【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(lái)，有些可以說(shuō)以現(xiàn)階段的技術(shù)升值檢測(cè) 不出來(lái)，所以說(shuō)溶氧值在發(fā)酵過(guò)程中可以說(shuō)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(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。因此，對(duì)于發(fā)酵過(guò)程中溶解氧的控制很難通過(guò)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(zhuān)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(guò)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(kù)，推理機(jī)運(yùn)用知識(shí)庫(kù)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(zhuān)家系統(tǒng)會(huì)根據(jù)知識(shí)庫(kù)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(kù)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(yǔ)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(kāi)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(lái)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(guò)一定液位的，當(dāng)液位計(jì)檢測(cè)到液位上升甚至超過(guò)液位上限時(shí)就要打開(kāi)消泡劑閥門(mén)，直至液位重新回到安全液位區(qū)域關(guān)閉閥門(mén)。 生物發(fā)酵過(guò)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(chǎng)等，原理類(lèi)似，所以就拿基于 PLC 的自動(dòng)加藥系統(tǒng)在選礦廠(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)情況分析生物發(fā)酵過(guò)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(chǎng)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(guò)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(chǎng)公司帶來(lái)的效益 顯著提高。 所以，基于 PLC 型的生物發(fā)酵過(guò)程自動(dòng)加藥機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，基本無(wú)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(jiàn)，基于 PLC 的生物發(fā)酵過(guò)程自動(dòng)加藥技術(shù)的應(yīng)用前景很廣闊。 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。 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(kāi)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(lái)。 PLC 所采用的存儲(chǔ)器比較特殊， 可以用來(lái)編程， PLC 的存儲(chǔ)器可以用來(lái)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(guò)數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出 ,控制各種類(lèi)型機(jī)械的生產(chǎn)過(guò)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(chǎng)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(kāi)始發(fā)展起來(lái)，初步應(yīng)用于汽車(chē)流水線(xiàn)。 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(yǔ)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(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(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(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 。 德國(guó)西門(mén)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(xiàn)等領(lǐng)域都有應(yīng)用。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。西門(mén)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(mǎn)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(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。 PLC 的編程語(yǔ)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(guò)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(wú)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(wú)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(mǎn)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)模控制系統(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(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)。無(wú)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(mǎn)足。 PLC 選擇的方案有很多種，可以采用歐姆龍、西門(mén)子、 三菱 PLC、施耐德系列等。在本次課題中選擇西門(mén)子系列主要因?yàn)槠鋸V泛的應(yīng)用。而在西門(mén)子系列中又有 S7200、S7300、 S7400 等型號(hào)。 SIMATIC S7200 SMART 是西門(mén)子公司經(jīng)過(guò)大量市場(chǎng)調(diào)研，為中國(guó)客戶(hù)量身定制的一款高性?xún)r(jià)比小型 PLC 產(chǎn)品。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(hù)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(wú)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(wú)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(mén)子 smart200 外形結(jié)構(gòu)圖 西門(mén)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(wú)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(mén)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?xún)r(jià)比。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。 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(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?xún)r(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(mén)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(xiàn)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(huà)面對(duì)象庫(kù) ； 豐富的動(dòng)畫(huà)效果簡(jiǎn)單的生成方式 ； 高效、智能的組態(tài)方式 ； 獨(dú)一無(wú)二的多語(yǔ)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(mǎn)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(mǎn)流體的軟管，隨著手指向前滑動(dòng)管內(nèi)流體向