【正文】 過(guò)程當(dāng)中，提高著生物發(fā)酵的生產(chǎn)效率，讓整個(gè)系統(tǒng)過(guò)程自動(dòng)化的程度越來(lái)越高，穩(wěn)定性也越來(lái)越好，調(diào)節(jié)的速度也越來(lái)越快， 這些都是不斷發(fā)展的科學(xué)技術(shù)為生物發(fā)酵行業(yè)所帶來(lái)的不斷改進(jìn)?，F(xiàn)如今，市場(chǎng)上出現(xiàn)的生物發(fā)酵控制器主要有三種形式：以 MCU 為核心；可編程控制器 PLC 為基礎(chǔ)；工控機(jī)。在生物 發(fā)酵系統(tǒng)的溫度控制上，如果采用熱交換，這將會(huì)產(chǎn)生很大的時(shí)間滯后，而且，還具有不確定性，但是如果采用具有快速性、穩(wěn)定性的比例積分微分控制算法調(diào)節(jié)（ PID 調(diào)節(jié)），所以，反饋控制和熱交換兩者相結(jié)合，這個(gè)方法將會(huì)使得實(shí)際測(cè)量值在一個(gè)狀態(tài)下到達(dá)設(shè)定值所運(yùn)行的時(shí)間最短，也就是最優(yōu)。這就是所謂的溶解氧控制方法。在節(jié)省藥劑、提高生產(chǎn)效率等方面取得了顯著的效益，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分明顯。 80 年代是 PLC的第二階段，這個(gè)階段 PLC 的發(fā)展技術(shù)逐漸走上成熟，在此時(shí)，結(jié)合了微電子處理器技術(shù)，使得當(dāng)代的 PLC 大受推廣，以每年 20%的速率增長(zhǎng)，也正是由于這個(gè)階段 的發(fā)展， PLC 成為了工控領(lǐng)域不可獲取的器件。 PLC 控制有著其他設(shè)備沒(méi)有的特點(diǎn)： 可靠性較高，抗干擾性能較強(qiáng) ； 編程比較簡(jiǎn)單 ； 功能完善，適應(yīng)能力較強(qiáng) ； 使用簡(jiǎn)單，調(diào)試維修比較方便 ； 體積較小，重量較輕，功耗較低 。 （ 2） S7200 的指令功能豐富，含有各種指令，并且指令執(zhí)行速度比較快。 S7200 PLC 能夠自動(dòng)完成檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、控制等等功能，如此強(qiáng)大的功能也奠定 S7200 PLC 在小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)中的核心地位，而且可以應(yīng)用于各行各業(yè)。結(jié)合西門(mén)子 SINAMICS 驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品及 SIMATIC 人機(jī)界面產(chǎn)品，以 S7200 SMART 為核心的小型自動(dòng)化解決方案將為中國(guó)客戶創(chuàng)造更多的價(jià)值。西門(mén)子精彩觸屏采用全新的高分辨率 16:9 寬屏液晶顯示和先進(jìn)的工業(yè)設(shè)計(jì)理念，使設(shè)備操作變得更加輕松快捷，引領(lǐng)人機(jī)界面產(chǎn)品進(jìn)入高分辨率寬屏顯示時(shí)代。 我們這一次選用的蠕動(dòng)泵是由南京潤(rùn)澤流體控制設(shè)備有限公司生產(chǎn)的 YZ1515X的蠕動(dòng)泵。再更深一步對(duì)蠕動(dòng)泵進(jìn)行講解，蠕動(dòng)泵是由兩相的步進(jìn)電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器兩部分組成的。 我們這一次使用的驅(qū)動(dòng)器是雷塞科技的 M542 驅(qū)動(dòng)器，比 具有更低的電機(jī)南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 15 發(fā)熱、運(yùn)行噪聲和更高的平穩(wěn)性，以及更低的成本，主要驅(qū)動(dòng) 4 57 型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。其工作原理是利用磁性物質(zhì)同性相斥的特性，通過(guò)不斷變換基座的兩端的極性來(lái)推動(dòng)磁性攪拌子轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)磁性攪拌子的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)樣本旋轉(zhuǎn)，使樣本均勻混合；通過(guò)底部溫度控制板對(duì)樣本加熱，配合磁性攪拌子的旋轉(zhuǎn)使樣本均勻受熱，達(dá)到指定的溫度；通過(guò)加熱功率調(diào)節(jié)，使升溫速度可控，以適用更廣闊的樣本處理過(guò)程。磁力攪拌器我們采用型號(hào)的是上海司樂(lè)儀器有限公司的 961，攪拌容量水在 100050000ml，電機(jī)功率為 100W，該公司產(chǎn)品外型美觀、內(nèi)在質(zhì)量高，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理、技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、使用方便，產(chǎn)品行銷全國(guó)各地。 UL 系列超聲波物位儀表是一種非接觸式物位檢測(cè)儀器，直接安裝在被測(cè)介質(zhì)的上方，利用超聲波在空氣中發(fā)生并回收通過(guò)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理直接以物位的形式顯示出來(lái)的原理，并通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換輸出 420mA 的模擬信號(hào)到控制終端，因此又稱為超聲波液位變送器。除此之外還有一點(diǎn) 需要注意，那就是有 一些 傳感器和變速器是一體式的， 這樣可以 減少 此種 傳感器的體積，更加快捷的投入使用，但是我們這一次沒(méi)有選用這樣的傳感器， 因?yàn)閷?duì)于 微生物發(fā)酵而言 ，溫度傳感電極 所處的 發(fā)酵環(huán)境 是相當(dāng)惡劣的，這 也就意味著這 種 環(huán)境 對(duì)于傳感電極 的損耗 也是 相當(dāng)大的，如果采用一體式的 溫度檢測(cè)裝置 ，這樣不僅可以方便日后對(duì)于傳感電極的替換 ， 而且一體式的 溫度檢測(cè)裝置 價(jià)格 較高 ，而且 一體式 就意味著傳感電極損壞也就導(dǎo)致整個(gè)傳感裝置損壞， 所以 使用這種 分為 兩部分的 溫度測(cè)量裝置 不僅 能夠方便 快捷的 更換 元器件，從而 減少 了發(fā)酵系統(tǒng)的運(yùn)作 的 耽誤時(shí)間，而且 大大 節(jié)省了在這一方面的成本，這也是使用這種 溫度檢測(cè)裝置 的原因。生物發(fā)酵自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)的工作原理可以看成一個(gè)小型的 DCS 系統(tǒng)，如圖 32 所示： 圖 32 發(fā)酵系統(tǒng)框圖 整個(gè)系統(tǒng)的流程如下：首先通過(guò)信號(hào)采集模塊即參數(shù)傳感器（如 ph 傳感器、溫度傳感器等）采集到相應(yīng)的信號(hào)，經(jīng)由 A/D 轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢后傳遞到 PLC200 smart， PLC200 smart 控制器根據(jù)人機(jī)界面發(fā)出的控制指令，根據(jù)相應(yīng)的控制算法進(jìn)行計(jì)算后，將輸出的控制信號(hào)傳遞給 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，控制信號(hào)經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后傳遞給控第三章 生物發(fā)酵自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)的工作原理及運(yùn)行特性 22 制設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制設(shè)備的控制。 PLC 編程使用了 PID 控制算法，這個(gè)算法對(duì)于控制整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定也是非常重要的。它對(duì)控制作用和擾動(dòng)作用的響應(yīng)都很快，主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)有靜差存在。由于它具有各類調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn) ,因而使系統(tǒng)具有更高的控制質(zhì)量。此三作用配合得當(dāng)，可使動(dòng)態(tài)過(guò)程快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確，收到良 好的效果。一般認(rèn)為被控參數(shù)進(jìn)入偏離給定值范圍內(nèi)就基本穩(wěn)定了。 圖 38 PID 向?qū)芍噶? ，實(shí)數(shù) /手動(dòng)控制， “ 1” =自動(dòng)， “ 0” =手動(dòng) ， 之間的一個(gè)實(shí)數(shù) 控制輸出值 這是一個(gè)最簡(jiǎn)單的 PID 控制算法語(yǔ)句， 代表著整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)，當(dāng)有脈沖時(shí)這個(gè)語(yǔ)句就 會(huì)運(yùn)行， a 代表過(guò)程反饋量，表示整個(gè)過(guò)程一周期下來(lái)會(huì)和設(shè)定值存在一定的偏差，PID 就會(huì)根據(jù)這個(gè)值進(jìn)行調(diào)整，一直到整個(gè)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定， b 是一個(gè)設(shè)定值，不用多說(shuō)， c是自動(dòng) /手動(dòng)控制的，“ 1”代表系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行控制整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，“ 0”代表手動(dòng)控制整個(gè)系統(tǒng)，設(shè)定一個(gè)值，效率不會(huì)有自動(dòng)控制的效率高，但是也不能省略這個(gè)點(diǎn)，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)就需要人為介入，調(diào)整一個(gè)值，將系統(tǒng)調(diào)整為一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)， d 代表手動(dòng)控制的輸出值，也就是手動(dòng)控制時(shí)測(cè)定為人為輸入的一個(gè)值， e 代表控制輸出值就是 PID 調(diào)節(jié)輸出增量 +初 始值輸出，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)需要達(dá)到的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)值區(qū)間， PID 根據(jù)這個(gè)區(qū)間自動(dòng)調(diào)節(jié) PID 控制輸出值。 第三章 生物發(fā)酵自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)的工作原理及運(yùn)行特性 30 圖 310 上位 PC機(jī)通信流程 圖 311 下位機(jī) PLC機(jī)通信流程 設(shè)計(jì)中采用 MPI 網(wǎng)絡(luò)完成上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。軟件握手的加入提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送的效率 ,但是速度相對(duì)減慢。 順序控制，循環(huán)掃描是 PLC 的工作方式， PLC 上電之后首先就是對(duì)于模塊的檢查以及初始化，然后根據(jù)程序的存放先后順序執(zhí)行語(yǔ)句，一個(gè)工作過(guò)程分為三個(gè)階段，也就是輸入采樣、用戶程序執(zhí)行以及輸出刷新三個(gè)階段。按第 1 階段的輸入狀態(tài)在第 2 階段執(zhí)行程序中所確定的結(jié)果，在本階段中對(duì)輸出予以刷新，然后通過(guò)一定的方式進(jìn)行輸出并驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。然后即可選擇多種不同的編程方法 (梯形圖、功能塊圖、語(yǔ)句表、標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言、順序控制、狀態(tài)圖 ),并選擇是使用基于文本的編程語(yǔ)言 ,還是圖形編程語(yǔ)言。在整個(gè)運(yùn)行期間， PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 圖 41 PLC 工作過(guò)程框圖 (l)輸入采樣。這一步是整個(gè)應(yīng)運(yùn)程序的核心工作。為了保證 PLC 與 PC 機(jī)之間通訊的可靠性，設(shè)計(jì)中加入了軟件握手的方法。為了實(shí)現(xiàn)這種無(wú)擾動(dòng)切換，就必須達(dá)到以下兩個(gè)要求：首先， 在從自動(dòng)向手動(dòng)切換時(shí)，使手動(dòng)輸出值（ VD20xx）等于當(dāng)前的實(shí)際控制輸出值 。所以確定用 PID 控制算法可也更好的執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)算法，而且能夠更好的提高生產(chǎn)效率。穩(wěn)定性是指控制系統(tǒng)在受到干擾作用后，系統(tǒng)的平衡被破壞，在控制設(shè)備的控制作用下，控制系統(tǒng)能恢復(fù)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，稱為穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。比例控制作用 (P)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 ,而比例積分控制作用既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度 ,又能具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Tl， Tl 越大 ,積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 PID 控制是控制器中最常用的控制算法，常規(guī) PID 控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 34 所示?，F(xiàn)場(chǎng)如圖 33 所示： 圖 33 發(fā)酵系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)圖 生物發(fā)酵自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)的運(yùn)行特性 下面對(duì)于發(fā)酵系統(tǒng) PLC 流程框圖進(jìn)行說(shuō)明，如圖 36，因?yàn)槲⑸锇l(fā)酵過(guò)程自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)需要控制的幾個(gè)點(diǎn)有溶解氧、溫度、 ph、攪拌轉(zhuǎn)速、液位，雖然方面不同，但是除了對(duì)于信號(hào)的接收傳感器不一樣之外，其他基本類似，因此我們將提取一個(gè)子程序進(jìn)行敘述，如圖 35 對(duì)于溫度實(shí)現(xiàn)控制。對(duì)于溫度的檢測(cè)傳感器原理與對(duì) ph 的檢測(cè)原理類似，這就需要首先溫度傳感器是一個(gè)精準(zhǔn)的溫變電阻，溫度不同阻值不同， PLC 專門(mén)的熱電阻模塊可以測(cè)量出電阻通過(guò)內(nèi)部計(jì)算出實(shí)際溫度值，由于電纜有長(zhǎng)度，會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)度，會(huì)做電阻補(bǔ)償。我們所使用的 + 南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 17 超聲波液位計(jì)具有以下幾個(gè)幾個(gè)特點(diǎn)：在外觀設(shè)計(jì)上，產(chǎn)品使用車模，外觀設(shè)計(jì)優(yōu)于市面一般產(chǎn)品；在數(shù)顯表頭上，采用了高亮數(shù)碼管顯示，也可定制液晶顯示；在接口上采用防水接口，安全，可靠。 圖 23 檢測(cè)部分 與 PLC 連接圖 檢測(cè)部分主要就是各種參數(shù)測(cè)量的傳感器， ph，溫度， DO，攪拌量，液位等參數(shù)的傳感器，然后將這些參數(shù)信號(hào)進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換然后輸入到中央處理器進(jìn)而讓整個(gè)發(fā)酵系統(tǒng)進(jìn)行有效的運(yùn)轉(zhuǎn)，下面對(duì)各種 傳感器的使用進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。具體為：第一個(gè)作用，使反應(yīng)物混合均勻，使溫度均勻；第二個(gè)作用，加快反應(yīng)速度，或者蒸發(fā)速度，縮短時(shí)間。本驅(qū)動(dòng)器為直流供電，建議工作電壓范圍為 24VDC－ 36VDC，電壓不超過(guò) 50VDC，不低于20VDC。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度 (稱為“步距角” )，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步 一步運(yùn)行的。泵頭殼體分為兩種材料供給您選擇： PSF 聚砜材料，白色，外觀精美剛性好，精度高，常用于實(shí)驗(yàn)室或分析儀器配套； PPS 聚苯硫醚材料，黑色，耐有機(jī)溶劑腐蝕，高精度，高強(qiáng)度，適合工業(yè)場(chǎng)所或惡劣條件下工作。 西門(mén)子 順應(yīng)市場(chǎng)需求推出的全新 SIMATIC 精彩系列面板（ Smart Line ），準(zhǔn)確地提供了人機(jī)界面的標(biāo)準(zhǔn)功能，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具備高性價(jià)比。 S7200 系列 PLC 是超小型化的 PLC,它適用于各行各業(yè) ,各種場(chǎng)合中的自動(dòng)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制等。 S7200 系列 PLC 系統(tǒng)構(gòu)成如圖 11 所示： 第一章 引言 10 圖 11 s7200 系列 PLC 系統(tǒng)構(gòu)成 南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 11 第二章 生物發(fā)酵自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)的組成及其 儀表 選型 PLC 200 Smart 控制器 西門(mén)子 SIMATIC 控制器系列是一個(gè)完整的產(chǎn)品組合，包括從最基本的智能邏輯控制器 LOGO！以及 S7 系列高性能可編程控制器，再到基于 PC 的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。 （ 4） S7200 的編程器，可以在計(jì)算機(jī)上使用西門(mén)子工作提供的 Step7 編程軟件進(jìn)行編程，使得變成方式大大的 簡(jiǎn)化。 西門(mén)子 (SIEMENS) 公司 的 PLC 產(chǎn)品包括S7200,S7300,S7400,工業(yè)網(wǎng)絡(luò) ,HMI 人機(jī)界面 ,工業(yè)軟件等。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上， PLC 從傳統(tǒng)的單機(jī)向多 CPU 和分布式及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)發(fā)展在編程語(yǔ)言上，圖形化和文本化語(yǔ)言的多樣性 ,創(chuàng)造了其更具表達(dá)控制要求、通信能力和文字處理的編程環(huán)境；從應(yīng)用角度看 ,除了繼續(xù)發(fā)展機(jī)械加工自動(dòng)生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)外，更發(fā)展了以 PLC第一章 引言 8 為基礎(chǔ)的 DCS 系統(tǒng)、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (SCADA)、柔性制造系統(tǒng) (FMS)、安全連鎖保護(hù)系統(tǒng) (ESD)等 ,全方位地提高了 PLC 的應(yīng)用范圍和水平。 西門(mén)子可編程控制器 (PLC)的發(fā)展概況 可編程邏輯控制器就是我們常說(shuō)的 PLC。這時(shí)就需要我們及時(shí)加入消泡劑來(lái)減少泡沫，防止上浮。除此之外，在實(shí)際發(fā)酵過(guò)程中，不同的菌體對(duì)于氧的需求量也會(huì)不同，而且，微生物發(fā)酵過(guò)程中會(huì)存在染菌，這又會(huì)致使對(duì)于氧的需求增大。除此之外，一些工廠級(jí)的發(fā)酵系統(tǒng)應(yīng)用了多臺(tái)生物發(fā)酵設(shè)備進(jìn)行發(fā)酵作業(yè)，從整體的發(fā)酵系統(tǒng)而言，目前主要有兩種形式，一種是集散控制系統(tǒng)，也就是常說(shuō)的 DCS 系統(tǒng)；另一種是現(xiàn)場(chǎng)總線控制。因此對(duì)于發(fā)酵的控制很關(guān)鍵，一般我們使用的發(fā)酵控制分為兩類：離線控制和在線控制。后來(lái)想到了利用 PLC 200 SMART 以及 WinCC 系統(tǒng)來(lái)控制整個(gè)發(fā)酵的工作流程，在研究過(guò)程中，研究人員發(fā)現(xiàn)他們主要需要解決的問(wèn)題就是對(duì)于控制精度的要求如何實(shí)現(xiàn)以及面對(duì)一些發(fā)酵過(guò)程中的干擾問(wèn)題如何通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)自行解決。 隨著生物發(fā)酵工程的發(fā)展，研究人員對(duì)于生物發(fā)酵所需的條件有了越來(lái)越全面的了解，總結(jié)起來(lái)就是：在培養(yǎng)基，溫度， ph，溶解氧，攪拌等達(dá)到一定的條件之后進(jìn)行培養(yǎng)發(fā)酵，利用微生物的生物特征以及各個(gè)微生物各自的特定功能，并且將現(xiàn)代工程技術(shù)應(yīng)用到整個(gè)發(fā)酵工程工業(yè)化生產(chǎn)中，發(fā)酵制造出對(duì)于人類有用的物質(zhì)，這個(gè)技術(shù)體系中包括的內(nèi)容有選育工業(yè)生產(chǎn)菌株，控制并且選擇對(duì)于微生物發(fā)酵最有利的條件，設(shè)計(jì)微生物發(fā)酵的反應(yīng)器也就是所說(shuō)