發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程辯論論文洛陽(yáng)理工學(xué)院計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)題 目：發(fā)酵培養(yǎng)基溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生：學(xué) 號(hào)：班 級(jí)：專 業(yè)：摘 要此題要設(shè)計(jì)的是發(fā)酵培養(yǎng)基溫度控制系統(tǒng)，發(fā)酵是放熱反響的過程。隨著反響的進(jìn)行，罐內(nèi)的溫度會(huì)逐漸升高。而溫度對(duì)發(fā)酵過程具有多方面的影響。因此，對(duì)發(fā)酵過程中的溫度進(jìn)行檢測(cè)和控制就顯得十分重要。本課題設(shè)計(jì)了發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)，選擇的傳感器為Cu100，由于信號(hào)很小，所以就需要通過差動(dòng)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(hào)經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換，輸出420mA的電流信號(hào)，最后進(jìn)行仿真分析以及參數(shù)的計(jì)算，以到達(dá)通過對(duì)冷水閥開度的控制對(duì)發(fā)酵罐溫度控制的目的。

2、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,比擬機(jī)構(gòu)目錄前 言21.1.1 發(fā)酵培養(yǎng)基簡(jiǎn)介 31.1.2工藝背景：312溫度對(duì)發(fā)酵的影響31.2.1溫度影響微生物細(xì)胞生長(zhǎng)31.2.2溫度影響產(chǎn)物的生成量41.2.3溫度影響生物合成的方向41.2.4溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)41.3、影響發(fā)酵溫度變化的因素：41.4發(fā)酵熱的測(cè)定41.5最適溫度的選擇與發(fā)酵溫度的控制51.5.1溫度的選擇52 培養(yǎng)基溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)52.1總體設(shè)計(jì)方案52.1.1 系統(tǒng)總框圖622硬件設(shè)計(jì)72.2.1溫度采集電路72.

3、2.2 PLC與計(jì)算機(jī)的通信72.3軟件局部83總結(jié)11參考文獻(xiàn)：12前 言計(jì)算機(jī)控制技術(shù)以自動(dòng)控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)為根底，自動(dòng)控制理論的開展給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)增添了理論工具，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的開展為新型控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)、構(gòu)建高性能的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)提供了物質(zhì)根底，而兩者的結(jié)合極大地推動(dòng)了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的開展。本課程設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)控制方案。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(dòng)物組織生長(zhǎng)和維持用的人工配制的養(yǎng)料，一般都含有水、氮源、無(wú)機(jī)鹽包括微量元素、碳源、

4、生長(zhǎng)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(duì)一些需嚴(yán)格滅菌的培養(yǎng)基如組織培養(yǎng)基，較長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)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(dòng)，其代謝的產(chǎn)物就是所要的產(chǎn)品-啤酒。啤酒發(fā)酵是放熱反響的過程。隨著反響的進(jìn)行，罐內(nèi)的溫度會(huì)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(duì)

5、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(gè)階段，各個(gè)階段都有對(duì)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(duì)發(fā)酵的影響 溫度對(duì)發(fā)酵過程的影響是多方面的，它會(huì)影響各種酶反響的速率，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(duì)發(fā)酵液的理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，如發(fā)酵液的粘度?；|(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(dòng)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(zhǎng)隨著溫度的上升，細(xì)胞的生長(zhǎng)繁殖加快。這是由于生長(zhǎng)代謝以及繁殖都是酶參加的。根據(jù)酶促反響的動(dòng)力學(xué)來(lái)

6、看，溫度升高，反響速度加快，呼吸強(qiáng)度增加，最終導(dǎo)致細(xì)胞生長(zhǎng)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(duì)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)酵過程中各種反響速率外，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(lái)的凈熱量。是生產(chǎn)菌在生長(zhǎng)繁殖時(shí)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、NH3時(shí)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(dòng)及熱能散發(fā)。

7、菌體在生長(zhǎng)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(yíng)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(cè)定通過測(cè)量一定時(shí)間冷卻水的流量和冷卻水的進(jìn)、出口溫度，由下式計(jì)算出發(fā)酵熱： Q發(fā)酵=G.CW.t2-t1/V (1-1) 式中：G冷卻水的流量(kg/h)；CW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(m3)。通過發(fā)酵罐溫度的自動(dòng)控制，先使罐溫到達(dá)恒定，再關(guān)閉自動(dòng)控制裝置,測(cè)定溫度隨時(shí)間上升的速率，按下式計(jì)算發(fā)酵熱： Q發(fā)酵=(MlCl+M2c2).S (1-2)Ml一系統(tǒng)中發(fā)酵液的質(zhì)量(

8、kg)；M2一發(fā)酵罐的質(zhì)量(kg)；Cl發(fā)酵液的比熱kJ(kg)；C2發(fā)酵罐材料的比熱kJ(kg)；S溫度上升速率(h)。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(duì)概念，是指在該溫度下最適于菌的生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)2.1總體設(shè)計(jì)方案發(fā)酵罐的溫度控制選擇了檢測(cè)發(fā)酵

9、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(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)酵罐溫度控制，其原理圖如圖1所示。2.1.1 系統(tǒng)總框圖設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)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，通過模擬量控制模塊，把采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)值信號(hào)送入PLC中，與給定的溫度信號(hào)進(jìn)行比擬，經(jīng)過PID運(yùn)算后，通過輸出差值信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)電磁閥的開關(guān)狀態(tài)，從而來(lái)控制進(jìn)入發(fā)酵罐冷卻夾套中液氨的多少來(lái)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。22硬件設(shè)計(jì)2.2.1溫度采集電路圖3是實(shí)際的測(cè)量電路。圖中，AD581輸出一個(gè)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R

10、1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(shí)， 調(diào)整RP1時(shí)輸出0V，在100時(shí)，調(diào)整RP2使輸出為10V。2.2.2 PLC與計(jì)算機(jī)的通信設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，采用一臺(tái)PC機(jī)和多臺(tái)PLC組成控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)實(shí)行圖形顯示數(shù)據(jù)處理打印報(bào)表以及中文顯示等功能，PLC那么執(zhí)行控制功能。圖4是FX2N PLC與計(jì)算機(jī)連接圖。2.3軟件局部圖5 是發(fā)酵罐控制過程的程序流程圖。本設(shè)計(jì)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)

11、換的數(shù)據(jù)放在地址D201中。A/D采樣時(shí)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(cè)上的參數(shù)設(shè)定。罐狀態(tài)操作包括：溫度控制自動(dòng)調(diào)諧程序、 長(zhǎng)定時(shí)子程序和各階段溫度控制。 圖6是長(zhǎng)定時(shí)子程序: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: （2） 復(fù)原雙乙酰階段，溫度保持在12，流程圖如圖8所示:（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(gè)小時(shí)，用于檢測(cè)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(shí)，其PID輸出值為零；（4） 儲(chǔ)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所示。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，2021.22 黃桂梅.計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與系統(tǒng)M.北京：中國(guó)電力出版社，20213 林錦國(guó).過程控制M.2版.南京：東南大學(xué)出版社，20064 牛超，徐定偉，王軍，呂冰.發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).自動(dòng)化與儀器儀表，2021(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(cè)，1990(3)6 顧慶才. 啤酒發(fā)酵期間溫度和壓力對(duì)酵母生長(zhǎng)/雜醇/酯