生物发酵过程自动加药控制系统设计

南京工业大学本科生毕业设计（论文）I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AbstractIIAutomatic control system design of biological fermentation processAbstractIn the control of the fermentation process for automatic feeding, the control is a key and complicated process, the liquid level, temperature, pH value of the original traffic sent to the central controller in real time as a feed forward dosing the given value, combined with the feedback system after treatment, according to write PLC program to automatically calculate the total liquid acid or alkali dosage, then according to the calculation of the output curve of metering pump, metering pump stroke and frequency, the actual drug dosing device in flow rate and pH as feedback, fuzzy PID control, automatic adjustment of dosing quantity, which has good economic benefit and environmental protection benefit.Key Words: PLC；Automatic dosing南京工业大学本科生毕业设计（论文）III目 录摘要 .1ABSTRACT .2第一章 引言 .51.1 生物发酵过程自动加药技术的发展与应用 .51.1.1 生物发酵过程自动加药技术的研究背景 .51.1.2 生物发酵过程自动加药技术的现状 .51.1.3 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 .51.2.1 西门子 PLC的发展概况 .51.2.2 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 .82.1 PLC 200 Smart控制器 .92.2 西门子视窗控制中心 SIMATIC系列面板 Smart Line.92.3 控制部分 .102.3.1 变频调速器2.3.2 蠕动泵2.3.3 超声波液位器2.3.4 步进电机驱动器和步进电机2.3.5 磁力搅拌器2.6 软件部分2.6.1 PLC编程软件 STEP7-MICRO Win SMART2.6.2 上位机组态监控软件 Win CC Flexible 2008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 .113.1 生物发酵自动加药控制系统的工作原理 .11目录IV3.2 生物发酵自动加药控制系统的运行特性 .11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南京工业大学本科生毕业设计（论文）1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。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 S7-200 smart 系列 PLC 为平台，开发了基于PLC smart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。第一章 引言2（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。1.2.2 西门子 PLC的未来趋势南京工业大学本科生毕业设计（论文）3第二章 生物发酵自动加药控制系统的组成2.1 PLC 200 Smart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。SIMATIC S7-200 SMART 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 S7-200 SMART 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 0.15 s，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 100 kHz，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 Micro SD 卡插槽，使用市面上通用的 Micro SD 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。结语4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，SIMATIC S7-200 SMART 可编程控制器，SIMATIC SMART LINE 触摸屏和 SINAMICS V20 变频器完美整合，为 OEM 客户带来高性价比的小型自动化解决方案，满足客户对于人机交互、控制、驱动等功能的全方位需求。2.2 西门子视窗控制中心 SIMATIC系列面板 Smart Line2.3 控制部分2.3.1 变频调速器我们这一次选用的变频调速器是万鑫机电有限公司WXM系列多功能、高性能变频器。变频调速器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。变频调速器是一种用来改变交流电频率的电气设备。此外，它还具有改变交流电电压的辅助功能。过去，变频调速器一般被包含在电动发电机、旋转转换器等电气设备中。随着半导体电子设备的出现，人们已经可以生产完全独立的变频调速器。 对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。2.3.2 蠕动泵蠕动泵由三部分组成：驱动器，泵头和软管。流体被隔离在泵管中、可快速更换泵管、流体可逆行、可以干运转，维修费用低，等特点构成了蠕动泵的主要竞争优势。我们这一次选用的蠕动泵是由南京润泽流体控制设备有限公司生产的YZ1515X的蠕动泵。原理是蠕动泵就像用手指夹挤一根充满流体的软管，随着手指向前滑动管内流体向南京工业大学本科生毕业设计（论文）5前移动。蠕动泵也是这个原理只是由滚轮取代了手指。通过对泵的弹性输送软管交替进行挤压和释放来泵送流体。就像用两根手指夹挤软管一样,随着手指的移动,管内形成负压,液体随之流动。蠕动泵就是在两个转辊子之间的一段泵管形成“枕”形流体。“枕”的体积取决于泵管的内径和转子的几何特征。流量取决于泵头的转速与“枕”的尺寸、转子每转一圈产生的“枕”的个数这三项参数之乘积。“枕”的尺寸一般为常量（泵送粘性特别大的流体时除外）。拿转子直径相同的泵相比较，产生较大“枕”体积的泵，其转子每转一圈所输送的流体体积也较大，但产生的脉动度也较大。这与膜阀的情形相似。而产生较小“枕”体积的泵，其转子每转一圈所输送的流体体积也较小；而且，快速、连续地形成的小“枕”使流体的流动较为平稳。这与齿轮泵的工作方式相似。2.3.3 超声波液位器超声波液位计是由微处理器控制的数字物位仪表。在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经过物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。我们这一次选用的超声波液位器是MS-UL系列的超声波液位器，具体型号是：MS-UL301（一体式）。UL系列超声波物位仪表是一种非接触式物位检测仪器，直接安装在被测介质的上方，利用超声波在空气中发生并回收通过单片机对数据结果进行处理直接以物位的形式显示出来的原理，并通过D/A转换输出4-20mA的模拟信号到控制终端，因此又称为超声波液位变送器。现已广泛用于各种液体和固体料位的在线测量。原理是超声波液位计工作时，高频脉冲声波由换能器（探头）发出，遇被测物体（水面）表面被反射，折回的反射回波被同一换能器（探头）接收，转换成电信号。脉冲发送和接收之间的时间（声波的运动时间）与换能器到物体表面的距离成正比，声波传输的距离S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式表示：S=CT/2。12kHz至70kHz范围内的超声波脉冲通过探头发射，遇到被测介质后被反射回来，通过同一探头接结语6收。超声波脉冲以声速传播，超声波从发射到接收所用的时间与探头到被测介质表面的距离成反比。2.3.4 两相步进电机驱动器和步进电机步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。步进电机驱动器的原理，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。步进电动机不能直接接到直流或交流电源上工作，必须使用专用的驱动电源（步进电动机驱动器）。控制器（脉冲信号发生器）可以通过控制脉冲的个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电动机和步进电动机驱动器构成步进电机驱动系统。步进电动机驱动系统的性能，不但取决于步进电动机自身的性能，也取决于步进电动机驱动器的优劣。对步进电动机驱动器的研究几乎是与步进电动机的研究同步进行的。南京工业大学本科生毕业设计（论文）72.3.5 磁力搅拌器磁力搅拌器适用于搅拌或加热搅拌同时进行，适用于粘稠度不是很大的液体或者固液混合物。利用了磁场和漩涡的原理将液体放入容器中后，将搅拌子同时放入液体，当底座产生磁场后，带动搅拌子成圆周循环运动从而达到搅拌液体的目的。配合温度控制装置，可以根据具体的实验要求控制并维持样本温度，帮助实验者设定实验条件，极大的提高了实验重复性的可能。其工作原理是利用磁性物质同性相斥的特性，通过不断变换基座的两端的极性来推动磁性搅拌子转动，通过磁性搅拌子的转动带动样本旋转，使样本均匀混合；通过底部温度控制板对样本加热，配合磁性搅拌子的旋转使样本均匀受热，达到指定的温度；通过加热功率调节，使升温速度可控，以适用更广阔的样本处理过程。一般的磁力搅拌器具有搅拌和加热两个作用。具体为：第一个作用，使反应物混合均匀，使温度均匀；第二个作用，加快反应速度，或者蒸发速度，缩短时间。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3.1 生物发酵自动加药控制系统的工作原理在对整个控制系统进行架构时，首先要选择系统的中央控制器。S7200 SMART的PLC 可靠性很高，有丰富的指令集以及内置集成功能，通讯能力强大，可扩展性强，完全可满足发酵控制系统中央控制器要求。因此根据发酵系统要控制的参数数量以及可扩展模块能力，选择 S7200 SMART的 PLC 为中央控制器。在此基础上，基于以模块化架构的理念，选择相应功能模块进行该系统的开发设计。基于 PLC 的自动加药机是以SIMATIC系列的 PLC-200 SMART可编程控制器为加药控制核心，以西门子触摸屏为人机交互界面，以在步进电机驱动器下运作的蠕动泵，变频调速器下运作的超声波液位器以及磁力搅拌器为加药系统中的执行机构，用计算机对整个加药系统进行数据处理和操作的一种远程控制的定量加药设备。系统具体由可编程控制器 PLC 200 SMART、西门子人机对话单元 HMI(触摸屏)、计算机工作站、给药电机等组成。生物发酵自动加药控制系统的工作原理可以看成一个小型的DCS系统，如图所示：结语8整个系统的流程如下：首先通过信号采集模块即参数传感器（如 PH 传感器、温度传感器等）采集到相应的信号，经由 A/D 转换模块进行 A/D转换，转换完毕后传递到 PLC-200 smart，PLC-200 smart控制器根据人机界面发出的控制指令，根据相应的控制算法进行计算后，将输出的控制信号传递给 D/A 转换模块，控制信号经 D/A 转换后传递给控制设备，从而实现对控制设备的控制。在该系统中，上位机主要起到远程监控的作用。3.2 生物发酵自动加药控制系统的运行特性根据设计和生产实际情况，利用 PLC 中的高速定时器和比较判断接点，实现电磁阀通断电控制，其 PLC 程序框图如下图所示。使自动加药机在选矿厂中实际应用实现以下功能： （1）每点流量数控。安装时选择一定的执行阀通电时间，并用量筒在给药箱中液面稳定时测出执行阀放出的药剂数输入 PLC，各点数据送完后，PLC 即投入运行。以后系统断电或停车，这些数据保存在 PLC 中不会消除。 （2）工艺指令限量。当输入数据超过规定的上限或下限流量时，则输入的数据无效，同时给出提示，并仍按原给定值工作。 （3）单点药耗累计。按照浮选作业小计，分类合计药剂用量，交班时自动算出各药剂的本班用量，并以要求的报表形式输出。 （4）设置给药箱液位报警。当给药箱内的药液面由于堵管或其他原因造成进入量小于（大于）给出量而下降（上升）到某一高度时，液位检测器发出报警信号，同时指示出相关给药箱。 南京工业大学本科生毕业设计（论文）9（5）设置断药报警。在药剂添加到给药前安装一信号监测点，其信号送入 PLC，PLC 根据该店预先给定的最长间断时间判断，当检测出的间断时间超过给定值时，指示灯亮，同时发出报警信号。第4章 生物发酵自动加药控制系统的意义为了在发酵液变化过程的情况下达到最佳效果，需要对所加化学药剂量自动跟踪调节控制加药速度，因此采用先进的自动控制方式来控制全自动加药装置的加药量 10。全自动加药装置能自动按水处理技术要求自动准确、定量投加药剂，这样可以大大减少现场施工工作量，避免了中间环节的差错，有效地保证工期和工程质量，减少用户的麻烦和损失。随着生物技术的快速发展,微生物发酵技术对人们生活的影响越来越大,其涉及了医药、食品、能源等领域。为了使发酵生产能按预期目标进行,提高发酵产量和质量,需要对发结语10酵过程进行监督控制。目前,国内大部分实验室或工厂的发酵过程控制还处于手工控制阶段,控制效果的好坏取决于操作员的经验,导致发酵产物质量的不稳定,也不利于扩大生产规模。计算机技术和控制技术的发展为解决这一矛盾提供了基础,建立基于计算机技术的发酵过程测控系统,不仅能够实现酵母发酵生产过程的自动控制,降低工人劳动强度,提高控制精度,而且能够实时提供生产过程信息,为发酵生产调度和管理提供依据。此外,从发酵生产过程的特点,可以看出发酵过程是一个动态的、具有高度非线性和时变性的过程 7。在发酵生产中,为了提高投入产出比,往往需要对发酵过程进行优化控制,但由于发酵过程的复杂性,难于建立精确的数学模型,并且很多发酵参数不可在线检测,致使常规控制方法很难获得良好控制效果。随着智能控制技术的发展,诸如专家系统、模糊控制、神经网络等智能控制算法己经开始应用于发酵过程控制,并取得了良好的控制效果。因此,研究基于计算机的测控技术,构建可靠、稳定的发酵过程测控系统,并应用人工智能技术实现发酵过程的优化控制具有重要的理论和实际应用价值。结 语生物发酵自动加药系统实现了数字化、自动化、操作方便。节省了药剂，提高了运行效率，增加了经济效益。系统的可靠性高，能适应现场的环境，并且 PLC具有很好的故障自诊断功能。信息全面，数据准确，管理实现科学化。采用 S7-200、HMI、变频器组成的自动控制系统，实现了无人值守，完全自动化，PH 值控制精度高，节省了大量资源，保护了设备。投入不大，但效果非常显著，达到了预期目的。通过以西门子 S7-200 smart的 PLC 为开发平台，分别从软、硬件的角度设计开发了该生物发酵控制系统，该系统具有实时性强，可靠性高，控制效果好等优点。本系统在工业现场运行以来，具有良好的控制效果，控制精度较高，除此之外，此系统可有效降低操作者劳动强度，提高工作效率，是一种十分有效的控制手段。南京工业大学本科生毕业设计（论文）11参考文献1 张秀香. 基于 PLC的锅炉加药自动控制系统J. 兰州工业学院学报, 2010, (2). 2 杨智, 杨照华, 魏列江. 电厂锅炉给水自动加药 PLC控制系统设计与实现J. 自动化仪表, 2001, (8):47-49.3 张玉花, 王康平. 智能变频