生物发酵过程自动加药控制系统设计.docx
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生物发酵过程自动加药控制系统设计
生物发酵过程自动加药控制系统设计
摘要
在生物发酵过程自动加药的控制方面，对于点的控制是关键而又复杂的环节，本系统通过将实时原流量的液位、PH值、温度送往中央控制器作为加药给定的前馈值，结合经过系统处理过后的反馈值，按编写好的PLC程序自动计算出总的液体酸或者碱的投加量，再根据计量泵输出曲线，计算计量泵行程和频率，以实际药流量及加药装置中的酸碱度作为反馈，进行模糊PID控制，自动调节加药量，这具有良好的经济效益和环保效益。
关键词：
PLC自动加药
Automaticcontrolsystem designofbiological fermentationprocess
Abstract
Inthecontrolof thefermentationprocess for automaticfeeding, the controlisakey andcomplicated process, the liquidlevel, temperature, pHvalueof theoriginaltraffic senttothecentral controller inrealtime asafeedforward dosing thegivenvalue, combinedwith thefeedbacksystem aftertreatment, accordingto write PLCprogramtoautomatically calculatethetotal liquidacid or alkali dosage, thenaccordingtothe calculationof theoutputcurveofmeteringpump, meteringpumpstroke andfrequency, theactual drug dosingdevice in flowrateand pH asfeedback, fuzzy PIDcontrol, automaticadjustmentofdosing quantity, whichhasgoodeconomic benefitandenvironmentalprotectionbenefit.
KeyWords:
PLC；Automaticdosing
目录
摘要1
ABSTRACT2
第一章引言5
1.1生物发酵过程自动加药技术的发展与应用5
1.1.1生物发酵过程自动加药技术的发展背景
1.1.2生物发酵过程自动加药技术的现状5
1.1.3生物发酵过程自动加药技术的应用前景
1.2西门子可编程控制器（PLC）的发展现状及未来趋势5
1.2.1西门子PLC的发展概况5
1.2.2西门子PLC的未来趋势5
第二章生物发酵自动加药控制系统的组成及其仪表选型8
2.1PLC200Smart控制器9
2.2西门子视窗控制中心SIMATIC系列面板SmartLine9
2.3控制部分10
2.3.1变频调速器（ABB，7.5kW）
2.3.2蠕动泵（KCS）——淘宝
2.3.3超声波液位器
2.3.4步进电机驱动器和步进电机（KCS）
2.3.5磁力搅拌器（国产定制，5kw）——淘宝
2.4软件部分
2.4.1PLC编程软件STEP7-MICROWinSMART
2.4.2上位机组态监控软件WinCCFlexible2008
第三章生物发酵自动加药控制系统的工作原理及运行特性11
3.1生物发酵自动加药控制系统的工作原理11
3.2生物发酵自动加药控制系统的运行特性11
第四章软件部分
第四章生物发酵自动加药控制系统的意义
13
结语24
参考文献25
致谢26
第一章引言
1.1生物发酵过程自动加药技术的发展与应用
1.1.1生物发酵过程自动加药技术的发展背景
我国是轻工发酵工业大国,但此行业的控制技术相对比较落后,生产中仍以人工控制为主,采用计算机技术起步较晚,普及率较低。
目前轻工发酵行业正面临着日益激烈的全球竞争,因此对以计算机为核心的自动控制技术有着强烈的需求。
发酵工程发源于家庭或作坊式的发酵制作（农产手工加工），后来借鉴于化学工程实现了工业化生产（近代发酵工程），最后返璞归真以微生物生命活动为中心研究、设计和指导工业发酵生产（现代发酵工程），跨入生物工程的行列。
原始的手工作坊式的发酵制作凭借祖先传下来的技巧和经验生产发酵产品，体力劳动繁重，生产规模受到限制，难以实现工业化的生产。
于是，发酵界的前人首先求教于化学和化学工程，向农业化学和化学工程学习，对发酵生产工艺进行了规范，用泵和管道等输送方式替代了肩挑手提的人力搬运，以机器生产代替手工操作，把作坊式的发酵生产成功地推上了工业化生产的水平。
发酵生产与化学工程的结合促成了发酵生产的第一次飞跃。
通过发酵工业化生产的几十年实践，人们逐渐认识到发酵工程是一个随着时间变化的（时变的）、非线性的、多变量输入和输出的动态的生物学过程，按照化学工程的模式来处理发酵生产（提别是大规模生产）的问题，往往难以预期的效果。
从化学工程的角度来看，发酵罐也就是生产原料发酵的反应器，发酵罐中培养的微生物细胞只是一种催化剂，按化学工程的正统思想，微生物当然难以发挥其生命特有的生产潜力。
于是，追溯到作坊式的发酵生产技术的生物学内核（微生物），返璞归真而对发酵工程的属性有了新的认识。
发酵工程的生物学属性的认定，使发酵工程的发展有了明确的方向，发酵工程进入了生物工程的范畴。
现代意义上的微生物发酵工程是指一定条件下（合适的培养基、温度、PH、通气量、搅拌等）进行培养发酵，利用微生物的某种特定功能，通过现代工程技术的方法生产对人类有用的物质或直接把微生物应用于工业化生产的技术体系，其主要内容包括工业生产菌株的选育、最佳发酵条件的选择和控制、生化反应器（发酵罐）的设计和产品分离、提取和精制等过程。
发酵过程的典型工作方式是深层发酵。
所谓深层发酵，就是使微生物置于液体底物里面进行培养，以此跟表面培养形成对照。
由表面培养进入到深层搅拌培养，在很大程度上是由于通气工艺技术有了巨大的进步而发展起来。
这种通气式搅拌型深层发酵培养技术是发酵工程史上的一个里程碑，也是当今微生物发酵最主要的生产方法。
生化工业越来越引起科技界、工业界和政府部门的重视。
生化反应器的体积从几立方米发展到几十立方米，而今是几百立方米，甚至上千立方米。
二次代谢产物的生产（抗生素的生产）、通过微生物或微生物的培养来获得有机物质的转化（如类固醇）、工业污水处理以及酶制剂、食用蛋白、饲料添加剂等生产，发展特别迅速。
面对生化工业的蓬勃发展，生化生产过程的参数测量、操作监视、自动控制、优化操作与控制，成为生化工业发展中面临的重要问题。
微生物发酵过程是一个十分复杂的过程。
在这个过程中，需要对温度、PH、溶解氧含量以及泡沫等参数以及一些发酵过程进行控制，如果单纯依靠手动控制，不仅控制效果差，而且操作者的工作环境和劳动强度也受到极大的威胁，而采用单片机或者嵌入式系统来开发该系统，控制精度和抗干扰问题将成为控制过程主要解决的问题。
基于此，本文选用时下工业控制领域流行的西门子S7-200smart系列PLC为平台，开发了基于PLCsmart的微生物发酵控制系统。
该系统经实际应用，系统控制精度较高，其中，温度设定37℃，控制精度可达±0.1℃；PH设定7，控制精度可达±0.05；系统运行可靠，易操作，而且成本低。
PLC自动给药系统于1995年1月安装调试完毕并投入运行,从而实现了凡口铅锌矿选矿厂4个系列、8种选矿药剂的自动加药。
该系统自投入使用以来,大大提高了生产过程中给药量的准确度和速度,对稳定及提高选矿指标起到了非常大的作用；同时,PLC的可靠性高,改变了以往的漏药、缺药现象。
PLC自动给药的控制线路简单,易于实现频繁动作,便于维护；PLC自动化程度高,减轻了操作工人的劳动强度,使其脱离了恶劣的工作环境;经济效益显著。
1.1.2生物发酵过程自动加药技术的现状
发酵过程大都是慢反应过程，随着发酵的进行，发酵液中基质的浓度、菌体浓度、产物浓度都会发生变化，而且发酵液的性质如密度、粘度、热传递系数和氧传递系数等变化。
由于一系列的分解代谢和合成代谢的结果就是发酵液的温度、酸碱度、溶解氧、发酵液的体积也会发生变化，而通过对这些可在线测量参数的监视和控制，能够有效地对发酵进行控制，并最大程度地提高劳动生产率。
随着现代计算机技术、现代控制技术、现代通信技术和现代图形显示技术即4C技术的快速发展，发酵过程控制系统的自动化程度和可靠性越来越高。
发酵过程控制就是把发酵过程的某些状态量控制在某一期望的恒定水平上或者时间轨道上。
发酵过程的控制分成两类：
离线控制和在线控制。
因为离线控制要求描述过程动力学特征的数学模型一定要准确，所以在实际情况下，过程动力学特性发生变化和偏移，离线控制的性能和效果会产生恶化。
而在线控制则是根据测量值与被控量设定值之间的偏差，反馈控制调节器按照一定的方式，自动的对操作变量进行调整和修改，使得测量值能够迅速和稳定的被控制在其设定值附件。
能够适应过程动力学特性漂移、环境因子变化的在线自适应控制系统特别适合于生物过程。
发酵控制过程中常见的环境参数包括发酵罐的温度和压力控制、发酵液的溶解氧和PH控制、代谢呼吸的控制等。
近年来，随着在线监测技术的发展，生物发酵控制系统也在不断的发展。
从控制所用的硬件来看，生物发酵控制器主要有三种形式：
以MCU为核心；可编程控制器PLC为基础；工控机。
德国贝朗B.Brann公司于1982年最早商业化是基于PC计算机的生物发酵控制系统。
另外，对于多台生物发酵设备组成的工厂级控制系统，从整个系统架构上看，主要有两种形式：
集散控制系统DCS；现场总线系统。
大量文献表面，生物发酵控制器已经进入工厂应用并且和良好的控制效果。
大量的文献资料显示对于单个或相关的发酵参数的独立控制已经有了比较成熟的控制实现方式，为本次研究提供了参考和帮助。
PH值得控制方法：
许多发酵在恒定或小范围内的PH下进行最为有效。
因其对象特性具有时变性、不确定性（影响因素多所致）和较大的时滞性等一些特点。
基于PH值得复杂性，从机理入手建立模型是相当困难的，采用常规控制很难达到理想的控制效果。
实践表明，智能控制的应用在PH值得控制中取得了很理想的效果。
在PH值得模糊控制中，可选择测量PH值和给定值之差作为过程输入，加入酸或碱的量为目标输出，将PH值和酸碱输入量经精确量模糊化，转换成模糊变量值，建立对应的模糊规则，并得出模糊关系以致最后做出模糊判断，定出加入的酸碱量，使PH值逼近设定值，以达到理想的控制效果。
温度控制方法：
一些温度的控制借鉴自适应思想，采用分段调节PID控制，将各段PID参数固化于各控制器内，这种控制方式虽不是最优方法，但在实际的应用中确实比较理想的。
在温度控制中，由于热交换引起的滞后时间大，而且不确定，采用具有时序控制功能、时间最优的PID调节，即bang-bang控制与反馈控制相结合，使给定值有一个状态运动到设定值状态所经历的时间最短。
溶解氧控制方法：
发酵过程的溶氧值是一个综合参数，影响因素多，除了搅拌转速、空气流量、罐压和罐温等易测参数的影响外，基质浓度、产物浓度等不易监测的参数对其亦有影响。
实际发酵过程中，可能会出现不同程度的染菌，这会导致氧需求的增加，而且生产原料、菌种的不用，都对溶解氧有不同的要求。
综上所诉，发酵过程的溶解氧的对象特性很难通过系统辨识方法获得，传统的控制方法难以得到理想的控制效果。
因此，引入人工智能的方法，采用专家系统进行控制。
首先综合操作经验，根据发酵不同阶段的耗氧情况制定各个发酵阶段溶解氧的变化区域。
变化区域知识库给出，推理机运用知识库中知识进行推理，解决提出问题。
在实际过程中，专家系统不断地对目前发酵阶段和情况进行判断，从知识库中找到相应的溶解氧变化区域和控制规则，然后依据此规则进行控制。
通过一些抗生素发酵实验，发现搅拌转速对产率的影响远比流动大。
因此，采用专家控制系统控制搅拌转速的方案，而空气流量保持定值。
消泡控制方法：
在发酵前期，微生物生长旺盛时期，形成各种胞外产物，加入料液满载，搅拌马达全速开动，空气通入量达到最大，这时候，发酵液上浮厉害，稍有不慎就可能会产生逃液现象。
此时们必须及时加入消泡剂，以减少泡沫，以防止发酵液上浮。
这样的控制，通常采用双位式的控制方法，当发酵液液面达到一定的高度时，自动打开消泡剂的阀门，当液面降回到正常时，自动关闭消泡剂阀门。
福州抗生素集团公司在金霉素发酵生产中，采用微机自动加油消泡，加油除了受加油率的控制，还受高低电极的影响，当低位电极不通时，用户输入的加油率不起作用，当发酵液起沫时发酵液接触到低位电极，低位电极接通，系统按用户输入的加油率加油，如果起沫严重，高、低位电极都接触到发酵液，高、低位电极都接触到发酵液，高、低位电极全部接通，则油阀处于常开状态继续加油。
安装监测泡沫电极对发酵过程产生的泡沫进行监控，当上升的泡沫与电极接触时电流接通，开启电磁阀是消泡剂自动加入。
自动加入消泡剂的装置能控制较高的液面，从而提高发酵罐的装料系数，而且由于消泡剂加入的实际掌握较好，加入量控制较精准，还能减少消泡剂的用量。
1.1.3生物发酵过程自动加药技术的应用前景
之前基于PLC的自动加药系统已在多领域投入使用，例如选矿厂等，原理类似，所以就拿基于PLC的自动加药系统在选矿厂的实际生产情况分析生物发酵过程自动加药技术的应用前景，自动加药系统对选矿过程中的技术管理、稳定操作、提高效率指标、降低药耗、减轻工人劳动强度等方面都起到了积极有效的作用。
具体有以下几个方面：
（1）自动给药机的药点流量的数控误差小，通过与实际测量值对比，平均相对误差不大于3%，大大超出人工控制精度。
（2）浮球阀自动控制给药箱的药剂，解决了由人工掉接液面而使给药箱出现断药、满药的情况。
（3）实现了每班按作业区自动记录、存储、计算、打印各类报表，所有原始数据存盘备查，各班组药剂用量清晰，有利于开展成本核算。
（4）各药点实行了“工艺指令高限、低限”控制，操作只能在给定的范围内进行调整，同时进行跟踪记录。
（5）提供给加药点的趋势曲线，方便工程技术人员制定相应操作条件，从而使得药剂添加更为合理化、制度化。
该项目投入运行后，该选矿厂锡、铅、锑、锌选矿回收率各提高0.5%，药剂节省5%。
以年采选30万吨、2010年1-6月份的平均品位和平均金属价格计算，预计年增加产值425万元。
药剂成本以2010年1-6月份的为参考，降低5%来算，预计年节约药剂费用为110万元。
自动加药机使用后加药精度明显提高，生产指标更加稳定，精矿质量、实际回收率都有较前有所提高，精矿中的主要杂质呈显著下降趋势，药剂耗量减少，生产效益较好。
所以，基于PLC型的生物发酵过程自动加药机结构简单，操作方便，基本无故障。
在节省药剂、提高生产效率等方面取得了显著的效益，经济效益和社会效益十分明显。
由此可见，基于PLC的生物发酵过程自动加药技术的应用前景很广阔。
1.2西门子可编程控制器（PLC）的发展现状及未来趋势
1.2.1西门子PLC的发展概况
PLC可编程序控制器,是以二进制逻辑运算为主的工业控制器。
它集合了计算机技术与控制技术,其可靠性高于一般的单板机或单片机控制系统,故障率低,可实现顺序时间控制,又可进行数据处理。
目前,PLC已广泛应用于国内外工业控制。
德国西门子（SIEMENS）公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛,在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。
西门子（SIEMENS）公司的PLC产品包括LOGO,s7-200,s7-300,s7-400,工业网络,HMI人机界面,工业软件等。
西门子s7系列PLC体积小、速度快、标准化,具有网络通信能力,功能更强,可靠性更高。
s7系列PLC产品可分为微型PLC（如s7-200）,小规模性能要求的PLC（如s7-300）和中、高性能要求的PLC（如s7一400）等。
SIMATICS7-200PLCS7-200PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。
S7-200PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。
S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。
SIMATICS7-300PLCS7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。
各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。
与S7-200PLC比较，S7-300PLC采用模块化结构，具备高速（0.6~0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。
SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。
S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：
超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。
具备强大的通信功能，S7-300PLC可通过编程软件Step7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。
S7-300PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。
SIMATICS7-400PLCS7-400PLC是用于中、高档性能范围的可编程序控制器。
S7-400PLC采用模块化无风扇的设计，可靠耐用，同时可以选用多种级别（功能逐步升级）的CPU，并配有多种通用功能的模板，这使用户能根据需要组合成不同的专用系统。
当控制系统规模扩大或升级时，只要适当地增加一些模板，便能使系统升级和充分满足需要。
SIMATICS7-200系列特点是一种小型的PLC，由于其具有紧凑的设计，良好的扩展性，强大的指令以及低廉的价格，使得S7-200PLC可以近乎完美地满足小规模的控制要求。
S7-200系列PLC适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。
S7-200系列PLC的特点：
极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、便捷的操作、丰富的内置集成功能、实时特性、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块。
S7-200系列PLC系统构成：
1.2.2西门子PLC的未来趋势
PLC为工业发展的核心零器件，西门子PLC产品在自动化产业的历史长河中举足轻重。
市场上，国外厂商的各种竞争如火如荼。
针对不同行业，不同客户群体，大、中、小型的各类PLC充斥着整个市场。
然而，在激烈的竞争中，国产PLC（包括台湾地区）的比重却只占不到5%。
西门子PLC向网络化技术发展。
其中有两个趋势，一方面，PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分。
另一方面，现场总线技术得到广泛的采用，PLC与其他安装在现场的智能化设备，比如智能化仪表，传感器，智能型电磁阀，智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质（比如双绞线，同轴电缆，光缆）连接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的PLC远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便，造价更低，性能价格比更好，也更具开放意义。
西门子PLC向高性能小型化发展。
PLC的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。
比如三菱的FX-ON系列PLC，最小的机种，体积仅为60×90×70mm2，相当于一个继电器，但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。
PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点数运算，PID调节，温度控制，精确定位，步进驱动，报表统计等。
从这种意义上说，PLC系统与DCS（集散控制系统）的差别已经越来越小了。
用PLC同样可以构成一个过程控制系统。
第二章生物发酵自动加药控制系统的组成
2.1PLC200Smart控制器
西门子SIMATIC控制器系列是一个完整的产品组合，包括从最基本的智能逻辑控制器LOGO！
以及S7系列高性能可编程控制器，再到基于PC的自动化控制系统。
无论多么严苛的要求，它都能根据具体应用需求及预算，灵活组合、定制，并一一满足。
SIMATICS7-200SMART是西门子公司经过大量市场调研，为中国客户量身定制的一款高性价比小型PLC产品。
结合西门子SINAMICS驱动产品及SIMATIC人机界面产品，以S7-200SMART为核心的小型自动化解决方案将为中国客户创造更多的价值。
产品的亮点在于：
机型丰富，更多选择，提供不同类型、I/O点数丰富的CPU模块，单体I/O点数最高可达60点，可满足大部分小型自动化设备的控制需求。
另外，CPU模块配备标准型和经济型供用户选择，对于不同的应用需求，产品配置更加灵活，最大限度的控制成本。
选件扩展，精确定制，新颖的信号板设计可扩展通信端口、数字量通道、模拟量通道。
在不额外占用电控柜空间的前提下，信号板扩展能更加贴合用户的实际配置，提升产品的利用率，同时降低用户的扩展成本。
高速芯片，性能卓越，配备西门子专用高速处理器芯片，基本指令执行时间可达0.15μs，在同级别小型PLC中遥遥领先。
一颗强有力的“芯”，能让您在应对繁琐的程序逻辑，复杂的工艺要求时表现的从容不迫。
以太互联，经济便捷，CPU模块本体标配以太网接口，集成了强大的以太网通信功能。
一根普通的网线即可将程序下载到PLC中，方便快捷，省去了专用编程电缆。
通过以太网接口还可与其它CPU模块、触摸屏、计算机进行通信，轻松组网。
三轴脉冲，运动自如，CPU模块本体最多集成3路高速脉冲输出，频率高达100kHz，支持PWM/PTO输出方式以及多种运动模式，可自由设置运动包络。
配以方便易用的向导设置功能，快速实现设备调速、定位等功能。
通用SD卡，方便下载，本机集成MicroSD卡插槽，使用市面上通用的MicroSD卡即可实现程序的更新和PLC固件升级，极大地方便了客户工程师对最终用户的服务支持，也省去了PLC固件升级返厂服务的不便。
软件友好，编程高效，在继承西门子编程软件强大功能的基础上，融入了更多的人性化设计，如新颖的带状式菜单、全移动式界面窗口、方便的程序注释功能、强大的密码保护等。
在体验强大功能的同时，大幅提高开发效率，缩短产品上市时间。
完美整合，无缝集成，SIMATICS7-200SMART可编程控制器，SIMA
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