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山东大学硕士学位论文 海洋生物酶发酵过程自动控制系统的设计与研究 摘要 海洋生物酶项目是中国水产科学研究院黄海水产研究所承担的一项国家 8 6 3 计划海洋技术领域的重大课题。海洋生物酶作为一种新型的鱼类饲料添 加剂已经取得了突破性的进展，并已经完成了实验室到中试生产的过度。生 物学综合评定结果表明“海洋生物酶添加剂”对海水鱼的促生长效果显著， 具有良好的市场前景f “。但是，与之配套设备的自动化水平太低已经成为海 洋生物酶产业化过程中的瓶颈。 本课题主要研究海洋生物酶发酵过程自动控制系统的设计。自动控制系 统采用西门子公司的p l cs 7 3 1 5 2 d p 作为一类主站，处于核心控制地位， 处理系统各种数据和工艺动作流程；三个操作员面板o p 2 7 0 作为系统的二类 主站，操作人员可以用操作员面板进行监控生产过程：远程分布式i o 模块 e t 2 0 0 m 实现了现场信号就近采集，便于接线以及调试；全数字交流调速器 m m 4 4 0 具有完善的通讯功能，通过p r o f i b u s 模板的连接可作为 p r o f i b u s d p 网络上的从站，实时响应主站发出的各种命令，直接控制现 场设备，同时实时检测和返回电机运行状态；通信模块c p 3 4 2 5 作为 p r o f i b u s d p 网络的中转站，减轻了主站的通信任务，缩短了系统的响应 时间。 发酵过程中，发酵液的溶解氧浓度是一个非常重要的发酵参数，既影响 细胞的生长，也影响产物的生成。由于与其他多个变量的相互影响，我们很 难建立一个精确的数学模型。传统的控制方法很难在溶解氧控制系统中达到 好的效果，所以我们引入了模糊控制。通过对相关参数的分析，我们选用空 气流量和搅拌速度作为控制量。以现场调试过程中数据记录为基础，选出一 3 山东大学硕士学位论文 定量的数据组成数据对，利用查表法构造一个二维输入二维输出的模糊控制 系统。 本文详细的介绍了控制系统的设计过程，主要包括三个方面：硬件设计、 软件设计和程序调试。硬件方面包括方案确定、硬件选型、硬件组态、网络 组态；软件方面包括程序结构设计和部分子程序设计；调试方面简单介绍了 调试的过程及经常遇到的问题。另外，文中还介绍了p r o f i b u s 概况以及 p r o f i b u s d p 的基本特征，并分别详细介绍了主站和e t 2 0 0 m 从站、主站 和m m 4 4 0 从站之间通信程序的编写。 关键词：模糊控制 发酵过程溶氧控制海洋生物酶 p r o f i b u s - d p 4 山东大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e s i g no fc o n t r o ls y s t e mi n f e r m e n t a t i o np r o c e s so fm a r i n eb i o l o g i ce n z y m e a b s t r a c t t h es t u d ya b o u tm a l i n eb i o l o g i ce n z y m e ，o n eo f t h en a t i o n a l8 6 3p r o 伊a m s ， h a sb e e nf i n i s h e db yy e l l o ws e af i s h e r i e sr e s e a r c hi n s t i t u t ec h i n e s ea c a d e m yo f f i s h e r ys c i e n c e s a c t u a lq u a l i f i c a t i o nt e s t sh a v ei n d i c a t e dt h a tm a r i n eb i o l o g i c e r l z y m ea d d i t i o na g e n ti sv e r ya d v a n t a g e o u st ot h eg r o w t ho f m a r i n ef i s h b u tl o w a u t o m a t i cl e v e lo fe q u i p m e n t sh a sb e e nt h eb i g g e s to b s t a c l ei n t h e p r o d u c t i n d u s t r i a l i z a t i o np r o c e s s t h i st h e s i st a l k sa b o u tt h er e s e a r c ha n dd e s i g no fc o n t r o ls y s t e mi n f e r m e n t a t i o np r o c e s so fm a r i n eb i o l o g i ce n z y m e p l cs 7 - 31 5 2 d po fs i e m e n s i sa d o p t e da sam a i ns t a t i o no f t h es y s t e mw h i c hp l a y sa l li m p o r t a n tp a r ti ns y s t e m c o n t r 0 1 i td e a l sw i l hv a r i o u sd a t aa n df l o wo ft e c h n i q u e t h r e eo p 2 7 0o p e r a t o r p a n e l s ，a st h es e c o n dm a i ns t a t i o n so ft h es y s t e m ，c a nb eu s e db yw o r k e r st o m o n i t o rs y s t e m b yu s i n ge t 2 0 0 m ，ak i n do fl o n g - d i s t a n c ei 0m o d u l e ，f o d e v i c e sc a l lc u t e rt h en e a r e s ts u b s t a t i o n , s oi ti sc o n v e n i e n tt oc o n n e c t i o na n d d e b u g g i n g m m 4 4 0i s t h ev a r i a b l e 疳e q u e n c y e q u i p m e n tw h i c hh a sp e r f e c t c o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n b yc o n n e c t i n gw i t hp r o f i b u sb o a r d ，w ec a ng e t p r o f i b u s - d ps u b s t a t i o n i tr e s p o n d st ot h ec o m m a n d so ft h em a i ns t a t i o nr e a l t i m ea n dc o n t r o l sd e v i c e sd i r e c t l y a tt h es a m et i m e ，i tm o n i t o r sa n dr e t u r n s r u n n i n gs t a t eo ft h em a c h i n e t h ec p 3 4 2 5c o m m u n i c a t i o n sp r o c e s s o r , a st h e i n t e r m e d i a t er e p e a t e ro ft h ep r o f i b u s d pn e t w o r k , c a l lb eu s e dt or e d u c et h e c o m m u n i c a t i o nt a s k so f t h em a i ns t a t i o n i nt h ef e r m e n t a t i o np r o c e s s ，t h ec o n c e n t r a t i o no fd i s s o l v e do x y g e ni nt h e f e r m e n t a t i o nf l u i di sa l le x t r e m e l yi m p o r t a n tf e r m e n t a t i o np a r a m e t e r i ta f f e c t sn o t o n l yt h eg r o w t ho ft h ec e l l s ，b u ta l s ot h ef o r m a t i o no ft h ep r o d u c t t h e r ea r e 5 山东大学硕士学位论文 s e v e r a lv a r i a b l e si nt h es y s t e mw h i c hc a l la f f e c te a c ho t h e r , s oi ti sv e r yd i f f i c u l t t of i n dt h ea c c u r a t em a t h e m a t i cm o d e lo f t h es y s t e m a sar e s u l t , t h ec o n v e n t i o n a l m e t h o di sn o tf i tf o r t h ed i s s o l v e do x y g e nc o n t r o ls y s t e m c o n s i d e r i n gt h er e a s o n s a b o v e 。w ei n t r o d u c ef u z z yc o n t r o li nt h i sp a p e r ，c h o o s et h es t i r r i n gr a t ea n dt h ea i r f l o wr a t ea st h ec o n t r o lv a r i a b l e s a n db u i l du pat w o i n p u t - t w o - o u t p u tf u z z y c o n t r o ls y s t e m i ti sp r o v e dt ob eag o o dm e t h o d t 1 1 i st h e s i sn o to n l ya n a l y s i st h ed e s i g na n dc o n f i g u r a t i o n ，b u ta l s o i n t r o d u c e s g e n e r a l s i t u a t i o no fp r o f i b u sa n dt h eb a s i cc h a r a c t e r o f p r o f i b i ，s d p k e yw o r d s ：f u z z yc o n t r o l f e r m e n t a t i o np r o c e s s p r o f i b u s - d p d i s s o l v e do x y g e nc o n t r o lm a r i n eb i o l o g i ce n z y m e 6 山东大学硕士学位论文 符号说明 s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n )数据采集与监视控制 h m i ( h r m a nm a c h i n ei n t e r f a c e )人机界面 w i n c c ( w i n d o w sc o n t r o lc e n t e r )视窗控制中心 o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ) 对象连接与嵌入 7 山东大学硕士学位论文 第一章课题概况及研究内容 1 1 海洋生物技术背景及现状【：h 4 1 海洋生物技术是运用现代生物学、化学和工程学的方法，利用海洋生物、 生命系统和生命过程。生产有用产品和提供社会服务的- - i - j 高技术科学。海 洋生物技术是现代生物技术与海洋生物学相交叉的产物，是二十世纪八十年 代以来发展起来的新兴科学技术领域 海洋生物技术是发展“蓝色农业”的基础，将为人类更有效地开发海洋 生物资源，从海洋中获得更多的食品、药物和其他生物制品等提供最重要的 技术支撑，并产生巨大的社会和经济效益。针对我国当前海洋生物产业养殖 品种缺乏和退化、病害严重，生物加工水平低下天然产物研发技术滞后以 及海洋生物技术研究起步较晚、基础相对薄弱的现状，国家“十五一8 6 3 海洋生物技术主题在“十五”期间重点发展细胞工程、遗传工程、分子遗 传学、生化工程、基因组学、生物信息学等方面的关键高新技术，大力加强 海水养殖优良种予、海洋新药和海洋生物特有重要功能基因的研究。该主题 在项目实施中，以国家需求为目标，贯彻市场导向原则：积极吸引外部资金， 引进企业管理模式，力求运行体制创新；在利用资源的同时，注重生态环境 保护，寻求持续性发展。 近1 0 年来，由于海洋在沿海国家可持续发展中的战略地位日益突出，以 及人类对海洋环境特殊性和海洋生物多样性特征的认识不断深入。海洋生物 资源多层面的开发利用极大地促进了海洋生物技术研究与应用的迅速发展。 海洋生物技术作为一个全新的学科，已成为2 l 世纪海洋研究开发的重要 领域，并沿着三个应用方向迅速发展。一是水产养殖，其目标十分清楚就是 要提升传统产业，促使水产养殖业在优良品种培育、病害防治、规模化生产 等诸多方面出现跨越式的发展；二是海洋天然产物开发，其目标是探索开发 高附加值的海洋新资源，促进海洋新药、高分子材料和功能特殊的海洋生物 活性物质产业化开发；三是海洋环境保护，其目标是保证海洋环境的可持续 9 山东大学硕士学位论文 利用和产业的可持续发展。 1 2 本课题的背景及意义嘲州 海洋生物发酵工程主要是通过对富含活性物质的海洋微生物进行发酵培 养，从中获得大量的产物。研究表明，海洋生物活性物质的初始来源，大部 分甚至全部来自海洋微藻和微生物等低等海洋生物。 酶的生产和应用的技术过程称为酶工程。酶工程的发展，为工业技术的 进步作出了巨大贡献，酶制剂本身也形成了巨大的市场。至1 9 9 7 年，全球的 酶市场约为1 4 亿美元，并以每年4 一5 的速度增长。由于新药开发及制 药新技术的需要，特殊用酶迅速增加，已成为酶技术开发中的重点。由于海 洋生物的特殊性，使得酶工程已成为生物技术的重要研究领域，这不仅可提 供工业特殊用酶，也为获得新的生物活性物质提供极好的生物资源库 目前我国海洋生物酶的研究和开发与世界先进国家相比还存在相当差 距，其主要表现在：( 1 ) 活性物质筛选等基础性工作薄弱。1 9 7 6 年以来，全 世界从海洋生物中分离得到的新型化合物达3 0 0 0 多种，而我国进行海洋生物 活性物质筛选的单位不多，分离得到单体且属新型化合物的很少，其原因是 筛选需要大量的投入，而且短期内难以见到经济效益。( 2 ) 活性物质的分离、 纯化等技术与国外存在较大差距，设备落后，质量差，速度慢。( 3 ) 利用基 因工程、细胞工程、酶工程、生化工程等生物技术手段，进行海洋生物活性 物质开发更是刚刚起步，大部分项目还是处于研究的初期。( 4 ) 产业化水平 低。国内虽已开发出了一些海洋药品，但真正实现产业化的却很少，大部分 都是“小作坊”生产! 本课题是以中国水产科学研究院黄海水产研究所一项国家8 6 3 计划海洋 技术领域课题的研究成果海洋生物酶作为对象设计其发酵过程自动控制 系统，解决该产品仅在实验室由研究员以人工的方式小规模试验性生产、产 品产量低、一致性差等缺点，从而加快海洋生物酶产业化进程。这对于加速 开发海洋生物活性物质资源具有重要的经济意义和社会意义。并且对我国海 洋生物技术向更高水平发展具有深远意义 1 0 山东大学硕士学位论文 1 3 本课题研究的内容及要达到的目标 本课题研究内容主要包括以下部分： ( 1 ) 发酵自控系统整体控制方案设计 ( 2 ) 发酵自控系统的软硬件选型 ( 3 ) 发酵罐温度自动控制方案 ( 4 ) 发酵罐p h 值自动控制方案 ( 5 ) 发酵罐溶氧自动控制方案 ( 6 ) 现场总线控制方案和数据的实时通讯 ( 7 ) 数据采集、归档及处理方案 ( 8 ) 上位机人机界面设计 本课题的目标： 能够实现海洋生物酶发酵过程的自动控制；根据工艺和设备的要求，实 现发酵罐内温度、压力、p h 值、d o 值、转速、空气流量及消泡的自动控制： 采取切实可行的节能模式，降低能源消耗，减少运行成本；根据要求设备自 动启停，可以提高管理效率，节省人力，降低维护成本；现场本地控制，通 过现场总线实现主控柜的集中自动控制和发酵车间中心控制室的上位监控： 提供有关设备运行状况及发酵罐内各参数的历史纪录及实时纪录，集中收集、 整理，建立存档。 本课题的创新点： ( 1 ) 海洋生物酶发酵自控系统在国内为第一个。 ( 2 ) 首次将模糊理论和海洋生物酶发酵过程溶解氧自动控制系统相结 合，在国内海洋生物发酵行业领先。 1 4 系统设计原则 发酵自控系统涉及计算机技术、自动控制技术、传感器技术、交流传动 技术、通信和网络技术等高新技术，是一个庞大复杂集成度很高的系统。设 计该系统时必须遵循整体性、先迸性和可扩充性原则，建立经济合理、资源 优化的系统设计方案i ”下面我们分别逐个进行讨论： 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 标准化原则：必须依据有关技术标准、技术规程等进行规范化和标 准化设计，做到数据的接口定义和传输格式标准化，必要时采用相同型号或 厂家的软硬件产品，便于系统集成。 ( 2 ) 实用性原则：能够最大限度地满足实际工作要求，是每个信息系统 在建设过程中所必须考虑的一种系统性能，它是自动化系统对用户最基本的 承诺。友好、丰富的人机界面，易于操作人员在本地和主控柜及上位机上进 行操作，维护简单方便，支持多种数据通讯和多媒体技术，满足数据传输的 实时性和准确性。另外，全部人机操作设计均应充分考虑不同用户的实际需 要。 ( 3 ) 先进性原则：采用当今国内、国际上最先进和成熟的计算机软硬件 技术，使新建立的系统能够最大限度地适应今后技术发展变化和业务发展变 化的需要。从目前国内发展来看，系统总体设计的先进性原则主要体现在以 下几个方面：采用先进的、开放的体系结构；采用先进的计算机技术；采用 先进的网络通信技术，通过智能化的网络设备及网管软件实现对系统网络的 有效管理与控制；实时监控网络运行情况，及时排除网络故障，及时调整和 平衡网上信息流量；采用先进的现代管理技术，以保证系统的科学性。营造 高起点的系统开发和应用环境，使系统能随着科学技术的发展而不断的平滑 升级。 ( 4 ) 安全性和可靠性原则：系统运行的安全性、可靠性必须优先考虑， 方案中所选的每个元件和设备必须满足系统运行要求。设备应有自检、自诊 断功能；系统应能及早发现设备故障，避免发生事故，局部故障不应造成错 误输出，并能自动报警；现场监控站应具有必要的冗余配置；信息采集及控 制输出，要考虑多重软件硬件闭锁。 ( 5 ) 可扩展性和可维护性原则：根据软件工程的理论，系统维护在整个 软件的生命周期中所占比重是最大的。并且由于国内海洋生物酶发酵工艺现 在还没有完善，工艺流程、设备是在不断改进中，本系统的可扩展性和可维 护性一定要很好的适应工艺改良的需求，可根据用户的要求方便的链接多个 从站。 山东大学硕士学位论文 ( 6 ) 经济性原则 在满足系统需求的前提下，应尽可能选用价格便宜的设备，以便节省投 资，即选用性能价格比优的设备总之，以最优性价比来完成发酵自控系统 的建设。 山东大学硕士学位论文 第二章发酵过程生产工艺及控制要求 2 1 发酵过程生产工艺 发酵过程是整个海洋生物酶生产过程的一个非常重要的环节，此过程中 参数控制的好坏直接决定了产品的活性、产率及各方面结果。海洋生物酶发 酵过程分为一级种子发酵、二级种子发酵和酶发酵三个阶段，每一阶段发酵 又分为空罐消毒、实罐消毒和发酵 培养三步。图2 1 即为发酵生产过 程示意图。详细的工艺流程如下： 一、空罐消毒( 空消) 空消是在投料运行前，对空气 管路、物料管路、罐体先用蒸汽灭 菌的操作过程。 l 、空气管路消毒 ( 1 ) 空气管路上的空气减压阀 和总过滤器不能用蒸汽灭菌，因此 空气管路灭菌前必须将空气总过 滤器后的阀门关闭，徐徐打开蒸汽 阀门。 ( 2 ) 除菌过滤器的滤芯不能承 图2 i发酵生产顺序 受高温高压，灭菌时调整控制蒸汽阀门和排气阀门，使灭菌蒸汽压力控制在 0 1 1 m p a 范围内。 ( 3 ) 空消过程中，除菌过滤器下端的排气阀应微微开启，排除冷凝水， 空气管路末端的阀门也应该适当开启排除冷空气，保证蒸汽的流动，防止假 压力，影响灭菌温度产生虚假现象。 ( 4 ) 空消时间：保持蒸汽压力o 1 l m p a 状态下维持3 0 分钟，关闭前， 由远至近依次关闭排汽阀门，再关闭蒸汽阀门，然后迅速打开空气阀门，不 山东大学硕士学位论文 能让管路压力降为零压，若有发生则应重新灭菌。 ( 5 ) 通入压缩空气后，应适度开启远端空气阀门，吹干滤芯和管路中的 水份，约2 0 3 0 分钟干燥后关闭排气阀门，保压备用( 一般0 0 5 0 0 $ m p a ) 。 2 、种子罐、发酵罐空消 ( 1 ) 空消前将种子罐、发酵罐夹套内的水排干。 ( 2 ) 打开进入罐内各管路上的蒸汽阀门，让蒸汽进入罐内。 ( 3 ) 将罐上的接种口、排气口、补料口等管路上的阀门适度开肩，使蒸 汽少量排出，同时保持罐压o 1 i m p a ，罐内温度1 2 1 ( 4 ) 空消时间保持2 0 3 0 分钟后，关闭蒸汽阀门，排干罐内冷凝水， 并打开排空阀门。防止罐冷却后，内部形成负压损坏设备 ( 5 ) 空消时溶氧、p h 电极应取出，延长使用寿命 ( 6 ) 空罐时禁止启动搅拌电机 二、实罐消毒( 实消) 实消是在罐内加入培养基后，用蒸汽对培养基进行灭菌的操作过程。 1 、空消结束后，将配制好的培养基从加料口投入罐内( 或用泵入) ，配 料时应将固体物料先溶化和适当糊化。调整好p h 值，一般罐的装液量为罐 容的7 0 ( 泡沫多的培养基可降至6 0 - - 5 0 0 0 ，泡沫少的培养基可适当增加) ， 投料时要扣除菌种体积和灭菌中冷凝水体积，所以初始定容量，应控制在少 于5 0 ，加水定容的多少与料液温度，蒸汽压力等相关，需在实践中摸索。 2 、投料结束后，开启机械搅拌装置，转速可控制在1 0 0 转份左右，将控 制柜转换开关切入“消毒”状态。 3 、打开夹套蒸汽阀、排气阀，由夹套对罐内培养基进行预热，当罐内培 养基温度升到9 0 c 时，关闭夹套蒸汽阀，打开进入罐内所有管路上的蒸汽阀， 将蒸汽直接通入内层培养基进行加热。 4 、罐顶各相关阀门适度开启，排掉罐内冷空气，当罐内压力升至o i l m p a ， 料温升至1 2 1 时，控制蒸汽阀门开启度，保持罐压和温度( 并注意罐上各 阀门和管路上各排气阀门的开度，排除死角) ，3 0 分钟后结束灭菌。 5 、灭菌结束后先关闭罐顶各相关捧气阀，然后再关闭蒸汽阀门。打开夹 套冷却水阀门，通水冷却，将控制柜转换开关切入“发酵”状态，并打开通 1 5 山东大学硕士学位论文 风管空气阀门。通入无菌空气，同时打开罐项排气阀排气，开启搅拌电机。 调节进排气阀门保持罐压o 0 2 o i o m p a ，直至罐温降至接种温度( 罐压大 小应根据工艺来调节) ，关闭夹套下口冷却水阀门和夹套上口手动排污阀，系 统切换到恒温水箱自动控温状态( 冷却过程中注意巡视罐压力，严防罐内跌 零压) 。 兰、种子罐接种、培养 l 、种子罐采用火焰封口接种( 或注射接种) ，接种前请准备好酒精棉花， 坩锅钳等工具。 2 、在无菌室内将菌种按工艺要求并入菌种三角瓶或注射器中，注意严格 执行无菌操作 3 、火焰封口接种前关闭搅拌电机，关闭通风阀，慢慢打开排气阀，使罐 压慢慢接近零压，关闭排气阀，旋松接种口盖、放入酒精环，点燃酒精，打 开接种口盖，并稍开通风阀，向罐内稍通气，使接种口微微有气排出，将三 角瓶菌种在火焰掩护下倒入罐内。 4 、在火焰掩护下，盖上接种口盖，撤去酒精环、旋紧接种口盖，完成接 种。 5 、启动搅拌电机，向罐内送风，并慢慢调整通风阀和排气阀的开度，使 罐压维护在0 0 2 0 1 0 m p a ，通风量符合工艺要求，进入培养过程。 6 、注射式接种，在灭菌前换入硅胶圈，接种时，关闭搅拌电机，旋松上 塞，在火焰棉掩护下，将针尖刺入，迅速注入菌种，完毕后旋紧上塞，完毕 接种，启动搅拌电机，调节进气排气阀开启度，保持罐压，转入培养 四、移种 l 、采用压差移种，即在种子罐压力大于下一级发酵罐压力的条件下，将 菌种转移到下一级发酵罐内 2 、罐内培养基应先实消冷却到培养温度后保压备用，待菌种培养成熟后 即可移种 3 、移种前对移种管路、阀门用蒸汽灭菌2 0 3 0 分钟，并由发酵罐端通 气保压( 与发酵罐实消同步进行) 4 ，移种时，调整种子罐罐压保持0 0 8 0 i m p a 。发酵罐罐压保持o 0 3 m p a 山东大学硕士学位论文 左右，打开移种管路阀门，并使发酵罐排气阀稍开户，慢慢排气。菌种在压 力差下由种子罐转入发酵罐( 或二级种子罐) 内。 5 、结束后，将种子罐加入清水，用蒸汽煮罐清洗，灭菌备用，移种管路 也需用蒸汽冲洗灭菌。 五、发酵培养 菌种接入发酵罐后，即进行发酵培养，罐压、搅拌转速根据菌种特性和 工艺要求确定。 l 、发酵温度根据工艺要求确定，设定温度上、下限和目的温度，在发酵 工况下，自动控制温度，低于设定温度时电加热管自动加热补温，高于设定 温度时自动打开冷却水阀门 2 、发酵过程中，因菌种和工艺要求不同而对p h 值的变化要求亦不同。 本设备p h 值可设定上、下限值，当发酵液p h 值超出设定范围时，蠕动泵即 自动起动流加碱( 酸) 液，也可手动补碱( 酸) 调整p h 值至设定值。由于 碱( 酸) 反应过程和显示数值的时间差，设定时应注意修正。 3 、发酵过程若产生大量泡沫时，泡沫传感器即会自动响应，发出报警信 号，自动手动控制流加消泡剂消泡。 4 、发酵过程中若需补料，通过补料口采用自动手动控制补料阀进行补料。 5 、补入罐中的料液、消泡剂和连接输送的管路应预先单独灭菌，方可使 用。 6 、发酵过程中，取样检查时，可以通过取样口( 或取样阀) 取样，取样 前管路阀门需用蒸汽灭菌，要按无菌操作进行，取样结束后，勿忘用蒸汽冲 洗阀门管道。种子罐料液少，应控制取样次数和取样量。 7 、发酵结束出料时，先关闭搅拌电机和排气阀，调节进气阀使罐压控制 在o 0 8 0 1 m p a 。 8 、再开启出料阀，利用压差，将料液放出。 9 、出料后取出溶氧和p h 传感器，清洗保存。 1 0 、出料后排净罐内空气，打开手孔，放入清洁水清洗发酵罐及有关管 路，并空消后排净。待下次发酵使用。 1 1 、发酵培养过程中，当突然停电时，应迅速关闭罐周围阀门，使整个 1 7 山东大学硕士学位论文 系统处在保压状态，防止污染。并应迅速恢复供电。 2 2 控制要求 本系统所实现的主要功能包括： ( 1 ) 对发酵罐的主要环境参数( 如搅拌转速、培养液温度、发酵液p h 值、溶解氧浓度等) 进行在线测量和控制； ( 2 ) 通信和参数设定功能 可将发酵过程中测量得到的参数传送到监控计算机，通过上位计机可以 进行控制器参数设定、问接参数计算及离线参数输入等 ( 3 ) 屏幕显示功能 实现检测参数的在线趋势显示，在线发酵过程状态显示、发酵过程监控 流程图的显示，以指导发酵操作人员进行相关操作。 ( 4 ) 操作管理功能 在上位机中通过图形操作界面及多层菜单，选择各种操作功能，包括设 置限值、对下位机设置重要控制参数，显示或打印过程数据等 ( 5 ) 信息存储及报表和蓝线打印功能 记录及保存运行过程中的状态、数据是发酵过程在线监控中的一个重要 任务。通过精确的记录来满足各种分析统计的要求，以及对未来监控的操作 指导。记录保存的一般实现方法是按一定的周期间隔获取预先选定的数据集。 并把它们保存在一个数据库文件中。存储周期可由用户根据需要自行设定。 监控及数据采集系统中存储的历史数据为各种报表、趋势曲线、分析报告提 供一个有效数据、状态信息源。 山东大学硕士学位论文 3 1 设计思想 第三章系统总体方案设计及其实现 要构造一个控制系统，首先要根据工艺要求选配各种硬件，然后把各个 部件之间用网络连接起来，这样就构成了控制系统的基本框架然后通过软 件编程、组态，从而形成了一能实现工艺要求的系统。目前采用工控机作为 上位机，配合现场的操作面板或触摸屏和可编程序控制器( p l c ) 控制单元 为核心组成的分布式测控系统已经在当今许多自动化领域得到了广泛的应 用，该系统利用了p l c 控制通讯能力强，抗干扰能力好，触摸屏和操作员面 板的性价比高，可视化效果好，操作简单方便等特点，组建适用于分布式现 场控制的前端控制单元，同时也利用了p c 计算机软硬件资源丰富、管理控 制功能大和用户界面友好的特点。 本项目共包括3 个现场控制柜和1 1 个电气柜，来实现对2 0 个发酵罐发 酵过程的控制。其中l 拌现场控制柜控制6 个发酵罐，2 群现场控制柜控制5 个 发酵罐，3 撑现场控制柜控制另外9 个发酵罐。我们选用s i e m e n s 公司s 7 3 0 0 p l c 做为主站；选用s i e m e n s 公司e t 2 0 0 mi m l 5 3 做为分布式i o 从站， 将现场监测仪表信号及控制、采集信号接入p l c 主站。人机界面选用 s i e m e n s 公司o p 2 7 01 0 ”操作员面板，变频器选用s i e m e n s 公司m m 4 4 0 系列变频器。通过现场总线将s 7 3 0 0 主站和以上其他从站连接在一起，实现 数据和控制命令的传输。这样做一是考虑同一公司各器件的兼容性好，二是 考虑现场总线有其自身的优势，保证信号及数据的准确性整个自动化监控 系统构成s c a d a ( s u p c r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 系统，完成数据采 集、处理、监视和现场设备控制的功能。 3 2 总线控制方案的确定 随着制造业自动化和过程自动化中分散化结构的迅速增长，现场总线的 应用日益广泛，现场总线实现了数字和模拟输入输出模块、智能信号装置和 山东大学硕士学位论文 过程调节装置与p l c 和p c 之间的数据传输，把i o 通道分散到实际需要的 现场设备附近，从而使整个系统的工程费用、装配费用、硬件成本、设备调 试和维修成本减少到最小。 一、采用p r o f i b u s 总线的原因1 9 1 p r o f i b u s 现场总线技术是随全数字信号系统的发展而产生的，是由德 国组织开发的工业现场总线协议标准_ p r o f i b u s 现场总线标准( d 蹦 1 9 2 5 4 ) p r o f i b u s 是近年来国际上最为流行的现场总线，也是目前数据传 输率最快的一种现场总线( 传输率可达1 2 m 波特) ，因此在很多领域内有广泛 地应用。 p r o f i b u s 的网络协议是以i s o 颁布的o s i 标准七层参考模型为基础的， 只是对第三层到第六层进行简化，因此可以说它的标准适应性强。此外它的 三种模块( d p 、f m s 和p a ) 又可以适应不同的应用对象和通信速率方面的要 求，开放性也好。 p r o f i b u s 现场总线基于令牌协议加主从总线的介质存取方式，主站以 主从方式与从站通讯，各主站之间由令牌协议决定总线控制权。站点数可达 1 2 7 个。 正是基于p r o f i b u s 现场总线技术上的成熟和开放性，以及实际应用后 的经济效果，因此我们在控制系统方案设计中采用了它。 二、p r o f i b u s 总线简介1 9 i 标准化的现场总线具有“开放”的通信接口、透明”的通信协议，允许用户 选用不同制造商生产的分散i o 装置和现场设备。p r o f i b u s 是p r o c e s s f i e l d b u s 的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标准，即e n 5 01 7 0 欧洲 标准，目前世界上许多自动化生产厂家都为它们生产的设备提供p r o f i b u s 接口。它广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力等 其他领域自动化。 p r o f i b u s 根据应用特点分为：p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 和 p r o f m u s - p a 三个兼容版本： 1 ) p r o 兀b u s - d p ：经过优化的高速、廉价的通信链，专为自动控制系 统和设备级分散i d 之间的通信设计，使用p r o f i b u s d p 模块可以取代昂 山东大学硕士学位论文 贵的2 4 v 和4 2 0 m a 并行信号线，用于分布式控制系统的高速数据传输。 2 ) p r o f i b u s f m s ：解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务。 完成中等传输速度的循环和非循环通信任务，用于纺织工业、楼宇自动化、 电气传动、传感器和执行器、可编程序控制器、低压开工设备等一般自动化 控制。它是一个令牌机构实时多主网络。 3 ) p r o f i b u s p a ：专为过程自动化设计，标准多本质安全多传输技术， 实现了i e c l l 5 8 - 2 中规定的通信规章，用于对安全性要求高的场合和由总线 供电的站点。 p r o f i b u s 是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与 控制的现场总线技术可实现现场设备层到车问级监控的分散式数字控制和 现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的 解决方案。 3 3 系统结构 本系统中，我们把s 7 3 0 0p l c 作为系统的一级主站，三个操作板o p 2 7 0 和一台工控机作为系统的二级主站，远程f o 模块e t 2 0 0 m 以及交流调速器 m m 4 4 0 分别作为从站。系统的接线图见附录。其结构图如下： 图3 - 1 系统结构图 2 l 山东大学硕士学位论文 3 4 系统实现 3 4 1 系统硬件实现 1 、p l c 简介 s i m a t i cs 7 3 0 0 可编程序控制器是德国s i e m e n s 公司针对低性能要求 设计的模块化中小型p l c 系统，用搭积木的方式来组成系统，由机架和模块 组成。它的抗干扰能力强，具有很高的工业环境适应性，具有高电磁兼容性 和强抗振动、冲击性。模块化，无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌 握等特点使得s 7 - 3 0 0 成为各种从小规模到中等性能要求控制任务的方便又 经济的解决方案。多种的性能递增的c p u 和丰富的且带有许多方便功能的 i o 扩展模块，使用户可以完全根据实际应用选择合适的模块。当任务规模 扩大并且愈加复杂时，可随时使用附加模块对p l c 进行扩展m 】【l ”。各种单 i 负载电源( 选项) 2 后备电池( c p u3 1 3 以上) 3 2 4 v i x ：连接 4 模式开关 5 状态和故障指示灯 图3 - 2s 7 3 0 0 p l c 6 存储器卡( c p u 3 1 3 以上) 7 m p i 多点接口 8 前连接器 9 前门 山东大学硕士学位论文 块之间可进行广泛组合以用于扩展。 本系统的p l c 部分是由以下模块组成的： 中央处理器单元( c p u ) s 7 3 0 0 的c p u 模块( 简称c p u ) 集成了过程控制功能，用于执行用户 程序。每个c p u 都有一个编程用的r s - 4 8 5 接口，有点还带有集成的现场总 线的p r o f i b u s d p 接口或p t p ( 点对点) 串行通信接口。 在紧凑型c p u 中所采取的创新设计，现在也应用到全新标准型c p u 3 0 0 系列，这样就大大提高了c p u 的性能：缩短机器时钟时间、减少工程成本、 降低运行成本、降低安装空间需求、增加了系统的灵活性。 本系统中选用的c p u 型号为c p u 3 1 5 - 2 d p ( 6 e s 73 1 5 2 a g l 0 - o a b o ) ， 它具有中、大规模程序存储容量和数据结构，对二进制和浮点数运算具有较 高的处理能力，c p u 运行时需要微存储卡( h 似c ) 。该c p u 的r a m 存储容 量为1 2 8 k b ，有2 5 6 个定时器和2 5 6 个计数器，数字量通道为1 6 3 8 4 点，模拟 量通道为1 0 2 4 个。 信号模块( s m ) 信号模块是数字量输入输出模块和模拟量输入输出模块的总称，它们 使不同的过程信号电压和电流与p l c 内部的信号电平匹配。信号模块主要有 数字量输入模块s m 3 2 1 和数字量输出模块s m 3 2 2 ，模拟量输入模块s m 3 3 1 和模拟量输出模块s m 3 3 2 。 数字量输入模块s m 3 2 1 本系统选用订货号为6 e s 73 2 1 1 b l o o 0 a a 0 的 模块，它为3 2 点2 4 v 直流输入，输入为光电隔离，1 6 个点为一组。允许未 屏蔽电缆长度为6 0 0 米，屏蔽电缆为1 0 0 0 米输入，连接系统为4 0 针前连接 器。 数字量输出模块s m 3 2 2 本系统选用订货号为6 e s 73 2 2 i f h 0 0 0 a a 0 的 模块，它为1 6 点继电器输出，额定负载电压为1 2 0 2 3 0 v a c ，带光电隔离，8 个点为一组与背板总线光电隔离总输出电流每组最大5 a ，连接系统为2 0 针前连接器。 模拟量输入模块s m 3 3 1 本系统选用订货号为6 e s 73 31 7 k f 0 2 0 a b 0 的 模块，它为4 通道组8 输入，精度每个通道可调9 位+ 符号、1 2 位+ 符号和 山东大学硕士学位论文 1 4 位+ 符号，可测电压、电流、电阻和温度等。 模拟量输出模块s m 3 3 2 本系统选用订货号为6 e s 73 3 1 5 h d 0 1 0 a b 0 的 模块，它为4 通道组4 输出，输出电压电流可调。 通讯处理器( c p ) 通讯处理器用于p l c 之间、p l c 与计算机和其他智能设备之间的通信， 可以将p l c 接入p r o f i b u s d p 、a s i 和工业以太网，或用于实现点对点通 信等。通信处理器可以减轻c p u 处理通信的负担，并减少用户对通信的编程 工作。在本系统中主要承担e t 2 0 0 m 从站、m m 4 4 0 交流调速器与s 7 3 0 0 主 站的通信工作，缓解了主站通信压力，缩短了系统的运行时间。 本系统中，我们选用了两种通信处理器：一是c p 3 4 2 5 ，订货号为 6 g k 7 3 4 2 5 d a 0 2 0 x e 0 ，安装在s 7 3 0 0 主站上；一是c p 5 6 1l 卡，订货号为 6 g k l 5 6 1 1 a m 0 0 ，安装在工控机的p c i 插槽里，承担工控机和s 7 3 0 0 主站 的通信任务。 电源模块( p s ) p s3 0 7 电源模块将1 2 0 伏交流电压转变成所需要的2 4 伏直流工作电压， 为s i m a t i cs 7 - 3 0 0 和传感器及执行原件提供电源。本系统中我们选用了订 货号为6 e s 73 0 7 1 e a o o 0 a a 0 ( 5 a ) 和6 e s 73 0 7 1 k a 0 1 0 a a 0 ( 1 0 a ) 两种 电源模块。 2 、分布式i o 简介 组建系统时，通常需要将过程的输入和输出集中集成到该自动化系统 中。如果输入和输出远离可编程控制器，将需要铺设很长的电缆，这样不易 实现，并且可能因为电磁干扰而使得可靠性降低。分布式i o 设备便是这类 系统的理想解决方案。 s i m a t i ce t 2 0 0 分布式i ，o 系统是s i e m e n s 公司s i m a t i cs 7 自动化 系统的一部分。它是基于开放式p r o f i b u s 总线可实现从现场信号到控制柜 的数据通讯，凭借其高数据传输率的特点，确保在控制器c p u 和i o 设备 之间通讯顺畅。在工厂自动化中，应用s i m a t i ce t 2 0 0 分布式i ，o 是解决这 些问题的一个优秀方案。使用e t 2 0 0 分布式i o 可以明显的降低接线成本， 提高数据安全性，增加系统灵活性。 2 4 山东大学硕士学位论文 分布式i o 配置意味着： ( 1 ) 可编程控制器p l c 、i o 模块和现场设备通过称为现场总线的信号 电缆链接。 ( 2 ) 将输入输出模块转换成就地检测器和执行器 ( 3 ) 可就地转换和处理过程信号 ( 4 ) 可以想集中配置一样进行程序设计 e t 2 0 0 m 是高密度配置的模块化分布式i o 站，保护等级为i p 2 0 。它可 用s 7 3 0 0 可编程序控制器的信号，功能和通讯模块扩展。由于模块的种类众 多，e t 2 0 0 m 尤其适用于复杂的自动化任务。可