【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(cè)出來，有些可以說以現(xiàn)階段的技術(shù)升值檢測(cè) 不出來，所以說溶氧值在發(fā)酵過程中可以說是一個(gè)綜合參數(shù)，對(duì)于這個(gè)參數(shù)的影響不可能完全消除。除此之外，在實(shí)際發(fā)酵過程中，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)酵過程中會(huì)存在染菌，這又會(huì)致使對(duì)于氧的需求增大。因此，對(duì)于發(fā)酵過程中溶解氧的控制很難通過系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)的控制方法很難控制溶氧量達(dá)到理想的效果。所以，對(duì)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)。首先綜合操作經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)樵诿總€(gè)階段發(fā)酵過程對(duì)于氧的需求都不一樣，因此根據(jù)這個(gè)情況劃分不同發(fā)酵階段對(duì)于氧需求的變化區(qū)域。給出了變化區(qū)域的知識(shí) 庫，推理機(jī)運(yùn)用知識(shí)庫中知識(shí)進(jìn)行推理，兩者相結(jié)合最終使得溶解氧得到控制。在生物發(fā)酵實(shí)際進(jìn)行中，專家系統(tǒng)會(huì)根據(jù)知識(shí)庫中的知識(shí)不斷的和內(nèi)部的知識(shí)進(jìn)行比較，在知識(shí)庫中找到相對(duì)應(yīng)的變化區(qū)域，根據(jù)此變化區(qū)域的規(guī)則和語句對(duì)溶解氧進(jìn)行控制。這就是所謂的溶解氧控制方法。 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(shí)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(shí)也相對(duì)較高，所有這一切都會(huì)使得發(fā)酵劇烈，同樣會(huì)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。這時(shí)就需要我們及時(shí)加入消泡劑來減少泡沫 ，防止上浮。對(duì)于這一現(xiàn)象的控制目前比較常用的就是采用雙位式的生物發(fā)酵控制方法，實(shí)際上就是對(duì)于發(fā)酵液液位的控制，因?yàn)槭孪日{(diào)整好的發(fā)酵液一定是不會(huì)超過一定液位的，當(dāng)液位計(jì)檢測(cè)到液位上升甚至超過液位上限時(shí)就要打開消泡劑閥門，直至液位重新回到安全液位區(qū)域關(guān)閉閥門。 生物發(fā)酵過程自動(dòng)加藥技術(shù)的應(yīng)用前景 之前基于 PLC 的自動(dòng)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(dòng)加藥系統(tǒng)在選礦廠的實(shí)際生產(chǎn)情況分析生物發(fā)酵過程自動(dòng)加藥技術(shù)的應(yīng)用前景，自動(dòng)加藥系統(tǒng)在很多方面都起到了積極有效的 作用，對(duì)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(jī)器自動(dòng)去完成，大大降低了工作人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且機(jī)器的自動(dòng)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(gè)加藥系統(tǒng)南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 7 很穩(wěn)定，基本維持在高效運(yùn)轉(zhuǎn)，顯著提升了生產(chǎn)效率，為公司創(chuàng)造了更好的效益。 自動(dòng)加藥機(jī)在使用過程中，明顯提高了自動(dòng)加藥的精度。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(dòng)加藥機(jī)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。 所以，基于 PLC 型的生物發(fā)酵過程自動(dòng)加藥機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，基本無故障。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。由此可見，基于 PLC 的生物發(fā)酵過程自動(dòng)加藥技術(shù)的應(yīng)用前景很廣闊。 西門子可編程控制器 (PLC)的發(fā)展概況 可編程邏輯控制器就是我們常說的 PLC。 PLC 是一個(gè)數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，內(nèi)部的微處理器是 PLC 的核心，由于在工業(yè)環(huán)境下需要控制開關(guān)量，但是人為控制又會(huì)出現(xiàn)很大的威脅，所以設(shè)計(jì)了 PLC，這就是 PLC 的由來。 PLC 所采用的存儲(chǔ)器比較特殊， 可以用來編程， PLC 的存儲(chǔ)器可以用來執(zhí)行一系列操作的指令，例如：邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)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(jī)械的生產(chǎn)過程。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(gè)系統(tǒng)連為一體，擴(kuò)展單元也易于接入。 在美國(guó)的馬薩諸塞州，上世紀(jì) 60 年代末，世界上誕生第一種 PLC。隨后， 70 年代是PLC 的第一階段，這個(gè)階段 PLC 開始發(fā)展起來，初步應(yīng)用于汽車流水線。 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。 90 年代是 PLC 的第三階段，這個(gè)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。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)展在編程語言上，圖形化和文本化語言的多樣性 ,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。 PLC 的飛速發(fā)展推動(dòng)了 PLC 的應(yīng)用 ,它除了在傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域的應(yīng)用繼續(xù)平穩(wěn)地增長(zhǎng)外，還在數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化裝配線方面的得到了廣泛應(yīng)用。另外值得關(guān)注的是， PLC 的應(yīng)用擠占了單片機(jī)市場(chǎng)，除此之外， PLC 在通訊和網(wǎng)絡(luò)方面的進(jìn)步，使 PLC 從單體或局部控制向大型生產(chǎn)過程控制邁進(jìn)。 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(gè)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(jiǎn)單，方便維修；功能完 善，適應(yīng)性強(qiáng)。 PLC 是一個(gè)工業(yè)控制器，其主要的運(yùn)算方式就是二進(jìn)制邏輯運(yùn)算。 PLC 現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的工控領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)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(jī)擁有更強(qiáng)大的功能以及優(yōu)點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)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。 PLC 控制有著其他設(shè)備沒有的特點(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 。 德國(guó)西門子 (SIEMENS)公司 生產(chǎn)的可編程序控制器在我國(guó)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。西門子 (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。西門子 S7 系列 PLC 體積小、速度快、標(biāo)準(zhǔn)化 ,具有網(wǎng)絡(luò)通信能力 ,功能更強(qiáng) ,可靠性更高。 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。 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。其可以使用模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由組合，包括添加各種輔助接口，擴(kuò)展模塊，令其功能大大的增強(qiáng)。 S7200 系統(tǒng) PLC 的優(yōu)點(diǎn)： 南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 9 （ 1） S7200 配置較靈活，除主機(jī)單元以外，還可以擴(kuò)展 I/O 模塊， A/D 、 D/A 模塊以及其它的特殊功能模塊。 （ 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。 （ 3） S7200 內(nèi)部擁有的各種繼電器，定時(shí)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。 （ 4） S7200 的編程器，可以在計(jì)算機(jī)上使用西門子工作提供 的 Step7 編程軟件進(jìn)行編程，使得變成方式大大的簡(jiǎn)化。 PLC 的編程語言有多種多樣，我們可以進(jìn)行使用指令編程和梯形圖編程，而且我們可以通過計(jì)算機(jī)更加形象的進(jìn)行軟件監(jiān)控，為系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)提供了便利。 SIMATIC S7200 PLC S7200 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 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。 S7200PLC 可提供 4 個(gè)不同的基本型號(hào)與 8 種 CPU 可供選擇使用。 SIMATIC S7200 系列特點(diǎn)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(jì)緊湊、擴(kuò)展性良好、指令完成功能強(qiáng)大以及價(jià)格低廉， S7200 PLC這些優(yōu)點(diǎn)也很好地滿足了小規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的要求。 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)。 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(zhǎng)，而且相對(duì)于一般的外置繼電器， PLC 內(nèi)部繼電器的可靠 性更高，自動(dòng)化水平比較高。 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)。無論多么嚴(yán)苛的要求，它都能根據(jù)具體應(yīng)用需求及預(yù)算，靈活組合、定制，并一一滿足。 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。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。而在西門子系列中又有 S7200、S7300、 S7400 等型號(hào)。 SIMATIC S7200 SMART 是西門子公司經(jīng)過大量市場(chǎng)調(diào)研，為中國(guó)客戶量身定制的一款高性價(jià)比小型 PLC 產(chǎn)品。結(jié)合西門子 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。 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(dòng)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。 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 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。 S7200 系列 PLC 可提供 4 個(gè)不同的基本型號(hào)與 8 種 CPU 可供選擇使用。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(dòng)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(dòng)化（ TIA）的一部分，在全世界廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)化系統(tǒng)中。由于 TIA 集成的獨(dú)一無二的技術(shù)，您可以大量減少組態(tài)時(shí)間，從而降低工程總費(fèi)用。 西門子 順應(yīng)市場(chǎng)需求推出的全新 SIMATIC 精彩觸屏（ 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。西門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。 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(jiǎn)單應(yīng)用時(shí)，成本成了 關(guān)鍵因素。 西門子 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。精彩系列面板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。 西門子視窗控制中心 SIMATIC 系列面板 Smart Line 具有 以下幾個(gè) 特點(diǎn) ：高分辨率寬屏顯示 ； 背光，節(jié)能降耗 ； 強(qiáng)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(guó)品質(zhì)輕松擁有 ； 先進(jìn)的生產(chǎn)失效故障模式分析 ； 先進(jìn)的工業(yè)設(shè)計(jì)理念 ； 可靠的南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 13 電源設(shè)計(jì) ； 軟件特點(diǎn) ； 變量管理 ； 報(bào)警管理 ； 豐富的畫面對(duì)象庫 ； 豐富的動(dòng)畫效果簡(jiǎn)單的生成方式 ； 高效、智能的組態(tài)方式 ； 獨(dú)一無二的多語言組態(tài) ； 輕松的項(xiàng)目更新與維護(hù) 。 控制檢測(cè)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(dòng)器組成的蠕動(dòng)泵，磁力攪拌器兩部分。 蠕動(dòng)泵由 三部分組成：驅(qū)動(dòng)器，泵頭和軟管。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(yùn)轉(zhuǎn)，維修費(fèi)用低，等特點(diǎn)構(gòu)成了蠕動(dòng)泵的主要競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。 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。此種蠕動(dòng)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。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 。泵頭滾輪總成均采用 304不銹鋼材料，長(zhǎng)壽命，耐腐蝕。 原理是蠕動(dòng)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(dòng)管內(nèi)流體向