（电力电子与电力传动专业论文）海洋生物酶发酵过程自动控制研究.pdf

山东大学硕士学位论文 态等进行了简耍介绍。 截至目前，海洋生物酶示范工程项目已进入试运行阶段，该自动控制系统运行 稳定、可靠，发酵相关工艺参数的控制达到了生产工艺要求，上位机监控软件的应 用有效的提高了该系统的自动化水平和酶制剂产品的品质。与传统的人工控制发酵 过程相比，该系统具备巨大的产业化优势，具有产量高、品质好和成本低的特点， 并初步显现出良好的经济效益和社会效益，也是国内酶制剂生产产业化进程的一次 积极探索。 关键词：海洋生物酶发酵；p l c ；模糊p i d 控制；w i n c c v l 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t m a r i n eb i o l o g i c a le n z y m ef e r m e n t a t i o nc o n t r o ls y s t e mi st h es u p p o r t i n ge l e c t r i c a l c o n t r o ls y s t e mo ft h ei n s t i t u t eo fa q u a t i c ”n i n t hf i v e - y e a r ”8 6 3p r o j e c t s ( m a r i n el i f e d e m o n s t r a t i o np r o j e c t ) w h i c hu n d e r t a k e nb 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 e c h i n e s ea c a d e m yo ff i s h e r ys c i e n c e s m a r i n eb i o l o g i c a le n z y m ei sak i n do fn e w e n z y m e sd e v e l o p e dt h r o u g hm o d e mb i o e n g i n e e r i n gm e t h o d sa n db a s e do nm e t a b o l i t e s o fc h i n a sm i c r o b i a lw h i c hc a np r o d u c te n z y m e c o m p a r e dw i mt h et r a d i t i o n a le n z y m e m a r i n eb i o l o g i c a l e n z y m eh a sb r o a d e ra p p l i c a t i o n sa n dm a r k e tp r o s p e c t s m a r i n e b i o l o g i c a le n z y m ef e r m e n t a t i o na u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi st h em a j o r c a r d e r so fm a r i n e b i o l o g i c a le n z y m e s i n d u s t r i a l i z a t i o n t h e s y s t e m c o m b i n e sm o d e mi n d u s t r i a l a u t o m a t i o n t e c h n o l o g y a n dt r a d i t i o n a lb i o - f e r m e n t a t i o n t e c h n o l o g y t oa c h i e v e a u t o m a t i c a l l yo p t i m i z i n gc o n t r o lo ft h em a r i n eb i o l o g i c a le n z y m ef e r m e n t a t i o np r o c e s s m a r i n eb i o l o g i c a le n z y m ef e r m e n t a t i o nc o n t r o ls y s t e mm a k ep l ca st h ec o n t r o l c e n t e ra n da p p l yf i e l d b u s ，v v v f ，h m i ，f u z z yc o n t r o la n dp i dc o n t r o lo nt h ec o n t r o lo f m a r i n eb i o l o g i c a le n z y m ef e r m e n t a t i o np r o c e s s a n dt h ec e n t r a li s s u e so ft h es y s t e ma r e p r o c e s sp a r a m e t e r s a c q u i s i t i o n ，a r c h i v i n g ，o p t i m i z a t i o na n dc o n t r 0 1 t h es u b j e c t ，b a s e d o nt h eh a r d w a r eo fm a r i n eb i o l o g i c a lf e r m e n t a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，f o c u s e so nt h e a c q u i s i t i o n ，a r c h i v i n g ，o p t i m i z a t i o n a n dc o n t r o lo ft h em a r i n eb i o l o g i c a le n z y m e f e r m e n t a t i o n sp r o c e s sp a r a m e t e r s a c c o r d i n gt ot h es c e n eo ft h ea c t u a ls i t u a t i o na n d b i o l o g i c a lf e r m e n t a t i o no ft h e i ro x v i ic h a r a c t e r i s t i c s ，t h es y s t e mt a k e st h et e m p e r a t u r e ， d i s s o l v e do x y g e na n dp hv a l u ea st h es t u d ys u b j e c ta n dd i s c u s s e st h eo p t i m a lc o n t r o l m o d e sb a s e do np l c f e r m e n t a t i o nt e m p e r a t u r ea n dp hv a l u e sa r ec o n t r o l l e dw i t l lp i d c o n t r o lt e c h n o l o g yw h i c hh a sp w m f u n c t i o n ，a n dt h ec o n t r o lo ff e r m e n t a t i o nd i s s o l v e d o x y g e nu s e sf u z z yp i dc o n t r o l ，c o m b i n i n gf u z z yc o n t r o la n dt h et r a d i t i o n a ld i g i t a lp i d c o n t r o lt oo p t i m a lt h ec o n t r o lo fd i s s o l v e do x y g e n t h es y s t e mu s e ss i e m e n sw i n c ca s p cm o n i t o r i n gs o f t w a r et os h o w , t oa r c h i v ea n dt oo p t i m i z et h er e a l t i m ep r o c e s s p a r a m e t e r sa n dt h eh i s t o r yc h iv e a c c o r d i n gt ot h en e e d so ft h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，t h e s y s t e mc o n f i g u r e sa n do p t i m i z e st h ew i n c cs o f t w a r et os h o wt h ew h o l ef e r m e n t a t i o n p r o c e s so np ca n dt oa c h i e v et h ea u t o m a t i ca r c h i v i n ga n df o r m u l am a n a g e m e n t ，f u r t h e r e n h a n c i n gt h em a r i n eb i o l o g i c a le n z y m ef e r m e n t a t i o np r o d u c t i o nl e v e lo fa u t o m a t i o n t h ef u n c t i o n s ，a r c h i v i n g ，o p t i m i z i n ga n dc o n t r o l l i n gt h ep a r a m e t e r so fm a r i n eb i o l o g i c a l l 山东大学硕士学位论文 e n z y m ef e r m e n t a t i o n ，a r eb a s e do nt h ep l cp r o g r a ma n dt h ec o n f i g u r a t i o no fh m i i n t h ep r e m i s eo fo p t i m a lc o n t r o l ，t h es y s t e mc o n t r o l st h es c e n ei m p l e m e n t i n ga g e n c i e st o m a k et h ef e r m e n t a t i o np r o c e s sp a r a m e t e r sa c h i e v et h eo p t i m u mv a l u e t h e r e f o r e ，t h e o p t i m i z a t i o n c o n t r o lb a s e do ns i e m e n sp l c ，a sw e l la st h er e a l i z a t i o no fw i n c c c o n f i g u r a t i o nm o n i t o r i n gs o f t w a r ei sf o c u s e d o nt h ei s s u eo ft h i sp a p e r i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h ep r o c e s s ，s y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r e a n dn e t w o r kc o n f i g u r a t i o no ft h em a r i n eb i o l o g i c a le n z y m ef e r m e n t a t i o n u pt ot h ep r e s e n t ，t h em a r i n eb i o l o g i c a lm o d e lo ft h ep r o j e c th a se n t e r e dt h es t a g e o ft r i a lo p e r a t i o n t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi sr u n n i n gs t a b l e ，a n df e r m e n t a t i o n p r o c e s sp a r a m e t e r sa r er e l a t e dt og o o dc o n t r o lr e s u l t s t h ea p p l i c a t i o no f p cm o n i t o rs o f t w a r ee f f e c t i v e l ye n h a n c e st h ea u t o m a t i o nl e v e lo fs y s t e m s c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a la r t i f i c i a lf e r m e n t a t i o n p r o c e s s ，t h es y s t e m h a st r e m e n d o u s i n d u s t r i a l i z a t i o na d v a n t a g e sa n dc o s ta d v a n t a g e s ，a n dh a ss h o w ng o o de c o n o m i cr e t u r n s ， a n da l s oap o s i t i v ee x p l o r a t i o no fe n z y m e s i n d u s t r i a l i z a t i o np r o c e s s k e y w o r d s ：m a r i n eb i o l o g i c a le n z y m ef e r m e n t a t i o n ；p l c ；f u z z y - p i dc o n t r o l ；w i n c c v i i i 山东大学硕士学位论文 符号说明 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 可编程序控制器 h m i ( h u 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 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 ) 数据采集监控系统 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 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 用于过程控制的o l e f u z z y - p i dc o n t r o l 模糊p i d 控制 d o ( d i s s o l v e do x y g e n ) 溶解氧 i x 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：武建耸 日期：趋呈：圣：垡 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：邀导师签名：邋日 期：州- s 乡 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 海洋生物酶发酵控制技术的发展现状 1 1 1 海洋生物酶技术研究概述 随着人类对海洋环境特殊性和生物多样性特征认识的不断深入，海洋在沿海国 家可持续发展中的战略地位日益突出，海洋生物资源多层面的开发利用将会极大地 促进海洋生物技术研究与应用的迅速发展。 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一门高技术科学。它是现代生物 技术与海洋生物学相交叉的产物，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。 海洋生物蛋白酶资源是海洋生物资源的重要组成部分之一，对其进行高值化加 工利用，是海洋生物技术研究的重要内容。海洋生物酶是采用我国海洋产酶微生物 的代谢产物，运用现代生物工程手段开发出的一种新型酶制剂，与传统酶制剂相比 它拥有更为广阔的应用领域和市场前景。 运用高科技手段，对低值的海洋生物蛋白进行高值化、资源化、生态化利用， 是当前海洋生物技术领域急需开展研究的内容。其中，运用发酵工程技术和酶工程 技术酶解海洋生物资源，是开发利用海洋生物蛋白资源的重要途径，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【2 】。 1 1 2 国内海洋生物酶发酵控制技术发展现状 目前我国海洋生物酶的研究和开发水平与世界先进国家相比还存在相当大的 差距，主要表现在：活性物质的筛选工作基础薄弱；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；利用基因工程、细胞工 程、酶工程和生化工程等生物技术手段，进行海洋生物活性物质的开发工作刚刚起 步，大部分项目还处于研究初期；产业化水平低【3 】。 海洋生物酶发酵控制技术的发展依赖于传统生物发酵技术，目前国内大部分海 洋酶制剂产品均出自小作坊式生产，发酵过程仍然由人工依靠经验进行手动控制， 山东大学硕士学位论文 自动化水平不高，生物酶发酵工艺参数无法达到最优状念，其生， ：规模小、产品产 量低、一致性差等缺点使海洋生物酶制剂产品无法体现其自身优势、缺乏市场竞争 力，而发酵自动控制技术的落后是制约海洋生物酶发酵产业化进程发展的重要因素 之一。 发酵工艺参数的控制是海洋生物酶发酵的关键，也是其产业化进程中要解决的 核心问题。海洋生物酶发酵系统具有大滞后、非线性和时变性的特点，对准确控制 发酵温度、p h 值和d o 值等工艺参数带来一定的难度。数字p i d 控制是目前生物发 酵产业最常用的控制方式，具有算法简单、鲁棒性好、可靠性高等特点，被广泛应 用于工业过程控制系统，但对于具有大滞后、非线性和时变性特点的系统，数字p i d 控制适应性较差，易出现参数整定不良、超调量大等现象 4 1 。因此，需要我们进一 步研究适用于海洋生物酶发酵的自动优化控制方法。 1 2 本课题的研究背景及意义 海洋生物酶发酵自动控制系统，是中国水产科学研究院黄海水产研究所承担的 国家“九五”8 6 3 计划项目( 海洋生物酶示范工程) 的配套电气控制系统。海洋生 物酶发酵自动控制系统是海洋生物酶产业化进程的重要载体，它将现代工业自动化 技术与传统生物发酵技术相结合以实现海洋生物酶发酵过程的自动优化控制。 本课题的研究基于海洋生物酶发酵硬件系统，从发酵相关工艺参数的控制方式 出发，探讨该系统的自动优化控制策略及其基于p l c 的实现方法，这也是海洋生物 酶发酵过程控制的核心问题。 海洋生物酶发酵自动控制系统是国内生物酶发酵行业产业化进程的一次积极 探索，可改变该类产品仅在实验室由研究人员以人工方式进行小规模试验性生产的 局面，将会大幅度提高发酵生产的自动化水平，从而加快海洋生物酶制剂产品的产 业化进程。 本课题所研究的发酵工艺参数优化控制及生产实时监控系统对其他生物发酵 过程控制也具有一定的借鉴意义。对于加快海洋生物活性物质资源开发、推进生物 酶制剂产业化生产具有一定的经济意义和社会意义，并且将对国内海洋生物技术向 更高水平发展产生积极影响。 山东大学硕士学位论文 1 3 本课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容如下： 海洋生物酶发酵工艺流程； 基于p l c 的海洋生物酶发酵自动控制系统硬件、网络系统的构建； 海洋生物酶发酵温度、p h 值和溶解氧浓度的自动控制策略及其基于p l c 的实 现过程； 发酵生产上位机实时监控系统的构建； 发酵工艺参数数据的采集、归档和优化。 其中，第项是本课题研究的基础，本文只作简要介绍，第项是课题 研究的重点内容，本文将作深入探讨。 山东大学硕士学位论文 第二章海洋生物酶发酵工艺流程及其控制技术要求 2 1 海洋生物酶发酵工艺流程简介 2 1 1 海洋生物酶示范工程总体工艺流程 海洋生物酶发酵系统是海洋生物酶示范工程的组成部分之一，也是其中最关键 的环节。要想研究海洋生物酶发酵生产的工艺流程，首先必须了解海洋生物酶示范 工程的总体工艺流程。 该海洋生物酶示范工程系统的主要构成如下： 发酵罐体、补料系统、空气除菌过滤系统、发酵后处理系统； 与温度、p h 值、溶解氧、转速、泡沫和罐压等配套的检测与控制系统； 由上位机数据采集系统、电气控制系统等组成的机电仪一体化设备。 该系统可用于各种微生物的培养、生产，其中发酵罐体为通用型机械搅拌液体 深层发酵罐，采用全不锈钢制造，搅拌系统采用新型密封材料和变频器无级调速装 置。海洋生物酶示范工程的总体工艺流程如图2 1 【5 】所示，图中框图即为海洋生物 酶发酵自动控制系统部分。 4 广一一一一一一一一j 。j ；再i = “ i 。ii ! ? 1l j ；冒 ! 一堡! 警习o i 曼适i 二 i 卜1 离i 也等型 i 一芒兰一一j 一上一 一蒸汽锅炉l 阻一一一i ；：蜜i 慝i 暮茁： l 一一一一一- + 一一。i 广。； l 啦蟹j ：羔兰竺三：i l 一j i 山东大学硕士学位论文 2 1 2 海洋生物酶发酵工艺流程 发酵过程是整个海洋生物酶制剂生产中的关键环节，在此过程中发酵工艺参数 控制效果的好坏直接决定了产品的活性、产率和质量水平。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，每一阶段的发酵过程又分为空 罐消毒、实罐消毒和发酵培养三个步骤。 海洋生物酶发酵工艺流程及发酵罐使用流程如图2 2 、图2 3 t 5 】所示。 摇瓶卜一 上 一级种子罐1 l 移种l ， 二级种子罐 上 l 移种1 0 发酵罐 。- 级级发 种种酵 子子 罐 罐罐 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 一1 一 空罐消毒 j 实罐消毒 0 发酵培养 图2 2 海洋生物酶发酵工艺流程图 图2 - 3 海洋生物酶发酵罐使用流程图 与海洋生物酶发酵相关的工艺参数主要有： 罐内压力、培养液温度、p h 值、无菌空气流量、溶解氧浓度和搅拌转速，与 之配套，每个发酵罐上均安装有远传压力表、p t l 0 0 、p h 电极( 带变送器) 、涡街 流量计和d o 电极( 带变送器) 等。 发酵系统的现场执行机构主要有： 恒温水阀、冷却水阀、酸碱阀、搅拌电机( 带减速箱) 、消泡剂阀和电动调节 阀等。 海洋生物酶发酵罐罐体如图2 4 所示。 发酵罐操作的主要技术指标如下： 1 灭菌参数 灭菌温度：1 2 1 山东大学硕士学位论文 火菌k 力：0 1 lm p a 灭菌时间：2 0 - - - 3 0r a i n 2 罐内工作压力：0 0 3 - - - - 0 0 7m p a 3 工作温度：2 0 - 4 5 士o 5 4 通风比：l ：0 5 1 2 5 装料系数：o 5 - - 0 7 6 调速方式：无极调速 图2 4 海洋生物酶发酵罐示意图 2 2 海洋生物酶发酵工艺控制功能要求 海洋生物酶发酵自动控制系统所要实现的主要功能包括： 发酵工艺参数的实时测量和控制功能 对发酵罐的主要工艺参数( 如罐内压力、搅拌转速、培养液温度、发酵液p h 值和溶解氧浓度等) 进行在线测量和优化控制。 实时数据通信和网络控制功能 根据发酵工艺要求搭建p r o f i b u s d p 现场总线通信系统，实现生产设备状态 的在线监控、故障报警及维护等功能。 上位机实时监控功能 6 山东大学硕士学位论文 实现发酵过程状态、工艺参数实时曲线、现场执行机构状念等信息的实时显示。 操作管理功能 在上位机中通过图形操作界面及多层菜单，实现身份管理、工艺参数设置、配 方管理等功能。 工艺参数数据存储 记录及保存系统运行过程中的状态、工艺参数数据是发酵过程在线监控中的重 要任务，通过精确的数据记录来满足各种分析统计的要求，并指导以后的发酵生产 监控操作。 海洋生物酶发酵工艺参数的控制精度要求如表2 1 【6 】所示。 参数温度p h 值 d 0 空气流量罐压转速r p m 控制精度士o 1 士o 0 5士2 5 士1 士1 5 0 3 5 0 表2 1 海洋生物酶发酵工艺参数控制精度 7 山东大学硕士学位论文 第三章海洋生物酶发酵自动控制系统硬件与软件实现 与海洋生物酶发酵相关的生产设备主要有发酵罐、搅拌电机、传感器、配套管 路及各种电磁阀和调节阀等。我们以此为基础，引入现场总线、p l c 、操作员面板、 变频调速、模糊p i d 控制和上位机监控等先进工控设备和技术，搭建海洋生物酶发 酵自动控制系统。 海洋生物酶发酵车间分布着各种规格的发酵罐共1 1 个，现场发酵工艺参数信号 分布较为分散，为实现发酵过程的集中控制，我们采用现场总线技术将系统的控制 终端连成网络。 本系统共包括2 个现场控制柜和5 个电气柜，来实现对1 1 个发酵罐发酵过程的控 制，其中0 拌现场控制柜控$ u 5 个大容量发酵罐，6 现场控制柜控制6 个小容量发酵罐。 我们选用s i e m e n s 公司s 7 3 0 0 p l c 作为网络主站；选用s i e m e n s 公司e t 2 0 0 m 作为 分布式i 0 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( 共 2 台) 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( 共1 1 台) 选用该公司的 m m 4 4 0 系列变频器。通过现场总线电缆将s 7 3 0 0 主站与其他从站连接在一起，实现 数据和控制命令的传输，构成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 ma c q u i s i t i o n ) 系统，完成发酵工艺参数数据的采集、处理、监视和控制现场执行机构等功能。 3 1 发酵自动控制系统p r o f i b u s d p 网络结构 3 1 1p r o f i b u s 现场总线技术简介 现场总线技术是2 0 世纪8 0 年代中期在国际上发展起来的一种新型工业控制技 术。现场总线控制系统( f c s ) 的出现引起了传统的p l c 和d c s 控制系统基本结 构的革命性变化，极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量低的布线工作，使其 系统检测和控制单元的分布更趋合理。结合i n t e m e t 和i n t r a n e t 的迅猛发展，现场 总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性1 7 】。 p r o f i b u s 现场总线技术随全数字信号系统的发展而产生，是由德国s i e m e n s 公司组织研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 i n l 9 2 5 41 ) 。 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 山东大学硕士学位论文 现场总线( 传输率可达1 2 m 波特) ，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 根据应用特点可分为：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 i b u s p a 三个兼容版本。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间级监控的分散式 数字控制和现场通信网络，从而为工厂的综合自动化和现场设备的智能化提供了有 效便捷的解决方案。 3 1 2 海洋生物酶发酵自动控制系统p r o f i b u s d p 网络组态 p r o f i b u s - d p 是一种高速、低成本工业级通信设备，主要应用于设备级控制 系统与分散式i o 系统的通信，可取代2 4 vd c 或4 - - - 2 0 m a 信号传输，常应用于 现场设备级的高速数据传输，通过高速串行总线完成系统控制器件( 如p l c 、p c 等) 与分散的现场设备( 如i o 、变频器和阀门等) 之间的通信任务。 海洋生物酶发酵系统有大量发酵工艺参数采集设备分布在车间现场，且距离控 制柜p l c 主站较远，因此系统在发酵罐附近安装远程i oe t 2 0 0 m ，将发酵温度、 压力等工艺参数信号通过屏蔽信号线就近接入相应的e t 2 0 0 m 从站，通过 p r o f i b u s 电缆传输至p l c 主站。与发酵罐搅拌电机相对应的西门子m m 4 4 0 变频 器，通过p r o f i b u s d p 电缆连接至p l c 主站，系统通过o p 操作员面板或上位机 w i n c c 监控软件可实现电机转速的设置和实时显示。 0 1 3 2 7 0 f1 旷0 p 2 7 01 0 麟。雷舶l瓣囊删雷e 叫 3 豳到l i b 鞫锄l到 豳到 蜘皇上霞帆 p 剧 n o 号控卅恒 1 21 3 6 母控斜拒 1 号控l 糯 5 5 k w5 5 k ws 5 k ws s k w$ o k w 翻i 一8i翻譬。l翻 ：一l翻| ；：搿8l轴薹豫i l 变撬茹i f l f 4 4 0的2 生频如3 麦囊誊i i i i i 壹霜釜蛆4 oe o 朔t ：l 。ji u i 4 4 0 1 7 5 k wd 7 s k w ll7 5 k wi 7 s k w 4- k w o - 7 5 h 翻霉蚶磬l翻l ! 黜嚣强i翻i 。 。8 拼珏8 l 轴匠拣醢l 如譬5 m翻i ；一冀| 图3 1 海洋生物酶发酵p r o f i b u s d p 网络自动控制系统 9 山东大学硕士学位论文 海洋生物酶发酵自动控制系统将s 7 3 0 0p l c 设为系统一级主站，通过 p r o f i b u s 电缆与二级主站( o p2 7 0 ) 、远程i oe t 2 0 0 m 从站和m m 4 4 0 变频器从 站建立数据通讯，构成发酵p r o f i b u s d p 网络自动控制系统，如图3 1 所示。这 样，我们就可以通过p r o f i b u s d p 网络系统实现生物酶发酵的远程控制和在线显 示等功能。在该系统中p r o f i b u s d p 是现场一级通讯网络，完成现场自动化设备 和中央处理器之问双向、高速、实时数据的通讯任务。 3 2 发酵控制系统主要控制器件功能介绍 ( 1 ) 西门子$ 7 - 3 0 0c p u3 1 5 - 2 d p 黔，鼍缓渤徽籀酾辚鹾黝缀黝 p l c 作为p r o f i b u s d p 网络的一级赣- 脯矗垃。特。”。料 謦薯赶 忱糖精薯矗精 主站，主要承担处理系统数据和控制工艺 啪 证摊t i 崎 流程的工作。例如，通过现场总线将控制：麓。：翟 命令和电机转速设定值传送给各变频器，篇：? 啪一 脚， 对各发酵罐工艺参数以及各变频器的启鸶二 停状态、运行频率和报警信息进行集中处嚣淼黧曩p 鞠 落：嚣：譬 理等。在发酵自动控制系统中p l c 处于核 ：警嚣嚣 嚣焉蠡怒。” 心控制地位，承担着大量的数据通信和数萎笼豁慧鬈 据处理以及工艺操作流程的控制任务。 ：耋辫黧嚣 发酵自动控制系统的p l c 选用西门鬣。峥 子s 7 3 0 0c p u315 2 d p ，该p l c 内置m p i 翟, i ”i n i , i i ” 和d p 通讯口，m p i 口与其他带有r s 4 8 5 ：然一 叠 通讯口的设备构成m p i 网络，通过西门子：搿“一豢裟款 p c a d a p t e r 适配器还可与其他带有r s 2 3 2 图3 _ 2s 7 - 3 0 0c p u 3 1 5 - 2 d p 性能图 通讯口的设备通讯：d p 口可直接接入p r o f i b u s 网络作为系统的一级主站【8 】【9 1 ， s 7 3 0 0c p u3 1 5 2 d p 的具体性能如图3 2 所示。 该发酵自动控制系统通讯工作量巨大，为缓解c p u 的通讯压力特选用西门子 c p 3 4 2 5 通讯模块接入p r o f i b u s 网络，负责系统的大部分通讯任务。 ( 2 ) 西门子分布式i 0e t 2 0 0 m s i m a t i ce t 2 0 0 m 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，它基于开放式p r o f i b u s 总线技术，可实现从现场信号到控制柜主站的数 1 0 山东大学硕士学位论文 据通讯，凭借其岛数据传输率的特点，确保在控制器c p u 和i 0 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 m 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 m 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 的灵活性【1 们。 分布式i o 配置意味着： 可编程控制器p l c 、i 0 模块和现场设备通过现场p r o f i b u s 电缆连接； 将输入输出模块转换成就地检测器和执行器； 可就地转换和处理过程信号； 可集中进行程序设计。 在海洋生物酶发酵自动控制系统中，e t 2 0 0 m 就近采集现场发酵工艺参数信号， 然后通过p r o f i b u s 电缆将其传送至控制柜中的p l c 主站。 ( 3 ) 西门子操作员面板o p2 7 0 西门子o p 2 7 0 型操作员面板，功能强大，性能卓墨盈互蟊曩圈世 越，价格低廉，能够实现自动控制系统的过程控制和曼示 彩色s t n i 覆晶显 实时监视。基于w i n d o w sc e 操作系统，o p2 7 0 不仅尺寸( 宽墒) 1 0 4 f 2 1 1x 1 5 8 具有操作面板的一般优点：坚固耐用、稳定可靠、简嘉裂裟】，6 4 。4 8 0 2 5 6 便易用，而且能够提供有创新性的操作员控制和监视雾量管无敢障三_ 0 0 卟时 功能，其标准硬件和软件接口保证了极高的柔性度、 工作时间 擎 透明度以及办公环境的访问功能【l i j 。o p 2 7 0 的具体性输入键盘 覆膜键盘 能参数如图3 - 3 、图3 - 4 所示。 可蝙程功能3 6 个键( 2 日个带 发酵自动控制系统选用o p 2 7 01 0 ”作为发酵车间键，任选标签健l e d ，2 叶软 的操作员面板，通过o p2 7 0 操作员面板，现场操作人系统键? 婴警3 个带 员可以设定现场工艺参数的给定值并监控工艺参数的字母臌宇输入4 实时数据。o p2 7 0 操作员面板是完成生物酶发酵工艺薹磊童鼠标j u 8 日接口 生产操作的主要设备。 图3 - 30 p 2 7 0 技术规格图1 山东大学硕士学位论文 功蕾 所甫规定值坶为最丈值所百蛆态元素的总教取砘于垣态存储量 献小 变量20 4 8 事件服警信息4 0 0 0 蠢息共， 信息蠼存区5 12 个辅入 过程显示3 0 0 - 田形对重矢量田蠛- 参边弗、直角，目等) 位圈 一动杰对重2 0 4 8 配方： 3 0 0 - 每个配方的敬5 0 0 据集 - 每个_ 萌的辅1 0 0 0 入顼 归挡 - 挡宴樊墨 v i s u a l8 i j sj c 8 c r l p t s 打锄能 在瞧语言 字符组 塌控器功能 ( 8 。r a t us ， c o n t r o l ) 调度程序 口令候护 粗杏蓑件 2 0 个挡赛，毒个项目2 0 个测量点 循环档宴和用于过程值和信息的j 瓯序档宴 5 0 t 每个脚本最多2 d 行 硬拷皿报文 己录移位记录 5 嘲n d m 字体；t r u s t y o e 跪宇臣之字体：1 b 色 伽8 1 姒t i c8 5 ，s 7 j 9 衄 8 1 m a t i c ；p r o t o o l 硪8 1 m a t i cp r o t o o l p r o 蛆卷软件，运行在 w i n d o w s9 8 8 e i m e n t j 2 0 0 0 环境中：需单独订赞 图3 4 0 p 2 7 0 技术规格图2 ( 4 1 西门子m m 4 4 0 变频器 西门子m m 4 4 0 变频器是用于控制三相交流电动机的通用型变频器，它由微处 理器进行控制，采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极晶体管i g b t 作为功率输 出器件，具有很高的运行可靠性和功能多样性，其脉冲宽度调制的开关频率可选， 因而降低了电动机的运行噪声，全面而完善的保护功能提高了变频器和电动机运行 的安全性和可靠性。 西门子m m 4 4 0 的主要性能特点如下： 易于安装，设置参数和调试均非常方便； 对控制信号的响应迅速，性能稳定可靠； 具有多个继电器输出； 具有多个模拟量输出0 2 0 m a ； 2 个模拟输入：a i n io 1 0v 、0 - 一2 0 m a 和1 0 至+ 1 0 v ， a i n 20 1 0v 、0 - - 一2 0 m a ： 模块化设计配置非常灵活； 脉宽调制频率高，因而电动机的运行噪音低； 具有详细的变频器状态信息和全面的信息功能； t ， 山东大学硕士学位论文 具有多种可选件：用丁i 与p c 通讯的模块有基本操作面板b o p 、高级操作面板 a o p ，还有用于进行现场总线通讯的p r o f i b u s 通讯模块【l2 。 西门子m m 4 4 0 变频器功能方框图 西门子m m 4 4 0 变频器的控制方式共有6 种，海洋生物酶发酵自动控制系统采 用了其中的两种：p r o f i b u s 网络控制和基本操作面板( b o p ) 控制。其中， p r o f i b u s 网络控制是该系统变频器的主要控制方式，在通讯正常情况下系统采用 网络控制方式；若系统发生网络故障，m m 4 4 0 变频器可采用基本操作面板控制方 式临时替代。西门子m m 4 4 0 通用型变频器功能框图如图3 5 所示。 图3 5s i e m e n sm m 4 4 0 变频器功能框图 山东大学硕士学位论文 西门了m m 4 4 0 ，叟频器足发酵控制系统的p r o f i b u s d p 网络的从站实时响应 p l c 主站发出的各种命令，直接控制现场发酵罐搅拌电机，同时实时检测和反馈搅 拌电机的运行状忐，实现发酵罐搅拌转速的精确控制。 车m 现场部分发酵罐及电气控制柜如图3 6 、罔3 7 所i 。 幽3 6 车间现场部分发酵罐 幽3 7 车间现场部分电气控制柜 3 3 海洋生物酶发酵自动控制系统基于p l c 的软件实现 p l c 是海洋生物酶发酵自动控制系统的核心控制器件，发酵参数的转换显示、 执行机构的控制、p r o f i b u s 网络通信等功能的实现都依赖于p l c 程序。p l c 柙 序的编写、在线监控和参数设置均在s t e p7 编栏软件中实现。 s t e p7 编程软件l 叮用于s i m a t i cs 7 、m 7 、c 7 和蟮下p c 的w i n a c ，是供它 1 4 山东大学硕士学位论文 们编程、监控和参数设置的标准工具。s t e p7 具有以下功能：硬件酉己胃和参数设 置、通信组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断等。s t e p7 采 用s i m a t i c 管理器对项目进行集中管理，可以方便地浏览s i m a t i cs 7 、m 7 、c 7 和w i n a c 中的数据1 1 3 1 。 本节将对西门子s 7 3 0 0p l c 及s t e p7 编程软件在系统硬件组念、网络通信等 环节中的应用作简要介绍。 3 3 1 发酵控制系统基于s t e p7 的硬件组态 硬件组态的任务就是在s t e p7 中生成一个与实际的硬件系统完全相同的虚拟 系统，用于对自动化工程中使用的硬件进行配置和参数设置。 系统组念：在组态目录中选择硬件机架，并将所需模块插入到机架中对应的 插槽中，分布式i