生物發(fā)酵過程自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-資料下載頁(yè)

【導(dǎo)讀】針對(duì)該問題，將這項(xiàng)設(shè)備技術(shù)中融入PLC控制，WinCC組態(tài)控制的技術(shù)，時(shí)進(jìn)行組態(tài)監(jiān)控，數(shù)據(jù)記錄，故障報(bào)警。本文研究了微生物發(fā)酵自動(dòng)加藥的硬件選型和PLC軟件編程，WinCC組態(tài)，以及。PLC與觸摸屏之間，PLC與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的信號(hào)采集與數(shù)據(jù)傳輸方式，接入了ph，溫度，DO，出蠕動(dòng)泵運(yùn)行的占空比。整個(gè)系統(tǒng)通過傳感器采集對(duì)象參數(shù)輸出的模擬量信號(hào)，在中央處。統(tǒng)進(jìn)行控制，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)，使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。改造后的微生物自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)集技術(shù)性、操作性、實(shí)用性、科研性于一體。的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

　　

【正文】 話，關(guān)閉滅菌，進(jìn)行下一步進(jìn)入發(fā)酵，下面幾方面的控制是同時(shí)進(jìn)行的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、 ph 調(diào)節(jié)、 DO 調(diào)節(jié)這幾個(gè)方面對(duì)于微生物發(fā)酵都是非常重要的，任何一方面都是缺一不可的，詢問是否需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，如果轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，不需要再進(jìn)行調(diào)節(jié)，那就到達(dá)下一步，如果沒有達(dá)到穩(wěn)態(tài)就需要調(diào)用轉(zhuǎn)速子程序?qū)D(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，來(lái)控制發(fā)酵的效率，溫度調(diào)節(jié)也和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)很類似，如果對(duì)于發(fā)酵的溫度不滿足條件的情況下就需要調(diào)用溫度子程序，前面已經(jīng)對(duì)于溫度調(diào)節(jié)的 PLC 程序進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明， ph 以及溶解氧（ DO）的調(diào)節(jié)也是幾乎相同的，當(dāng)這些都達(dá)到了穩(wěn)定的狀態(tài)，到達(dá)下一步詢問是否發(fā)酵是否結(jié)束，如若沒結(jié)束就返回上一級(jí)繼續(xù)進(jìn)行發(fā)酵，調(diào)節(jié)溫度 、轉(zhuǎn)速、 ph 和 DO，如果達(dá)到了穩(wěn)態(tài)就直接執(zhí)行下一條語(yǔ)句發(fā)酵結(jié)束，進(jìn)而結(jié)束發(fā)酵系統(tǒng)的整個(gè)發(fā)酵過程。這就是微生物發(fā)酵過程自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)的 PLC流程框圖。 PLC 編程使用了 PID 控制算法，這個(gè)算法對(duì)于控制整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定也是非常重要的。PID 是閉環(huán)控制系統(tǒng)的比例－積分－微分控制算法， PID 控制器根據(jù)設(shè)定值（給定）與被控對(duì)象的實(shí)際值（反饋）的差值按，照 PID 算法計(jì)算出控制器的輸出量，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)去影響被控對(duì)象的變化。 PID 控制是控制器中最常用的控制算法，常規(guī) PID 控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 34 所示。系統(tǒng)由常規(guī) PID 控制器和被控對(duì)象組成。 圖 37 常規(guī) PID 控制 第三章 生物發(fā)酵自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)的工作原理及運(yùn)行特性 26 PID 控制器是一種線性控制器 ,它根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 c(t)構(gòu)成控制偏差 :e(t)=r(t)c(t)。將偏差的比例 (P)積分 (I)和微分 (D)通過線性組合構(gòu)成控制量 ,對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制 ,故稱 PID 控制器。 其控制規(guī)律為： ])()()()(1)([)(0I tdtdeTtdteTteKtu Dt ??? ?? 寫成傳遞函數(shù)的形式： )11()( )()( STSTKSE SUsG DIP ???? 式中， KP—— 比例系數(shù)； Tl—— 積分時(shí)間常數(shù)； TD—— 微分時(shí)間常 數(shù)。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō) ,PID 控制器各環(huán)節(jié)的作用如下 : (l)比例環(huán)節(jié) (P):即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。它對(duì)控制作用和擾動(dòng)作用的響應(yīng)都很快，主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)有靜差存在。 (2)積分環(huán)節(jié) (I):主要用于消除靜差 ,提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Tl， Tl 越大 ,積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 (3)微分環(huán)節(jié) (D):能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì) (變化速率 )，并能在偏差信號(hào)值變的太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度 ，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。 下面介紹一下常規(guī) PID 組合成的控制方案： (1)比例積分 (PI)調(diào)節(jié) : PI 調(diào)節(jié)器就是利用 P 調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響 ,同時(shí)利用 I 調(diào)節(jié)消除殘差 ,但 I 調(diào)節(jié)會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性 ,這種調(diào)節(jié)器在過程控制中是應(yīng)用最多的一種調(diào)節(jié)器。其傳遞函數(shù)為 : )11(1)11()( STSTKSG IIPC ???? ? (2)比例微分 (PD)調(diào)節(jié) : 這種調(diào)節(jié)器由于有微分的超前作用 ,能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度 ,加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程 ,減小動(dòng)南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 27 態(tài)和靜態(tài)誤差 ,但微分抗干擾能力較差 ,且微分過大 ,易導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥動(dòng)作向兩端飽和。因此一般不用于流量和液位 控制系統(tǒng)。 PD 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為 : )1(1)1()( STSTKSG DDPC ???? ? (3)比例積分微分 (PID)調(diào)節(jié)器 : PID 是常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一種調(diào)節(jié)器。由于它具有各類調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn) ,因而使系統(tǒng)具有更高的控制質(zhì)量。它的傳遞函數(shù)為 : )11(1)11()( STSTSTSTKSG DIDIPC ?????? ? PLC 編程算法中有 PID 控制算法和模糊控制算法，利用 PID 算法可以更快更準(zhǔn)確的達(dá)到穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而提高生產(chǎn)的效率，再來(lái)看看 PID 控制算法道德一些特性了解到由線性控制理論可知 ,積分控制作用 (I)能消除穩(wěn)態(tài)誤差 ,但動(dòng)態(tài) 響應(yīng)慢 。比例控制作用 (P)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 ,而比例積分控制作用既能獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度 ,又能具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 PID 算法蘊(yùn)涵了動(dòng)態(tài)控制過程中過去、現(xiàn)在和將來(lái)的主要信息，而且其配置幾乎最優(yōu)。比例 (P)代表了當(dāng)前的信息，起糾正偏差的作用，使過程反應(yīng)迅速。微分 (D)在信號(hào)變化時(shí)有超前控制作用，代表了將來(lái)的信息。在過程開始時(shí)強(qiáng)迫過程進(jìn)行，過程結(jié)束時(shí)減小超調(diào)，克服振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加快系統(tǒng)的過渡過程。積分 (I)代表了過去積累的信息，它能消除靜差，改善系統(tǒng)靜態(tài)特性。此三作用配合得當(dāng)，可使動(dòng)態(tài)過程快速、平穩(wěn)、準(zhǔn)確，收到良 好的效果。此控制算法具有準(zhǔn)確性、快速性，穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是指控制系統(tǒng)在受到干擾作用后，系統(tǒng)的平衡被破壞，在控制設(shè)備的控制作用下，控制系統(tǒng)能恢復(fù)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)，稱為穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。穩(wěn)定的控制系統(tǒng)的被控參數(shù)和控制參數(shù)的過渡過程曲線最后趨于平衡；不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)過渡過程曲線則是漸擴(kuò)的，無(wú)法恢復(fù)平衡。準(zhǔn)確性指被控參數(shù)的實(shí)際值與給定值之間的動(dòng)態(tài)偏差和靜態(tài)偏差。最大動(dòng)態(tài)偏差是指整個(gè)過渡過程中被控參數(shù)偏離給定值的最大差值；靜態(tài)偏差是過渡過程結(jié)束后被控參數(shù)與給定值之間的差值。現(xiàn)場(chǎng)中希望兩個(gè)偏差越小越好。快速性指過渡過程的 持續(xù)時(shí)間，即從干擾發(fā)生起至被控參數(shù)又建立新的平衡狀態(tài)為止的過渡時(shí)間。一般認(rèn)為被控參數(shù)進(jìn)入偏離給定值范圍內(nèi)就基本穩(wěn)定了。當(dāng)然，過渡時(shí)間越短，控制過程進(jìn)行的就越快，系統(tǒng)品質(zhì)也就越好。所以確定用 PID 控制算法可也更好的執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)算法，而且能夠更好的提高生產(chǎn)效率。 第三章 生物發(fā)酵自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)的工作原理及運(yùn)行特性 28 說(shuō)了這么多 PID 控制算法的優(yōu)點(diǎn)，我們來(lái)舉一個(gè)實(shí)例說(shuō)明 PID 的算法如何使用。如圖35 所示。 在使用 PID 指令向?qū)Ь幊虝r(shí)，指令向?qū)?huì)自動(dòng)調(diào)用 PID 指令，并且編寫外圍的控制變量標(biāo)準(zhǔn)化換算、定時(shí)采樣等功能。用戶在使用 PID 指令向?qū)r(shí)，需要在用戶程序中 用 調(diào)用指令向?qū)傻淖映绦颍ㄈ? PIDx_INIT 子程序）。 PID 向?qū)Э梢陨蓭ё詣?dòng) /手動(dòng)切換功能的子程序，這個(gè)子程序使用一個(gè)數(shù)字量點(diǎn)為“ 1”、“ 0”的狀態(tài)來(lái)控制是否投入 PID 自動(dòng)控制。 圖 38 PID 向?qū)芍噶? ，實(shí)數(shù) /手動(dòng)控制， “ 1” =自動(dòng)， “ 0” =手動(dòng) ， 之間的一個(gè)實(shí)數(shù) 控制輸出值 這是一個(gè)最簡(jiǎn)單的 PID 控制算法語(yǔ)句， 代表著整個(gè)系統(tǒng)的開關(guān)，當(dāng)有脈沖時(shí)這個(gè)語(yǔ)句就 會(huì)運(yùn)行， a 代表過程反饋量，表示整個(gè)過程一周期下來(lái)會(huì)和設(shè)定值存在一定的偏差，PID 就會(huì)根據(jù)這個(gè)值進(jìn)行調(diào)整，一直到整個(gè)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定， b 是一個(gè)設(shè)定值，不用多說(shuō)， c是自動(dòng) /手動(dòng)控制的，“ 1”代表系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行控制整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，“ 0”代表手動(dòng)控制整個(gè)系統(tǒng)，設(shè)定一個(gè)值，效率不會(huì)有自動(dòng)控制的效率高，但是也不能省略這個(gè)點(diǎn)，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)問題導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)問題時(shí)就需要人為介入，調(diào)整一個(gè)值，將系統(tǒng)調(diào)整為一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)， d 代表手動(dòng)控制的輸出值，也就是手動(dòng)控制時(shí)測(cè)定為人為輸入的一個(gè)值， e 代表控制輸出值就是 PID 調(diào)節(jié)輸出增量 +初 始值輸出，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)需要達(dá)到的穩(wěn)態(tài)目標(biāo)值區(qū)間， PID 根據(jù)這個(gè)區(qū)間自動(dòng)調(diào)節(jié) PID 控制輸出值。但是這里整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行存在一個(gè)明顯南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 29 的問題，那就是當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)處在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下工作，甚至停止工作，此時(shí)就需要人為控制設(shè)定，但是在這個(gè)系統(tǒng)中人為設(shè)定值時(shí)不變的，就會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)的工作曲線發(fā)生突變，瞬時(shí)的上升或者瞬時(shí)的下降導(dǎo)致原料和能源的浪費(fèi)，所以我們就需要這個(gè)設(shè)定值隨著系統(tǒng)的運(yùn)行不斷發(fā)生變化，避免在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)發(fā)生工作溫度、溶解氧、 ph、溫度、轉(zhuǎn)速發(fā)生突變對(duì)資源造成浪費(fèi)，下面圖 36 就應(yīng) 對(duì)這個(gè)問題對(duì)PID 輸出控制做出了相應(yīng)的調(diào)整以避免這種情況。為了實(shí)現(xiàn)這種無(wú)擾動(dòng)切換，就必須達(dá)到以下兩個(gè)要求：首先， 在從自動(dòng)向手動(dòng)切換時(shí)，使手動(dòng)輸出值（ VD20xx）等于當(dāng)前的實(shí)際控制輸出值 。另一方面， 在從手動(dòng)向自動(dòng)切換使，使設(shè)定值相當(dāng)于當(dāng)前的過程反饋值。 因此，編寫了以下的算法程序來(lái)應(yīng)對(duì)這種情況。 圖 39 無(wú)擾切換處理程序 /手動(dòng)切換控制點(diǎn) ，使手動(dòng)輸出值等于實(shí)際當(dāng)前值 ，把當(dāng)前反饋量換算為相應(yīng)的給定值 由此可見， PID 比例積分微分控制算法能夠準(zhǔn)確、快速 、穩(wěn)定的控制整個(gè)系統(tǒng)，是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)的不二之選。 上下位機(jī) 的通信流程 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的問題就是 PC 機(jī)和 PLC 之間的通信。其通信程序流程圖如圖3 311 所示。 第三章 生物發(fā)酵自動(dòng)加藥控制系統(tǒng)的工作原理及運(yùn)行特性 30 圖 310 上位 PC機(jī)通信流程 圖 311 下位機(jī) PLC機(jī)通信流程 設(shè)計(jì)中采用 MPI 網(wǎng)絡(luò)完成上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。其方式簡(jiǎn)單 ,應(yīng)用方便。為了保證 PLC 與 PC 機(jī)之間通訊的可靠性，設(shè)計(jì)中加入了軟件握手的方法。由于硬件的連線比較簡(jiǎn)單，不易檢測(cè)通信的 誤碼率，在軟件設(shè)計(jì)中可以通過檢測(cè)握手信號(hào)，來(lái)判斷 PC 機(jī)和 PLC之間的通訊是否正常，以保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。因?yàn)橥ㄐ攀窃谏衔粰C(jī)與下位機(jī)之間協(xié)調(diào)進(jìn)行的，所以通信程序也應(yīng)該協(xié)調(diào)，一方處于發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)時(shí)，另一方應(yīng)該處于接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。通信過程中，上位 PC 機(jī)與下位機(jī) PLC 之間要先發(fā)送握手信號(hào)，只有握手成功后，才可以進(jìn)行正常通信，傳送數(shù)據(jù)。如果握手不成功，就應(yīng)該檢查網(wǎng)絡(luò)，檢查過程中下位機(jī)不能正常工作。此過程將會(huì)重復(fù)進(jìn)行，一直持續(xù)到 PC 機(jī)與 PLC 之間的數(shù)據(jù)傳送完畢。軟件握手的加入提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送的效率 ,但是速度相對(duì)減慢。南京工業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) （ 論文 ） 31 第四章 控制系統(tǒng)編程 PLC 編程軟件 STEP7MICRO Win SMART PLC 軟件程序設(shè)計(jì)的一般步驟： （ 1） 具體明了工藝和設(shè)備對(duì)控制系統(tǒng)的要求，必要是可以借助工作循環(huán)圖、流程圖以及時(shí)序圖。這一步是整個(gè)應(yīng)運(yùn)程序的核心工作。 （ 2） 依據(jù)工程設(shè)備的需求， 統(tǒng)計(jì) 所有輸入、輸出信號(hào)，進(jìn)行 I/O 分配。 （ 3） 根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)程序。 （ 4） 通過編程器把編輯好的程序傳送到 PLC 中。 （ 5） 調(diào)試程序，修改程序，直到滿意為止。 （ 6） 程序設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)進(jìn)行在線調(diào)試。 順序控制，循環(huán)掃描是 PLC 的工作方式， PLC 上電之后首先就是對(duì)于模塊的檢查以及初始化，然后根據(jù)程序的存放先后順序執(zhí)行語(yǔ)句，一個(gè)工作過程分為三個(gè)階段，也就是輸入采樣、用戶程序執(zhí)行以及輸出刷新三個(gè)階段。其工作過程框圖如圖 41 所示。 圖 41 PLC 工作過程框圖 (l)輸入采樣。即檢查各輸入的開關(guān)狀態(tài) ,將這些狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)為下一階段使用。在執(zhí)行面的過程時(shí)，無(wú)論輸入信號(hào)如何變化，輸入映像寄存器的內(nèi)容都保持不便，直到下一個(gè)掃描周期開始。 (2)執(zhí)行程序。 PLC 按用戶程序中的指令逐條執(zhí)行，同時(shí)把執(zhí)行結(jié)果暫時(shí)存儲(chǔ)起來(lái)，使元件的狀態(tài)隨著程序 執(zhí)行的過程而變化。 第四章 控制系統(tǒng)編程 32 (3)刷新輸出。按第 1 階段的輸入狀態(tài)在第 2 階段執(zhí)行程序中所確定的結(jié)果，在本階段中對(duì)輸出予以刷新，然后通過一定的方式進(jìn)行輸出并驅(qū)動(dòng)外部負(fù)載。 完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間， PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。 PLC 對(duì)信號(hào)的輸入、數(shù)據(jù)的處理和控制信號(hào)的輸出分別在一個(gè)掃描周期的不同時(shí)間進(jìn)行，這種方式有助于排除系統(tǒng)中受到的干擾。 PLC 采用的串行工作方式 ,可以減少瞬間干擾所引起的誤動(dòng)作 ,增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。 為創(chuàng)建 s7 程序 ,表 31 列出的編程語(yǔ)言均可供使用。標(biāo) 準(zhǔn) STEP7 軟件包提供有 STEP7編程語(yǔ)言 LAD、 FBD 以及 STL。可按選項(xiàng)軟件包購(gòu)買其他的編程語(yǔ)言。然后即可選擇多種不同的編程方法 (梯形圖、功能塊圖、語(yǔ)句表、標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言、順序控制、狀態(tài)圖 ),并選擇是使用基于文本的編程語(yǔ)言 ,還是圖形編程語(yǔ)言。 表 41 PLC 的 編程語(yǔ)言 編程語(yǔ)言 用戶組 應(yīng)用 增量輸入 自由編輯模式 塊 可由 CPU 重新歸檔 語(yǔ)句表STL 偏好使用 類似機(jī)器碼 的語(yǔ)言 進(jìn)行 編程 的用戶 程序?qū)⒏鶕?jù)運(yùn)行時(shí)間 和存儲(chǔ) 器 要求進(jìn)行 優(yōu)化 梯形圖LAD 習(xí)慣于 使用電路圖 進(jìn)行工作的用戶 編輯 邏輯控制 程序 功能 塊圖 FBD 熟練布爾代數(shù)的 邏輯 框的用戶 編輯邏輯控制程序 FLAD、FFBD選項(xiàng)包 熟悉編程語(yǔ)言 LAD 和FDB 的用戶 編寫 F 系統(tǒng)的安全程序 SCL（結(jié)構(gòu)控制語(yǔ)言 ） 使用過 高級(jí)語(yǔ)言 例如 C語(yǔ)言進(jìn)行編程 的用戶 編寫 數(shù)據(jù)處