發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)設計

1、內(nèi)蒙古科技大學過程控制工程課程設計說明書題 目：發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)的設計 學生姓名：學 號：專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器班 級：2009-3指導教師：1目錄前 言.錯.誤！未定義書簽。1工藝過程概述 .錯.誤！未定義書簽。11工藝背景： .錯.誤！未定義書簽。12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 .

2、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 .4.2發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)的設計 .錯.誤！未定義書簽。2.1總體設計方案4.2.1.1系統(tǒng)總框圖 .5.22硬件設計 .6.2.2.1溫度采集電路 .6.2.2.2 PLC與計算機的通信 .6.2.3軟件部分 .7.3總結(jié).1.1.參考文獻：.1.2.2過程控制系統(tǒng)課程設計是測控技術(shù)與儀器專業(yè)的實踐教學環(huán)節(jié)。 其教學目的 是：運用所學專業(yè)知識， 結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)實際， 以儀表控制系統(tǒng)的工程設計為核心， 是學生初步了解生產(chǎn)過程檢測與控制系統(tǒng)的設計方法、 設計規(guī)范和設計步驟， 并 通過實踐設計、繪圖

3、等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的工程意識，掌握一定的工程設計技能， 初步具備獨立承接科研課題或工程設計的能力，受到一次工程師的基本訓練。本次過程控制系統(tǒng)課程設計主題為啤酒廠發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)的設計， 要求 我們了解發(fā)酵罐溫度控制的工藝背景、設計控制方案。3工藝過程概述1.1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 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)酵是放熱反應的過程。 隨著反應的進行， 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 的溫度進行控制顯得十分重要。 啤酒發(fā)酵的全過程分成多個階段，

4、各個階段都有 對應的溫度曲線。 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。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， 進而影響發(fā)酵的動力學特性和產(chǎn)物 的生物合成。1.2.1溫度影響微生物細胞生長 隨著溫度的上升， 細胞的生長繁殖加快。 這是由于生長代謝以及繁殖都是酶 參加的。根據(jù)酶促反應的動力學來看， 溫度升高，反應速度加快， 呼吸強度增加

5、， 最終導致細胞生長繁殖加快。 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a64a026f0029-Numbered_a17ef366-238e-4ded-b009-acd606a38f7溫度影響生物合成的方向a64a026f0029-Numbered_a17ef366-238e-4ded-b009-acd606a38f7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。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

6、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、NH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。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、 出口溫度， 由下式計算出發(fā)酵熱：Q發(fā)酵=GG(t2-t1)/V(1-1)式中：G冷卻水的流量(kg/h)；CW水的比熱kJ/(kg?C)；t2t1分別為冷卻水的進、出口溫度 C)；V-發(fā)酵液的體積(m

7、3)。通過發(fā)酵罐溫度的自動控制，先使罐溫達到恒定，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=(MC+MC2).S(1-2)M系統(tǒng)中發(fā)酵液的質(zhì)量(kg)；M發(fā)酵罐的質(zhì)量(kg);C發(fā)酵液的比熱kJ/(kg?C)；C2發(fā)酵罐材料的比熱kJ/(kg ?C)；S溫度上升速率(C/h)。最適溫度的選擇與發(fā)酵溫度的控制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

8、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)的設計2.1總體設計方案 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。5圖 1 發(fā)酵罐控制過程原理圖2.1.1系統(tǒng)總框圖設計在本設計中采用閉環(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)換成對應的數(shù)值信號送入PLC中，與給 定的溫度信號進行比較，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。

9、圖2是發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)總框圖。液氨出發(fā)酵罐液氨進62. 2 硬件設計2.2.1溫度采集電路圖3是實際的測量電路。圖中，AD581輸出一個標準的+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0C（冰水混合物 中）和100C（沸水中）兩點溫度進行，通過運算放大器A放大使輸出靈敏度為100mV/C,即在0C時， 調(diào)整RP1時輸出0V,在100C時，調(diào)整RP2使輸出為10V。15V圖 3 溫度采集電路2.2.2 PLC與計算機的通信設計系統(tǒng)中，采用一臺PC機和多臺PLC組成控

10、制系統(tǒng)，計算機實行圖形顯圖 2 發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)總框圖7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與計算機連接圖。8轉(zhuǎn)換器計算機圖 4 PLC 與計算機連接圖2.3軟件部分圖5是發(fā)酵罐控制過程的程序流程圖。本設計選擇FX2N-4AD莫塊，并且選 擇通道和相應的量程。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：圖 6 長定時程序流程圖9開始圖 5 發(fā)酵罐控制過

11、程程序流程圖圖 8 還原雙乙酰階段流程圖10各階段溫度控制分為:(1)進料階段，溫度保持在8C,流程圖如圖7所示:圖 7 進料階段流程圖(2)還原雙乙酰階段，溫度保持在12C，流程圖如圖8所示:圖 8 還原雙乙酰階段流程圖11圖 10 存儲階段程序流程圖12停留觀察，溫度保持在6C,流程圖如圖9所示；具體停留觀察階段設定為10個小時，用于檢測發(fā)酵液體內(nèi)的化學物質(zhì)含量， 并將發(fā)酵液中的酵母排出。在沒有到達停留觀察階段時，其PID輸出值為零；圖 9 停留觀察階段程序流程圖儲酒階段，將溫度控制到-C，直到發(fā)酵周期結(jié)束，流程圖如圖10所示13總結(jié)在李剛老師的指導下， 我經(jīng)過了歷時兩個星期的過程控制工程

12、課程設計我從 開始的迷茫逐漸走向清晰的過程， 我在其中收獲頗多。 對于過程控制系統(tǒng)這門課 程我從最初的僅僅對其的書面層次的認識提升到了實際應用。 并自己親自動手設 計了啤酒發(fā)酵溫度控制的過程控制系統(tǒng)。 通過對資料的查找， 我對啤酒的生產(chǎn)工 藝也有了更多地了解。 此外，為了這次設計我還學會了如何使用visio畫制流程 圖。這次過程控制課程設計持續(xù)了兩周， 這也是我第一次做設計， 雖然過程中遇 到了許多困難， 但在李老師的指導以及同學們的幫助下我最終克服了困難， 完成 了設計。雖然我做的不是完美的，但我從中的收益是無窮的。在此，再次感謝指導老師李老師的指導和同學的幫助。14參考文獻：李文濤，李忠虎.過程控制M.北京：科學出版社，2012.2黃桂梅.計算機控制技術(shù)與系統(tǒng)M.北京：中國電力出版社，2008林錦國.過程控制M.2版.南京：東南大學出版社，2006牛超，徐定偉，王軍，呂冰.發(fā)酵罐溫度控制系統(tǒng)的設計J.自動化與儀器 儀表，2008(05)刁育群.微機在啤酒發(fā)酵生產(chǎn)控制系統(tǒng)中的應用J.儀器儀表分析與檢測，1