1、 洛陽理工學院 計算機控制技術與應用課程設計 目：發(fā)酵培養(yǎng)基溫度控制系統(tǒng)設計 題 學生姓名： 號： 學 級： 班 業(yè)： 專 摘要 本題要設計的是發(fā)酵培養(yǎng)基溫度控制系統(tǒng)，發(fā)酵是放熱反應的過程。隨著反應的進行，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)酵過程中的溫度進行檢測和控制就顯得十分重要。 本課題設計了發(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420mA的電流信號，最后進行仿真分析以及參數(shù)的計算，以達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

2、系統(tǒng)應用溫度控制系統(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。 關鍵詞：溫度控制,PID控制器,V/I轉(zhuǎn)換,比較機構(gòu) 目錄 前言錯誤！未定義書簽。 3發(fā)酵培養(yǎng)基簡介1.1.1 1.1.2工藝背景：錯誤！未定義書簽。 12溫度對發(fā)酵的影響錯誤！未定義書簽。 1.2.1溫度影響微生物細胞生長錯誤！未定義書簽。 1.2.2溫度影響產(chǎn)物的生成量錯誤！未定義書簽。 1.2.3溫度影響生物合成的方向錯誤！未定義書簽。 1.2.4溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)錯誤！未定義書簽。 1.3、影響發(fā)酵溫度變化的因素：錯誤！未定義書簽。 1.4發(fā)酵熱的測定錯誤！未定義書簽。 1.5最適溫度

3、的選擇與發(fā)酵溫度的控制錯誤！未定義書簽。 1.5.1溫度的選擇VII 2 培養(yǎng)基溫度控制系統(tǒng)的設計錯誤！未定義書簽。 2.1總體設計方案VII 2.1.1 系統(tǒng)總框圖VII 22硬件設計VIII 2.2.1溫度采集電路VIII 2.2.2 PLC與計算機的通信IX 2.3軟件部分X 3總結(jié)XIII 參考文獻：XIII 前 言 計算機控制技術以自動控制理論和計算機技術為基礎，自動控制理論的發(fā)展給計算機控制系統(tǒng)增添了理論工具，而計算機技術的發(fā)展為新型控制規(guī)律的實現(xiàn)、構(gòu)建高性能的計算機控制技術提供了物質(zhì)基礎，而兩者的結(jié)合極大地推動了計算機控制技術的發(fā)展。 本課程設計主題以啤酒廠發(fā)酵罐培養(yǎng)基溫度控制系

4、統(tǒng)的設計為例，具體實現(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、設計控制方案。 工藝過程概述1 發(fā)酵培養(yǎng)基1.1.1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

5、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)酵是放熱反應的過程。隨著反應的進行，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)控機制 除這些直接影響外，溫度還

6、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，進而影響發(fā)酵的動力學特性和產(chǎn)物的生物合成。 溫度影響微生物細胞生長1.2.1隨著溫度的上升，細胞的生長繁殖加快。這是由于生長代謝以及繁殖都是酶參加的。根據(jù)酶促反應的動力學來看，溫度升高，反應速度加快，呼吸強度增加，最終導致細胞生長繁殖加快。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)酵過程中各種反應速率外，還可以通過改變發(fā)酵

7、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CO、NH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32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，還與營養(yǎng)基質(zhì)有關。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、出口溫度，由下式計算出發(fā)酵熱： Q發(fā)酵=G.C.（t-t）/V (1-1) 1W2式中：G冷

8、卻水的流量(kg/h)；C水的比熱kJ(kg?)； W3)。 ； V-發(fā)酵液的體積(m)t t分別為冷卻水的進、出口溫度(12通過發(fā)酵罐溫度的自動控制，先使罐溫達到恒定，再關閉自動控制裝置,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=(MC+Mc).S (1-2) 2ll2M一系統(tǒng)中發(fā)酵液的質(zhì)量(kg)；M一發(fā)酵罐的質(zhì)量(kg)； 2lC發(fā)酵液的比熱kJ(kg?)；C發(fā)酵罐材料的比熱kJ(kg?)； 2lS溫度上升速率(h)。 最適溫度的選擇與發(fā)酵溫度的控制1.51.5.1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。選擇最適溫度應該考慮微生物生長

9、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。 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，因為釋放的發(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)的設計 2.1總體設計方案 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段液氨進口的兩位式電磁閥來實現(xiàn)發(fā)酵罐溫度控制，其原理圖如圖1所示。 液氨進液氨出液氨罐圖1 發(fā)酵罐控制過程原理圖 2.1.1 系統(tǒng)總框圖 設計在本設計中采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，溫度采集電路從發(fā)酵罐中采集溫度，中，PLC通過模擬量控制模塊，把采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成對應的

10、數(shù)值信號送入與給定的溫度信號進行比較，經(jīng)過PID運算后，通過輸出差值信號來調(diào)節(jié)電磁閥的開關狀態(tài)，從而來控制進入發(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。 變送器溫度采集-給定溫度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥對象圖2 發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)總框圖 22硬件設計 2.2.1溫度采集電路 圖3是實際的測量電路。圖中，AD581輸出一個標準的+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）兩點溫度進行，通過運算放大器A放大使輸出靈

11、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。 R1RP1R2RP2Pt-100AD58136K91K1K10K -15VUo-R3OP07+27K+15VAD590-15V圖3 溫度采集電路 2.2.2 PLC與計算機的通信 設計系統(tǒng)中，采用一臺PC機和多臺PLC組成控制系統(tǒng)，計算機實行圖形顯示數(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與計算機連接圖。 TXDRXD接收 DTRDSR對方就緒RXDTXD發(fā)送PLC DSR自己就緒DTR RTSRTS請求發(fā)送CTS允許發(fā)送CTS轉(zhuǎn)換器計算機圖4 PLC與計算機

12、連接圖 2.3軟件部分 圖5 是發(fā)酵罐控制過程的程序流程圖。本設計選擇FX2N-4AD模塊，并且選擇通道和相應的量程。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: 開初始A/轉(zhuǎn)換子程度設定溫度PI計電磁閥控制輸發(fā)酵罐狀態(tài)操作圖5 發(fā)酵罐控制過程程序流程圖 開始進料、給PID運算中的給定值賦值PID運算對發(fā)酵罐降溫定時(20小時)停止進返回圖6 長定時程序流程圖 各階段溫度控制分為： （1） 進料階段

13、，溫度保持在8，流程圖如圖7所示: 開PID時間到輸出為是PID 運算對發(fā)酵罐降溫時間到(70小時)，停止PID 運算返回圖7 進料階段流程圖 （2） 還原雙乙酰階段，溫度保持在12，流程圖如圖8所示: 開始對計數(shù)器C0清零定時器定時，定時到自身清零，計數(shù)器加1否計數(shù)器滿否是將發(fā)酵液輸送到發(fā)酵罐返回 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定為10個小時，用于檢測發(fā)酵液體內(nèi)的化學物質(zhì)含量，并將發(fā)酵液中的酵母排出。在沒有到達停留觀察階段時，其PID輸出值為零； 開PID時間到輸出為零是PID 運算輸出對發(fā)酵罐降溫時間到（10小時），停止PID 運算返回圖9 停留觀察階段程序流程圖 所10，直到發(fā)酵周期結(jié)束，流程圖如圖-1儲酒階段，將溫度控制到 ）4（示。 開始否PID 輸出為零時間到否是PID 運算輸出對發(fā)酵罐降時間到7小時），移動到儲存罐返回圖10 存儲階段程序流程圖 參考文獻： 1 李文濤，李忠虎.過程控制M.北京：科學出版社，2012.2 2 黃桂梅.計算機控制技術與系統(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)的設計.自動化與儀器儀表，2008(05) 5 刁育群.微機在啤酒發(fā)酵生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的應用.儀器儀