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4~20mA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 2
1.1.1 发酵培养基介绍 3
1.1.2工艺背景： 3
1．2温度对发酵影响 3
1.2.1温度影响微生物细胞生长 3
1.2.2温度影响产物生成量 4
1.2.3温度影响生物合成方向 4
1.2.4温度影响发酵液物理性质 4
1.3、影响发酵温度改变原因： 4
1.4发酵热测定 4
1.5最适温度选择和发酵温度控制 5
1.5.1温度选择 5
2 培养基温度控制系统设计 5
2.1总体设计方案 5
2.1.1 系统总框图 6
2．2硬件设计 7
2.2.1温度采集电路 7
2.2.2 PLC和计算机通信 7
2.3软件部分 8
3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。

2．2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，.2
[2] 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[Ｊ].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[Ｊ].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)