海洋生物酶发酵过程自动控制研究

论文摘要

海洋生物酶发酵自动控制系统,是中国水产科学研究院黄海水产研究所承担的国家“九五”863计划项目(海洋生物酶示范工程)的配套电气控制系统。海洋生物酶是采用我国海洋产酶微生物的代谢产物,运用现代生物工程手段开发出的一种新型酶制剂产品,与传统酶制剂相比具有更为广阔的应用领域和市场前景。海洋生物酶发酵自动控制系统是海洋生物酶产业化进程的重要载体,它将现代工业自动化技术与传统生物发酵技术相结合以实现海洋生物酶发酵过程的自动优化控制。海洋生物酶发酵自动控制系统以PLC(可编程序控制器)为控制核心,将现场总线、变频调速、人机界面、模糊控制和PID控制等先进工控技术应用于海洋生物酶发酵的过程控制。其中,发酵工艺参数的采集、归档、优化和控制是该系统需要解决的核心问题。本课题以海洋生物酶发酵硬件系统为基础,重点研究海洋生物酶发酵各生产工艺参数的归档、优化和控制。根据车间既有发酵设备、配套系统及海洋生物酶发酵自身的特点,以发酵过程中的温度、PH值和溶解氧浓度为研究对象,分别探讨其基于PLC的最优自动控制方式。其中,发酵温度和PH值的控制均采用具有脉宽调制功能的PID控制技术,而发酵溶解氧浓度的控制则采用了模糊PID控制技术,将模糊控制和传统的数字PID控制相结合以优化溶解氧浓度的自动控制。另外,本文对发酵优化控制策略基于西门子PLC程序的实现作了详细探讨。为实现现场发酵生产工艺参数的实时、历史数据的显示、归档和优化,系统采用西门子公司的WinCC软件构建上位机监控系统,根据发酵生产工艺的需要进行组态和优化,将发酵生产的整个过程实时显示在上位机中,并实现了生产工艺参数的自动归档和配方管理,从而进一步提高了海洋生物酶发酵生产的自动化水平。因此,上位机WinCC发酵监控系统的构建也是本文重点探讨的问题。海洋生物酶发酵各生产工艺参数的归档、优化和控制等功能的实现,以西门子PLC程序的编写和人机界面的组态为基础。系统在采用优化控制方式前提下,控制现场相关执行机构,以使各工艺参数达到发酵所需的最优值。另外,本文对海洋生物酶发酵的工艺流程及自动控制系统的硬件结构、网络组态等进行了简要介绍。截至目前,海洋生物酶示范工程项目已进入试运行阶段,该自动控制系统运行稳定、可靠,发酵相关工艺参数的控制达到了生产工艺要求,上位机监控软件的应用有效的提高了该系统的自动化水平和酶制剂产品的品质。与传统的人工控制发酵过程相比,该系统具备巨大的产业化优势,具有产量高、品质好和成本低的特点,并初步显现出良好的经济效益和社会效益,也是国内酶制剂生产产业化进程的一次积极探索。

论文目录

• 目录
• CONTENTS
• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 海洋生物酶发酵控制技术的发展现状
• 1.1.1 海洋生物酶技术研究概述
• 1.1.2 国内海洋生物酶发酵控制技术发展现状
• 1.2 本课题的研究背景及意义
• 1.3 本课题研究的主要内容
• 第二章 海洋生物酶发酵工艺流程及其控制技术要求
• 2.1 海洋生物酶发酵工艺流程简介
• 2.1.1 海洋生物酶示范工程总体工艺流程
• 2.1.2 海洋生物酶发酵工艺流程
• 2.2 海洋生物酶发酵工艺控制功能要求
• 第三章 海洋生物酶发酵自动控制系统硬件与软件实现
• 3.1 发酵自动控制系统PROFIBUS-DP网络结构
• 3.1.1 PROFIBUS现场总线技术简介
• 3.1.2 海洋生物酶发酵自动控制系统PROFIBUS-DP网络组态
• 3.2 发酵控制系统主要控制器件功能介绍
• 3.3 海洋生物酶发酵自动控制系统基于PLC的软件实现
• 3.3.1 发酵控制系统基于STEP 7的硬件组态
• 3.3.2 发酵控制系统基于STEP 7的网络通信设置
• 3.3.3 发酵控制系统基于STEP 7的PLC程序结构
• 第四章 海洋生物酶发酵温度、PH值的控制策略及其实现
• 4.1 海洋生物酶发酵温度、PH值的自动控制策略
• 4.1.1 海洋生物酶发酵温度、PH值控制的必要性
• 4.1.2 海洋生物酶发酵温度、PH值的自动控制原理
• 4.1.3 数字PID控制算法简述
• 4.2 发酵温度和PH值PID控制基于PLC的实现
• 4.2.1 STEP 7中连续PID控制器SFB 41和脉冲发生器SFB 43简介
• 4.2.2 温度、PH值PID控制在STEP 7中的实现
• 第五章 海洋生物酶发酵溶解氧Fuzzy-PID控制研究
• 5.1 海洋生物酶发酵溶解氧自动控制策略
• 5.1.1 海洋生物酶发酵溶解氧的特性
• 5.1.2 海洋生物酶发酵溶解氧自动控制策略探讨
• 5.2 发酵溶解氧Fuzzy-PID控制系统的构建
• 5.2.1 发酵过程溶解氧控制变量的选择
• 5.2.2 发酵溶解氧PID控制器的构建
• 5.2.3 发酵溶解氧Fuzzy控制器的构建
• 5.3 发酵溶解氧Fuzzy-PID控制基于PLC的实现
• 5.3.1 PLC程序控制算法流程
• 5.3.2 溶解氧Fuzzy控制在STEP 7中的实现
• 第六章 WinCC在海洋生物酶发酵自动优化控制中的应用
• 6.1 西门子WinCC V6.0监控软件介绍
• 6.1.1 WinCC的性能特点
• 6.1.2 WinCC产品分类及系统构成
• 6.2 海洋生物酶发酵WinCC监控系统的构建
• 6.2.1 用户身份管理
• 6.2.2 组态系统变量
• 6.2.3 发酵工艺流程、状态监控
• 6.2.4 工艺参数实时曲线和历史数据表格
• 6.2.5 故障信息报警
• 6.2.6 发酵工艺配方管理
• 结论
• 附录
• C"输入输出参数表'>附录A SFB 41"CONT_C"输入输出参数表
• 附录B SFB 43"PULSEGEN"输入输出参数表
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表