翠叶金丝桑叶桑黄发酵工艺控制系统使用手册.docx
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翠叶金丝桑叶桑黄发酵工艺控制系统使用手册
1系统概述
1.1产品特点和用途
翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵工艺控制系统由上位机、2004版发酵控制软件、现场控制器（BIOF-6000A/shg）、传感器和各执行元件组成。
上位机可以用工业控制计算机或普通台式计算机，windows2000操作系统作为平台。
现场控制器BIOF-6000A/shg，是以Rabbit控制芯片做为核心的3010V3.02为主板，具有11路A/D转换通道、8路D/A通道、24路开关量输入，16路开关量输出。
现场操作界面采用台湾产easyview5.7”或10.4”触摸屏。
这样的设计结构和选件，主要是进一步提高系统的可靠性能，不会因为上位机的系统受到病毒、或windows2000操作系统等问题而影响发酵生产。
因为，BIOF-6000A/shg是一种嵌入式结构，他的主要特点是稳定性高、可靠性好，嵌入的软件不可能受到外界病毒的破坏，操作系统符合工业控制要求。
它与上位机通过以太网联接。
在不与上位机联机时，发酵控制运行由现场控制器决定；当与上位机联机时，可以按上位机的控制命令运行，现场控制器服从于上位机。
当上位机发生故障时，发酵运行又会自动切入到现场控制器。
2006版发酵控制软件是基于“组态王”平台的控制软件，它可实现的功能如下：
●可控制搅拌速度、罐内介质的温度、pH值、DO值、罐内压力*、通气流量*；
●灭菌时自动控温*；
●具备CO2检测*、O2检测*、氧化还原检测*、发酵液重量检测*、发酵液液位高度*、电导率检测*；
●可设定温度、转速、pH值、DO值、罐内压力*、通气流量*的上、下限并具备超限报警功能；
●具备超液位报警和自动补液功能，具备超泡位报警和自动添加消泡剂功能；
●所有报警事故可记录查阅；
●速度、温度、pH值、DO值、压力*、流量*等都能设定为自动、手动及关闭状态；
●每个参数有PID调节过程显示，如设定值，实时值，PID设定值，上下限位值，曲线显示，手动/自动切换，在线设定等；
●各种参数的历史数据和曲线可保存多年（必须有上位计算机才能实现）；
●人机界面友好，可切换十几种监控画面；
●具备补料计量功能*（加入电子秤能实现精确补料计量）；
●系统具备多种关联控制：
速度与溶氧的关联控制，补料与溶氧的关联控制，补料与pH值的关联控制等等；
●系统具有运行过程的实时显示、数据记录、数据分析（柱状图、曲线图和批报表）、输出打印、密码管理，中文界面。
记录画面可同时显示8根不同曲线，如需要可依次显示更多曲线；
●用网络线可远程监控发酵罐的运行状态*；
●各检测和控制回路的参数可以在画面上在线手动设定和修正，可以进行温度、DO、pH传感器的整定调校，各蠕动泵流量的标定；操作有密码保护功能，密码分为操作员与管理员级密码；
●自动记录发酵罐开机时间，关机时间，自动运行时的停电次数，停电时间，来电时间等；
●软件系统具有自适应能力和自诊断能力；
●现场具有重要参数的大型LED显示器*；显示罐温和罐压---醒目，重要参数一目了然。
BIOF-6000A系列发酵罐广泛适用于食品、抗生素、酶制剂、氨基酸、有机酸、食用菌、疫苗、微生物制剂、生物农药、环保等领域，是发酵、生化、生命科学等行业科研、教学的理想设备。
注：
以上带*号的功能，不属于基本配置功能，需要时必须说明，费用另计。
1.2使用环境和工作条件
环境温度：
5—35℃
冷却水压力0.1—0.3MPa
冷却水温度：
5—30℃（自来水），如果所需发酵温度较低可以加冷水机。
输入空气压力：
小于0.2MPa（须经干燥、预过滤）
输入空气流量：
0－5L/min（根据发酵工艺决定）
输入蒸汽压力：
0.2－0.35MPa
蒸汽发生器功率：
≥3KW
电源电压及容量：
AC220V±10%、50Hz±2%、2KW（不含蒸汽发生器的消耗功率）
1.3主要技术性能指标
罐体容积：
5升；最大工作容积：
3.5升；
温控范围：
冷却水+6~50℃；控制精度：
±0.2℃，分辨率0.1℃
灭菌温度：
105~130℃
搅拌转速：
50~900rpm；控制精度：
±0.5％×最高转速
pH控制：
控制范围：
2~12；控制精度：
±0.02；分辨率0.01
DO测量：
0~100%
工作罐压：
0.01~0.08MPa
搅拌功率：
200W
加热功率：
1.5KW
其他功率：
300W
2罐体系统组成与设备安装
2.1BIOF生物发酵罐系统
BIOF生物发酵罐系统如图2-1所示。
图2-1BIOF-6000A系列生物发酵罐系统示意图
1
电加热器
12
测温电极
（2）
24
液位电极
2
测温电极
（1）
13
泡沫电极
AQ
安全阀
3
水位电极
14
pH电极
W1
溢水阀
4
补料瓶
17
测温电极（3）
W2
排水排汽阀
5
呼吸过滤器
18
尾气过滤器
S
进蒸汽阀
6
补料蠕动泵
19
尾气滤水器
EW
冷却水电磁阀
8
进气流量计
20
取样放料装置
G
气路调节阀
9
灭菌罩
21
罐盖
P1
压力表
10
进气过滤器
22
回水管
P2
压力表
11
DO电极
23
恒温水槽
2.3罐体系统
罐身：
由硼硅玻璃和不锈钢（316L）加工制成。
密封件：
机械密封、硅橡胶“O”型圈。
2.3.1恒温座
恒温座（参见图2-1）由不锈钢座、1—加热器、2—测温电极、3—水位电极等组成。
2.3.2灭菌罩
灭菌罩（参见图2-1）由不锈钢罩体、AQ—安全阀、P2—压力表、17—测温电极（3）等组成。
2.3.3管阀系统
管阀系统（参见图2-1）由EW—冷却水电磁阀、W1—溢流水阀、W2—排水排汽阀、S—进蒸汽调节阀、G-气路调节阀、不锈钢管路、优质胶管、接头等组成。
2.3.4辅助设备
由空气压缩机、蒸汽发生器、高压灭菌锅等组成。
辅助设备属于选购设备。
2.3.5系统安装
·发酵罐应安装在通风良好、空气洁净的房间,房间内应经常消毒。
·将罐体与控制电箱放置在平整桌面上，调节支撑脚确保水平与垂直度。
·连接进水、排水、空气进气管，并用卡箍固定挟紧，进水端要加水过滤器。
·将搅拌电机、pH电极、DO电极、CO2检测电极、泡沫电极、测温电极、水位电极、加热器、电磁阀的电缆接头连接好。
·接插好黄绿接地线，保证罐体有良好的接地。
3发酵罐电气系统
3.1开机和关机
上位机电源和加热器、搅拌电机、蠕动泵（包括电磁阀）等的电源开关是分开安装的，如果不要求这些执行元件动作，相应的电源开关（在机箱内）可以关闭，也可以关掉机箱前面的红色主控开关，在此情况下，上位机仍可以开机运行，但不能驱动执行机构。
如果要求这些执行元件动作，则相应的电源开关应打开，特别是搅拌电机的电源必须在发酵程序运行前打开，要不然会造成飞车，损毁搅拌系统。
关机时必须先退出程序的执行，再切断主控电源。
3.2系统程序功能
3.2.1上位机操作说明
BIOF-6000A型嵌入式发酵控制系统（以下简称6000A系统），是本公司在2000型和6000型基础上推出的嵌入式版本，其数据控制精度和工作稳定性有了很大的提高，以多年的大生产型发酵工程和大型实验室工程为实践所积累的经验，6000A系统使用更高级的控制算法和更完善的系统保护策略，不但能更好、更有效地控制发酵参数，更从软件角度避免多种软、硬件故障的发生。
系统首页
●在没有登陆系统前，当前用户信息显示为：
“无”，用户没有权限使用本软件
●需要登陆，点击“登陆”
用户名：
操作员密码：
100低级权限
用户名：
管理员密码：
500高级权限
●“锁定”注销当前用户，使软件保持锁定状态，避免误操作
●“退出”关闭本软件
●登陆，后您可以选择“发酵管理”或者“灭菌管理”
●为防止操作人员遗忘注销操作权限，系统默认在登陆时间最长4小时后，将自动注销
●密码管理，提供改变管理员和操作员登陆密码的功能，可以定制由管理员更改密码或者由登陆人自行修改密码
●本软件默认为管理员和操作员两个用户，不同的用户拥有不同的操作权限，通常分配给管理员更高的权限来更改部分重要的数据和使用部分关键的功能，而对于操作员，只提供正常生产所需要的常规的操作权限。
●调试功能，通常只在工程调试中使用，在设备调试完成后一般不再使用，除非在设备通讯或软件功能出现问题时才会使用，擅自进入调试画面操作可能会对软件造成不必要的损害（本软件一般不向客户提供此画面操作权限）
登陆画面（选择用户名和输入密码）
提供“软键盘”功能也可以用普通键盘输入
画面导航条
●管理切换到主管理画面
●运转切换到模拟图画面
●转速切换到转速管理画面
●温度切换到温度管理画面
●pH切换到pH管理画面
●DO切换到DO管理画面
●报警切换到报警管理画面，显示历史报警记录
●曲线切换到总曲线显示画面，同时显示全部曲线
●蠕动泵切换到蠕动泵管理
●调试切换到调试界面
主管理画面
●报警显示当被检测的数据大于上限或小于下限时，报警灯处于闪烁状态
只有在相应的子控制开关打开后，报警功能才有效
●控制执行子控制开关，打开后就可以根据设定参数进行自动控制
只有在打开发酵开关后，温度、转速类的子控制开关才能打开
●电极校正高精度电极自动计算校正功能
●蠕动泵设置蠕动泵复杂功能设定
●罐体开关罐体开关是发酵罐工作的表示，打开罐体开关后才能进行发酵或灭菌
●发酵开关由于发酵和灭菌不能同时进行，所以打开发酵开关，灭菌自动关闭
●转速设定搅拌速度设定0-1000
●当前转速当前搅拌速度0-1000
●温度设定发酵温度设定0-160
●当前温度当前发酵温度0-160
●pH设定pH设定0-14
●当前pH当前pH0-14
●DO设定DO设定0-150
●当前DO当前DO0-150
转速管理画面
●曲线刷新打开曲线刷新开关后，所显示的曲线将以每秒一次的频率更新
●DO关联此功能将判断当前DO值和设定DO值的偏差，通过改变转速的方式来改
变DO值，此功能对转速的调节受到转速上、下限的制约
●输出电压在自动控制转速时，显示当前输出的电压
在没有得到转速反馈时（转速为0），输出电压在大于2.5V后自动归零
●特别提醒进行对转速的自动控制前，请保证各控制电源已打开
●左侧显示的是设定值（红色），可人为改变
●右侧显示的是设定值（绿色），不可人为改变
●
（左下方）点击可以改变数值设定
●
（右下方）显示当前值
●转速设定值和显示值均为软件默认数值，在具体设备中，转速的最高值受设备的制约，并不一定能够达到1000转
●必须特别注意的：
在打开转速控制之前，一定要保证转速控制电源和电机电源开关都已经打开，然后才可以打开转速控制开关（可能发生的问题是，在没有打开电源之前，先打开转速控制开关，然后发现转速没有反应，这才发现电源没打开，再打开转速电源，结果造成搅拌轴飞速启动），即使发现忘了打开转速电源，也要先关闭转速控制开关再打开电源。
曲线显示控件
●
需要调整和设置曲线，首先应该关闭曲线刷新开关
●
曲线颜色和对应变量名称
在这里点击鼠标右键可以添加和删除所显示的曲线
或者改变曲线的显示属性
●
左游标对应时间和数值
●
右游标对应时间和数值
按下鼠标左键可以移动游标到指定的曲线点上
●
所采集变量的最小值和最大值
●
平均值
●
隐藏或显示该曲线
●
向左或向右移动曲线，中间的数值表示每次移动的时间单位（点击可改变）
●
点击可改变显示曲线的方式
比如：
按实际值显示或按百分比显示
为什么要按百分比显示？
在只显示一条曲线的时候，我们一般采用实际值的显示方式
但是如果同时显示两条不同的曲线
比如转速0-1000和pH0-14，那么pH曲线的变化就几乎看
不到了，所以我们可以采用百分比的显示方法，这样转速的
500和pH的7就会都按50%而显示在中间位置
另外，在用百分比显示曲线的时候，还可以用上、下
游标来放大曲线。
（在用百分比显示曲线的时候，上、下游标出现在曲线侧面）
●
放大或缩小曲线（使用
曲线显示范围定义可能更直接）
●
打印所显示的曲线
●
添加曲线或改变曲线属性
●
刷新曲线到当前时间
●
曲线显示范围定义
●
隐藏曲线属性显示面板
温度管理画面
为保证温控系统的正常使用，当水位电极报警时，系统会暂停对温度的控制，优先打开冷水阀向夹套进水，直到夹套水位足够切水位电极不报警时，温度控制程序才会继续执行。
（可能发生的维修事件：
水位电极工作异常，频繁报警，温度控制无法正常进行）
PID智能控制介绍
P值的作用：
P值被称为比例系数，在智能控制中，首先由P值根据设定值和实际值的偏差，来决定输出的调节值。
比如，实际温度比设定温度低0.3度或者高1度，P值会首先判断和计算出应该加热还是冷却，执行的时间是多少，偏差小和偏差大所计算出来的执行时间当然是不一样的。
由于环境、发酵工艺等等的不同，我们不能保证P值所设定的值是完全能够满足控制需要的，比如在温度控制中，当实际温度比设定温度低0.3度时，很有可能由于P值设定的数值过小而导致输出的加热功率太小，在环境温度比较低的地方，这样的加热功率可能还不足以弥补罐体的热量散失。
还有可能由于P值的设定的数值过大而导致输出的加热功率太大，导致温度上升太多，同样不能达到满意的控制效果。
由此，如果希望系统能够智能地调节控制输出，以弥补P值设置的偏差，那么就有必要使用I值。
I值的作用：
I值被称为积分系数，如果由于P值的设置还不能达到控制要求，那么I值会根据偏差的状况来自动调节，以弥补P值的不足。
需要注意的是“积分切入”的问题，当设定值和实际值的偏差很大的时候，不需要I值来加入计算，因为如果觉得输出功率不符合要求的话，可以调节P值。
也就是说，I值应该在偏差比较小的时候才起作用，这个偏差就是“积分切入”数值。
通常，我们在实验调试阶段，首先必须保证P值对温度的控制能使设定值和实际值的偏差小于“积分切入”值，只有这样积分系数才是有效的。
另外要注意的，如果设置“积分切入”值为零，那么就没有积分功能了，如果设置“积分切入”值过大，造成积分时间很长，或者将I值设的很大，都很容易造成“积分饱和”，在一般情况下，积分累计的绝对值（Sum）都不超过10，如果超过很多，则说明P值的设置不是过大就是过小。
D值的作用：
当输出功率高，调节速度快时，为了避免调节过冲，我们使用D值来起到缓冲的效果，D值可以使调节效果更快更稳定。
死区的作用：
我们没有必要因为温度低了0.01度而打开加热器，也没有必要因为pH高了0.01而加酸，这样做不但浪费资源，而且反而达不到控制要求，在控制精度允许的情况下，我们采用“死区”的方式来解决这个问题，只要设定值和实际值的偏差在死区范围内，我们就认为达到控制要求了，对于存在的微小偏差就不在作调整动作了。
PID输出：
在经过了PID计算后，系统会得出一个参考值（OutPut），系统按照这个数值的大小，作为打开加热器或者冷水阀的时间长短的依据，系统规定，当这个数值为正值时，打开加热器，为负值时，打开冷水阀，打开的时间为（输出值/50）*周期时间。
需要说明的是，在设定温度和实际温度相同（接近没有偏差）时，PID计算得到的输出值并不一定是0（或者说并不一定说明不需要加热和冷却了），因为PID的计算并不只有温度的差值来决定，在温度偏差很小的时候，往往积分系数对温度控制的开关动作产生的影响更大，举例来说，在环境温度比较低的环境中，即使设定温度和实际温度已经控制到相同了，但是我们不能停止加热，因为我们还需要继续的补充热量来弥补罐体在环境中的热量散失。
系统规定，当PID输出值为正值时，系统按比例执行打开加热器加热，当PID输出值为负值时，系统按比例执行打开冷水阀冷却。
当温度控制开关从打开状态转换成关闭状态时，系统自动将循环泵、加热器和冷水阀关闭。
夹套最高温度限制
为保护加热器，我们使用“夹套最高温度”来做限制，如果夹套内温度高于设定的“夹套最高温度”，那么加热器会因为受保护而对控制器的打开信号不作响应，在使用过程如果需要升到更高的温度，建议使用蒸汽来升温，而不是用加热器。
pH管理画面
在纯水或清水中，由于离子浓度太低，所以不能准确地测量出正确的PH值
PID输出：
系统规定，当PID输出值为正值时，系统按比例执行打开加碱泵，当PID输出值为负值时，系统按比例执行打开加酸泵。
当pH控制开关从打开状态转换成关闭状态时，系统自动将加酸泵和加碱泵关闭。
DO管理画面
因为通气量为手动控制，在DO不关联时实际的DO值与设定的DO值可能不一致，此为正常现象。
只有当DO关联时，实际的DO值与设定的DO值才会一致，而此时实际转速与设定转速可能不一致。
灭菌过程管理画面
●您所使用的版本为手动控制灭菌，上位机界面只做数据监视使用
●选中“灭菌停转报警”与“灭菌保温报警”，可在温度达到“搅拌停止温度温度设定”“灭菌温度设定”是分阶段提醒式报警，报警后关闭报警开关即可，若不选中，则灭菌期间无报警，至最后完成才报警。
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