發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)把握技術(shù)課程辯論論文洛陽(yáng)理工學(xué)院計(jì)算機(jī)把握技術(shù)與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)題目：發(fā)酵培育基溫度把握系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：班級(jí)：專(zhuān)業(yè)：I計(jì)算機(jī)把握技術(shù)課程辯論論文1- II -摘 要此題要設(shè)計(jì)的是發(fā)酵培育基溫度把握系統(tǒng)，發(fā)酵是放熱反響的過(guò)程。隨著反響的進(jìn)展，罐內(nèi)的溫度會(huì)漸漸上升。而溫度對(duì)發(fā)酵過(guò)程具有多方面的影響。因此， 對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的溫度進(jìn)展檢測(cè)和把握就顯得格外重要。本課題設(shè)計(jì)了發(fā)酵罐溫度把握系統(tǒng)，選擇的傳感器為 Cu100，由于信號(hào)很小， 所以就需要通過(guò)差動(dòng)放大電路進(jìn)展放大并且經(jīng)過(guò)了濾波電路濾波，然后將處理后的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò) V/I 轉(zhuǎn)換，輸出 420mA 的電流信號(hào)，最終進(jìn)展仿真分析以及參數(shù)的計(jì)算，

2、以到達(dá)通過(guò)對(duì)冷水閥開(kāi)度的把握對(duì)發(fā)酵罐溫度把握的目的。本系統(tǒng)應(yīng)用溫度把握系統(tǒng)，有助于提高發(fā)酵效率，有助于提高工廠(chǎng)產(chǎn)值，并且可以使資源得到更充分的作用。關(guān)鍵詞：溫度把握,PID 把握器,V/I 轉(zhuǎn)換,比較機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)把握技術(shù)課程辯論論文1- * ROMAN IV -名目前言錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。發(fā)酵培育基簡(jiǎn)介3工藝背景：錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。溫度對(duì)發(fā)酵的影響錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。溫度影響微生物細(xì)胞生長(zhǎng)錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。溫度影響產(chǎn)物的生成量錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。溫度影響生物合成的方向錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。、影響發(fā)酵溫度變化的因素：錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。發(fā)酵熱的測(cè)定錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。最

3、適溫度的選擇與發(fā)酵溫度的把握錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。 HYPERLINK l “_TOC_250005“ 溫度的選擇VII培育基溫度把握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。 HYPERLINK l “_TOC_250004“ 總體設(shè)計(jì)方案VII HYPERLINK l “_TOC_250003“ 系統(tǒng)總框圖VII硬件設(shè)計(jì)VIII HYPERLINK l “_TOC_250002“ 溫度采集電路VIII HYPERLINK l “_TOC_250001“ PLC 與計(jì)算機(jī)的通信IX HYPERLINK l “_TOC_250000“ 軟件局部X總結(jié)錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。參考文獻(xiàn)：XIII前 言計(jì)算機(jī)把握技術(shù)以自動(dòng)

4、把握理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)為根底，自動(dòng)把握理論的進(jìn)展給計(jì)算機(jī)把握系統(tǒng)增加了理論工具，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)展為型把握規(guī)律的實(shí)現(xiàn)、構(gòu)建高性能的計(jì)算機(jī)把握技術(shù)供給了物質(zhì)根底，而兩者的結(jié)合極大地推動(dòng)了計(jì)算機(jī)把握技術(shù)的進(jìn)展。本課程設(shè)計(jì)主題以啤酒廠(chǎng)發(fā)酵罐培育基溫度把握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，具體實(shí)現(xiàn)培育基溫度的把握以及原理，要求了解發(fā)酵罐溫度把握的工藝背景、設(shè)計(jì)把握方案。計(jì)算機(jī)把握技術(shù)課程辯論論文1 工藝過(guò)程概述發(fā)酵培育基培育基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、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。培育基由于配制的原料不同

5、，使用要求不同，而貯存保管方面也稍有不同。一般培育基在受熱、吸潮后，易被細(xì)菌污染或分解變質(zhì)，因此一般培育基必需防潮、避光、陰涼處保存。對(duì)一些需嚴(yán)格滅菌的培育基如組織培育基，較長(zhǎng)時(shí)間的貯存，必需放在 3-6的冰箱內(nèi)。由于液體培育基不易長(zhǎng)期保管，均改制成粉末。工藝背景啤酒發(fā)酵過(guò)程是啤酒酵母在肯定的條件下，利用麥汁中的可發(fā)酵性物質(zhì)而進(jìn)展的正常生命活動(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(guò)程。隨著反響的進(jìn)展，罐內(nèi)的溫度會(huì)漸漸上升。發(fā)酵過(guò)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)發(fā)酵過(guò)程中的溫度進(jìn)展把握顯得格外重要。啤酒發(fā)酵的全過(guò)程分成多個(gè)階段，各個(gè)階段都有對(duì)應(yīng)的溫度曲

6、線(xiàn)。為了使啤酒有更好的品質(zhì)，需要讓發(fā)酵罐的溫度依據(jù)工藝溫度曲線(xiàn)變化。溫度對(duì)發(fā)酵的影響溫度對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響是多方面的，它會(huì)影響各種酶反響的速率，轉(zhuǎn)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)的分解和吸取速率等，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。溫度影響微生物細(xì)胞生長(zhǎng)1- V -計(jì)算機(jī)把握技術(shù)課程辯論論文1- VI -隨著溫度的上升，細(xì)胞的生長(zhǎng)生殖加快。這是由于生長(zhǎng)代謝以及生殖都是酶參與的。依據(jù)酶促反響的動(dòng)力學(xué)來(lái)看，溫度上升，反響速度加快，呼吸強(qiáng)度增加， 最終導(dǎo)致細(xì)胞生

7、長(zhǎng)生殖加快。但隨著溫度的上升，酶失活的速度也越大，使年輕提前，發(fā)酵周期縮短，這對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)是極為不利的。溫度影響產(chǎn)物的生成量溫度影響生物合成的方向溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)溫度除了影響發(fā)酵過(guò)程中各種反響速率外，還可以通過(guò)轉(zhuǎn)變發(fā)酵液的物理性質(zhì)間接影響微生物的生物合成。影響發(fā)酵溫度變化的因素：發(fā)酵熱就是發(fā)酵過(guò)程中釋放出來(lái)的凈熱量。是生產(chǎn)菌在生長(zhǎng)生殖時(shí)產(chǎn)生的大量熱量。生物熱主要是培育基中碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等物質(zhì)被分解為 CO 、2NH 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3熱能散發(fā)。菌體在生長(zhǎng)生殖過(guò)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)，還與養(yǎng)分基

8、質(zhì)有關(guān)。在一樣條件下，培育基成分越豐富，產(chǎn)生的生物熱也就越大。發(fā)酵熱的測(cè)定通過(guò)測(cè)量肯定時(shí)間冷卻水的流量和冷卻水的進(jìn)、出口溫度，由下式計(jì)算動(dòng)身酵熱：Q 發(fā)酵=G.C .t -t /V(1-1)W21式中：G冷卻水的流量(kg/h)；C 水的比熱kJ(kg)；Wt t 分別為冷卻水的進(jìn)、出口溫度()； V-發(fā)酵液的體積(m3)。21通過(guò)發(fā)酵罐溫度的自動(dòng)把握，先使罐溫到達(dá)恒定，再關(guān)閉自動(dòng)把握裝置,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=(M C +M c ).S(1-2)l l2 2M 一系統(tǒng)中發(fā)酵液的質(zhì)量(kg)；Ml2一發(fā)酵罐的質(zhì)量(kg)；C 發(fā)酵液的比熱kJ(kg)；C 發(fā)酵罐

9、材料的比熱kJ(kg)；l2S溫度上升速率(h)。最適溫度的選擇與發(fā)酵溫度的把握計(jì)算機(jī)把握技術(shù)課程辯論論文1- VII -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)當(dāng)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，培育基成分，培育條件和菌體生長(zhǎng)階段有關(guān)。工業(yè)上使用大體積發(fā)酵罐的發(fā)酵過(guò)程，一般不必要加熱，由于釋放的發(fā)酵熱經(jīng)常超過(guò)微生物的最適培育溫度，所以需要冷卻的狀況較多。2 發(fā)酵罐溫度把握系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)方案發(fā)酵罐的溫度把握選擇了檢測(cè)發(fā)酵罐的上、中、下段溫度的方法，通過(guò)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

10、度把握，其原理圖如圖 1 所示。發(fā)酵罐液氨進(jìn)液氨出液氨罐圖1 發(fā)酵罐把握過(guò)程原理圖系統(tǒng)總框圖設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中承受閉環(huán)把握系統(tǒng)，溫度采集電路從發(fā)酵罐中采集溫度，通過(guò)模擬量把握模塊，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，與給計(jì)算機(jī)把握技術(shù)課程辯論論文1- * ROMAN IX -定的溫度信號(hào)進(jìn)展比較，經(jīng)過(guò) PID 運(yùn)算后，通過(guò)輸出差值信號(hào)來(lái)調(diào)整電磁閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而來(lái)把握進(jìn)入發(fā)酵罐冷卻夾套中液氨的多少來(lái)調(diào)整發(fā)酵罐的溫度。圖2 是發(fā)酵罐溫度把握系統(tǒng)總框圖。變送器溫度采集-給定溫度調(diào)整器調(diào)整閥對(duì)象圖2 發(fā)酵罐溫度把握系統(tǒng)總框圖硬件設(shè)計(jì)溫度采集電路圖 3 是實(shí)際的測(cè)量電路。圖中，AD581

11、 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(mǎn)刻度。AD590 輸出電流在 R1 和 RP1 上產(chǎn)生壓降，該電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大R2+RP2/R1+RP1倍后輸出。調(diào)整過(guò)程分別在 0冰水混合物中和 100沸水中兩點(diǎn)溫度進(jìn)展，通過(guò)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。R1RP1R2RP2Pt-100AD58136K1K91K10K- 15VUoR3-OP07+27KAD590+15V- 15V圖3 溫度采集電路PLC 與計(jì)算機(jī)的通信設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，承受一臺(tái) PC 機(jī)和多臺(tái) PLC 組成把握系

12、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 則執(zhí)行把握功能。圖 4 是FX2N PLC與計(jì)算機(jī)連接圖。TXDRXD接收DTRDSR對(duì)方就緒RXDTXD發(fā)送PLCDSRDTR自己就緒RTSRTS懇求發(fā)送CTSCTS允許發(fā)送轉(zhuǎn)換器計(jì)算機(jī)圖4 PLC與計(jì)算機(jī)連接圖軟件局部圖 5 是發(fā)酵罐把握過(guò)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)換的數(shù)據(jù)放在地址 D201 中。A/D 采樣時(shí)間是選用了 15s，這是依據(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：溫度把握自動(dòng)調(diào)諧程序、 長(zhǎng)定時(shí)子程序和

13、各階段溫度把握。圖 6 是長(zhǎng)定時(shí)子程序:開(kāi)頭初始化A/D 轉(zhuǎn)換子程序度設(shè)定溫度值PID 計(jì)算電磁閥把握輸出發(fā)酵罐狀態(tài)操作圖 5 發(fā)酵罐把握過(guò)程程序流程圖計(jì)算機(jī)把握技術(shù)課程辯論論文1- XI -開(kāi)頭進(jìn)料、給PID 運(yùn)算中的給定值賦值PID 運(yùn)算對(duì)發(fā)酵罐降溫定時(shí) (20 小時(shí) )停頓進(jìn)料返回圖 6 長(zhǎng)定時(shí)程序流程圖各階段溫度把握分為：進(jìn)料階段，溫度保持在 8，流程圖如圖 7 所示:開(kāi)頭時(shí)間到否否PID 輸出為零是PID 運(yùn)算對(duì)發(fā)酵罐降溫時(shí)間到(70小時(shí))，停頓PID 運(yùn)算返回圖7 進(jìn)料階段流程圖復(fù)原雙乙酰階段，溫度保持在 12，流程圖如圖 8 所示:計(jì)算機(jī)把握技術(shù)課程辯論論文1- XII -開(kāi)頭對(duì)

14、計(jì)數(shù)器 C0 清零定時(shí)器定時(shí)，定時(shí)到自身清零，計(jì)數(shù)器加1計(jì)數(shù)器滿(mǎn)否否是將發(fā)酵液輸送到發(fā)酵罐中返回圖 8 復(fù)原雙乙酰階段流程圖停留觀看，溫度保持在 6，流程圖如圖 9 所示；具體停留觀看階段設(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(méi)有到達(dá)停留觀看階段時(shí)，其 PID 輸出值為零；開(kāi)頭時(shí)間到否否PID 輸出為零是PID 運(yùn)算輸出對(duì)發(fā)酵罐降溫時(shí)間到 10 小時(shí)，停頓 PID 運(yùn)算返回圖9 停留觀看階段程序流程圖儲(chǔ)酒階段，將溫度把握到-1，直到發(fā)酵周期完畢，流程圖如圖 10 所示。計(jì)算機(jī)把握技術(shù)課程辯論論文1- * ROMAN XIV -開(kāi)頭否時(shí)間到否PID 輸出為零是PID 運(yùn)算輸出對(duì)發(fā)酵罐降溫時(shí)間到 70 小時(shí)，移動(dòng)到儲(chǔ)存罐中返回圖 10 存儲(chǔ)階段程序流程圖參考文獻(xiàn)：李文濤，李忠虎.過(guò)程把握M.北京：科學(xué)出版社，2022.2黃桂梅.計(jì)算機(jī)把握技術(shù)與系統(tǒng)M.北京：中國(guó)電力出版社，2022林錦國(guó).過(guò)程把握M.2版.南京：東南大學(xué)出版社，2022牛超，徐定偉，王軍，呂冰.發(fā)酵罐溫度把握系統(tǒng)的設(shè)計(jì).自動(dòng)化與儀器儀表，2022(05)刁育群.微機(jī)