發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 I 洛陽理工學(xué)院 計算機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用課程設(shè)計 題 目 發(fā)酵培養(yǎng)基溫度控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名 學(xué) 號 班 級 專 業(yè) 計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 1 II 摘 要 本題要設(shè)計的是發(fā)酵培養(yǎng)基溫度控制系統(tǒng) 發(fā)酵是放熱反應(yīng)的過程 隨著 反應(yīng)的進(jìn)行 罐內(nèi)的溫度會逐漸升高 而溫度對發(fā)酵過程具有多方面的影響 因此 對發(fā)酵過程中的溫度進(jìn)行檢測和控制就顯得十分重要 本課題設(shè)計了發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng) 選擇的傳感器為 Cu100 由于信號很 小 所以就需要通過差動放大電路進(jìn)行放大并且經(jīng)過了濾波電路濾波 然后將 處理后的電壓信號經(jīng)過 V I 轉(zhuǎn)換 輸出 4 20mA 的電流信號 最后進(jìn)行仿真分析 以及參數(shù)的計算 以達(dá)到通過對冷水閥開度的控制對發(fā)酵罐溫度控制的目的 本系統(tǒng)應(yīng)用溫度控制系統(tǒng) 有助于提高發(fā)酵效率 有助于提高工廠產(chǎn)值 并且可以使資源得到更充分的作用 關(guān)鍵詞 溫度控制 PID 控制器 V I 轉(zhuǎn)換 比較機(jī)構(gòu) 計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 1 III 目錄 前 言 2 1 1 1 發(fā)酵培養(yǎng)基簡介 3 1 1 2 工藝背景 3 1 2 溫度對發(fā)酵的影響 3 1 2 1 溫度影響微生物細(xì)胞生長 3 1 2 2 溫度影響產(chǎn)物的生成量 4 1 2 3 溫度影響生物合成的方向 4 1 2 4 溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì) 4 1 3 影響發(fā)酵溫度變化的因素 4 1 4 發(fā)酵熱的測定 4 1 5 最適溫度的選擇與發(fā)酵溫度的控制 5 1 5 1 溫度的選擇 5 2 培養(yǎng)基溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 5 2 1 總體設(shè)計方案 5 2 1 1 系統(tǒng)總框圖 6 2 2 硬件設(shè)計 7 2 2 1 溫度采集電路 7 2 2 2 PLC 與計算機(jī)的通信 7 2 3 軟件部分 8 3 總結(jié) 11 參考文獻(xiàn) 12 計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 1 IV 前 言 計算機(jī)控制技術(shù)以自動控制理論和計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ) 自動控制理論的發(fā) 展給計算機(jī)控制系統(tǒng)增添了理論工具 而計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為新型控制規(guī)律的 實(shí)現(xiàn) 構(gòu)建高性能的計算機(jī)控制技術(shù)提供了物質(zhì)基礎(chǔ) 而兩者的結(jié)合極大地推 動了計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展 本課程設(shè)計主題以啤酒廠發(fā)酵罐培養(yǎng)基溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計為例 具體實(shí) 現(xiàn)培養(yǎng)基溫度的控制以及原理 要求了解發(fā)酵罐溫度控制的工藝背景 設(shè)計控 制方案 計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 1 V 1 工藝過程概述 1 1 1 發(fā)酵培養(yǎng)基 培養(yǎng)基 Medium 是供微生物 植物和動物組織生長和維持用的人工配制 的養(yǎng)料 一般都含有水 氮源 無機(jī)鹽 包括微量元素 碳源 生長因子 維 生素 氨基酸 堿基 抗菌素 色素 激素和血清等 等 培養(yǎng)基由于配制的原料不同 使用要求不同 而貯存保管方面也稍有不同 一般培養(yǎng)基在受熱 吸潮后 易被細(xì)菌污染或分解變質(zhì) 因此一般培養(yǎng)基必須 防潮 避光 陰涼處保存 對一些需嚴(yán)格滅菌的培養(yǎng)基 如組織培養(yǎng)基 較長 時間的貯存 必須放在 3 6 的冰箱內(nèi) 由于液體培養(yǎng)基不易長期保管 均改 制成粉末 1 1 2 工藝背景 啤酒發(fā)酵過程是啤酒酵母在一定的條件下 利用麥汁中的可發(fā)酵性物質(zhì)而 進(jìn)行的正常生命活動 其代謝的產(chǎn)物就是所要的產(chǎn)品 啤酒 啤酒發(fā)酵是放熱反應(yīng)的過程 隨著反應(yīng)的進(jìn)行 罐內(nèi)的溫度會逐漸升高 發(fā)酵過程中的溫度的變化直接影響到啤酒質(zhì)量和生產(chǎn)的效率 因此 對發(fā)酵過 程中的溫度進(jìn)行控制顯得十分重要 啤酒發(fā)酵的全過程分成多個階段 各個階 段都有對應(yīng)的溫度曲線 為了使啤酒有更好的品質(zhì) 需要讓發(fā)酵罐的溫度根據(jù) 工藝溫度曲線變化 1 2 溫度對發(fā)酵的影響 溫度對發(fā)酵過程的影響是多方面的 它會影響各種酶反應(yīng)的速率 改變菌 體代謝產(chǎn)物的合成方向 影響微生物的代謝調(diào)控機(jī)制 除這些直接影響外 溫度 還對發(fā)酵液的理化性質(zhì)產(chǎn)生影響 如發(fā)酵液的粘度 基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶 解度和傳遞速率 某些基質(zhì)的分解和吸收速率等 進(jìn)而影響發(fā)酵的動力學(xué)特性 和產(chǎn)物的生物合成 1 2 1 溫度影響微生物細(xì)胞生長 計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 1 VI 隨著溫度的上升 細(xì)胞的生長繁殖加快 這是由于生長代謝以及繁殖都是 酶參加的 根據(jù)酶促反應(yīng)的動力學(xué)來看 溫度升高 反應(yīng)速度加快 呼吸強(qiáng)度 增加 最終導(dǎo)致細(xì)胞生長繁殖加快 但隨著溫度的上升 酶失活的速度也越大 使衰老提前 發(fā)酵周期縮短 這對發(fā)酵生產(chǎn)是極為不利的 1 2 2 溫度影響產(chǎn)物的生成量 1 2 3 溫度影響生物合成的方向 1 2 4 溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì) 溫度除了影響發(fā)酵過程中各種反應(yīng)速率外 還可以通過改變發(fā)酵液的物理 性質(zhì)間接影響微生物的生物合成 1 3 影響發(fā)酵溫度變化的因素 發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量 是生產(chǎn)菌在生長繁殖時產(chǎn)生的 大量熱量 生物熱主要是培養(yǎng)基中碳水化合物 脂肪 蛋白質(zhì)等物質(zhì)被分解為 CO2 NH 3時釋放出的大量能量 主要用于合成高能化合物 供微生物生命代謝 活動及熱能散發(fā) 菌體在生長繁殖過程中 釋放出大量熱量 生物熱的大小與菌種遺傳特性 菌齡有關(guān) 還與營養(yǎng)基質(zhì)有關(guān) 在相同條 件下 培養(yǎng)基成分越豐富 產(chǎn)生的生物熱也就越大 1 4 發(fā)酵熱的測定 通過測量一定時間冷卻水的流量和冷卻水的進(jìn) 出口溫度 由下式計算出 發(fā)酵熱 Q 發(fā)酵 G C W t 2 t1 V 1 1 式中 G 冷卻水的流量 kg h C W 水的比熱 kJ kg t2 t1 分別為冷卻水的進(jìn) 出口溫度 V 發(fā)酵液的體積 m 3 通過發(fā)酵罐溫度的自動控制 先使罐溫達(dá)到恒定 再關(guān)閉自動控制裝置 測 定溫度隨時間上升的速率 按下式計算發(fā)酵熱 Q 發(fā)酵 M lCl M2c2 S 1 2 Ml一系統(tǒng)中發(fā)酵液的質(zhì)量 kg M 2一發(fā)酵罐的質(zhì)量 kg Cl 發(fā)酵液的比熱 kJ kg C 2 發(fā)酵罐材料的比熱 kJ kg S 溫度上升速率 h 計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 1 VII 1 5 最適溫度的選擇與發(fā)酵溫度的控制 1 5 1 溫度的選擇 最適溫度是一種相對概念 是指在該溫度下最適于菌的生長或發(fā)酵產(chǎn)物的 生成 選擇最適溫度應(yīng)該考慮微生物生長的最適溫度和產(chǎn)物合成的最適溫度 最適發(fā)酵溫度與菌種 培養(yǎng)基成分 培養(yǎng)條件和菌體生長階段有關(guān) 工業(yè)上使用大體積發(fā)酵罐的發(fā)酵過程 一般不須要加熱 因?yàn)獒尫诺陌l(fā)酵熱常 常超過微生物的最適培養(yǎng)溫度 所以需要冷卻的情況較多 2 發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 2 1 總體設(shè)計方案 發(fā)酵罐的溫度控制選擇了檢測發(fā)酵罐的上 中 下段溫度的方法 通過上 中 下 3 段液氨進(jìn)口的兩位式電磁閥來實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐溫度控制 其原理圖如圖 1 所示 液氨罐 發(fā) 酵 罐 液氨出 液氨進(jìn) 圖 1 發(fā)酵罐控制過程原理圖 2 1 1 系統(tǒng)總框圖 設(shè)計在本設(shè)計中采用閉環(huán)控制系統(tǒng) 溫度采集電路從發(fā)酵罐中采集溫度 計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 1 VIII 通過模擬量控制模塊 把采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)值信號送入 PLC 中 與給定的溫度信號進(jìn)行比較 經(jīng)過 PID 運(yùn)算后 通過輸出差值信號來調(diào)節(jié)電磁 閥的開關(guān)狀態(tài) 從而來控制進(jìn)入發(fā)酵罐冷卻夾套中液氨的多少來調(diào)節(jié)發(fā)酵罐的 溫度 圖 2 是發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)總框圖 調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)閥 對象 溫度采集變送器 給定溫度 圖 2 發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)總框圖 2 2 硬件設(shè)計 2 2 1 溫度采集電路 圖 3 是實(shí)際的測量電路 圖中 AD581 輸出一個標(biāo)準(zhǔn)的 10V 電壓 RP1 用 于調(diào)零 RP2 用于調(diào)滿刻度 AD590 輸出電流在 R1 和 RP1 上產(chǎn)生壓降 該電壓 經(jīng)過運(yùn)算放大 R2 RP2 R1 RP1 倍后輸出 調(diào)整過程分別在 0 冰水混 合物中 和 100 沸水中 兩點(diǎn)溫度進(jìn)行 通過運(yùn)算放大器 A 放大使輸出靈 敏度為 100mV 即在 0 時 調(diào)整 RP1 時輸出 0V 在 100 時 調(diào)整 RP2 使輸出為 10V 計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 1 IX A D 5 8 1 A D 5 9 0 R 1 R P 1 R 2 R P 2 3 6 K 1 K 9 1 K 1 0 K R 3 2 7 K 1 5 V 1 5 V 1 5 V O P 0 7 U o 圖 3 溫度采集電路 P t 1 0 0 2 2 2 PLC 與計算機(jī)的通信 設(shè)計系統(tǒng)中 采用一臺 PC 機(jī)和多臺 PLC 組成控制系統(tǒng) 計算機(jī)實(shí)行圖形顯 示數(shù)據(jù)處理打印報表以及中文顯示等功能 PLC 則執(zhí)行控制功能 圖 4 是 FX2N PLC 與計算機(jī)連接圖 P L C T X D D T R R X D D S R R T S C T S 轉(zhuǎn)換器 R X D 接收 D S R 對方就緒 T X D 發(fā)送 D T R 自己就緒 R T S 請求發(fā)送 C T S 允許發(fā)送 計算機(jī) 圖 4 P L C 與計算機(jī)連接圖 計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 1 X 2 3 軟件部分 圖 5 是發(fā)酵罐控制過程的程序流程圖 本設(shè)計選擇 FX2N 4AD 模塊 并且 選擇通道和相應(yīng)的量程 序的作用是選擇通道一 A D 轉(zhuǎn)換和將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)放 在地址 D201 中 A D 采樣時間是選用了 15s 這是根據(jù)采樣定理確定的 并參 考了工程手冊上的參數(shù)設(shè)定 罐狀態(tài)操作包括 溫度控制自動調(diào)諧程序 長定 時子程序和各階段溫度控制 圖 6 是長定時子程序 開始 初始化 A D 轉(zhuǎn)換子程序 度設(shè)定溫度值 P I D 計算 電磁閥控制輸出 發(fā)酵罐狀態(tài)操作 圖 5 發(fā)酵罐控制過程程序流程圖 計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 1 XI 開始 進(jìn)料 給 P I D 運(yùn)算中的給定值賦值 P I D 運(yùn)算 對發(fā)酵罐降溫 定時 2 0 小時 停止進(jìn)料 返回 圖 6 長定時程序流程圖 各階段溫度控制分為 1 進(jìn)料階段 溫度保持在 8 流程圖如圖 7 所示 開始 時間到否 P I D 運(yùn)算 對發(fā)酵罐降溫 時間到 7 0 小時 停止 P I D 運(yùn)算 返回 P I D 輸出為零 否 是 圖 7 進(jìn)料階段流程圖 2 還原雙乙酰階段 溫度保持在 12 流程圖如圖 8 所示 計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 1 XII 開始 對計數(shù)器 C 0 清零 定時器定時 定時到自身清零 計數(shù)器加 1 計數(shù)器滿否 將發(fā)酵液輸送到發(fā)酵罐中 返回 是 否 圖 8 還原雙乙酰階段流程圖 3 停留觀察 溫度保持在 6 流程圖如圖 9 所示 具體停留觀察階段設(shè) 定為 10 個小時 用于檢測發(fā)酵液體內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)含量 并將發(fā)酵液中 的酵母排出 在沒有到達(dá)停留觀察階段時 其 PID 輸出值為零 開始 時間到否 P I D 運(yùn)算輸出 對發(fā)酵罐降溫 時間到 1 0 小時 停止 P I D 運(yùn)算 返回 P I D 輸出為零 否 是 圖 9 停留觀察階段程序流程圖 4 儲酒階段 將溫度控制到 1 直到發(fā)酵周期結(jié)束 流程圖如圖 10 所 計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 1 XIII 示 開始 時間到否 P I D 運(yùn)算輸出 對發(fā)酵罐降溫 時間到 7 0 小時 移動到儲存罐中 返回 P I D 輸出為零 否 是 圖 1 0 存儲階段程序流程圖 參考文獻(xiàn) 1 李文濤 李忠虎 過程控制 M 北京 科學(xué)出版社 2012 2 2 黃桂梅 計算機(jī)控制技術(shù)與系統(tǒng) M 北京 中國電力出版社 2008 3 林錦國 過程控制 M 2版 南京 東南大學(xué)出版社 2006 4 牛超 徐定偉 王軍 呂冰 發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 自動化與儀 器儀表 2008 05 5 刁育群 微機(jī)在啤酒發(fā)酵生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 儀器儀表分析與檢測 1990 3 6 顧慶才 啤酒發(fā)酵期間溫度和壓力對酵母生長 雜醇 酯比例的影響 J 啤 酒科技 2002 8 7 杜鋒 雷鳴 啤酒發(fā)酵過程溫度控制策略 J 釀酒 2002 2 8 王國安 張利波 發(fā)酵罐恒溫供冷控制系統(tǒng) J 赤峰學(xué)院學(xué)報 2009 7 9 孫波 陳剛 王爾智 張炳義 啤酒發(fā)酵中溫度的測控方法 J 控制工程 2008 5 計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文 1 XIV 10 楊德 暢福善 沈俊霞 基于 PLC 的發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng) J 自動化儀表 2012 5