發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

洛陽理工學(xué)院計(jì)算機(jī)限制技術(shù)與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)題目：發(fā)酵培育基溫度限制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：班級(jí)：專業(yè)：摘要本題要設(shè)計(jì)的是發(fā)酵培育基溫度限制系統(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(huì)漸漸上升。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)和限制就顯得非常重要。本課題設(shè)計(jì)了發(fā)酵罐溫度限制系統(tǒng)，選擇的傳感器為Cu100，由于信號(hào)很小，所以就須要通過差動(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4~20mA的電流信號(hào)，最終進(jìn)行仿真分析以及參數(shù)的計(jì)算，以達(dá)到通過對(duì)冷水閥開度的限制對(duì)發(fā)酵罐溫度限制的目的。本系統(tǒng)應(yīng)用溫度限制系統(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：溫度限制,PID限制器,V/I轉(zhuǎn)換,比較機(jī)構(gòu)書目前言 21.1.1發(fā)酵培育基簡(jiǎn)介31.1.2工藝背景： 31．2溫度對(duì)發(fā)酵的影響 3溫度影響微生物細(xì)胞生長(zhǎng) 3溫度影響產(chǎn)物的生成量 4溫度影響生物合成的方向 4溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì) 41.3、影響發(fā)酵溫度變更的因素： 41.4發(fā)酵熱的測(cè)定 41.5最適溫度的選擇與發(fā)酵溫度的限制 5溫度的選擇 52培育基溫度限制系統(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 62．2硬件設(shè)計(jì) 7溫度采集電路 72.2.2PLC與計(jì)算機(jī)的通信 72.3軟件部分 83總結(jié) 11參考文獻(xiàn)： 12前言計(jì)算機(jī)限制技術(shù)以自動(dòng)限制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，自動(dòng)限制理論的發(fā)展給計(jì)算機(jī)限制系統(tǒng)增加了理論工具，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為新型限制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)、構(gòu)建高性能的計(jì)算機(jī)限制技術(shù)供應(yīng)了物質(zhì)基礎(chǔ)，而兩者的結(jié)合極大地推動(dòng)了計(jì)算機(jī)限制技術(shù)的發(fā)展。本課程設(shè)計(jì)主題以啤酒廠發(fā)酵罐培育基溫度限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)實(shí)現(xiàn)培育基溫度的限制以及原理，要求了解發(fā)酵罐溫度限制的工藝背景、設(shè)計(jì)限制方案。1工藝過程概述發(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，運(yùn)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。1.啤酒發(fā)酵過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)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)酵是放熱反應(yīng)的過程。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，罐內(nèi)的溫度會(huì)漸漸上升。發(fā)酵過程中的溫度的變更干脆影響到啤酒質(zhì)量和生產(chǎn)的效率。因此，對(duì)發(fā)酵過程中的溫度進(jìn)行限制顯得非常重要。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)，須要讓發(fā)酵罐的溫度依據(jù)工藝溫度曲線變更。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)影響各種酶反應(yīng)的速率，變更菌體代謝產(chǎn)物的合成方向，影響微生物的代謝調(diào)控機(jī)制除這些干脆影響外，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)的分解和汲取速率等，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。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與的。依據(jù)酶促反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)來看，溫度上升，反應(yīng)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，使蒼老提前，發(fā)酵周期縮短，這對(duì)發(fā)酵生產(chǎn)是極為不利的。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，還可以通過變更發(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)酵溫度變更的因素：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(zhǎng)繁殖時(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)。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)，還與養(yǎng)分基質(zhì)有關(guān)。在相同條件下，培育基成分越豐富，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.CW.（t2-t1）/V(1-1)式中：G——冷卻水的流量(kg/h)；CW——水的比熱[kJ／(kg?℃)]；t2t1——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)限制，先使罐溫達(dá)到恒定，再關(guān)閉自動(dòng)限制裝置,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(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)酵溫度的限制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)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)上運(yùn)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)酵熱經(jīng)常超過微生物的最適培育溫度，所以須要冷卻的狀況較多。2發(fā)酵罐溫度限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1總體設(shè)計(jì)方案發(fā)酵罐的溫度限制選擇了檢測(cè)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)酵罐溫度限制，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)中采納閉環(huán)限制系統(tǒng)，溫度采集電路從發(fā)酵罐中采集溫度，通過模擬量限制模塊，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)行比較，經(jīng)過PID運(yùn)算后，通過輸出差值信號(hào)來調(diào)整電磁閥的開關(guān)狀態(tài)，從而來限制進(jìn)入發(fā)酵罐冷卻夾套中液氨的多少來調(diào)整發(fā)酵罐的溫度。圖2是發(fā)酵罐溫度限制系統(tǒng)總框圖。2．2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(shí)，調(diào)整RP1時(shí)輸出0V，在100℃時(shí)，調(diào)整RP2使輸出為10V。2.2.2PLC與計(jì)算機(jī)的通信設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，采納一臺(tái)PC機(jī)和多臺(tái)PLC組成限制系統(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則執(zhí)行限制功能。圖4是FX2NPLC與計(jì)算機(jī)連接圖。2.3軟件部分圖5是發(fā)酵罐限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)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：溫度限制自動(dòng)調(diào)諧程序、長(zhǎng)定時(shí)子程序和各階段溫度限制。圖6是長(zhǎng)定時(shí)子程序:各階段溫度限制分為：進(jìn)料階段，溫度保持在8℃，流程圖如圖7所示:還原雙乙酰階段，溫度保持在12℃，流程圖如圖8所示:停留視察，溫度保持在6℃，流程圖如圖9所示；詳細(xì)停留視察階段設(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)停留視察階段時(shí)，其PID輸出值為零；儲(chǔ)酒階段，將溫度限制到-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.過程限制[M].北京：科學(xué)出版社，2012.2[2]黃桂梅.計(jì)算機(jī)限制技術(shù)與系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008[3]林錦國(guó).過程限制[M].2版.南京：東南高校出版社，2006[4]牛超，徐定偉，王軍，呂冰.發(fā)酵罐溫度限制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[Ｊ].自動(dòng)化與儀器儀表，2008(05)[5]刁育群.微機(jī)在啤酒發(fā)酵生產(chǎn)限制