大学毕业设计---生物发酵过程自动加药控制系统设计

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1、生物发酵过程自动加药控制系统设计摘 要自动加药设备在微生物发酵相关行业得到了很多的应用,这个设备的控制回路比较单一，自动化程度低。针对该问题，将这项设备技术中融入PLC控制，WinCC组态控制的技术，设计出自动加药的控制方案，实现了微生物发酵的自动加药控制，并且此系统中上位机实时进行组态监控，数据记录，故障报警。本文在介绍了生物发酵控制技术现如今的发展概况以及PLC在整个控制行业的应用情况，根据设计的要求，构建了由PLC作为下位机，西门子触摸屏作为监控面板的自动加药控制系统。本文研究了微生物发酵自动加药的硬件选型和PLC软件编程，WinCC组态，以及PLC与触摸屏之间，PLC与现场设备之间的信

2、号采集与数据传输方式，接入了ph，温度，DO，液位等作为输入参数，并且将实时的这些参数数据送往中央处理器进行处理，与设定值之间求差，并且将这一差值作为控制器的输入值，经过PID控制处理过后的输出值自动计算出蠕动泵运行的占空比。整个系统通过传感器采集对象参数输出的模拟量信号，在中央处理器中经过相应控制算法的计算后，PID给出输出的调节信号，控制器件随之对整个控制系统进行控制，最终达到稳态，使整个系统稳定运行。改造后的微生物自动加药控制系统集技术性、操作性、实用性、科研性于一体。在投入使用之后，运行稳定，控制方便，自动化程度高，达到了设计的目的，实现了对于整个发酵系统实时的监控，将这一技术应用到实

3、际生产当中，能够为微生物发酵行业带来良好的经济效益和环保效益。关键词：PLC 自动加药 WinCC PID控制 微生物发酵IAutomatic control system design of biological fermentation processAbstractAutomatic dosing equipment in microbial fermentation industry gets a lot of applications, the device control loop is a single, low degree of automation. Aiming at t

4、his problem, will the device into the PLC control technology, WinCC configuration control technology, design of the automatic dosing control scheme, implements the automatic dosing control of microorganism fermentation, and the system configuration PC real-time monitoring, data record, fault alarm.T

5、his paper introduces the biological fermentation control technology in todays development situation, as well as the application of PLC in the control industry, according to the requirements of design and constructed by PLC as lower machine, Siemens touch screen monitor panel as automatic dosing cont

6、rol system. This paper studies the microorganism fermentation automatic dosing of hardware selection and software programming of PLC and WinCC configuration, as well as between PLC and touch screen, PLC and field devices between the signal acquisition and data transmission mode, access to the ph, te

7、mperature, DO, such as liquid level as the input parameters, and these parameters of real-time data to the CPU for processing, and the difference between the set point, and this difference as the controller input values, after treated with PID control of the output value automatically calculate the

8、peristaltic pump running duty ratio. The whole system through the sensor output analog signal acquisition object parameters, these signals in the central processing unit (CPU) after the corresponding computation of the control algorithm, PID regulation of the output signal are given, the control dev

9、ice to control the whole control system, then finally reached steady state, the stable operation of the whole system.Modified microbe automatic dosing control system set of technical, operational, practicality, scientific research as a whole. After put into use, stable operation, easy to control, hi

10、gh degree of automation, achieve the goal of the design, has realized the real-time monitoring for the whole fermentation system, the applications of this technology to actual production, can bring good economic benefits for microbial fermentation industry and environmental benefits.Key words: PLC;

11、Automatic dosing；WinCC；PID control；Microbial fermentation目 录摘 要IAbstractII第一章 引言11.1生物发酵过程自动加药技术的发展与应用11.1.1 生物发酵过程自动加药技术的发展背景11.1.2 生物发酵过程自动加药技术的现状31.1.3 生物发酵过程自动加药技术的应用前景61.2西门子可编程控制器(PLC)的发展概况7第二章 生物发酵自动加药控制系统的组成及其仪表选型112.1 PLC 200 Smart控制器112.2 西门子视窗控制中心SIMATIC系列面板Smart Line122.3 控制检测部分132.3.1 控

12、制部分132.3.2 检测部分16第三章 生物发酵自动加药控制系统的工作原理及运行特性173.1 生物发酵自动加药控制系统的工作原理173.2 生物发酵自动加药控制系统的运行特性183.3 上下位机的通信流程25第四章 控制系统编程274.1 PLC编程软件STEP7-MICRO Win SMART274.2 上位机组态监控软件Win CC Flexible 200829第五章 生物发酵自动加药控制系统的意义32结 语33参考文献34致 谢41附 录42南京工业大学本科生毕业设计（论文）第一章 引言1.1生物发酵过程自动加药技术的发展与应用1.1.1 生物发酵过程自动加药技术的发展背景在轻工发

13、酵方面,我国是其中的一个工业大国，但是不足的是我国在微生物发酵方面的控制技术方面还是比较落后的，人工控制仍然是我国在微生物发酵方面所采用的主要手段，我国开始应用计算机的时间在工业大国的行列中算是比较晚的，而且普及的也不够。在轻工发酵行业中，各个国家面临着与日俱增的全球竞争，由此利用计算机自动控制整个发酵过程的技术应运而生，这种新兴技术也使各个国家强烈需求的。作坊式或家庭式的发酵制作在长期的发展过程中渐渐演变出了发酵工程，也就是常说的“农产手工加工时期”，而后又建立了一个阶段，人们将化学工程也应用到了发酵工程的工业化生产，也就是“近代发酵工程时期”，最后一切又回到了对于微生物生命活动的研究，设计

14、和指导上来，这也就是所谓的“现代发酵工程”，从此发酵工程步入了整个生物工程的行列。手工作坊式是最原始的发酵制作，这种发酵完全就是从祖辈凭借他们的经验和技巧总结出来的一套流程来生产发酵产品，弊端就是由于是手工作坊，所以就会导致会有繁重的体力劳动，除此之外，整个发酵的生产规模也不会太大，产品也不会太多，整个生产效率也不会高，工业化的生产更是可望而不可即。于是，随着人们的需求不断增多，越来越多新的尝试应用用到了发酵制造上来，随着化学工程和农业化学方面的知识运用到发酵生产过程中，工业化的发酵制造逐渐得到了一些实现，人们首先规范了发酵生产工艺，在技术方面，人工搬运的肩挑手提式制造逐渐被管道运输和泵所取代

15、，以机器代替了人工，实现了发酵工程的初步工业化，这一次发酵生产效率相较于之前的人工作方式有了明显提升，原因就是人们在发酵生产过程中融入了化学工程和农业化学的相关知识。随着化学工程以及农业化学在发酵制造上的应用，也就是初步的工业化生产过程在发酵制造上应用了几十年的时间，人们随着经验和技巧发现了发酵工程中是存在一定的规律的，也就是发酵过程实际上就是一个动态的生物学过程，这个过程随着时间发生变化。人们结合化学工程的知识对这一发现进行了分析，了解到发酵成产，尤其是大规模的生产往往难以出现自己预期的效果，从化学方面来看，发酵所用的发酵罐实际上就是一个反应器，这个反应器提供给生产原料进行发酵反应，发酵罐中

16、的微生物充当了催化剂，而催化剂对于发酵效率的提升是一定的，这种催化作用难以发挥微生物特有的生命潜力，所以才会出现大规模生产发酵产品的结果往往很难预测出结果，于是，人们又回到了对于微生物的研究上来，一切回到原点，研究人员有了新的认识，发酵工程真正的核心其实就是微生物而并非一系列的化学方程式，研究人员认定了微生物的生物学属性，进而有了新的方向就是对于微生物的研究，让你们真正进入了生物工程的领域，这也是如今生物发酵行业最开始的地方，正因为方向的正确，才有了后期的这个行业的蓬勃发展。随着生物发酵工程的发展，研究人员对于生物发酵所需的条件有了越来越全面的了解，总结起来就是：在培养基，温度，ph，溶解氧，

17、搅拌等达到一定的条件之后进行培养发酵，利用微生物的生物特征以及各个微生物各自的特定功能，并且将现代工程技术应用到整个发酵工程工业化生产中，发酵制造出对于人类有用的物质，这个技术体系中包括的内容有选育工业生产菌株，控制并且选择对于微生物发酵最有利的条件，设计微生物发酵的反应器也就是所说的发酵罐，最后还有对于最后的微生物发酵得到的产物进行分离、提取和精致等。在发酵过程中会应用到许许多多的工作方式，其中深层发酵时发酵过程中使用的典型工作方式。深层发酵顾名思义也就是将微生物放在液体的底物里面进行培养，这样就可以与表面培养之间相互形成比较。随着溶解氧以及通气工艺在技术上的不断进步发展，由表面培养进入到深

18、层搅拌培养这种培养方式也应运而生，发酵工程的逐渐发展，一些方式不断衍生出来，一些方式也逐渐被淘汰，这种利用通气技术的深层发酵工作方式成为微生物发酵过程中最主要的生产方法，这个方法的诞生也被誉为是发酵工程史上的一个里程碑。生物发酵行业不断的发展便随而来的是越来越多的关注，科技、工业、政府等业界都看到了这个行业更好的前景，越来越重视生化工业。由此，生物发酵罐的体积也由几立方米不断发展到了几十立方米，再到现如今的几百立方米，有的地方甚至达到了上千立方米。生物发酵为什么会获得这么广泛的关注以及这么快速的发展壮大，因为这其中所生产出来的发酵产物与人们日常的生活息息相关，可以说现如今就是离不开的，这些生产

19、出来的发酵产物有二次代谢产物（抗生素）、有机物质（类固醇），除此之外还有工业污水处理以及酶制剂、食用蛋白、饲料添加剂，这些都是通过发酵工业生产出来的，也随着发酵产品的不断增多，发酵工程这一行业发展飞速，但是也出现了一些问题需要去解决，例如发酵制造过程中的参数测量、操作监控、自动控制、优化操作与控制等等，这些都是随着发酵工业的发展需要不断去改进和完善的。微生物发酵的过程需要对温度、ph、DO等参数进行相对准确的控制，如果单纯依靠人工进行控制会导致一系列的问题出现，控制效果差，而且这样的培养环境对于工作人员的安全也是一个极大的威胁，同样的，劳动的强度也很大，最终一切的努力也还是换来生产率的低下，可

20、见微生物发酵过程是一个非常复杂的过程，需要稳定控制的参数特别多，而且几个参数之间都是缺一不可的。后来想到了利用PLC 200 SMART以及WinCC系统来控制整个发酵的工作流程，在研究过程中，研究人员发现他们主要需要解决的问题就是对于控制精度的要求如何实现以及面对一些发酵过程中的干扰问题如何通过这个系统自行解决。基于这样两个问题，本文选用现如今流行于工控领域的西门子SMART系列的PLC S7-200作为控制平台，以WinCC作为监控平台，设计出了微生物发酵过程自动加药控制系统。这个系统经过实际的运行使用，成功的解决了以上所说的两个问题，系统控制精度高，采用PID控制调节来抗干扰并且维持系统

21、的稳定。设计出的这个微生物发酵过程自动加药控制系统能够提高在生物发酵的过程中给药的快速性和准确性，除此之外，PLC自动加药的控制线路简单易懂，可以很容易的实现频繁动作以及日常的维护工作，再者而言，这个系统大大减轻了劳动人员的工作强度，而且也不会需要工作人员进入恶劣的环境进行加药等操作，经济效益也随着自动化快速、稳定的生产得到了有效的提升。1.1.2 生物发酵过程自动加药技术的现状发酵过程的进行是一个比较慢的过程，发酵在进行的过程中，发酵液中基质的浓度、菌体浓度、产物浓度都会发生变化，而且发酵液的性质如密度、粘度、热传递系数和氧传递系数等变化。除了这些变化，随着发酵的进行，发酵液的温度、ph、D

22、O、体积都会不断发生变化，这就需要监控界面要实时的反应出变化的曲线，并且可以进行一些简单的控制，这样就可以保证生产效率尽可能的高。现如今，随着现代计算机技术、现代控制技术、现代通信技术和现代图形显示技术即4C技术的快速发展，将这些技术不断的应用的发酵过程当中，提高着生物发酵的生产效率，让整个系统过程自动化的程度越来越高，稳定性也越来越好，调节的速度也越来越快，这些都是不断发展的科学技术为生物发酵行业所带来的不断改进。控制整个发酵过程并不是说需要一直看着发酵的状态，最主要的还是需要对一些重要参数的控制，例如发酵过程中的DO、ph、温度、搅拌量、液位等等，将这些控制在一个稳态的基础上，这就提供给了

23、微生物发酵一个相对稳定的发酵环境，而且这个发酵环境也是相对而言发酵产出比较高的环境，换一句话说控制了这几个关键的参数也就控制了整个发酵的过程。因此对于发酵的控制很关键，一般我们使用的发酵控制分为两类：离线控制和在线控制。离线控制需要准确的数学模型，而且这个数学模型还要描述出过程动力学特征，然而，在实际的发酵过程应用状态下，过程动力学特征的数学模型曲线会发生偏移，导致的结果就是离线控制的性能会被影响甚至恶化。另一种控制发酵过程的方式是在线控制，这种控制方法是将实际测量值和发酵之前的设定值两者之间相互比较，之间的所产生的偏差会被PLC中的反馈控制调节器检测并且按照既定的编程自动对实际测量值进行调整

24、，进而逐渐缩小偏差量，最终使得实际测量值和设定值之间能够维持一个相对稳定的状态，通俗一点来说就是将实际测量值控制在设定值附件，使整个系统依旧高效的运转。通过刚刚的叙述比较，可见离线控制和在线控制这两种发酵过程的控制方法，在线控制明显更优，在线控制方法能够在过程动力学特征发生偏移、发酵环境发生变化之后处理的更好，通过反馈调节环节自适应整个发酵过程，所以说在线控制方法对于生物发酵自动控制系统是再合适不过了。发酵反应器中的温度、ph、DO、搅拌量、液位的控制都是发酵系统中常见的环境因素。随着计算机检测技术的不断发展以及监控触摸屏相关产品的出现，生物发酵系统也将这一技术应用到了其中。现如今，市场上出现

25、的生物发酵控制器主要有三种形式：以MCU为核心；可编程控制器PLC为基础；工控机。德国的贝朗公司在1982年将计算机技术应用到微生物发酵控制系统中，该公司也是最早将生物发酵设备商业化的公司。除此之外，一些工厂级的发酵系统应用了多台生物发酵设备进行发酵作业，从整体的发酵系统而言，目前主要有两种形式，一种是集散控制系统，也就是常说的DCS系统；另一种是现场总线控制。这两个系统为各个工厂公司收获了良好的效益，这一点毋庸置疑。除了生物发酵设备，随着生物发酵行业技术的日趋进步，研究人员也不断的创新，更加稳定的控制着发酵反应器内部的参数，后来这些参数有些甚至可以直接进行独立的控制，下面详细了解一下这几种较

26、为成熟的控制实现方式，例如：ph值得控制方法、温度控制方法、溶解氧控制方法、消泡控制方法。ph值得控制方法：生物发酵有很多种，其中有很多的发酵只有在ph值维持在一个很小的范围区间才能最高效的进行发酵生产，甚至说有些发酵需要恒定的ph值才能高效发酵，因此对于这些发酵生产，ph值得实时控制就显得尤为重要，所以说常规的ph控制方法肯定就不足以满足高效发酵这一要求，因此，我们将智能控制的方法应用到了ph控制中，而且也取得了很理想的效果。在ph的模糊控制中，首先将实际测量的ph值与设定值之间求差值，将这个求值作为过程的输入，加入酸或者加入碱的量就作为目标输入，将ph值和酸碱输入量经精确量模糊化，然后在转

27、换为模糊变量值，建立起与之相对应的模糊规则，得出模糊关系，然后在这个关系的基础上作出模糊判断，计算出需要加入酸或者碱的量，使实际测量ph值与设定值之间的偏差不断缩小，最终达到生物发酵生产的要求，取得理想的效果。温度控制方法：对于生物发酵中的温度控制可以借鉴之前的在线控制，采用分段的反馈调节算法，将各个阶段的反馈参数固化在控制器内部，虽然这种控制算法不能说像ph值调节那么准确，但是在实际的应用上却是收到了很好的效果。在生物发酵系统的温度控制上，如果采用热交换，这将会产生很大的时间滞后，而且，还具有不确定性，但是如果采用具有快速性、稳定性的比例积分微分控制算法调节（PID调节），所以，反馈控制和热

28、交换两者相结合，这个方法将会使得实际测量值在一个状态下到达设定值所运行的时间最短，也就是最优。溶解氧控制方法：溶解氧控制也被称为DO控制，发酵过程中的溶氧值会受到很多因素的影响，例如搅拌量、反应器的压力值和温度、基质浓度等等，有些参数比较容易检测出来，有些可以说以现阶段的技术升值检测不出来，所以说溶氧值在发酵过程中可以说是一个综合参数，对于这个参数的影响不可能完全消除。除此之外，在实际发酵过程中，不同的菌体对于氧的需求量也会不同，而且，微生物发酵过程中会存在染菌，这又会致使对于氧的需求增大。因此，对于发酵过程中溶解氧的控制很难通过系统进行自动调节，传统的控制方法很难控制溶氧量达到理想的效果。所

29、以，对于这一参数的控制我们将采用人工智能的方法专家系统。首先综合操作经验，因为在每个阶段发酵过程对于氧的需求都不一样，因此根据这个情况划分不同发酵阶段对于氧需求的变化区域。给出了变化区域的知识库，推理机运用知识库中知识进行推理，两者相结合最终使得溶解氧得到控制。在生物发酵实际进行中，专家系统会根据知识库中的知识不断的和内部的知识进行比较，在知识库中找到相对应的变化区域，根据此变化区域的规则和语句对溶解氧进行控制。这就是所谓的溶解氧控制方法。消泡控制方法：生物发酵系统在刚开始进行发酵的时候，微生物处于旺盛状态，料液不断加入，搅拌子也在不断进行搅拌，溶氧量此时也相对较高，所有这一切都会使得发酵剧烈

30、，同样会因此产生大量的泡沫，泡沫不断上浮，甚至会出现逃液的现象。这时就需要我们及时加入消泡剂来减少泡沫，防止上浮。对于这一现象的控制目前比较常用的就是采用双位式的生物发酵控制方法，实际上就是对于发酵液液位的控制，因为事先调整好的发酵液一定是不会超过一定液位的，当液位计检测到液位上升甚至超过液位上限时就要打开消泡剂阀门，直至液位重新回到安全液位区域关闭阀门。1.1.3 生物发酵过程自动加药技术的应用前景之前基于PLC的自动加药系统已在多领域投入使用，例如选矿厂等，原理类似，所以就拿基于PLC的自动加药系统在选矿厂的实际生产情况分析生物发酵过程自动加药技术的应用前景，自动加药系统在很多方面都起到了

31、积极有效的作用，对于选矿厂的技术管理有了明显的规范，还有就是操作都是由机器自动去完成，大大降低了工作人的劳动强度，而且机器的自动加药更加有效，一方面降低了耗药量，节约了成本，另一方面整个加药系统很稳定，基本维持在高效运转，显著提升了生产效率，为公司创造了更好的效益。 自动加药机在使用过程中，明显提高了自动加药的精度。除此之外，由于PLC 的反馈调节控制使得选矿质量更加优良，更加稳定，而且耗药量也有了明显下降，效率明显提高，由于自动加药机处于稳定的高效处理阶段，所以最终的精矿后的杂质也减少了不少，为工厂公司带来的效益显著提高。所以，基于PLC 型的生物发酵过程自动加药机结构简单，操作方便，基本无

32、故障。在节省药剂、提高生产效率等方面取得了显著的效益，经济效益和社会效益十分明显。由此可见，基于PLC的生物发酵过程自动加药技术的应用前景很广阔。1.2西门子可编程控制器(PLC)的发展概况可编程逻辑控制器就是我们常说的PLC。PLC是一个数字运算操作的电子系统，内部的微处理器是PLC的核心，由于在工业环境下需要控制开关量，但是人为控制又会出现很大的威胁，所以设计了PLC，这就是PLC的由来。PLC所采用的存储器比较特殊，可以用来编程，PLC的存储器可以用来执行一系列操作的指令，例如：逻辑运算、顺序控制、定时、计数等等指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出,控制各种类型机械的生产过程。而且其扩

33、展单元以及相应的外围设备均能与工厂的整个系统连为一体，扩展单元也易于接入。在美国的马萨诸塞州，上世纪60年代末，世界上诞生第一种PLC。随后，70年代是PLC的第一阶段，这个阶段PLC开始发展起来，初步应用于汽车流水线。80年代是PLC的第二阶段，这个阶段PLC的发展技术逐渐走上成熟，在此时，结合了微电子处理器技术，使得当代的PLC大受推广，以每年20%的速率增长，也正是由于这个阶段的发展，PLC成为了工控领域不可获取的器件。90年代是PLC的第三阶段，这个阶段颁布了工业控制的编程语言IEC 61131-3，PLC突破了既有的技术，在系统结构上以及应用上都实现了大规模的突破。在系统结构上，PL

34、C从传统的单机向多CPU和分布式及远程控制系统发展在编程语言上，图形化和文本化语言的多样性,创造了其更具表达控制要求、通信能力和文字处理的编程环境；从应用角度看,除了继续发展机械加工自动生产线的控制系统外，更发展了以PLC为基础的DCS系统、监控和数据采集系统(SCADA)、柔性制造系统(FMS)、安全连锁保护系统(ESD)等,全方位地提高了PLC的应用范围和水平。PLC的飞速发展推动了PLC的应用,它除了在传统优势领域的应用继续平稳地增长外，还在数控机床、自动化装配线方面的得到了广泛应用。另外值得关注的是，PLC的应用挤占了单片机市场，除此之外，PLC在通讯和网络方面的进步，使PLC从单体或

35、局部控制向大型生产过程控制迈进。区别于其他控制系统，PLC构成的控制系统有以下几个特点：可靠性高，抗干扰能力强；结构设计的模块化；编程简单，方便维修；功能完善，适应性强。PLC是一个工业控制器，其主要的运算方式就是二进制逻辑运算。PLC现在被广泛应用于国内外的工控领域，计算机技术和控制技术在PLC上得到了结合，这也体现了PLC相较于单片机拥有更强大的功能以及优点，优点就在于：故障率低，顺序控制、数据处理等等工业控制领域常用的功能都可以在PLC上得到很好的完成。PLC控制有着其他设备没有的特点：可靠性较高，抗干扰性能较强；编程比较简单；功能完善，适应能力较强；使用简单，调试维修比较方便；体积较小

36、，重量较轻，功耗较低。德国西门子(SIEMENS)公司生产的可编程序控制器在我国的应用也相当广泛,在冶金、化工、印刷生产线等领域都有应用。西门子(SIEMENS)公司的PLC产品包括S7-200,S7-300,S7-400,工业网络,HMI人机界面,工业软件等。西门子S7系列PLC体积小、速度快、标准化,具有网络通信能力,功能更强,可靠性更高。S7系列PLC产品可分为微型PLC(如S7-200),小规模性能要求的PLC(如S7-300)和中、高性能要求的PLC(如S7-400)等。S7-200可编程控制器（PLC）是一种小型化的PLC系统，能满足中等性能要求的应用。其可以使用模块化结构进行自由

37、组合，包括添加各种辅助接口，扩展模块，令其功能大大的增强。S7-200 系统 PLC的优点：（1）S7-200配置较灵活，除主机单元以外，还可以扩展 I/O 模块，A/D 、D/A模块以及其它的特殊功能模块。（2）S7-200的指令功能丰富，含有各种指令，并且指令执行速度比较快。（3）S7-200内部拥有的各种继电器，定时器，寄存器，计数器等等一系列元器件的组合，使得该PLC能够完成系统所指定的各种工作。（4）S7-200的编程器，可以在计算机上使用西门子工作提供的Step-7编程软件进行编程，使得变成方式大大的简化。PLC的编程语言有多种多样，我们可以进行使用指令编程和梯形图编程，而且我们可

38、以通过计算机更加形象的进行软件监控，为系统调试和维护提供了便利。SIMATIC S7-200 PLC S7-200 PLC是超小型化的PLC，它适用于各行各业，各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200 PLC的强大功能使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 S7-200PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。SIMATIC S7-200系列特点是一种小型的PLC，此款PLC拥有一些S7-300和S7-400无法比拟的有单，其设计紧凑、扩展性良好、指令完成功能强大以及价格低廉，S7-200 PLC这些优点也很好地满足了小规模控制系统的要求。S7-200 PL

39、C能够自动完成检测、监测、控制等等功能，如此强大的功能也奠定S7-200 PLC在小规模控制系统中的核心地位，而且可以应用于各行各业。PLC内部拥有其自己的继电器，他的继电器是作为其本身的一种内部工作单元而存在的，可以多次使用，寿命长，而且相对于一般的外置继电器，PLC内部继电器的可靠性更高，自动化水平比较高。S7-200系列PLC系统构成如图1-1所示：图1-1 s7-200系列PLC系统构成35第二章 生物发酵自动加药控制系统的组成及其仪表选型2.1 PLC 200 Smart控制器西门子 SIMATIC 控制器系列是一个完整的产品组合，包括从最基本的智能逻辑控制器LOGO！以及 S7 系

40、列高性能可编程控制器，再到基于 PC 的自动化控制系统。无论多么严苛的要求，它都能根据具体应用需求及预算，灵活组合、定制，并一一满足。PLC选择的方案有很多种，可以采用欧姆龙、西门子、三菱PLC、施耐德系列等。在本次课题中选择西门子系列主要因为其广泛的应用。而在西门子系列中又有S7-200、S7-300、S7-400等型号。SIMATIC S7-200 SMART 是西门子公司经过大量市场调研，为中国客户量身定制的一款高性价比小型 PLC 产品。结合西门子 SINAMICS 驱动产品及 SIMATIC 人机界面产品，以 S7-200 SMART 为核心的小型自动化解决方案将为中国客户创造更多的

41、价值。产品的亮点在于：机型丰富，更多选择；选件扩展，精确定制；高速芯片，性能卓越； 以太互联，经济便捷；三轴脉冲，运动自如；通用 SD 卡，方便下载；软件友好，编程高效；完美整合，无缝集成。S7-200系列PLC是超小型化的PLC,它适用于各行各业,各种场合中的自动检测、监测及控制等。S7-200系列PLC的强大功能使其无论单机运行,或连成网络都能实现复杂的控制功能。S7-200系列PLC可提供4个不同的基本型号与8种CPU可供选择使用。其主机的外形结构如图3-1所示：图2-1 西门子smart200外形结构图2.2 西门子视窗控制中心SIMATIC系列面板Smart LineSIMATIC

42、操作面板是全集成自动化（TIA）的一部分，在全世界广泛地应用于自动化系统中。由于 TIA 集成的独一无二的技术，您可以大量减少组态时间，从而降低工程总费用。西门子顺应市场需求推出的全新 SIMATIC 精彩触屏（Smart Line ），准确地提供了人机界面的标准功能，经济实用，具备高性价比。西门子精彩触屏采用全新的高分辨率16:9 宽屏液晶显示和先进的工业设计理念，使设备操作变得更加轻松快捷，引领人机界面产品进入高分辨率宽屏显示时代。如今，人机界面已经成为大多数工业机械设备的标准配置，尤其在使用小型机器和简单应用时，成本成了关键因素。西门子顺应市场需求推出的全新 SIMATIC 精彩系列面板

43、（Smart Line ），准确地提供了人机界面的标准功能，经济实用，具备高性价比。精彩系列面板采用全新的高分辨率16:9 宽屏液晶显示和先进的工业设计理念，使设备操作变得更加轻松快捷，引领人机界面产品进入高分辨率宽屏显示时代。西门子视窗控制中心SIMATIC系列面板Smart Line具有以下几个特点：高分辨率宽屏显示；背光，节能降耗；强大且丰富的通讯能力；高性能处理器、高速外部总线及 64M DDR 内存；德国品质轻松拥有；先进的生产失效故障模式分析；先进的工业设计理念；可靠的电源设计；软件特点；变量管理；报警管理；丰富的画面对象库；丰富的动画效果简单的生成方式；高效、智能的组态方式；独一

44、无二的多语言组态；轻松的项目更新与维护。2.3 控制检测部分2.3.1 控制部分控制部分由步进电机和步进电机驱动器组成的蠕动泵，磁力搅拌器两部分。蠕动泵由三部分组成：驱动器，泵头和软管。流体被隔离在泵管中、可快速更换泵管、流体可逆行、可以干运转，维修费用低，等特点构成了蠕动泵的主要竞争优势。我们这一次选用的蠕动泵是由南京润泽流体控制设备有限公司生产的YZ1515X的蠕动泵。此种蠕动泵能够快速更换软管，具有自适应卡管装置，适用7种不同尺寸的软管，应以满足不同的流量要求。泵头壳体分为两种材料供给您选择：PSF聚砜材料，白色，外观精美刚性好，精度高，常用于实验室或分析仪器配套；PPS聚苯硫醚材料，黑

45、色，耐有机溶剂腐蚀，高精度，高强度，适合工业场所或恶劣条件下工作。泵头滚轮总成均采用304不锈钢材料，长寿命，耐腐蚀。原理是蠕动泵就像用手指夹挤一根充满流体的软管，随着手指向前滑动管内流体向前移动。蠕动泵也是这个原理只是由滚轮取代了手指。通过对泵的弹性输送软管交替进行挤压和释放来泵送流体。就像用两根手指夹挤软管一样,随着手指的移动,管内形成负压,液体随之流动。再更深一步对蠕动泵进行讲解，蠕动泵是由两相的步进电机以及步进电机驱动器两部分组成的。步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的

46、旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。步进电机驱动器的原理，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。步进电机驱动器实物图以及各参数如图2-2所示：图2-2 步进电机驱动器下面对于步进电机驱动器的使能以及脉冲信号的频率进行详细的说明：步进电机根据外来的脉冲，通过其内部的逻辑电路控制步进电机的绕组按一定次序通电，从事实现其运转。对于电机的控制是通过使能端的电信号也就是脉冲信号才会让电机中线圈绕组进行通电，然后电力产

47、生磁力今儿控制电机转动一定的角度，那么电机的运转速度就是由于PWM波的占空比，通电之后转动转动一定的角度，可以看见图示中步进电机驱动器上有两个表格，上面的表格代表转一圈所需要的角度和步数，这可以通过步进电机驱动器周边的开关进行设定，下面的表格代表各个工作时所设定的电流的以及在此电流工作下的电流峰值。我们这一次使用的驱动器是雷塞科技的M542驱动器，比M542V1.X具有更低的电机发热、运行噪声和更高的平稳性，以及更低的成本，主要驱动42、57型两相混合式步进电机。其微步细分数有15种，最大步数为25000Pulse/rev；其工作峰值电流范围为1.0A4.2A，输出电流共有8档，电流的分辨率约

48、为0.45A；具有自动半流，过压和过流保护等功能。本驱动器为直流供电，建议工作电压范围为24VDC36VDC，电压不超过50VDC，不低于20VDC。步进电机选用的是世达电子，选用57步的步进电机，电流3A。步进电机具体参数如表格2-1所示：表2-1 步进电机具体参数型号步距角/。机身长度/mm电流/A电阻/电感/MH保持转矩/N.M转动惯量/gcm2引线数/个轴径/mmLC57HS643018563008241102804635除了蠕动泵以外还有一个控制器件就是磁力搅拌器，磁力搅拌器适用于搅拌或加热搅拌同时进行，适用于粘稠度不是很大的液体或者固液混合物。利用了磁场和漩涡的原理将液体放入容器中

49、后，将搅拌子同时放入液体，当底座产生磁场后，带动搅拌子成圆周循环运动从而达到搅拌液体的目的。配合温度控制装置，可以根据具体的实验要求控制并维持样本温度，帮助实验者设定实验条件，极大的提高了实验重复性的可能。其工作原理是利用磁性物质同性相斥的特性，通过不断变换基座的两端的极性来推动磁性搅拌子转动，通过磁性搅拌子的转动带动样本旋转，使样本均匀混合；通过底部温度控制板对样本加热，配合磁性搅拌子的旋转使样本均匀受热，达到指定的温度；通过加热功率调节，使升温速度可控，以适用更广阔的样本处理过程。一般的磁力搅拌器具有搅拌和加热两个作用。具体为：第一个作用，使反应物混合均匀，使温度均匀；第二个作用，加快反应

50、速度，或者蒸发速度，缩短时间。这一次我们使用的磁力搅拌器是定制的，由磁子和磁力搅拌器两部分组成，磁力搅拌子采用聚四氟乙稀和优质磁钢精制而成。聚四氟乙烯全封永磁搅拌子，耐化学腐蚀，耐磨，无毒性，搅拌力强，运转平稳，型号规格齐全，最高工作温度120度左右。具有耐温、耐酸碱、耐磨、耐腐蚀等优点。是石油、化工、科研、大专院校、医疗等单位化验室、实验室搅拌液体之佳品。可用于各种类型的磁力搅拌器中。磁力搅拌器我们采用型号的是上海司乐仪器有限公司的96-1，搅拌容量水在1000-50000ml，电机功率为100W，该公司产品外型美观、内在质量高，产品结构合理、技术先进、安全可靠、使用方便，产品行销全国各地。

51、2.3.2 检测部分检测部分与PLC相连接的缩略图如图2-3所示，ph传感器的正负电极在经过变送器的放大电流作用之后与PLC的AI端连接起来，这样就能达到PLC的控制功能。-+图2-3 检测部分与PLC连接图检测部分主要就是各种参数测量的传感器，ph，温度，DO，搅拌量，液位等参数的传感器，然后将这些参数信号进行D/A转换然后输入到中央处理器进而让整个发酵系统进行有效的运转，下面对各种传感器的使用进行详细的说明。首先我们来看控制液位的传感器：超声波液位器。超声波液位计是由微处理器控制的数字物位仪表。在测量中脉冲超声波由传感器（换能器）发出，声波经过物体表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。

52、并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。我们这一次选用的超声波液位器是MS-UL系列的超声波液位器，具体型号是：MS-UL301（一体式）。UL系列超声波物位仪表是一种非接触式物位检测仪器，直接安装在被测介质的上方，利用超声波在空气中发生并回收通过单片机对数据结果进行处理直接以物位的形式显示出来的原理，并通过D/A转换输出4-20mA的模拟信号到控制终端，因此又称为超声波液位变送器。现已广泛用于各种液体和固体料位的在线测量。我们所使用的超声波液位计具有以下几个几个特点：在外观设计上，产品使用车模，外观设计优于市面一般产品；在数显表头上，采用了高亮数码管显示，也可定制液晶显示

53、；在接口上采用防水接口，安全，可靠。原理是超声波液位计工作时，高频脉冲声波由换能器（探头）发出，遇被测物体（水面）表面被反射，折回的反射回波被同一换能器（探头）接收，转换成电信号。脉冲发送和接收之间的时间（声波的运动时间）与换能器到物体表面的距离成正比，声波传输的距离S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式表示：S=CT/2。12kHz至70kHz范围内的超声波脉冲通过探头发射，遇到被测介质后被反射回来，通过同一探头接收。超声波脉冲以声速传播，超声波从发射到接收所用的时间与探头到被测介质表面的距离成反比。下面我们来看控制温度的液位计，首先对于温度的检测装置分为两个部分，一部分是传感器部分，由

54、于温度传感器所测量的电流值过小，大约在0.01mA，但是PLC无法检测到这么小的电流值，因此另一部分就是温度的变送器，如图2-4所示，其常用接线如图2-5所示，因为电流值过小，所以经过必须经过放大才能使得这个电信号能够被PLC所接受到，进而通过PLC内部的控制算法对整个系统进行控制，方法就是通过变送器给出一个恒流值，因为变送器内部有一个PT100的热敏电阻，这种电阻有一个特性就是随着温度的增加进而电阻值会不断增加，因而温度传感器经过变送器的单元会送出4-20mA的电流值给PLC，这样的模拟量信号就能被PLC接收。除此之外还有一点需要注意，那就是有一些传感器和变速器是一体式的，这样可以减少此种传

55、感器的体积，更加快捷的投入使用，但是我们这一次没有选用这样的传感器，因为对于微生物发酵而言，温度传感电极所处的发酵环境是相当恶劣的，这也就意味着这种环境对于传感电极的损耗也是相当大的，如果采用一体式的温度检测装置，这样不仅可以方便日后对于传感电极的替换，而且一体式的温度检测装置价格较高，而且一体式就意味着传感电极损坏也就导致整个传感装置损坏，所以使用这种分为两部分的温度测量装置不仅能够方便快捷的更换元器件，从而减少了发酵系统的运作的耽误时间，而且大大节省了在这一方面的成本，这也是使用这种温度检测装置的原因。图2-4 温度变送器图2-5 温度变送器的常用接线图温度检测实际中的使用的是一体式的检测

56、装置，其实际的图示如图图2-6所示，因为温度对于检测装置的损耗不大，所以为了方便快捷的使用，所以采用一体式的温度检测装置。对于温度的检测传感器原理与对ph的检测原理类似，这就需要首先温度传感器是一个精准的温变电阻，温度不同阻值不同，PLC专门的热电阻模块可以测量出电阻通过内部计算出实际温度值，由于电缆有长度，会影响测量准度，会做电阻补偿。而且，冷端温度不同也回影响测量精度，所以会有冷端补偿。温度传感器结合变送器将模拟信号，比如4-20ma，0-5v直接连接PLC，PLC通过读取信号，程序中设立4mA和20mA的分别对应的温度值，可以计算出传感器显示的温度。图2-6 一体式温度传感器ph检测和D

57、O检测的传感器如图2-7、图2-8所示，也是运用了类似的原理，首先通过传感器检测出装置中的溶氧量并将模拟量信号采集，在经过变送器对电流值进行放大最终传送到PLC的中央处理器中进行处理，然后PID控制，最终达到稳定。图2-7 ph传感器图2-8 DO检测传感器第三章 生物发酵自动加药控制系统的工作原理及运行特性3.1 生物发酵自动加药控制系统的工作原理基于 PLC 的自动加药机是以SIMATIC系列的 PLC-200 SMART可编程控制器为加药控制核心，以西门子触摸屏为人机交互界面，以在步进电机驱动器下运作的蠕动泵，变频调速器下运作的超声波液位器以及磁力搅拌器为加药系统中的执行机构，用计算机对

58、整个加药系统进行数据处理和操作的一种远程控制的定量加药设备。系统具体由可编程控制器 PLC 200 SMART、西门子人机对话单元 HMI(触摸屏)、计算机工作站、给药电机等组成。生物发酵自动加药控制系统的工作原理可以看成一个小型的DCS系统，如图3-2所示：图3-2 发酵系统框图整个系统的流程如下：首先通过信号采集模块即参数传感器（如 ph 传感器、温度传感器等）采集到相应的信号，经由 A/D 转换模块进行 A/D转换，转换完毕后传递到 PLC-200 smart，PLC-200 smart控制器根据人机界面发出的控制指令，根据相应的控制算法进行计算后，将输出的控制信号传递给 D/A 转换模

59、块，控制信号经 D/A 转换后传递给控制设备，从而实现对控制设备的控制。在该系统中，上位机主要起到远程监控的作用。现场如图3-3所示：图3-3 发酵系统现场图3.2 生物发酵自动加药控制系统的运行特性下面对于发酵系统PLC流程框图进行说明，如图3-6，因为微生物发酵过程自动加药控制系统需要控制的几个点有溶解氧、温度、ph、搅拌转速、液位，虽然方面不同，但是除了对于信号的接收传感器不一样之外，其他基本类似，因此我们将提取一个子程序进行叙述，如图3-5对于温度实现控制。图3-5 温度控制流程图硬件组装完成之后，根据硬件设计和发酵系统控制的要求，对发酵系统进行PLC以及WinCC编程。维持发酵罐的温

60、度对于整个发酵过程而言是非常重要的一个环节。对于整个发酵装置，此流程框图实现的功能就是当罐温没有达到发酵系统所设定的温度，也就是75时需要加热棒进行加热使得整个发酵罐的温度达到发酵所需要的温度，如果达到了就停止加热，如果没有达到就继续加热，经过一定的时间，进入下一个选择就是看罐温是否达到发酵温度，如果没有达到就返回上一层继续加热，如果达到了就开始整个发酵过程，发酵计时开始并且开始发酵，然后经过一段时间传感器检测到发酵已经达到了预期的效果就停止发酵，如果没有就返回上一级继续进行发酵过程，如果确认发酵过程已经结束就可以关闭所有与发酵相关的开关，进而整个发酵过程结束。图3-6 发酵系统PLC流程图下

61、面对于整个系统进行详细的解说，首先打开系统的开关，整个系统进入准备阶段，开机之后，整个系统会进行开机自检及数据的初始化，检定一切正常之后进入主程序，首先进入的是灭菌程序，因为微生物发酵会产生许多的污物，所以，整个系统中灭菌是必须要有的，询问是否灭菌，如果之前已经进行过灭菌此时就不需要再进行灭菌，那就可以直接进入发酵的过程，如果需要灭菌，那下一步是确保关闭了发酵程序，否则发酵的微生物都将被灭菌的程序杀死，更不用说什么进行下一步发酵了，所以首先第一步就是关闭发酵，下一步就是进行灭菌子程序的施行，之前对于子程序已经作了详细的说明，在此就不再多说了，执行完灭菌的子程序之后询问灭菌是否结束，可能刚刚的灭

62、菌还会有菌体的残留就需要再次进行灭菌，如果不需要就进入下一步发酵过程了，询问是否发酵，总之记住一点就是发酵和灭菌是相对来说两个独立的子程序，而且，两者之间不能同时运行，要么就是发酵关闭灭菌程序，要么就是灭菌就必须关闭发酵程序，询问发酵之后如果发现原料不足或者操作者有什么其他事宜，再或者其他什么原因导致发酵没有办法进行，那就直接跳到最后一步发酵结束，再然后整个系统结束运行，如果进行发酵的话，关闭灭菌，进行下一步进入发酵，下面几方面的控制是同时进行的，转速调节、温度调节、ph调节、DO调节这几个方面对于微生物发酵都是非常重要的，任何一方面都是缺一不可的，询问是否需要调节转速，如果转速已经达到稳态，

63、不需要再进行调节，那就到达下一步，如果没有达到稳态就需要调用转速子程序对转速进行调节，来控制发酵的效率，温度调节也和转速调节很类似，如果对于发酵的温度不满足条件的情况下就需要调用温度子程序，前面已经对于温度调节的PLC程序进行详细的说明，ph以及溶解氧（DO）的调节也是几乎相同的，当这些都达到了稳定的状态，到达下一步询问是否发酵是否结束，如若没结束就返回上一级继续进行发酵，调节温度、转速、ph和DO，如果达到了稳态就直接执行下一条语句发酵结束，进而结束发酵系统的整个发酵过程。这就是微生物发酵过程自动加药控制系统的PLC流程框图。PLC编程使用了PID控制算法，这个算法对于控制整个系统达到稳定也

64、是非常重要的。PID是闭环控制系统的比例积分微分控制算法，PID控制器根据设定值（给定）与被控对象的实际值（反馈）的差值按，照PID算法计算出控制器的输出量，控制执行机构去影响被控对象的变化。PID控制是控制器中最常用的控制算法，常规PID控制系统的原理框图如图3-4所示。系统由常规PID控制器和被控对象组成。图3-7 常规PID控制PID控制器是一种线性控制器,它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差:e(t)=r(t)-c(t)。将偏差的比例(P)积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,对被控对象进行控制,故称PID控制器。其控制规律为：写成传递函数的形式：式中，KP比例

65、系数； Tl积分时间常数； TD微分时间常数。简单来说,PID控制器各环节的作用如下:(l)比例环节(P):即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。它对控制作用和扰动作用的响应都很快，主要缺点是系统有静差存在。(2)积分环节(I):主要用于消除静差,提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Tl，Tl越大,积分作用越弱，反之则越强。(3)微分环节(D):能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变的太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。下面介绍一下常规PID组合成的控制方案：(1)比例积分(PI)调节:PI调节器就是