智能式生物发酵自动控制系统设计
发酵温控系统课程设计
发酵温控系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握发酵过程中温度对微生物生长的影响，理解发酵温控系统的基本原理。
2. 使学生了解发酵温控系统的构成，包括传感器、控制器、执行器等组成部分。
3. 帮助学生掌握发酵过程中温度变化的数学模型及其在温控系统中的应用。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识，设计简单的发酵温控系统电路图和程序框图。
2. 提高学生实际操作能力，能对发酵温控系统进行调试和故障排查。
3. 培养学生团队协作能力，通过小组合作完成发酵温控系统的设计、搭建和优化。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对生物工程和自动化技术的兴趣，提高学生对跨学科知识的探索欲望。
2. 增强学生的环保意识，认识到发酵技术在环保和资源利用方面的重要性。
3. 培养学生严谨的科学态度和良好的工程伦理观念，认识到科技发展对社会的责任。
本课程针对高年级学生，结合生物学、自动化等学科知识，注重理论与实践相结合。
通过本课程的学习，使学生能够将所学知识应用于实际问题的解决，提高学生的综合素养和创新能力。
同时，课程目标分解为具体学习成果，便于后续教学设计和评估，确保课程目标的实现。
二、教学内容1. 发酵技术概述：发酵过程中微生物生长特性、温度对发酵过程的影响。
相关教材章节：第一章 发酵技术概述2. 发酵温控系统原理：传感器、控制器、执行器的原理及功能。
相关教材章节：第二章 自动控制原理及其在发酵过程中的应用3. 发酵过程温度数学模型：一阶、二阶系统的温度模型及其在温控系统中的应用。
相关教材章节：第三章 发酵过程数学模型4. 发酵温控系统设计：电路图、程序框图设计，系统搭建与调试。
相关教材章节：第四章 发酵温控系统设计5. 发酵温控系统优化：系统性能指标、参数优化方法。
相关教材章节：第五章 发酵温控系统优化与故障排查教学内容安排和进度：第一周：发酵技术概述，了解温度对发酵过程的影响。
第二周：学习发酵温控系统原理，了解各部分功能。
生物发酵工艺DCS控制系统设计
生物发酵工艺DCS控制系统设计背景生物发酵工艺是一种利用微生物或酶对废弃物或原料进行转化或改变的过程。
生物发酵工艺在多个领域中都有广泛的应用，如食品和饮料生产、制药工程、环境工程等。
为了提高生产效率和产品质量，生物发酵工艺通常需要一个高效的控制系统。
DCS（分散控制系统）是一种用于控制和监控工业过程的先进技术。
DCS控制系统通过集成各种传感器和执行器，实现实时监测和控制生物发酵过程中的各个参数和变量。
在生物发酵工艺中，DCS控制系统可以实现自动调节发酵温度、pH值、溶解氧和浓度等关键参数，从而提高控制精度和生产效率。
设计目标本文档旨在介绍生物发酵工艺DCS控制系统的设计原则和关键要素。
通过合理的控制系统设计，可以优化生物发酵工艺，提高产品质量，降低生产成本，减少人工干预并提高生产效率。
DCS控制系统的基本架构生物发酵工艺DCS控制系统包括以下基本组成部分：1.传感器：用于实时监测生物发酵过程中的温度、pH 值、溶解氧、浓度等关键参数。
2.执行器：通过控制阀门、泵和搅拌器等设备，实现对发酵过程中的温度、pH值、氧气供应和搅拌速度等变量的调节。
3.控制器：根据传感器测量值和设定值，通过算法计算并发出控制信号，控制执行器调节生物发酵过程中的各个参数。
4.人机界面：通过图形显示界面，实现对生物发酵工艺的监控和操作。
DCS控制系统设计原则在设计生物发酵工艺DCS控制系统时，应考虑以下原则：1.稳定性：控制系统应能实现对生物发酵过程的稳定控制，确保关键参数始终在安全范围内。
2.精确性：控制系统应具备高精度的控制算法和传感器，以确保控制过程的准确性。
3.灵活性：控制系统应具备灵活的参数调节能力，能够适应不同发酵工艺的需求。
4.可靠性：控制系统应具备高可靠性，能够长时间运行而不发生故障。
5.扩展性：控制系统应具备良好的扩展性，能够方便地添加新的传感器或执行器，以适应工艺的变化。
6.安全性：控制系统应具备安全保护功能，能够实时监测和报警，防止事故的发生。
KRH-Ⅱ型智能固态微生物发酵成套装置的研制
Ｆｇ １ Ｔｈ ｔｕ ｔｒ ｆＫＲＨ 一 １ｔｐ ｎｅｌ ｅ ｔｓｌ ｉ． ｅＳｒｃｕｅｏ Ｉｙ ｅｉｔｌｇ ｎ ｏｉ ｉ ｄ
ｓａ ｅ ｆｒ ｎ ａ ｉｎ ｄ ｖｃ ｔ ｔ ｅ ｍｅ ｔｔ ｅ ｉｅ ｏ
通 过离 线检 测获 得 滞 后 的关 键 变 量 信 息 ， 重 制 约 了 严 固态发 酵 系统控 制 性能 的提 高 。
基金项 目：国家“ ６ ８ ３计划” 目（０ ７ Ａ ９ ６ ２ 项 ２ ０ Ａ ０ １０ ） 作者简介 ：蒋 勤 （９ ５一） 男 ， １６ ， 湖南 岳阳人 ， 高级工 程师 ， Ｅ—ｍａ ） （ ｉ ｌ
ｙＪ ｎｑｎ １３ ｅｍｏ ｙｉ ｇｉ＠ ６ ．ｏ ａ
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２１ ０ １年 ４月
和 自动 化 程 度 。
关 键词 ：固态 发 酵 ；发 酵 床 ；模 糊神 经 网络 ；解耦 控 制 ；智 能 控制
中 图分 类 号 ：Ｔ ９ ０ ５；Ｐ ７ ． Ｑ ２ ． Ｔ２３ ４ 文 献标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ３—１ ８ ２ １ ）４— １ ０— ５ ８ Ｘ（ ０ １ ０ ０ ９ ０
农 机 化 研 究
第 ４期
０ 引言
固态发 酵可 以对 农作 物 或农 作物 残余 物材 料 进行 降解 、 复 ， 转化 成 对 人 们有 益 的物 质 ， 无 损 于 自 修 并 既 然生 态系 统 ， 可 以解 决 环 境 污 染 问题 。 因此 ， 代 又 现
固态 发酵 技 术 受 到 空 前 的关 注 。 固态 发 酵 是 一 个 多 相 、 线 性 和 强 关 联 的多 变 量 系统 ， 酵 时 微 生 物 在 非 发 不溶 于水 的 基 质 界 面 上 生 长 繁 殖 ， 长 和 代 谢 涉 及 生 气、 、 固 液三 相 ， 显 著 的 特征 就 是 水 分 活度 低 和传 质 最
生物发酵罐集中控制系统的实现
之 间的数据通信 ， 达到 了多台发酵罐进行 集 中控 制的 目的。
关键 词 ：可 编程 控 制 器 （ Ｌ ） 上 位机 （ Ｃ Ｖ ６ ０ 发 酵罐 ＰＣ Ｐ ） ｃ
２ ２ 数据采样流程 ．
本 系统以西门子 Ｓ ２ ０的 ＰＣ作为 下位机对 发 ７— ０ Ｌ
①
项 目来源 ： 美大学科研启动基金资助项目 （ ０ １ 集 ０５６ ０）
Ａｐｉ ｉ ａ ｐｌ ｏ Ｃｓ ￣ ｎ ｅ实用案例
６ ９
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计 算 机 系 统 应 用
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史一 数 一
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图 ２ 数据采样流程
２ ３ 系统软件 结构 ．
根据 系统结构及 部署 情况 ， 整个系 统分 为三 个 将
在 整个 系统 之中 ， 无疑 上位机 子系 统是 至关 重要
的， 它起 到承 上 启 下 的作 用 ， 整个 系 统 的核 心。为 是 此 ， 文重点对上位机 （ｃ） 本 Ｐ 集中控 制系统 的实现过程
１ 引言
近年来 ， 随着生物 技术的迅速发展． 多研究成果 许 都需要经过发酵工业而转化为产 品， 在进行 大规模 但
察， 靠经验对发 酵罐进行 实时控 制。这样 势必造 成 实
验重复率高 ， 大量耗费实验材料 ， 往往 实验 结果还不 能 令人满意。为此 ， 者利 用西门子 的 Ｓ 作 ７—２ ０可 编程 ０ 控制器 （ Ｌ 作为 下位 机 ， 用 Ｖ ６ ０作为 ＰＣ） 采 ｃ．
基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计
基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计1. 引言1.1 背景介绍啤酒是一种古老的饮品，深受人们的喜爱。
随着啤酒产量的增加和品质要求的提高，传统的手工操作已经不能满足生产的需求。
自动控制技术的应用成为解决这一问题的有效途径。
基于可编程逻辑控制器（PLC）的自动控制系统由于其灵活性、稳定性、可靠性和易维护性等优势，成为工业控制领域的主流技术之一。
啤酒发酵过程是生产过程中最为关键的环节之一，发酵的温度、压力、pH值等参数对啤酒质量具有重要影响。
设计一个基于PLC的啤酒发酵自动控制系统对于提高生产效率、保证产品质量具有重要意义。
本文旨在探讨基于PLC的啤酒发酵自动控制系统设计方案，以提高啤酒生产的自动化水平，保证啤酒品质的稳定性和一致性。
通过引入PLC技术，可以实现对发酵过程的精确控制，提高生产效率，减少人工成本，并实现对生产过程的实时监控和追踪。
1.2 研究意义啤酒是一种历史悠久的饮品，受到广泛的消费者喜爱。
在啤酒的生产过程中，发酵是一个至关重要的环节，直接影响着啤酒的口感和质量。
而传统的发酵过程往往需要依靠人工操作，存在操作不稳定、效率低下、产品质量无法保证等问题。
因此，设计一种基于PLC的啤酒发酵自动控制系统具有重要的研究意义。
首先，基于PLC的自动控制系统能够实现对发酵过程的精准控制，保障啤酒的质量稳定和一致性。
PLC技术具有高精度、高可靠性的特点，能够实时监测和调节发酵参数，确保发酵过程的稳定性和可控性。
其次，基于PLC的啤酒发酵自动控制系统可以提高生产效率，减少人力成本。
传统的人工操作需要大量的人力投入，而自动控制系统能够实现全程自动化生产，节省人力资源，提高生产效率。
总之，基于PLC的啤酒发酵自动控制系统的研究对于提高啤酒生产的质量和效率具有重要的意义，有着广阔的应用前景和市场需求。
1.3 研究目的本研究旨在设计一种基于PLC的啤酒发酵自动控制系统，以提高啤酒生产过程的自动化水平，提高生产效率，保证啤酒质量稳定性和一致性。
申文英基于PLC的蔬菜发酵控制系统设计
理工学院本科生毕业设计（论文）学院（系）：电子与电气工程系专业：电气工程及其自动化学生：申文英指导教师：***完成日期2011 年 5 月理工学院本科生毕业设计（论文）基于PLC的蔬菜发酵控制系统设计Study of Fermenting Vegetable System Based on PLC总计：34 页表格： 3 个插图：15 幅理工学院本科毕业设计（论文）基于PLC的蔬菜发酵控制系统设计Study of Fermenting Vegetable System Based on PLC学院（系）：电子与电气工程系专业：电气工程及其自动化学生姓名：申文英学号：097409100指导教师（职称）：靳瑞敏（副教授）评阅教师：完成日期：理工学院Institute of Technology基于PLC的蔬菜发酵控制系统设计电子与电气工程系申文英[摘要]：本论文主要研究蔬菜发酵技术，根据生产的工艺要求，以“组态王”为上位机监控系统软件，西门子S7-200 PLC为下位机控制电机和泵，触摸屏作为现场人机界面，可完成报警、报表打印等功能。
蔬菜发酵从原料到最终成品的产生，整个过程都在密闭的设备中完成。
通过对系统参数的自动控制实现发酵过程的监控，既利于发酵蔬菜标准的制定，同时也保证了产品的品质。
所设计的系统能够满足用户的需求，具有良好的重用性、可扩充性和可维护性。
[关键词]：分布式控制系统；组态软件；可编程逻辑控制器；温度控制Study of Fermenting Vegetable System Based on PLCElectrical Engineering and Automation Specialty SHEN Wen-yingAbstract: This thesis mainly research the vegetables fermentation technology, according to the production requirements, it with the "KingView" for the PC monitoring system software, Siemens S7-200 PLC for lower level computer to control motor and pump, touch screen for man-machine interface can accomplish the alarm, print and other functions. Vegetables from raw materials to finished products fermentation of generation, the process is completed in the closed equipment. Through the automatic control of system parameters to realize the monitoring fermentation process, both for fermented vegetables standards create conditions, and ensure the quality of the products. The system designed can meet the needs of user, it has the good reusability, scalability, and maintainability.Key words: DCS configuration software；KingView；Programmable Logic Controller；Temperature controlled目录1 引言 (1)1.1 课题背景与研究意义 (1)1.2 蔬菜发酵现状及发展状况 (1)1.3 蔬菜发酵及其处理技术简介及指导思想 (1)1.4 本课题主要研究内容 (2)2控制系统的总体方案设计 (2)2.1 控制系统工艺流程 (2)2.2 分布式监控系统技术 (3)2.3 分布式监控系统的要求 (3)2.4 系统总体方案 (4)2.5 本章小结 (4)3 控制系统的硬件设计 (4)3.1 泵的选型 (4)3.1.1 磁力泵的选型 (4)3.1.2 隔膜泵的选型 (4)3.2 传感器的选型 (4)3.2.1 传感器选型原则 (4)3.2.2 温度传感器的选择 (5)3.2.3 压力传感器的选择 (5)3.2.4 液位传感器的选择 (5)3.2.5 流量传感器的选择 (5)3.2.6 PH值传感器的选择 (5)3.2.7 溶氧量传感器的选择 (5)3.2.8 光电开关传感器的选择 (5)3.3 可编程序控制器的原理及选型 (6)3.3.1 可编程序控制器概述 (6)3.3.2 可编程序控制器的选型 (6)3.4 人机界面的概述及选型 (7)3.5 本章小结 (8)4软件系统的设计与实现 (8)4.1软件设计概要 (8)4.2 上位机组态软件 (8)4.2.1 组态软件的介绍 (8)4.2.2 组态软件的选择 (8)4.2.3 组态王软件的功能 (9)4.2.4 利用组态王建立监控系统的方法 (9)4.2.5 组态王的界面应用 (9)4.3 下位机PLC软件 (11)4.4 温控系统设计 (16)4.4.1 PID控制算法的参数整定 (16)4.4.2 PID控制器概述 (16)4.4.3 PID参数的整定 (18)4.4.4 PID指令及其回路表 (19)4.5 串口通讯 (22)4.5.1 PLC通讯功能的概述 (22)4.5.2 PLC与组态王通讯的实现 (22)4.5.3 PLC与触摸屏的通讯实现 (23)4.6 数据库的选择与连接 (23)4.6.1 数据库概述 (23)4.6.2 Access数据库概述 (23)4.6.3 组态王与数据库连接的实现 (23)4.7 本章小结 (24)结束语 (1)参考文献 (1)附录 (1)致谢 (1)1 引言1.1 课题背景与研究意义本设计将实验室成熟的自动化密闭发酵系统推广应用于传统发酵蔬菜产业中，使蔬菜产品与现代技术相结合，将目前的手工作坊式生产改为工业化连续生产，将传统的粗放型生产改为集约型生产，着眼于提高蔬菜产品的附加值，为发酵产业在国内外市场做大、做强奠定基础，同时也增加了农民收入。
发酵过程中温度自动控制的设计
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图 ４ 系统 的动态 结 构
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新疆 农 业科 学
３ ９卷
其 中 ：ｅｓ为温 度 智 能表 的传 递 函数 Ｇ （）
电阻 ， 系统的温度设定在温度智能表上进行 ， 原有 由计算机 的温度控制完全断开 ， 传输到计算机 中的数 据 只用 于 监测 和 记 录 ， 不再 参 于控 制 过程 。该 控 温 系统 以智 能表 、 调压 器 、 加热 器 和水 箱 为主 。 图 １
图 １ 恒 温 控制 系统 原理
１２ 系统 组 成 方块 图 ．
该 系统 采 用单 回路定 值 调 节 系统 。
１ 系统 工 作 原 理
１． 系统 组成 原 理 １
．
水 箱 容积 ０ ３ｍ３内置 ２ Ｗ 的 加 热 器 两 组 。水 泵 功 率 １ ５ Ｗ。 压 力 开 关 的作 用 是 防 止水 泵 “ ． ， Ｋ ．Ｋ 闷
泵 ” 当发 酵罐 夹层 的进水 阀或 回水 阀没 有 打 开 时 ， 力 开关 将 切 断水 泵 电源 。温 度 传 感 器 为 Ｐｌ０铂 ， 压 ｔ ０
（ 疆农科院微生物应 用研 究所， 新 新疆乌鲁木 齐 ８００ ） ３００
摘
要 ： 高 温 中性 蛋 白 酶 发 酵 中试 研 究 中温 度 控 制 进 行 了改 进 设 计 ， 用 ＰＤ 调 节 器 的 自动 诃 节 ， 对 采 Ｉ 由调 压 器
调节 加热器 的功率 ， 而实现 了恒 温控制 。 从
基于智能控制算法的发酵过程的温度控制
酵 温度 ， 以 最 大 限度 提 高 最 终 产 物 的 产 量 。因此 ， 为 水 槽温 度 影 响 发酵 温度 的过 程 可 以用 一 阶惯 性 加 可 发 酵 温度 控制效 果 的好 坏直 接影 响最 终 产 物 的产 量 ， 纯 滞后 的数 学 模 型 来 描 述 。另 外 ， 当环 境 温 度 与 水 在发 酵过 程 中 占有 十 分重 要 的地 位 。发 酵 温 度 回路 槽 温度 相 差 较 大 时 ， 水 在 夹 套 中 向 外 辐 射 能量 的 温 工 艺 流程 如 图 １所示 。 因 素不 容 忽视 。
收 藕 日期 ：０ ７０－８ ２ ０－ ３１
作者简介 ： 吴君晓（ ９８） 男 ． １ ７一 ． 河南叶县人 ． 本科 ． 主要从 事 自动控制系统及其实现研究．
３ １
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水 与加热 对水 槽温 度 的影 响 强度是 不 同的 。
从 以上分 析可 见 ， 酵 罐 发酵 过 程 的温 度 控 制相 发 当复杂 ， 普通 的控 制 方 法 是 很 难 奏 效 的 ， 合 本 系 用 结
图 １ 发 酵 过 程 工 艺 流 程 圈
统 的实 际情 况 ， 们考 虑 用智 能控 制算 法 实 现发 酵 过 我
Ｖｏ ． ５ № ． １１ ３
Ｍａ ． ０ ７ ｙ ２ ０
基 于 智 能控 制算 法 的发 酵 过 程 的温度 控 制
吴 君 晓 陈 岩 朱 广 。 ， ，
（． 南 机 电 高 等专 科 学校 ， 南 新 乡 ４ ３０ ；． 封 大 学 机 电学 院 ， 南 开 封 ４ ５ ０ ； １河 河 ５０２２开 河 ７０ ４ ３ 河南高速公路发展有限公司， 南 新 乡 ４３０） ． 河 ５ ０ ０ 摘 要 ：文 中在 详 细 分 析 影 响 发 酵 罐 发 酵 温 度 因 素 的 基 础 上 ， 出 了一 种 智 能 控 制 算 法 ， 述 了 该 算 法 的 具 体 实 提 详 现 ｔ 投 入 实 际 系 统 中运 行 ， 果 证 明 该 算 法 控 制效 果 良好 。 并 结
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威控智能式生物发酵自动控制系统设计
1.系统概述：
智能式生物发酵系统要求强大的自动控制功能、可扩展性强、操作灵活、稳定可靠以及故障率低。
基本控制参数为：温度、搅拌速度、PH、DO、进气流量、罐压、定时定量流加、连续发酵、液位、多种自动补料方式、自动消泡等。
特殊分析、控制为：如CO2、密度、糖份、自动灭菌等。
2.系统组成：
1. 发酵罐玻璃、不锈钢
2. 控制系统
（1）可编程控制器（整个控制系统的核心组件）
（2）传感器: 温度传感器、PH值传感器、容氧传感器、压力传感器
（3）变送器: 4~20mA变送器（起到信号变送的作用）
（4）现场执行设备
变频器: 控制电机，由AO输出控制
交流电机: 控制压缩机，由变频器控制
蠕动泵: 控制酸碱的加入，由AO输出控制
3. 本地控制（1）5.7寸或10.4寸工业级人机界面，现场显示、操作终端
（2）本地监控程序，在触摸屏中运行
4．远程监控（1）PC电脑
（2）上位组态软件
5．其它（1）电源（2）报警装置
结构图：
3．嵌入式生物发酵控制系统架构
方案一，RTU-6600 + HMI-1041
方案一采用10.4”人机界面，在人机界面运行组态软件，可进行复杂操作，并可将系统运行数据实时传送到监控室。
如图。
图、RTU-6600+HMI-1041 方案
方案二，RTU-6600 + HMI-5702/HMI-3802
方案二采用5.7”或3.8”人机界面，在人机界面上进行简单的设置和数据的监测，将系统运行
数据实时传送到监控室，由上位机组态软件进行远端控制。
如图。
图、RTU-6600+HMI-5702方案
3．1 RTU-6600
RTU-6600作为控制核心，完成多个回路的PID控制、模糊控制任务；同时与10.4”人机界面通讯，实现与嵌入式组态软件的无缝结合。
3．2 人机界面
10.4”人机界面，内置操作系统和嵌入式组态软件，完成与RTU-6600的通讯、上位显示、设置、报警、报表输出以及历史数据存储等功能。
生物发酵系统组态界面
3.3 通讯方式：
4．3．1 Modbus/TCP
Modbus/TCP，通过RTU-6600以太网与人机界面通讯，这种通讯方式通过以太网进行，使用标准的Modbus/TCP协议。
4．3．2 Modbus/RTU
Modbus/RTU(485)，通过RTU-6600的RS-485与人机界面通讯，这种通讯方式通过RS-485进行，使用标准的Modbus/RTU协议。
4.系统安装调试现场
5.生物发酵现场运行
显示界面。