自动化本科毕业论文plc在发酵过程控制中的应用

1、记：自己的本科论文，江苏大学电气学院0501班，所有资料都是自己找的，不是优秀论文，但是够你过关的了，也比较容易懂，关于PLC，如果你是电气类专业应该能明白。PLC在发酵过程控制中的应用Application of PLC in the fermentation process control 学院名称： 专业班级： 学生姓名： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2009年 06月PLC在发酵过程控制中的应用 专业班级：自动化0501 学生姓名：指导教师： 职称： 摘要 发酵工业是一个既古老而又年轻的行业，如今它已经成为生物工程和生化工程的基础，对于发酵生产过程的参数测量、操作监视、自动控制、优

2、化操作与控制，成为生化反应过程优化管理与自动化的关键问题,另一方面计算机技术的飞速发展，为测量、分析、控制生化工程提供了先进的自动化工具。为了结合计算机控制技术，本文介绍了运用西门子S7-200 PLC来对发酵过程中的各主要参数进行控制的方法，在对过程控制和PLC控制原理分析的基础上，设计了一个以PLC为核心的发酵过程控制系统，PLC作为下位机对发酵过程的主要参数进行实时采集和控制，通过CAN总线和上位机通讯，并着重设计了一个PID数字温度控制器来控制发酵的工作温度，这个温度控制器采用串级控制的方法，应用增量式PID算法，实现了对模拟量的过程控制，提出了增量式PID算法的实现方法和步骤，对于这

3、一大滞后温度系统取得了良好的控制效果。作为工业控制计算机，PLC具有其体积小、可靠性高、抗干扰能力强，控制功能完善、适应性强等优点，同时PLC的高度集成化、配置灵活，使测控系统的组建难度降低，增强了测控系统的扩展性。在发酵过程中运用PLC后，大大提高了发酵生产过程的自动化水平。关键词：PLC 过程控制 温度 增量式PID Application of PLC in the fermentation process controlAbstract Fermentation industry is an ancient and young industry, now it has become t

4、he bisis of biotechnology and biochemicalengineering.measuring parameters, monitoring operation, automatic control, optimizing the operation and control in fermentation process，have become key issues of the biochemical reaction process optimization and the automation management,on the other hand, th

5、e rapid development of computer technology,provides advanced automation tools for the measurement, analysis and control of the biochemical engineering .In order to combine the computer control technology with the ferment industry.This paper describes the method of useing Siemens s7-200 PLC to contro

6、l the main parameters of the fermentation process, on the basis of the analysis in process control and PLC control principle,designed a fermentation process control system with a PLC core and a PID controller to control the temperature of fermentation, PLC as a lower machine to acquisition and contr

7、ol the main parameters of fermentation process real-time,communicates with higher machine through the CAN bus.The temperature controller uses cascade control method using incremental PID algorithm,succeed in analog process control,proposed the method and procedure of Incremental PID algorithm,for th

8、is big lag temperature control system,it has achieved good effect.As a kind of industrial control computers,PLC has its small size, high reliability and anti-interference capability and control function perfect, strong adaptability etc, it also has hign integration, flexible configuration, that redu

9、ces the difficulty of establishing a measurement and control system, enhances the expandability of the measurement and control system. Since the application of PLC in the fermentation process,it greatly improves the fermentation process automation.Key words: PLC process control temperature increment

10、al PID algorithm目 录第一章 绪论21.1 课题背景21.2 研究内容和主要工作3第二章 发酵过程控制系统42.1 过程控制系统4过程控制系统的组成4计算机过程控制系统52.2 发酵过程控制原理6发酵过程工艺流程控制6发酵过程各参数控制原理7第三章PLC过程控制系统方案及元器件选型113.1 基于PLC的发酵罐过程控制系统方案设计11控制的特点11系统的基本构成12控制系统整体方案143.2 主要元器件的选型15主机模块及其扩展模块的选择15各测量元器件的选择17各执行元器件的选择18第四章发酵罐温度串级控制系统204.1 温度控制系统204.2 PID控制器研究21控制原理2

11、1基本PID算法21增量式PID算法22串级PID控制算法244.3 发酵罐温度控制系统26第五章温度控制系统的硬件设计及软件开发275.1 温度控制系统硬件设计27温度采集系统27固态继电器控温电路285.2 温度控制系统软件实现30系统主程序30采样、滤波子程序31串级PID控制算法程序32人机界面33第六章抗干扰及预防措施356.1 硬件抗干扰性设计35供电系统抗干扰措施35对过程通道的抗干扰抑制356.2 软件抗干扰性设计36算术平均滤波法36抗积分饱和36结论37致谢38参考文献39引 言发酵工业是一个既古老而又年轻的行业，早在几千年前人们已在食品生产方面用酵母对淀粉进行发酵以获得含

12、有乙醇的饮料，这一生产方式延续至今，这就是制酒工业的核心酿造工业。具有悠久历史的发酵工业已经成为生物工程(Biotechnology)和生化工程(Biochemical Engineering)的基础。在近几十年中，发酵工业越来越发展并趋向旺盛时期,尤其是新的生化工程领域，例如二次代谢产物的生产(抗生素生产)通过微生物质和细胞的培养来获得有机物质的转换(如类固醇)，工业污水、动物废水的生物处理以及酶制剂、食品蛋白、饲料添加剂等的生产，发展特别迅速。因此，随着生物工程的发展，生化工业，如发酵工业越来越引起科技界、工业界和政府部门的重视。因为生物工程的许多成果，需经过发酵工业而转化为工业产品，成为

13、商品，所以，发酵罐及其系统在生化工业中显得越来越重要，发酵罐的体积从几立方米发展到几十立方米，甚至上千立方米。对于这样大型的发酵罐系统，若操作控制不当，将会造成极大的经济损失，因此，对于发酵生产过程的参数测量、操作监视、自动控制、优化操作与控制，成为生化反应过程优化管理与自动化的关键问题,另一方面计算机技术的飞速发展，为测量、分析、控制生化工程提供了先进的自动化工具。目前国内仍然有很多制药、轻工行业发酵工艺的管理和控制还处于人工操作方式，技术管理人员对工艺参数的设置、管理与操作仍处于经验方式，大大影响了工艺水平和管理水平的提高；更重要的是，致使生产不稳定，发酵系数低，能耗大，成本高等问题。如果

14、能够采用计算机控制技术，对发酵过程进行实时自动控制、管理和优化操作，不但能解决上述存在的问题，而且可以减轻操作人员的劳动强度，提高自动化水平，稳定生产，提高发酵系数，降低原耗与能耗以及提高经济效益。因此，研究和开发计算机控制技术在发酵过程中的应用是十分有现实意义的。第一章 绪论1.1 课题背景生物反应器是利用生物催化剂为细胞培养(或发酵)或酶反应提供良好的反应环境的设备，通常称为发酵罐或酶反应器。生物反应器是生物技术开发中的一个关键性设备，是工业发酵常用设备中最重要、应用最广泛的设备，可以说发酵即是整个发酵工业的心脏。作为微生物培养的必备装置，生物反应器的自动化程度的高低对微生物的培养起着至关

15、重要的作用。在发酵过程中采用自动化控制，可以大大的提高各项控制参数的精确度、缩短周期、降低能耗、提高产品产量，减轻工人劳动强度、提高工作效率，从而增加经济效益。随着传感器技术和计算机技术的发展，现代生物反应器已是集生化技术、空气动力学技术、制造技术、计算机技术和传感器技术等各门学科为一体的边缘学科，其功能愈来愈趋向于多样化，控制也愈来愈趋向于自动化和智能化。国外对生物反应器的研究开发很为重视，并为此投入了很大人力和物力。为了对过程参数进行检测，国外研制了很多种类的传感器，用于检测反应过程中的温度、罐压、搅拌传速、搅拌功率、气体和液体流量、液面高度、液体粘度、蚀度、pH、溶解氧等。上述这些传感器

16、有的已制成商品，并通过气动或电动控制仪表或微型计算机对某些参数进行监检控制。若采用微机还可对过程中的二次参数，如呼吸商、摄氧率、氧传递系数、比生长速率等进行在线检测或通过碳平衡求出菌体的浓度。计算机还可根据过程优化数学模型对过程进行在线优化控制。但国外的发酵控制系统目前价格太高，同等配置的系统价格大约是国内系统的25倍，而且由于其控制系统是高度集成化，维修及日常维护费用较高。近年来，我国生物技术的发展非常迅猛，在发酵工业中，用计算机对氨基酸发酵罐、酒精发酵罐、啤酒发酵罐的控制，对酒厂全过程的自动控制，对酱油发酵、白酒勾兑、味精结晶等的控制均获得成功，在我国己投入正常运行，效益明显。但是，国内现

17、在生物反应器的厂商大多规模较小，同时受国内制造技术、传感器技术和执行器件等因素的制约，国内的生物反应器控制参数少、控制精度低、可靠性差，与国外先进技术还有一定差距。20世纪70年代以后，由于微电子技术的飞速发展和普及，使计算机技术成为自动化控制工程中的重要工具，广泛应用于各种生产过程和生产设备，构成计算机测控系统。PLC源于继电器控制装置，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，简化了计算机的内部电路，对工业现场环境适应性较好，指令系统简单，一般只有逻辑运算的功能。近年来，随着计算机、控制以及通讯等技术的高速发展，PLC已逐步发展成为一种以微控制器为核心，综合了自动控制、数据采集与处

18、理、网络通讯等功能于一体的高度集成化工业控制装置。PLC具有稳定性高，抗干扰能力强；使用方便、体积小；功能强、可扩展性好等特点，是其他电控制器所没有的。由此可见，PLC是一种适合于生产过程和现场工程技术人员、具有广泛使用价值的工业控制装置。它很适用于生物反应过程数据采集和控制，特别是发酵工程对设备提出的顺序性的操作要求。PLC的高度集成化、配置灵活，使测控系统的组建难度降低，同时增强了测控系统的扩展性。构建基于PLC的测控系统是工业控制领域的重要发展方向，目前，PLC在各类发酵过程中有着广泛的应用，利用其组建整个发酵控制系统，也可将其作为发酵测控系统中部分参数的控制器。1.2 研究内容和主要工

19、作本文在对发酵过程中的主要参数进行分析的基础上，以PLC为核心，用传感器对发酵过程的主要参数如空气流量Q、压力P、温度T、pH值、溶解氧DO等进行采集，通过A/D转换后输入到PLC进行控制，然后PLC输出数字控制量，通过D/A转换成相应的模拟控制量输出到控制对象，从而实现对控制参数的控制，并着重设计了一个数字PID温度控制器，对发酵罐的温度进行控制。在温度控制系统的构成上，本文主要对温度的采集、控制模块进行了设计。本文的温度控制系统主要采用串级PID控制算法，通过对PID控制算法的分析，设计了增量式PID控制器，实现了温度的智能化控制，为温度控制系统向高精度控温方向发展进行了有益的探索。同时在

20、实验室采用组态软件设计了人机界面，配合PLC控制构成实时监控系统，界面直观，操作方便。具体的工作内容如下：1.对发酵过程控制的原理进行了分析；2.以PLC为核心，设计了一个发酵过程控制系统；3.在对PID控制器进行了深入研究的基础上，设计了增量式串级PID控制器；4.实现了温度控制系统的硬件和软件设计；5.抗干扰及预防措施的设计。第二章 发酵过程控制系统2.1 过程控制系统过程控制系统的组成过程控制系统通常是指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度、和pH（酸碱度或氢离子浓度）等这样一些过程变量的系统。图2-1中的对象方框是指某些被控制的装置或设备，y(t

21、)表示控制系统的被控参数，是对象的输出信号，引起被控参数波动的外来因素，称其为扰动作用，可用f(t)表示，它是对象的输入信号，调节阀方框的输出信号，也是对象的输入信号，可用q(t)表示，称其操作变量，也叫控制参数，最终实现控制作用。调节器的输出u(t)称为控制作用，它是调节阀的输入信号。测量变送器的作用是把被控量y(t)成比例地转换成为测量信号z(t)，它是调节器的输入信号。应当指出，调节器是根据y(t)测量值的变化与给定值x(t)进行比较得出的偏差值对被控过程进行控制的。过程的输出信号，通过测量元件和变送器的作用，反馈到输入端，构成一个闭环控制回路，称为闭环控制系统。图2-1 过程控制系统框

22、图过程控制系统的分类很多，若按被控参数的名称来分，有温度、压力、流量、液位、成分、pH等控制系统；按控制系统完成的功能来分，有比值、均分、分程和选择性控制系统；按调节器规律来分，有比例、比例积分、比例微分、比例积分微分控制系统；按被控量的多少来分，有单变量和多变量控制系统；按采用常规仪表和计算机来分，有仪表过程控制系统和计算机控制系统等。下面介绍一种最基本的分类方法：按过程控制系统的结构特点来分类1. 反馈控制系统反馈控制系统是根据系统被控量的偏差进行工作的，偏差值是控制的依据，最后达到消除或减小偏差的目的。其系统框图如上图2-1。2. 前馈控制系统它在原理上完全不同于反馈控制系统。前馈控制是

23、以不变性原理为理论基础的。前馈控制系统直接根据扰动量的大小进行工作，扰动是控制的依据。由于它没有被控量的反馈，所以也称为开环控制系统。其系统框图为图2-2。图2-2 前馈控制系统框图3. 前馈-反馈控制系统（复合控制系统）在工业生产过程中，引起被控参数变化的扰动是多种多样的。开环前馈控制的最主要的优点是能针对主要扰动及时迅速的克服其对被控参数的影响；对于其它次要扰动，则利用反馈控制予以克服，使控制系统在稳态时能准确地把被控量控制在给定值上。其系统框图为图2-3。图2-3 复合控制系统框图控制系统均由测量元件、变送器、调节器、调节阀、和被控过程等环节构成。如果把测量元件、变送器、调节器、调节阀统

24、称为过程检测控制仪表，则一个简单的过程控制系统是由被控过程和过程检测控制仪表两部分组成的。如果由计算机代替模拟调节器，就构成了计算机过程控制系统，其系统框图如图2-4图2-4 计算机过程控制系统框图控制系统中引入计算机则可以充分利用其具有的计算速度快、运算精度高、储存信息容量大、逻辑判断功能强、灵活通用等特点，同时运用微处理器提供的各种指令，设计生产工艺要求的控制程序、管理程序与微处理器执行程序，就能实现对生产过程的控制和管理（如打印、显示）等。在仪表过程控制系统中控制规律是有硬件来实现的，而在微机过程控制系统中改变控制规律，只需要改变程序就可以实现了，非常灵活方便。在计算机过程控制系统中，计

25、算机的输入与输出信号均是数字信号，所以系统中设有将模拟信号转换为数字信号的A/D转换器，以及将数字信号转换成模拟信号的D/A转换器。2.2 发酵过程控制原理发酵过程工艺流程控制发酵过程工艺流程控制是以发酵罐为主体，对发酵过程有关的各参数如温度、压力、流量、pH、DO、转速等进行控制，采用PLC作为下位机，通过CAN总线与上位机通讯，各参数的检测仪器有温度传感器、压力仪、流量仪、pH传感器、DO传感器、编码器等，检测元件的功能是把各参数转变成PLC可识别的变量，PLC获取各参数的测量值后，与设定值比较，设定值可通过上位机设定或修改，执行预定的规律，输出控制量到执行机构，各执行机构包括固态继电器、

26、电动调节阀、蠕动泵、变频器等，从而实现对各参数的测量与控制。例如温度经pt100热电阻转化为电压信号后输入到EM231 RTD模块，PLC通过读取指定通道AIWX中的数据来获取温度的值，与设定值比较后，执行增量式串级PID算法，然后输出控制量到固态继电器加热或到电动调节阀加冷水，从而实现加热或降温，进而实现对温度的控制。其它主要参数如压力、流量、pH、DO的采集与温度类似，都是模拟量输入到PLC扩展模块EM231，转速的采集则是通过对编码器转换后输入到PLC数字量输入口的数字量进行计算获得的，PLC采集到各参数的测量值后，与设定值作比较，然后执行各自预定的规律，输出控制量到各自的执行机构，从而

27、实现对各参数的实时采集和控制。具体的工艺流程控制图如图2-5。图2-5 发酵过程工艺流程控制图发酵过程各参数控制原理发酵过程的主要参数有电机转速n、空气流量Q、发酵罐压力P、pH值、溶氧量DO、温度T，这六个参数的控制原理如下：1. 电机转速n的控制图2-6 转速控制系统框图对电机转速的控制是通过光电编码器先测得电机的转速，然后调节模拟量输出大小来控制变频器频率的高低，进而通过变频器来实现对电机的转速控制，原理如图2-6。如选用增量式光电编码器，编码器输出的不规则脉冲信号经滤波整形后输入到PLC的数字量输入口，PLC通过内部的高速计数器计算每秒数字量输入口接收的脉冲个数后，按特定公式就可计算出

28、当前电动机的转速，PLC将这个测量值和设定值进行比较，执行预定的控制规律，输出相应的数字控制量到指定的通道AQWX，数字控制量经通用模拟量模块实现D/A转换，变成420mA的电流模拟控制量输入到变频器，变频器对应将电源的频率变为550HZ供给电机，从而使电机的转速在01000r/min范围内自由调节。同时，PLC用一个数字量输出点来控制变频器的运行/停止状态。2. 空气流量Q和发酵罐压力P的控制图2-7 流量、压力控制系统框图由于流量和压力的控制原理和执行机构是一样的，所以将它们的框图如图2-7。例如压力仪将发酵罐的压力00.4Mpa转换成对应的420mA电流信号，电流信号滤波后经通用模拟量模

29、块实现A/D转换，数字量储存在AIWX寄存器中，PLC读取这个数字量计算出当前值，并将当前值和设定值比较，执行预定的控制规律，输出的一路数字控制量经通用模拟量模块实现D/A转换，转换为对应的420mA模拟控制量，相应的模拟量将进气电动阀调节到相应的开度，同理，输出的另一路数字控制量转换为相应的模拟量后将排气电动阀调节到相应的开度，从而使发酵罐的压力在00.4Mpa范围内可以自由调节。同理，流量在050L/min范围内可以自由调节。假如当扰动使得压力变大时，压力仪将这个值输入给PLC，PLC将它和设定值比较，输出控制量，使排气阀开度加大、进气阀开度减小，两者单一或同时作用，变可以使压力稳定在设定

30、值。同理，也可以时空气流量稳定在设定值。但由于压力调整过程中会使得空气流量的值发生变化，两者具有耦合，例如，压力过大，加大排气阀的开度使压力下降，但同时流量也变大了，这时可以减小进气阀的开度，使得流量和压力都稳定在设定值。3. pH值的控制图2-8 pH控制系统框图pH的控制原理图为图2-8，图中pH传感器和变送器根据发酵罐中pH值输出420mA的电流信号，滤波后经通用模拟量模块实现A/D转换，转换成对应的数字量储存在AIWX中，PLC通过读取AIWX中的值并经过计算，便获得了发酵罐中当前的pH值，通过和设定值比较，执行预定的控制规律，输出数字量控制信号，数字量控制信号经放大后便可以控制4个蠕

31、动泵的开和关，便可加入特定的物质使pH值稳定在设定值。由于生物发酵过程中产生酸性物质，所以发酵液呈酸性，如果测得pH值比设定值小，则PLC发出命令开启蠕动泵1，添加碱液来提高pH值；如果，液位检测计检测到发酵罐中气泡过多，则PLC发出命令开启蠕动泵2，添加特定的消泡济，防止气泡溢出带入杂菌，保证了发酵的安全；根据发酵过程的需要，PLC在特定的时间会开启蠕动泵3或4，为发酵的菌种补料，以满足它们的生长需要。4. 温度T的控制温度控制运用的是串级控制原理，发酵罐温度T1为主被控变量，夹套中水的温度T2为副被控量，夹套中水的温度T2为操纵变量组成串级控制，通过对副被控量组成的副回路进行控制，能够及时

32、克服夹套中水温T2的波动，大大削弱了它的波动对发酵罐温度T1的影响，采用PLC的温度串级控制系统如图2-9。图2-9 PLC串级控制系统结构图控制系统调整过程如下:当夹套中水温T2变化时，发酵罐温度T1还没有变化。因此，主控制器输出不变，夹套中水温T2控制器因扰动影响，使T2的测量值变化，按定值控制系统的调节过程，副控制器改变电磁阀的开度或加热器的功率，使夹套中水温T2稳定。与此同时，夹套中水温T2的变化也影响发酵罐温度T1，使主控制器输出，及副控制器的设定值变化，副控制器的设定和测量同时变化，进一步加速了控制系统克服扰动的调节过程，使主被控量回到设定值。当发酵罐温度T1和夹套中水温T2同时变

33、化时，主控制器通过主环及时调节副控制器的设定，使T2变化，保持T1恒定，而副控制器一方面接受主控制器的输出信号，同时根据T2测量值的变化进行调节，使T2跟踪设定值变化，及T2能跟踪T1及时调整，最终是T1迅速回到设定值。5. 溶氧量DO的控制由于溶解氧DO这个参数和空气流量Q、电机转速n、压力P、温度T等参数都有一定的关系，但和空气流量Q、电机转速n的关系尤其密切，这两个参数对溶解氧DO的影响相对其它参数来说，其它参数的影响可以忽略不计，所以我们可以通过控制空气流量Q和电机转速n来控制溶解氧。同样采用闭环控制，使溶解氧DO稳定在设定值。第三章PLC过程控制系统方案及元器件选型3.1 基于PLC

34、的发酵罐过程控制系统方案设计PLC控制的特点目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳为如下几类：开关量的逻辑控制；模拟量控制；运动控制；过程控制；数据处理；通信及联网。PLC的特点:1.可靠性高，抗干扰能力强 高可靠性是电气控制设备的关键性能。PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。从PLC的机外电路来说，使用PL

35、C构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。 2.配套齐全，功能完善，适用性强 PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控

36、制、温度控制、CNC等各种工业控制中。加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。 3.易学易用，深受工程技术人员欢迎 PLC作为通用工业控制计算机，是面向工矿企业的工控设备。它接口容易，编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，只用PLC的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。 4.系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造 PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造

37、的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。 5. 体积小，重量轻，能耗低 以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，重量小于150g，功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。S7-200 PLC系统的基本构成图3-1 S7-200 PLC系统基本构成S7-200 PLC由基本单元（S7-200 CPU模块）、个人计算机（PC）或编程器，STEP7-MICRO/WIN32编程软件以及通信电缆构成。图3-1所示为S7-200PLC系统的基本构成。基本单元（S7-2

38、00 CPU模块）也称主机，为了适应不同需求的控制场合，S7-200 CPU主机的型号规格种类较多，我们采用的是CPU 226主机。CPU 226主机集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的

39、内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。S7-200 CPU226 基本组成包括中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口(缩写为I/O，包括输入接口、输出接口、外部设备接口、扩展接口等)、外部设备编程器及电源模块组成，其内部各组成单元之间通过电源总线、控制总线、地址总线和数据总线连接，外部则根据实际控制对象配置相应设备与控制装置构成PLC控制系统。1.中央处理器中央处理器(CPU)由控制器、运算器和寄存器组成并集成在一个芯片内。CPU通过数据总线总线、地址总线、控制总线和电源总线与存储器、输入输出接口、编程器和电源相连接。PLC系统配置时，要求对给定输入、输出模块的输入、输

40、出点进行编址，主机提供的I/O具有固定的I/O地址。扩展模块的地址由I/O模块类型及模块在I/O链中的位置决定。2.存储器 PLC内的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和数据等。CPU226主机有3K字节程序和数据存储空间。 系统程序存储器 PLC系统程序决定了PLC的基本功能，该部分程序由PLC制造厂家编写并固化在系统程序存储器中，主要有系统管理程序、用户指令解释程序和功能程序与系统程序调用等部分。 用户程序存储器 用户程序存储器用于存放用户载入的PLC应用程序，载入初期的用户程序因需修改与调试，所以称为用户调试程序，存放在可以随机读写操作的随机存取存储器RAM内以方便用户修改与调试。通过

41、修改与调试后的程序称为用户执行程序，由于不需要再作修改与调试，所以用户执行程序就被固化到EPROM内长期使用。 数据存储器 PLC运行过程中需生成或调用中间结果数据(如输入/输出元件的状态数据、定时器、计数器的预置值和当前值等)和组态数据(如输入输出组态、设置输入滤波、脉冲捕捉、输出表配置、定义存储区保持范围、模拟电位器设置、高速计数器配置、高速脉冲输出配置、通信组态等)，这类数据存放在工作数据存储器中，由于工作数据与组态数据不断变化，且不需要长期保存，所以采用随机存取存储器RAM。 3.接口 输入输出接口（I/O）是PLC与工业现场控制或检测元件和执行元件连接的接口电路。PLC的输入接口有直

42、流输入、交流输入、交直流输入等类型；输出接口有晶体管输出、晶闸管输出和继电器输出等类型。晶体管和晶闸管输出为无触点输出型电路，晶体管输出型用于高频小功率负载、晶闸管输出型用于高频大功率负载；继电器输出为有触点输出型电路，用于低频负载。 现场控制或检测元件输入给PLC各种控制信号，如限位开关、操作按钮、选择开关以及其他一些传感器输出的开关量或模拟量等，通过输入接口电路将这些信号转换成CPU能够接收和处理的信号。输出接口电路将CPU送出的弱电控制信号转换成现场需要的强电信号输出，以驱动电磁阀、接触器等被控设备的执行元件。PLC控制系统整体方案本控制系统的现场控制部分选用了S7-200 Micro

43、PLC CPU226 DC/DC/DC型，PLC与液晶显示屏间的通讯通过RS-485串行总线完成，PLC控制器本机系统通过其扩展模块主要完成5方面功能：1. DI(开关量输入), DI口用于检测开关状态(如液位开关等)；2. DO(开关量输出), DO口用于变频器的开停控制、各电机的开停控制、电磁阀的控制等；3. AI(模拟量输入)，AI用于模拟量的采样，现场模拟量主要包括发酵罐的温度、压力、pH等；4. AO(模拟量输出)，AO则根据现场采集到的过程量调节模拟量输出大小来控制执行机构，包括变频器、电动调节阀等；5. 通讯，PLC与液晶显示屏间的通讯通过RS-485串行总线完成，与上位机的通讯

44、通过CAN总线完成。在控制柜内部预留出用于其它功能模块的扩展空间，如额外的压力检测、气体浓度检测。图3-2 控制系统整体方案设计框图对PLC进行系统配置，其I/O分配表如表3-1：表3-1 I/O分配表输入输出电机转速I0.1蠕动泵1Q0.0液位I0.2蠕动泵2Q0.1气体流量AIW0蠕动泵3Q0.2气体压力AIW2蠕动泵4Q0.3发酵罐pHAIW4电机Q0.4发酵罐DOAIW6加热器Q0.5T1AIW8电磁阀Q0.6T2AIW10变频器VFAQW0电动调节阀1AQW4电动调节阀2AQW63.2 主要元器件的选型PLC主机模块及其扩展模块的选择本控制系统选用的S7-200 CPU 226 DC

45、/DC/DC PLC，PLC主机可看成由CPU、直流输入模块（EM221 DI8DC24V）、直流输出模块（EM222 DO8DC24V）3个主要功能部件组成；扩展模块包括模拟量输入模块(EM231 AI412位)、热电阻模块（EM231 AI2RTD）、模拟量输出模块（EM232 AQ212位）。各模块的对应的功能及其对应的物理量如表3-2。表3-2 PLC各模块功能编号名称功能物理量1CPU微处理器是PLC的运算和控制中心2EM221 DI8DC24V1) 数字量输入模块的每一个输入点可接收一个来自用户设备的离散信号（ON/OFF）。2) 每个输入点与一个且仅与一个输入电路相连，通过输入接

46、口电路把现场开关信号变成CPU能接收的标准信号。3) 模块内部的光耦合器实现光电隔离。电机转速 I0.1液位 I0.23EM222 DO8DC24V1) 数字量输出模块的每一个输出点能控制一个用户的离散型（ON/OFF）负载。2) 每个输出点与一个且仅与一个输出电路相连，通过输出电路把CPU运算处理的结果转换成驱动现场执行机构的各种大功率的开关信号。3) 模块内部的光耦合器实现光电隔离。蠕动泵1 Q0.0蠕动泵2 Q0.1蠕动泵3 Q0.2蠕动泵4 Q0.3电机 Q0.4加热器 Q0.5电磁阀 Q0.64EM231 AI412位1） 模拟量输入模块用来将模拟信号转换成PLC所能接受的数字信号。

47、一般先用现场信号变送器把生产过程中的多种多样的模拟信号变换成统一的标准信号，然后再送入模拟量输入模块将模拟信号转换成数字量信号，以便PLC的CPU进行处理。2） 模拟量输入模块设有电压信号和电流信号输入端。输入信号经滤波、放大、模/数（A/D）转换得到的数字量信号，再经光耦合器进入PLC内部电路。气体流量 AIW0气体压力 AIW2pH AIW4DO AIW65EM231 AI2RTDEM231热电阻模块提供了S7-200与多种热电阻的连接接口。用户可以通过DIP开关来选择热电阻的类型，接线方式，温度测量单位和传感器熔断方向。T1 AIW8T2 AIW106EM232 AQ212位1） 模拟量

48、输出模块的作用是把PLC输出的数字量信号转换成相应的模拟量信号。2） PLC输出的若干位数字量信号由内部电路送至光耦合器的输入端，经光耦合后的数字信号，再进入数模(D/A)转换器，转换后的直流模拟量信号经运算放大器放大后驱动输出。变频器 AQW0电动调节阀1 AWQ4电动调节阀2AQW6各测量元器件的选择本系统中有气体流量Q、压力P、pH值、溶氧量DO、温度5个主要的需测量的参数。温度的测量采用的是EM231 AI 2X RTD热电阻模块和100Pt0.003850热电阻2根，输入到PLC构成发酵罐温度T1和循环水温度T2的采集系统，其它4个参数则用相应的测量仪器测量，各测量仪器的选型、参数见

49、表3-3。表3-3 测量元器件的选型编号名称型号主要参数备注01文丘里涡街流量计ZBWJ-901） 环境温度：-30+60；介质：-20+130工作压力：0-1.6Mpa规格(管道内径)：25mm壳体材料：不锈钢防爆标志：ExdIIBT42） 精确度：1.0%,1.5%；重复性：指示值0.3%输出信号：4-20mA电流信号；RS-485通讯接口ZBWJ-90型集流量传感器和智能流量积算仪于一体，实现工况流量的显示和输出功能。双排液晶显示累积流量和瞬时流量。02美国Setra湿差压传感器Model 2301) 环境参数：冲击：50g 加速度：10g 存储温度：-54121 工作温度：-18+80

50、 振动：5g,5500HZ壳体：不锈钢防护等级：IP652) 精度：0.25%FS(恒温下)外部负载：01000 输出：420mA 电路：2线 西特Model 230 是专为液体或气体差压测量而设计的湿型高输出低差压传感器。它由一个快速响应的电容敏感元件和专用信号处理电路组成，输出与压力相对应的高精度线性信号。03武汉优测工业pH/ORP计pHG-11041） 环境温度：-1050相对湿度：95%供电电源：两线制，14-30VDC测量范围：pH：0.014.00pH介质温度：-101302）测量精度：pH：0.01pH输出：420mAPHG-1104型工业PH/ORP变送器采用先进的微处理芯片

51、，1.现场LCD显示温度和pH值。2.二线制仪表。3.变送器输出采用光电耦合隔离输出技术。04武汉优测溶氧分析仪SYY-33031） 环境条件：温度：-1055，湿度：90%电源：1430VDC测量范围：020mg/L防护等级：IP672） 测量精度：0.5%F.S（mg/L）隔离输出：420mASYY-3303溶氧变送器为二线制仪表，采用全密封防爆铸铝外壳，特别适合于高温、潮温等比较恶劣、人员不宜久留的场合。各执行元器件的选择执行元器件包括加冷水和进气、排气时所需的电动调节阀和电磁阀，pH值控制输出时所需的蠕动泵，对电机转速控制所需的变频器和电机等各种执行元器件。根据发酵罐的工作情况，各参数

52、的测量范围如下：Q为050L/min，P为00.4Mpa,pH为014，T为0150，以此为根据，各执行元器件的选型如表3-4：表3-4 各执行元器件的选型编号名称型号主要参数备注01天津贝尔电动单座调节阀BELL AZP1) 阀体材质：铸铁、铸不锈钢压力等级：1.6Mpa联接形式：法兰联接温度范围：常温-20200公称直径： DN252) 控制信号：420mA作用形式：电开电源：220V 50Hz流量特性：等百分比3) 配BELL执行机构型号：BELL-A+Z64通过接收工业自动化控制系统的信号（如：420mA）来驱动阀门改变阀芯和阀座之间的截面积大小控制管道介质的流量、温度、压力等工艺参数

53、，实现自动化调节功能。02宁波海曙艾尔派克电磁阀ZCZG1) 阀体材质：铸不锈钢介质温度：250公称压力：2.5Mpa工作压差：0.12.5Mpa公称直径：DN252) 作用形式：常闭电源：AC 220V额定流量系数：10.3KVZCZG高温电磁阀适用于中高温热水、导热油、高温蒸汽、及过热蒸汽等管路的自动控制。03浙江博佳电机Y2-801-2功率：0.75KW额定电压：380V额定频率：50HZ额定电流：1.8A额定转速：2825r/min防护等级：IP54电机起到搅拌的作用，搅拌的转速对发酵液的混合状态、溶氧速率、物质传递等有重要影响。04松下变频器VFOC-BFV00074电源：三相 AC

54、 380V功率：0.75KW/2.1A频率：50/60HZ通讯功能：用来自PLC、计算机等的通信,可以进行运行、频率控制、监控、参数的设定等。05保定兰格蠕动泵LEAD-21） 转速范围：1.0100.0rpm速度分辨率：0.1rpm外控接口：启停控制适用电源：AC220V10%,50Hz/60Hz（标配）消耗功率 50 W工作环境：温度040，相对湿度 80%防护等级：IP312） 驱动器型号：LEAD-2泵头：LEAD-15软管：16#可安装四种专用泵头，最多8通道；可显示流量或转速；对设定的流量进行校正，从而获得最精确的流量；通过通讯接口实现上位机自动控制；具有全速排空功能；第四章发酵罐

55、温度串级控制系统4.1 温度控制系统温度控制系统是以温度作为被控制量的反馈控制系统。在发酵行业生产过程的物理过程和化学反应中，温度往往是一个很重要的工艺参数，需要准确地加以控制。除了发酵工业之外，温度控制系统还广泛应用于电子、化工、石油、冶金等其他领域，是用途很广的一类工业控制系统，常用来保持温度恒定或者使温度按照某种规定的程序变化。温度控制系统由被控对象、测量装置、调节器和执行机构等部分构成，如图4-1所示。图4-1 温度控制系统被控对象是一个装置或一个过程，它的温度是被控制量。测量装置对被控温度进行测量，并将测量值与给定值比较，若存在偏差便由调节器对偏差信号进行处理，再输送给执行机构来增加或减少供给被控对象的热量，使被控温度调节