計算機(jī)控制技術(shù)課程答辯論文洛陽理工學(xué)院計算機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用課程設(shè)計題 目：發(fā)酵培養(yǎng)基溫度控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名：學(xué) 號：班 級：專 業(yè)：I實用標(biāo)準(zhǔn)文案摘 要本題要設(shè)計的是發(fā)酵培養(yǎng)基溫度控制系統(tǒng)，發(fā)酵是放熱反應(yīng)的過程。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，罐內(nèi)的溫度會逐漸升高。而溫度對發(fā)酵過程具有多方面的影響。因此，對發(fā)酵過程中的溫度進(jìn)行檢測和控制就顯得十分重要。本課題設(shè)計了發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)，選擇的傳感器為Cu100，由于信號很小，所以就需要通過差動放大電路進(jìn)行放大并且經(jīng)過了濾波電路濾波，然后將處理后的電壓信號經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換，輸出4~20mA的電流信號，最后進(jìn)行仿真分析以及參數(shù)的計算，以達(dá)到通過對冷水閥開度的控制對發(fā)酵罐溫度控制的目的。本系統(tǒng)應(yīng)用溫度控制系統(tǒng)，有助于提高發(fā)酵效率，有助于提高工廠產(chǎn)值，并且可以使資源得到更充分的作用。關(guān)鍵詞：溫度控制,PID控制器,V/I 轉(zhuǎn)換,比較機(jī)構(gòu)精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案目錄前言........................................................................................錯誤！未定義書簽。1.1.1發(fā)酵培養(yǎng)基簡介31.1.2工藝背景：................................................................錯誤！未定義書簽。1．2溫度對發(fā)酵的影響......................................................錯誤！未定義書簽。1.2.1溫度影響微生物細(xì)胞生長.................................錯誤！未定義書簽。1.2.2溫度影響產(chǎn)物的生成量.....................................錯誤！未定義書簽。1.2.3溫度影響生物合成的方向.................................錯誤！未定義書簽。1.2.4溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì).............................錯誤！未定義書簽。1.3、影響發(fā)酵溫度變化的因素：.....................................錯誤！未定義書簽。1.4發(fā)酵熱的測定................................................................錯誤！未定義書簽。1.5最適溫度的選擇與發(fā)酵溫度的控制............................錯誤！未定義書簽。1.5.1溫度的選擇.......................................................................................VII2培養(yǎng)基溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計..................................................錯誤！未定義書簽。2.1總體設(shè)計方案..............................................................................................VII2.1.1系統(tǒng)總框圖......................................................................................VII2．2硬件設(shè)計...................................................................................................VIII2.2.1溫度采集電路..................................................................................VIII2.2.2PLC與計算機(jī)的通信.........................................................................IX2.3軟件部分.........................................................................................................X3總結(jié)........................................................................................................................XIII參考文獻(xiàn)：...............................................................................................................XIII精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案前 言計算機(jī)控制技術(shù)以自動控制理論和計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)， 自動控制理論的發(fā)展給計算機(jī)控制系統(tǒng)增添了理論工具，而計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為新型控制規(guī)律的實現(xiàn)、構(gòu)建高性能的計算機(jī)控制技術(shù)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)， 而兩者的結(jié)合極大地推動了計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展。本課程設(shè)計主題以啤酒廠發(fā)酵罐培養(yǎng)基溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計為例， 具體實現(xiàn)培養(yǎng)基溫度的控制以及原理，要求了解發(fā)酵罐溫度控制的工藝背景、 設(shè)計控制方案。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案工藝過程概述1.1.1 發(fā)酵培養(yǎng)基培養(yǎng)基（Medium）是供微生物、植物和動物組織生長和維持用的人工配制的養(yǎng)料，一般都含有水、氮源、無機(jī)鹽（包括微量元素）、碳源、生長因子（維生素、氨基酸、堿基、抗菌素、色素、激素和血清等）等。培養(yǎng)基由于配制的原料不同，使用要求不同，而貯存保管方面也稍有不同。一般培養(yǎng)基在受熱、吸潮后，易被細(xì)菌污染或分解變質(zhì)，因此一般培養(yǎng)基必須防潮、避光、陰涼處保存。對一些需嚴(yán)格滅菌的培養(yǎng)基（如組織培養(yǎng)基），較長時間的貯存，必須放在3-6℃的冰箱內(nèi)。由于液體培養(yǎng)基不易長期保管，均改制成粉末。1.1.2工藝背景啤酒發(fā)酵過程是啤酒酵母在一定的條件下，利用麥汁中的可發(fā)酵性物質(zhì)而進(jìn)行的正常生命活動，其代謝的產(chǎn)物就是所要的產(chǎn)品--啤酒。啤酒發(fā)酵是放熱反應(yīng)的過程。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，罐內(nèi)的溫度會逐漸升高。發(fā)酵過程中的溫度的變化直接影響到啤酒質(zhì)量和生產(chǎn)的效率。因此，對發(fā)酵過程中的溫度進(jìn)行控制顯得十分重要。啤酒發(fā)酵的全過程分成多個階段，各個階段都有對應(yīng)的溫度曲線。為了使啤酒有更好的品質(zhì)，需要讓發(fā)酵罐的溫度根據(jù)工藝溫度曲線變化。1.2溫度對發(fā)酵的影響溫度對發(fā)酵過程的影響是多方面的， 它會影響各種酶反應(yīng)的速率，改變菌體代謝產(chǎn)物的合成方向，影響微生物的代謝調(diào)控機(jī)制除這些直接影響外，溫度還對發(fā)酵液的理化性質(zhì)產(chǎn)生影響，如發(fā)酵液的粘度。基質(zhì)和氧在發(fā)酵液中的溶解度和傳遞速率。某些基質(zhì)的分解和吸收速率等，進(jìn)而影響發(fā)酵的動力學(xué)特性和產(chǎn)物的生物合成。1.2.1溫度影響微生物細(xì)胞生長精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案隨著溫度的上升，細(xì)胞的生長繁殖加快。這是由于生長代謝以及繁殖都是酶參加的。根據(jù)酶促反應(yīng)的動力學(xué)來看，溫度升高，反應(yīng)速度加快，呼吸強(qiáng)度增加，最終導(dǎo)致細(xì)胞生長繁殖加快。但隨著溫度的上升，酶失活的速度也越大，使衰老提前，發(fā)酵周期縮短，這對發(fā)酵生產(chǎn)是極為不利的。1.2.2溫度影響產(chǎn)物的生成量1.2.3溫度影響生物合成的方向1.2.4溫度影響發(fā)酵液的物理性質(zhì)溫度除了影響發(fā)酵過程中各種反應(yīng)速率外， 還可以通過改變發(fā)酵液的物理性質(zhì)間接影響微生物的生物合成。1.3影響發(fā)酵溫度變化的因素：發(fā)酵熱就是發(fā)酵過程中釋放出來的凈熱量。 是生產(chǎn)菌在生長繁殖時產(chǎn)生的大量熱量。生物熱主要是培養(yǎng)基中碳水化合物、 脂肪、蛋白質(zhì)等物質(zhì)被分解為 CO2、NH3時釋放出的大量能量。主要用于合成高能化合物，供微生物生命代謝活動及熱能散發(fā)。菌體在生長繁殖過程中，釋放出大量熱量。生物熱的大小與菌種遺傳特性、菌齡有關(guān)，還與營養(yǎng)基質(zhì)有關(guān)。在相同條件下，培養(yǎng)基成分越豐富，產(chǎn)生的生物熱也就越大。1.4發(fā)酵熱的測定通過測量一定時間冷卻水的流量和冷卻水的進(jìn)、出口溫度，由下式計算出發(fā)酵熱：Q 發(fā)酵=G.CW.（t2-t1）/V (1-1)式中：G——冷卻水的流量(kg/h)；CW——水的比熱[kJ／(kg?℃)]；t 2t 1——分別為冷卻水的進(jìn)、出口溫度 (℃)；V--發(fā)酵液的體積(m3)。通過發(fā)酵罐溫度的自動控制，先使罐溫達(dá)到恒定，再關(guān)閉自動控制裝置 ,測定溫度隨時間上升的速率，按下式計算發(fā)酵熱：Q 發(fā)酵=(MlCl+M2c2).S (1-2)Ml一系統(tǒng)中發(fā)酵液的質(zhì)量(kg)；M2一發(fā)酵罐的質(zhì)量(kg)；Cl—發(fā)酵液的比熱[kJ／(kg?℃)]；C2—發(fā)酵罐材料的比熱[kJ／(kg?℃))；S—溫度上升速率(℃／h)。1.5最適溫度的選擇與發(fā)酵溫度的控制精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案1.5.1溫度的選擇最適溫度是一種相對概念，是指在該溫度下最適于菌的生長或發(fā)酵產(chǎn)物的生成。選擇最適溫度應(yīng)該考慮微生物生長的最適溫度和產(chǎn)物合成的最適溫度。 最適發(fā)酵溫度與菌種，培養(yǎng)基成分，培養(yǎng)條件和菌體生長階段有關(guān)。工業(yè)上使用大體積發(fā)酵罐的發(fā)酵過程，一般不須要加熱，因為釋放的發(fā)酵熱常常超過微生物的最適培養(yǎng)溫度，所以需要冷卻的情況較多。發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計2.1總體設(shè)計方案發(fā)酵罐的溫度控制選擇了檢測發(fā)酵罐的上、中、下段溫度的方法，通過上、中、下 3段液氨進(jìn)口的兩位式電磁閥來實現(xiàn)發(fā)酵罐溫度控制，其原理圖如圖 1所示。發(fā)酵罐液氨進(jìn)液氨出液氨罐圖1發(fā)酵罐控制過程原理圖2.1.1系統(tǒng)總框圖設(shè)計在本設(shè)計中采用閉環(huán)控制系統(tǒng)， 溫度采集電路從發(fā)酵罐中采集溫度， 通過模擬量控制模塊，把采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)值信號送入 PLC中，與給精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案定的溫度信號進(jìn)行比較，經(jīng)過PID運算后，通過輸出差值信號來調(diào)節(jié)電磁閥的開關(guān)狀態(tài)，從而來控制進(jìn)入發(fā)酵罐冷卻夾套中液氨的多少來調(diào)節(jié)發(fā)酵罐的溫度。 圖是發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)總框圖。變送器 溫度采集給定溫度 -調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)閥 對象圖2發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)總框圖2．2硬件設(shè)計2.2.1溫度采集電路圖3是實際的測量電路。圖中，AD581輸出一個標(biāo)準(zhǔn)的+10V電壓，RP1用于調(diào)零，RP2用于調(diào)滿刻度。AD590輸出電流在R1和RP1上產(chǎn)生壓降，該電壓經(jīng)過運算放大（R2+RP2）/（R1+RP1）倍后輸出。調(diào)整過程分別在0℃（冰水混合物中）和100℃（沸水中）兩點溫度進(jìn)行，通過運算放大器A放大使輸出靈敏度為100mV/℃，即在0℃時，調(diào)整RP1時輸出0V，在100℃時，調(diào)整RP2使輸出為10V。精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案Pt-100

R1RP1R2RP2AD58136K1K91K10K-15VR3-UoOP0727K+AD590+15V-15V圖3溫度采集電路2.2.2PLC與計算機(jī)的通信設(shè)計系統(tǒng)中，采用一臺 PC機(jī)和多臺PLC組成控制系統(tǒng)，計算機(jī)實行圖形顯示數(shù)據(jù)處理打印報表以及中文顯示等功能， PLC則執(zhí)行控制功能。圖4是FX2NPLC與計算機(jī)連接圖。TXDRXD接收DTRDSR對方就緒RXDTXD發(fā)送PLCDSRDTR自己就緒RTSRTS請求發(fā)送CTSCTS允許發(fā)送轉(zhuǎn)換器計算機(jī)圖4PLC與計算機(jī)連接圖精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案2.3軟件部分圖5是發(fā)酵罐控制過程的程序流程圖。本設(shè)計選擇FX2N-4AD模塊，并且選擇通道和相應(yīng)的量程。序的作用是選擇通道一、A/D轉(zhuǎn)換和將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)放在地址D201中。A/D采樣時間是選用了15s，這是根據(jù)采樣定理確定的，并參考了工程手冊上的參數(shù)設(shè)定。罐狀態(tài)操作包括：溫度控制自動調(diào)諧程序、 長定時子程序和各階段溫度控制。圖6是長定時子程序:開始初始化A/D轉(zhuǎn)換子程序度設(shè)定溫度值PID計算電磁閥控制輸出發(fā)酵罐狀態(tài)操作圖5發(fā)酵罐控制過程程序流程圖精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案開始進(jìn)料、給 PID 運算中的給定值賦值PID 運算對發(fā)酵罐降溫定時 (20 小時 )停止進(jìn)料返回圖6長定時程序流程圖各階段溫度控制分為：（1）進(jìn)料階段，溫度保持在 8℃，流程圖如圖 7所示:開始否時間到否 PID輸出為零是PID運算對發(fā)酵罐降溫時間到(70小時)，停止PID運算返回圖7進(jìn)料階段流程圖（2）還原雙乙酰階段，溫度保持在 12℃，流程圖如圖 8所示:精彩文檔實用標(biāo)準(zhǔn)文案開始對計數(shù)器 C0清零定時器定時，定時到自身清零，計數(shù)器加 1否計數(shù)器滿否是將發(fā)酵液輸送到發(fā)酵罐中返回圖8 還原雙乙酰階段流程圖（3）停留觀察，溫度保持在 6℃，流程圖如圖 9所示；具體停留觀察階段設(shè)定為10個小時，用于檢測發(fā)酵液體內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)含量， 并將發(fā)酵液中的酵母排出。在沒有到達(dá)停留觀察階段時，其 PID輸出值為零；開始時間到否否PID輸出為零是PID運算輸出對發(fā)酵罐降溫時間到（ 10小時），停