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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WinCCPID控制微生物发酵

Automaticcontrolsystemdesignofbiologicalfermentationprocess

Abstract

Automaticdosingequipmentinmicrobialfermentationindustrygetsalotofapplications,thedevicecontrolloopisasingle,lowdegreeofautomation.Aimingatthisproblem,willthedeviceintothePLCcontroltechnology,WinCCconfigurationcontroltechnology,designoftheautomaticdosingcontrolscheme,implementstheautomaticdosingcontrolofmicroorganismfermentation,andthesystemconfigurationPCreal-timemonitoring,datarecord,faultalarm.

Thispaperintroducesthebiologicalfermentationcontroltechnologyintoday'sdevelopmentsituation,aswellastheapplicationofPLCinthecontrolindustry,accordingtotherequirementsofdesignandconstructedbyPLCaslowermachine,Siemenstouchscreenmonitorpanelasautomaticdosingcontrolsystem.ThispaperstudiesthemicroorganismfermentationautomaticdosingofhardwareselectionandsoftwareprogrammingofPLCandWinCCconfiguration,aswellasbetweenPLCandtouchscreen,PLCandfielddevicesbetweenthesignalacquisitionanddatatransmissionmode,accesstotheph,temperature,DO,suchasliquidlevelastheinputparameters,andtheseparametersofreal-timedatatotheCPUforprocessing,andthedifferencebetweenthesetpoint,andthisdifferenceasthecontrollerinputvalues,aftertreatedwithPIDcontroloftheoutputvalueautomaticallycalculatetheperistalticpumprunningdutyratio.Thewholesystemthroughthesensoroutputanalogsignalacquisitionobjectparameters,thesesignalsinthecentralprocessingunit（CPU）afterthecorrespondingcomputationofthecontrolalgorithm,PIDregulationoftheoutputsignalaregiven,thecontroldevicetocontrolthewholecontrolsystem,thenfinallyreachedsteadystate,thestableoperationofthewholesystem.

Modifiedmicrobeautomaticdosingcontrolsystemsetoftechnical,operational,practicality,scientificresearchasawhole.Afterputintouse,stableoperation,easytocontrol,highdegreeofautomation,achievethegoalofthedesign,hasrealizedthereal-timemonitoringforthewholefermentationsystem,theapplicationsofthistechnologytoactualproduction,canbringgoodeconomicbenefitsformicrobialfermentationindustryandenvironmentalbenefits.

Keywords:

PLC;Automaticdosing；WinCC；PIDcontrol；Microbialfermentation

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，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，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PLC200SMART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PLCS7-200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、DO、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，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，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IEC61131-3，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，PLC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，