发酵罐温度控制综合系统的设计.doc

洛阳理工学院计算机控制技术和应用课程设计题 目：发酵培养基温度控制系统设计学生姓名：学 号：班 级：专 业：摘 要本题要设计是发酵培养基温度控制系统，发酵是放热反应过程。伴随反应进行，罐内温度会逐步升高。而温度对发酵过程含有多方面影响。所以，对发酵过程中温度进行检测和控制就显得十分关键。本课题设计了发酵罐温度控制系统，选择传感器为Cu100，因为信号很小，所以就需要经过差动放大电路进行放大而且经过了滤波电路滤波，然后将处理后电压信号经过V/I转换，输出420mA电流信号，最终进行仿真分析和参数计算，以达成经过对冷水阀开度控制对发酵罐温度控制目标。本系统应用温度控制系统，有利于提升发酵效率，有利于提升工厂产值，而且能够使资源得到更充足作用。关键词：温度控制,PID控制器,V/I转换,比较机构目录前 言21.1.1 发酵培养基介绍 31.1.2工艺背景：312温度对发酵影响31.2.1温度影响微生物细胞生长31.2.2温度影响产物生成量41.2.3温度影响生物合成方向41.2.4温度影响发酵液物理性质41.3、影响发酵温度改变原因：41.4发酵热测定41.5最适温度选择和发酵温度控制51.5.1温度选择52 培养基温度控制系统设计52.1总体设计方案52.1.1 系统总框图622硬件设计72.2.1温度采集电路72.2.2 PLC和计算机通信72.3软件部分83总结11参考文件：12前 言计算机控制技术以自动控制理论和计算机技术为基础，自动控制理论发展给计算机控制系统增添了理论工具，而计算机技术发展为新型控制规律实现、构建高性能计算机控制技术提供了物质基础，而二者结合极大地推进了计算机控制技术发展。本课程设计专题以啤酒厂发酵罐培养基温度控制系统设计为例，具体实现培养基温度控制和原理，要求了解发酵罐温度控制工艺背景、设计控制方案。1 工艺过程概述1.1.1 发酵培养基培养基（Medium）是供微生物、植物和动物组织生长和维持用人工配制养料，通常全部含有水、氮源、无机盐（包含微量元素）、碳源、生长因子（维生素、氨基酸、碱基、抗菌素、色素、激素和血清等）等。培养基因为配制原料不一样，使用要求不一样，而贮存保管方面也稍有不一样。通常培养基在受热、吸潮后，易被细菌污染或分解变质，所以通常培养基必需防潮、避光、阴凉处保留。对部分需严格灭菌培养基（如组织培养基），较长时间贮存，必需放在3-6冰箱内。因为液体培养基不易长久保管，均改制成粉末。1.1.2工艺背景啤酒发酵过程是啤酒酵母在一定条件下，利用麦汁中可发酵性物质而进行正常生命活动，其代谢产物就是所要产品-啤酒。啤酒发酵是放热反应过程。伴随反应进行，罐内温度会逐步升高。发酵过程中温度改变直接影响到啤酒质量和生产效率。所以，对发酵过程中温度进行控制显得十分关键。啤酒发酵全过程分成多个阶段，各个阶段全部有对应温度曲线。为了使啤酒有愈加好品质，需要让发酵罐温度依据工艺温度曲线改变。1.2温度对发酵影响 温度对发酵过程影响是多方面，它会影响多种酶反应速率，改变菌体代谢产物合成方向，影响微生物代谢调控机制 除这些直接影响外，温度还对发酵液理化性质产生影响，如发酵液粘度。基质和氧在发酵液中溶解度和传输速率。一些基质分解和吸收速率等，进而影响发酵动力学特征和产物生物合成。1.2.1温度影响微生物细胞生长伴随温度上升，细胞生长繁殖加紧。这是因为生长代谢和繁殖全部是酶参与。依据酶促反应动力学来看，温度升高，反应速度加紧，呼吸强度增加，最终造成细胞生长繁殖加紧。但伴随温度上升，酶失活速度也越大，使衰老提前，发酵周期缩短，这对发酵生产是极为不利。1.2.2温度影响产物生成量1.2.3温度影响生物合成方向1.2.4温度影响发酵液物理性质温度除了影响发酵过程中多种反应速率外，还能够经过改变发酵液物理性质间接影响微生物生物合成。1.3影响发酵温度改变原因：发酵热就是发酵过程中释放出来净热量。是生产菌在生长繁殖时产生大量热量。生物热关键是培养基中碳水化合物、脂肪、蛋白质等物质被分解为CO2、NH3时释放出大量能量。关键用于合成高能化合物，供微生物生命代谢活动及热能散发。菌体在生长繁殖过程中，释放出大量热量。生物热大小和菌种遗传特征、菌龄相关，还和营养基质相关。在相同条件下，培养基成份越丰富，产生生物热也就越大。1.4发酵热测定经过测量一定时间冷却水流量和冷却水进、出口温度，由下式计算出发酵热： Q发酵=G.CW.（t2-t1）/V (1-1) 式中：G冷却水流量(kg/h)；CW水比热kJ(kg)； t2 t1分别为冷却水进、出口温度()； V-发酵液体积(m3)。经过发酵罐温度自动控制，先使罐温达成恒定，再关闭自动控制装置,测定温度随时间上升速率，按下式计算发酵热： Q发酵=(MlCl+M2c2).S (1-2)Ml一系统中发酵液质量(kg)；M2一发酵罐质量(kg)；Cl发酵液比热kJ(kg)；C2发酵罐材料比热kJ(kg)；S温度上升速率(h)。1.5最适温度选择和发酵温度控制1.5.1温度选择最适温度是一个相对概念，是指在该温度下最适于菌生长或发酵产物生成。选择最适温度应该考虑微生物生长最适温度和产物合成最适温度。最适发酵温度和菌种，培养基成份，培养条件和菌体生长阶段相关。工业上使用大致积发酵罐发酵过程，通常不须要加热，因为释放发酵热常常超出微生物最适培养温度，所以需要冷却情况较多。2发酵罐温度控制系统设计2.1总体设计方案发酵罐温度控制选择了检测发酵罐上、中、下段温度方法，经过上、中、下3段液氨进口两位式电磁阀来实现发酵罐温度控制，其原理图图1所表示。2.1.1 系统总框图设计在本设计中采取闭环控制系统，温度采集电路从发酵罐中采集温度，经过模拟量控制模块，把采集模拟信号转换成对应数值信号送入PLC中，和给定温度信号进行比较，经过PID运算后，经过输出差值信号来调整电磁阀开关状态，从而来控制进入发酵罐冷却夹套中液氨多少来调整发酵罐温度。图2是发酵罐温度控制系统总框图。22硬件设计2.2.1温度采集电路图3是实际测量电路。图中，AD581输出一个标准+10V电压，RP1用于调零，RP2用于调满刻度。AD590输出电流在R1和RP1上产生压降，该电压经过运算放大（R2+RP2）/（R1+RP1）倍后输出。调整过程分别在0（冰水混合物中）和100（沸水中）两点温度进行，经过运算放大器A放大使输出灵敏度为100mV/， 即在0时， 调整RP1时输出0V，在100时，调整RP2使输出为10V。2.2.2 PLC和计算机通信设计系统中，采取一台PC机和多台PLC组成控制系统，计算机实施图形显示数据处理打印报表和汉字显示等功效，PLC则实施控制功效。图4是FX2N PLC和计算机连接图。2.3软件部分图5 是发酵罐控制过程程序步骤图。本设计选择FX2N-4AD模块，而且选择通道和对应量程。序作用是选择通道一、A/D转换和将转换数据放在地址D201中。A/D采样时间是选择了15s，这是依据采样定理确定，并参考了工程手册上参数设定。罐状态操作包含：温度控制自动调谐程序、 长定时子程序和各阶段温度控制。 图6是长定时子程序:各阶段温度控制分为：（1） 进料阶段，温度保持在8，步骤图图7所表示: （2） 还原双乙酰阶段，温度保持在12，步骤图图8所表示:（3） 停留观察，温度保持在6，步骤图图9所表示；具体停留观察阶段设定为10个小时，用于检测发酵液体内化学物质含量，并将发酵液中酵母排出。在没有抵达停留观察阶段时，其PID输出值为零；（4） 储酒阶段，将温度控制到-1，直到发酵周期结束，步骤图图10所表示。参考文件：1 李文涛，李忠虎.过程控制M.北京：科学出版社，.22 黄桂梅.计算机控制技术和系统M.北京：中国电力出版社，3 林锦国.过程控制M.2版.南京：东南大学出版社，4 牛超，徐定伟，王军，吕冰.发酵罐温度控制系统设计.自动化和仪器仪表，(05)5 刁育群.微机在啤酒发酵生产控制系统中应用.仪器仪表分析和检测，1990(3)6 顾庆才. 啤酒发酵期间温度和压力对酵母生长/杂醇/酯百分比影响J.啤酒科技，(8)7 杜锋，雷鸣. 啤酒发酵过程温度控制策略J.酿酒，(2)8 王国安，张利波.发酵罐恒温供冷控制系统J.赤峰学院学报，(7)9 孙波，陈刚，王尔智，张炳义.啤酒发酵中温度测控方法J.控制工程，(5)10 杨德，畅福善，沈俊霞. 基于PLC发酵罐温度控制系统J.自动化仪表，(5)