【正文】 面被反射，折回的反射回波被同一換能器（探頭）接收，轉(zhuǎn)換成電信號。 南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 23 圖 35 溫度控制流程圖 硬件組裝完成之后，根據(jù)硬件設(shè)計和發(fā)酵系統(tǒng)控制的要求，對發(fā)酵系統(tǒng)進行 PLC 以及WinCC 編程。 (3)微分環(huán)節(jié) (D):能反映偏差信號的變化趨勢 (變化速率 )，并能在偏差信號值變的太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度 ，減小調(diào)節(jié)時間。穩(wěn)定的控制系統(tǒng)的被控參數(shù)和控制參數(shù)的過渡過程曲線最后趨于平衡；不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)過渡過程曲線則是漸擴的，無法恢復(fù)平衡。另一方面， 在從手動向自動切換使，使設(shè)定值相當(dāng)于當(dāng)前的過程反饋值。 （ 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。 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。 第四章 控制系統(tǒng)編程 32 (3)刷新輸出。此過程將會重復(fù)進行，一直持續(xù)到 PC 機與 PLC 之間的數(shù)據(jù)傳送完畢。 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。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。 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。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。 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）。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(fù)性的可能。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。 西門子 順應(yīng)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。 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。 PLC 現(xiàn)在被廣泛應(yīng)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。 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。 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(yīng)用上卻是收到了很好的效果。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(yīng)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。于是，隨著人們的需求不斷增多，越來越多新的嘗試應(yīng)用用到了發(fā)酵制造上來，隨著化學(xué)工程和農(nóng)業(yè)化學(xué)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(xué)工程和農(nóng)業(yè)化學(xué)的相關(guān)知識。 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(yīng)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)。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。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)。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)。 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。 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。 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。 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(xué) 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 。步進電機驅(qū)動器的原理，采用單極性直流電源供電。聚四氟乙烯全封永磁攪拌子，耐化學(xué)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。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。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)。 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(yīng)用最多的一種調(diào)節(jié)器。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。 因此，編寫了以下的算法程序來應(yīng)對這種情況。 （ 3） 根據(jù)控制要求設(shè)計程序。 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。 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。如果握手不成功，就應(yīng)該檢查網(wǎng)絡(luò)，檢查過程中下位機不能正常工作。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）。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。 其控制規(guī)律為： ])()()()(1)([)(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)。 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。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。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(dāng)?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。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。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。 S7200PLC 可提供 4 個不同的基本型號與 8 種 CPU 可供選擇使用。 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。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 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。 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。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。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。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。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。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。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。 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。在本次課題中選擇西門子系 列主要因為其廣泛的應(yīng)用。 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。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。具有耐溫、耐酸堿、耐磨、耐腐蝕等優(yōu)點。 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。對于整個發(fā)酵裝置，此流程框圖實現(xiàn)的功能就是當(dāng)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。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。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。 圖 39 無擾切換處理程