 SIMATIC 精彩觸屏（ Smart Line ），準確地提供了 人機界面 的標準功能，經(jīng)濟實用，具備高性價比。流體被隔離在泵管中 、可快速更換泵管、流體可逆行、可以干運轉(zhuǎn)，維修費用低，等特點構(gòu)成了蠕動泵的主要競爭優(yōu)勢。就像用兩根手指夾擠軟管一樣 ,隨著手指的移動 ,管內(nèi)形成負壓 ,液體隨之流動。對于電機的控制 是通過使能端的電信號也就是脈沖信號才會讓電機中線圈繞組進行通電，然后電力產(chǎn)生磁力今兒控制電機轉(zhuǎn)動一定的角度，那么電機的運轉(zhuǎn)速度就是由于 PWM波的占空比，通電之后轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動一定的角度，可以看見圖示中步進電機驅(qū)動器上有兩個表格，上面的表格代表轉(zhuǎn)一圈所需要的角度和步數(shù)，這可以通過步進電機驅(qū)動器周邊的開關(guān)進行設(shè)定，下面的表格代表各個工作時所設(shè)定的電流的以及在此電流工作下的電流峰值。配合溫度控制裝置，可以根據(jù)具體的實驗要求控制并維持樣本溫度，幫助實驗者設(shè)定實驗條件，極大的提高了 實驗重復性的可能?？捎糜诟鞣N類型的磁力攪拌器中。 我們這一次選用的超聲波液位器是 MSUL 系列的超聲波液位器，具體型號是：MSUL301（一體式）。 下面 我們 來看 控制 溫度的 液位計，首先 對于溫度的 檢測裝置分為兩個部分，一部分是傳感器部分 ， 由于 溫度傳感器所測量 的電流值過小，大約在 ， 但是 PLC 無法檢測 到這么小的電流值，因此另一部分就是 溫度的 變送器， 如圖 24 所示，其常用接線 如圖 25 所示 ， 因為電流值 過小，所以經(jīng)過 必須經(jīng)過 放大才能使得這個電信號能夠被 PLC 所接受到 ，進而通過 PLC 內(nèi)部 的控制算法對整個系統(tǒng)進行控制 ，方法就是 通過 變送器 給出 一個恒流值 ，因為變送器 內(nèi)部有一個 PT100 的 熱敏電阻， 這種電阻 有一個特性就是隨著溫度的增加進而電阻值會不斷增加，因而 溫度傳感器 經(jīng)過 變送器的 單元會 送出 420mA 的 電流值給 PLC，這樣 的 模擬 量 信號就能被 PLC 接收。系統(tǒng)具體由可編程控制器 PLC 200 SMART、西門子人機對話單元 HMI(觸摸屏 )、計算機工作站、給藥電機等組成。這就是微生物發(fā)酵過程自動加藥控制系統(tǒng)的 PLC流程框圖。 簡單來說 ,PID 控制器各環(huán)節(jié)的作用如下 : (l)比例環(huán)節(jié) (P):即時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。 PD 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 : )1(1)1()( STSTKSG DDPC ???? ? (3)比例積分微分 (PID)調(diào)節(jié)器 : PID 是常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一種調(diào)節(jié)器。積分 (I)代表了過去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)靜態(tài)特性。快速性指過渡過程的 持續(xù)時間，即從干擾發(fā)生起至被控參數(shù)又建立新的平衡狀態(tài)為止的過渡時間。 PID 向?qū)Э梢陨蓭ё詣?/手動切換功能的子程序，這個子程序使用一個數(shù)字量點為“ 1”、“ 0”的狀態(tài)來控制是否投入 PID 自動控制。其通信程序流程圖如圖3 311 所示。此過程將會重復進行，一直持續(xù)到 PC 機與 PLC 之間的數(shù)據(jù)傳送完畢。 （ 6） 程序設(shè)計完成后，應進行在線調(diào)試。 第四章 控制系統(tǒng)編程 32 (3)刷新輸出?？砂催x項軟件包購買其他的編程語言。 PLC 對信號的輸入、數(shù)據(jù)的處理和控制信號的輸出分別在一個掃描周期的不同時間進行，這種方式有助于排除系統(tǒng)中受到的干擾。即檢查各輸入的開關(guān)狀態(tài) ,將這些狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲起來為下一階段使用。 （ 2） 依據(jù)工程設(shè)備的需求， 統(tǒng)計 所有輸入、輸出信號，進行 I/O 分配。由于硬件的連線比較簡單，不易檢測通信的 誤