【正文】 則發(fā)酵的微生物都將被滅菌的程序殺死，更不用說什么進行下一步發(fā)酵了，所以首先第一步就是關(guān)閉發(fā)酵，下一步就是進行滅菌子程序的施行，之前對于子程序 已經(jīng)作了詳細的說明，在此就不再多說了，執(zhí)行完滅菌的子程序之后詢問滅菌是否結(jié)束，可能剛剛的滅菌還會有菌體的殘留就需要再次進行滅菌，如果不需要就進入下一步發(fā)酵過程了，詢問是否發(fā)酵，總之記住一點就是發(fā)酵和滅菌是相對來說兩個獨立的子程序，而且，兩者之間不能同時運行，要么就是南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 25 發(fā)酵關(guān)閉滅菌程序，要么就是滅菌就必須關(guān)閉發(fā)酵程序，詢問發(fā)酵之后如果發(fā)現(xiàn)原料不足或者操作者有什么其他事宜，再或者其他什么原因?qū)е掳l(fā)酵沒有辦法進行，那就直接跳到最后一步發(fā)酵結(jié)束，再然后整個系統(tǒng)結(jié)束運行，如果進行發(fā)酵的話，關(guān)閉滅菌，進行下一步進入發(fā)酵， 下面幾方面的控制是同時進行的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、 ph 調(diào)節(jié)、 DO 調(diào)節(jié)這幾個方面對于微生物發(fā)酵都是非常重要的，任何一方面都是缺一不可的，詢問是否需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，如果轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到穩(wěn)態(tài)，不需要再進行調(diào)節(jié)，那就到達下一步，如果沒有達到穩(wěn)態(tài)就需要調(diào)用轉(zhuǎn)速子程序?qū)D(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，來控制發(fā)酵的效率，溫度調(diào)節(jié)也和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)很類似，如果對于發(fā)酵的溫度不滿足條件的情況下就需要調(diào)用溫度子程序，前面已經(jīng)對于溫度調(diào)節(jié)的 PLC 程序進行詳細的說明， ph 以及溶解氧（ DO）的調(diào)節(jié)也是幾乎相同的，當這些都達到了穩(wěn)定的狀態(tài)，到達下一步詢問是否發(fā)酵是否 結(jié)束，如若沒結(jié)束就返回上一級繼續(xù)進行發(fā)酵，調(diào)節(jié)溫度、轉(zhuǎn)速、 ph 和 DO，如果達到了穩(wěn)態(tài)就直接執(zhí)行下一條語句發(fā)酵結(jié)束，進而結(jié)束發(fā)酵系統(tǒng)的整個發(fā)酵過程。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。 PLC 編程使用了 PID 控制算法，這個算法對于控制整個系統(tǒng)達到穩(wěn)定也是非常重要的。PID 是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例－積分－微分控制算法， PID 控制器根據(jù)設(shè)定值（給定）與被控對象的實際值（反饋）的差值按，照 PID 算法計算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機構(gòu)去影響被控對象的變化。 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。系統(tǒng)由常規(guī) PID 控制器和被控對象組成。 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)。將偏差的比例 (P)積分 (I)和微分 (D)通過線性組合構(gòu)成控制量 ,對被控對象進行控制 ,故稱 PID 控制器。 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)。 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。它對控制作用和擾動作用的響應(yīng)都很快，主要缺點是系統(tǒng)有靜差存在。 (2)積分環(huán)節(jié) (I):主要用于消除靜差 ,提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) Tl， Tl 越大 ,積分作用越弱，反之則越強。 (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。 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。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。因此一般不用于流量和液位控制系統(tǒng)。 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。由于它具有各類調(diào)節(jié)器的優(yōu)點 ,因而使系統(tǒng)具有更高的控制質(zhì)量。它的傳遞函數(shù)為 : )11(1)11()( STSTSTSTKSG DIDIPC ?????? ? PLC 編程算法中有 PID 控制算法和模糊控制算法，利用 PID 算法可以更快更準確的達到穩(wěn)態(tài)，進而提高生產(chǎn)的效率，再來看看 PID 控制算法道德一些特性了解到由線性控制理論可知 ,積分控制作用 (I)能消除穩(wěn)態(tài)誤差 ,但動態(tài)響應(yīng)慢 。比例控制作用 (P)動態(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 ,又能具有較高的動態(tài)響應(yīng)。 PID 算法蘊涵了動態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在和將來的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。比例 (P)代表了當前的信息，起糾正偏差的作用，使過程反應(yīng)迅速。微分 (D)在信號變化時有超前控制作用，代表了將來的信息。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。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。此三作用配合得 當，可使動態(tài)過程快速、平穩(wěn)、準確，收到良好的效果。此控制算法具有準確性、快速性，穩(wěn)定性。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)到一個新的平衡狀態(tài)，稱為穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。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。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。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?，F(xiàn)場中 希望兩個偏差越小越好?？焖傩灾高^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。一般認為被控參數(shù)進入偏離給定值范圍內(nèi)就基本穩(wěn)定了。當然，過渡時間越短，控制過程進行的就越快，系統(tǒng)品質(zhì)也就越好。所以確定用 PID 控制算法可也更好的執(zhí)行整個系統(tǒng)算法，而且能夠更好的提高生產(chǎn)效率。 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 28 說了這么多 PID 控制算法的優(yōu)點，我們來舉一個實例說明 PID 的算法如何使用。如圖35 所示。 在使用 PID 指令向?qū)Ь幊虝r，指令向?qū)詣诱{(diào)用 PID 指令，并且編寫外圍的控制變量標準化換算、定時采樣等功能。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）。 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。 圖 38 PID 向?qū)芍噶? ，實數(shù) /手動控制， “ 1” =自動， “ 0” =手動 ， 之間的一個實數(shù) 控制輸出值 這是一個最簡單的 PID 控制算法語句， 代 表著整個系統(tǒng)的開關(guān)，當有脈沖時這個語句就會運行， a 代表過程反饋量，表示整個過程一周期下來會和設(shè)定值存在一定的偏差，PID 就會根據(jù)這個值進行調(diào)整，一直到整個系統(tǒng)趨于穩(wěn)定， b 是一個設(shè)定值，不用多說， c是自動 /手動控制的，“ 1”代表系統(tǒng)自動運行控制整個系統(tǒng)的穩(wěn)定，“ 0”代表手動控制整個系統(tǒng)，設(shè)定一個值，效率不會有自動控制的效率高，但是也不能省略這個點，因為整個系統(tǒng)出現(xiàn)問題導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)問題時就需要人為介入，調(diào)整一個值，將系統(tǒng)調(diào)整為一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)， d 代表手動控制的輸出值，也就是手動控制時測定為人為輸入的一個值， 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)整個系統(tǒng)需要達到的穩(wěn)態(tài)目標值區(qū)間， PID 根據(jù)這個區(qū)間自動調(diào)節(jié) PID 控制輸出值。但是這里整個系統(tǒng)的運行存在一個明顯南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 29 的問題，那就是當整個系統(tǒng)出現(xiàn)問題時就會導(dǎo)致整個系統(tǒng)不會處在相對穩(wěn)定的狀態(tài)下工作，甚至停止工作，此時就需要人為控制設(shè)定，但是在這個系統(tǒng)中人為設(shè)定值時不變的，就會使得整個系統(tǒng)的工作曲線發(fā)生突變，瞬時的上升或者瞬時的下降導(dǎo)致原料和能源的浪費，所以我們就需要這個設(shè)定值隨著系統(tǒng)的運行不斷發(fā)生變化，避免在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時發(fā)生工作溫度、溶解氧、 ph、溫度、轉(zhuǎn)速 發(fā)生突變對資源造成浪費，下面圖 36 就應(yīng)對這個問題對PID 輸出控制做出了相應(yīng)的調(diào)整以避免這種情況。為了實現(xiàn)這種無擾動切換，就必須達到以下兩個要求：首先， 在從自動向手動切換時，使手動輸出值（ VD2022）等于當前的實際控制輸出值 。另一方面， 在從手動向自動切換使，使設(shè)定值相當于當前的過程反饋值。 因此，編寫了以下的算法程序來應(yīng)對這種情況。 圖 39 無擾切換處理程序 /手動切換控制點 ，使手動輸出值等于實際當前值 ，把當前反饋量換算為相應(yīng)的給定值 由此可見， PID 比例積分微分控制算法能夠準確、快速、穩(wěn)定的控制整個系統(tǒng)，是對系統(tǒng)進行控制時的不二之選。 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。其通信程序流程圖如圖3 311 所示。 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 30 圖 310 上位 PC機通信流程 圖 311 下位機 PLC機通信流程 設(shè)計中采用 MPI 網(wǎng)絡(luò)完成上位機與下位機之間的通信。其方式簡單 ,應(yīng)用方便。為了保證 PLC 與 PC 機之間通訊的可靠性，設(shè)計中加入了軟件握手的方法 。由于硬件的連線比較簡單，不易檢測通信的誤碼率，在軟件設(shè)計中可以通過檢測握手信號，來判斷 PC 機和 PLC之間的通訊是否正常，以保證設(shè)備穩(wěn)定運行。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(yīng)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(yīng)該處于接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。通信過程中，上位 PC 機與下位機 PLC 之間要先發(fā)送握手信號，只有握手成功后，才可以進行正常通信，傳送數(shù)據(jù)。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。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。軟件握手的加入提高 了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送的效率 ,但是速度相對減慢。南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計 （ 論文 ） 31 第四章 控制系統(tǒng)編程 PLC 編程軟件 STEP7MICRO Win SMART PLC 軟件程序設(shè)計的一般步驟： （ 1） 具體明了工藝和設(shè)備對控制系統(tǒng)的要求，必要是可以借助工作循環(huán)圖、流程圖以及時序圖。這一步是整個應(yīng)運程序的核心工作。 （ 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。 （ 3） 根據(jù)控制要求設(shè)計程序。 （ 4） 通過編程器把編輯好的程序傳送到 PLC 中。 （ 5） 調(diào)試程序，修改程序，直到滿意為止。 （ 6） 程序設(shè)計完成后，應(yīng)進 行在線調(diào)試。 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)行語句，一個工作過程分為三個階段，也就是輸入采樣、用戶程序執(zhí)行以及輸出刷新三個階段。其工作過程框圖如圖 41 所示。 圖 41 PLC 工作過程框圖 (l)輸入采樣。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。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。 (2)執(zhí)行程序。 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。 第四章 控制系統(tǒng)編程 32 (3)刷新輸出。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，在本階段中對輸出予以刷新，然后通過一定的方式進行輸出并驅(qū)動外部負載。 完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間， PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。 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。 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。 為創(chuàng)建 s7 程 序 ,表 31 列出的編程語言均可供使用。標準 STEP7 軟件包提供有 STEP7編程語言 LAD、 FBD 以及 STL?？砂催x項軟件包購買其他的編程語言。然后即可選擇多種不同的編程方法 (梯形圖、功能塊圖、語句表、標準語言、順序控制、狀態(tài)圖 ),并選擇是使用基于文本的編程語言 ,還是圖形編程語言。 表 41 PLC 的 編程語言 編程語言 用戶組 應(yīng)用 增量輸入