本實用新型屬于生化生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域，特別涉及一種基于PLC的谷氨酸發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng)中的應用。
背景技術(shù)：
谷氨酸是生物機體內(nèi)氮代謝的基本氨基酸之一，世界上氨基酸產(chǎn)量最大的品種，是工業(yè)發(fā)酵領(lǐng)域的重要產(chǎn)品。目前，在谷氨酸的發(fā)酵過程控制中，大都采用有工控機、顯示器、組態(tài)軟件和PLC相結(jié)合的控制方式，工控機、顯示器和組態(tài)軟件相結(jié)合，用于PLC采集到的開關(guān)量狀態(tài)、模擬量數(shù)值的顯示。
PLC控制系統(tǒng)的工作流程：PLC是控制系統(tǒng)的核心，利用專用的編程軟件，對PLC所要控制的各種開關(guān)量、模擬量進行編程，通過計算機串口與PLC通訊口進行連接，將編程調(diào)試好的程序下載至PLC控制器中。將現(xiàn)場設備泵類、閥類設備的啟動、停止、運行狀態(tài)信號按照PLC內(nèi)部設定的地址連接至PLC的I/O端子，模擬量，如溫度、壓力、流量，則是經(jīng)過變送器，將信號連接至相應的模擬量擴展模塊。因為PLC的模擬量擴展模塊接收標準電信號4-20mA DC(0-20mA)或0-5V DC(O-10V DC)的電壓或電流信號，因此現(xiàn)場用于測量溫度、壓力、流量的傳感器必須經(jīng)變送器變送才能輸入至PLC模塊。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
1、實用新型目的
本實用新型針對谷氨酸生產(chǎn)過程中產(chǎn)物濃度在線估計時間過長，難以通過過程中的可測變量對谷氨酸進行準確估計，而提供一種谷氨酸產(chǎn)物濃度的在線估計方法、裝置及監(jiān)控系統(tǒng)。
2、本實用新型所采用的技術(shù)方案：
本實用新型提出的基于PLC的谷氨酸發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng)，包括：PLC、上部溫度傳感器、中部溫度傳感器、下部溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、溶氧儀；上部電磁閥、中部電磁閥、下部電磁閥、壓力調(diào)節(jié)閥、兩級功率電阻絲，EM235模擬量擴展模塊；PLC與上位機PC通信；上部電磁閥、中部電磁閥、下部電磁閥、壓力調(diào)節(jié)閥、兩級功率電阻絲分別與CPU通信控制；上部溫度傳感器、中部溫度傳感器、下部溫度傳感器、壓力傳感器、液位傳感器、溶氧儀分別與EM235模擬量擴展模塊相連傳遞測量數(shù)據(jù)；上部電磁閥、中部電磁閥、下部電磁閥分別與上部溫度傳感器、中部溫度傳感器、下部溫度傳感器相連進行檢測開關(guān)控制，所述的壓力調(diào)節(jié)閥與壓力傳感器相連。
更進一步具體實施例中，所述的PLC為西門子PLC S7-224CN。
更進一步具體實施例中，所述的兩級功率電阻絲分別為200W電阻絲和400W電阻絲。
更進一步具體實施例中，所述EM235模擬量擴展模塊為兩塊。
更進一步具體實施例中，PLC通過PC/PPI總線與上位機PC通信。
3、本實用新型的有益效果：
本實用新型通過最小二乘迭代算法估計輸出非線性模型的參數(shù)，從而建立谷氨酸產(chǎn)物濃度模型，利用該生產(chǎn)過程中的可測輸入變量實現(xiàn)谷氨酸生產(chǎn)過程產(chǎn)物濃度的在線估計。
附圖說明：
圖1發(fā)酵罐監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式：
一、實施例
谷氨酸發(fā)酵是整個谷氨酸生產(chǎn)過程最重要的環(huán)節(jié)，對谷氨酸發(fā)酵溫度和壓力的控制是決定谷氨酸質(zhì)量和生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)小型谷氨酸生產(chǎn)廠以基地式儀表的手動控制方法為主，不僅控制質(zhì)量不穩(wěn)定、操作工人的勞動強度大，生產(chǎn)效率低，而且不能靈活地修改工藝參數(shù)。本實用新型開發(fā)以西門子S7-200型PLC為核心器件的谷氨酸發(fā)酵監(jiān)控系統(tǒng)，提高谷氨酸發(fā)酵的自動化水平。
1 監(jiān)控系統(tǒng)的組成
谷氨酸發(fā)酵過程涉及到微生物細胞的生長和代謝，是一個具有時變性、隨機性和多變量輸入輸出的動態(tài)過程。由于有些變量(菌體濃度、基質(zhì)濃度、產(chǎn)物得率等)在線檢測困難，不能直接作為被控變量，因此在發(fā)酵過程中主要采用與質(zhì)量有關(guān)的變量，如溫度、攪拌轉(zhuǎn)速、pH值、溶解氧、泡沫等作為被控變量。針對發(fā)酵過程中影響微生物代謝的各環(huán)境參數(shù)的重要性，對溫度、壓力、溶解氧和泡沫高度進行重點控制。
本實用新型選用西門子公司的PLC S7-224CN為控制核心，實現(xiàn)信號的采集并通過PC/PPI總線與上位機PC通信。發(fā)酵罐監(jiān)控系統(tǒng)有6路模擬量輸入，包括上部溫度傳感器信號、中部溫度傳感器信號、下部溫度傳感器信號、壓力傳感器信號、液位傳感器信號、溶氧儀信號；6路數(shù)字量輸出，包括上部電磁閥控制信號、中部電磁閥控制信號、下部電磁閥控制信號、壓力調(diào)節(jié)閥控制信號、200W電阻絲控制信號和400W電阻絲控制信號，選用兩塊EM235作為模擬量擴展模塊，谷氨酸發(fā)酵罐監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 控制方案
（1）溫度控制回路
溫度對谷氨酸發(fā)酵的影響是多方面的，溫度不僅會影響菌體內(nèi)各種酶的活性，還會影響生物合成途徑，此外，對發(fā)酵液的物理性質(zhì)也會產(chǎn)生影響。因此發(fā)酵過程需維持適宜的溫度。一般來講，谷氨酸產(chǎn)生菌的最適生長溫度為30-34℃，其生產(chǎn)谷氨酸的最適溫度為35-37℃。在谷氨酸發(fā)酵前期長菌的階段應采用與種子擴大培養(yǎng)時相應的溫度，以滿足菌體生長最適溫度。若發(fā)酵前期溫度過高，菌體容易衰老，生產(chǎn)上常出現(xiàn)前勁大后勁小，后期產(chǎn)酸緩慢，菌體衰老自溶，周期長、產(chǎn)酸低，并影響提取；若前期溫度過低，則菌體繁殖緩慢，周期長，必要時可補加玉米漿，以促進生長。一般控制在發(fā)酵開始的溫度上，每隔5-6小時升1℃即可。在發(fā)酵中、后期菌體生長已停止，由于谷氨酸脫氫酶的最適溫度比菌體生長繁殖的溫度要高，為大量積累谷氨酸，需要適當提高溫度。發(fā)酵工藝上要求溫度控制系統(tǒng)能快速、小超調(diào)、無余差地跟蹤給定值的變化。在實際工程應用中，為了降低工程實施的難度，使用PID控制算法對谷氨酸發(fā)酵罐的上、中、下溫度進行控制。S7-200 PLC的指令集中直接提供了PID計算功能，所以利用此指令將控制參數(shù)存入相應的寄存器中，通過不斷調(diào)試整定參數(shù)，最后去一組最佳值進行溫度控制，選用增量PID，設采樣周期為T，增量式PID控制算法的離散化形式為：
，
其中：是控制器輸出，是比例系數(shù)，是積分系數(shù)，微分系數(shù)，系統(tǒng)偏差。
（2）壓力控制回路
谷氨酸發(fā)酵工藝過程對控制的要求除了控制罐溫在特定階段與設定的工藝曲線相吻合以外，還要控制罐內(nèi)氣體的有效排放，以使罐內(nèi)壓力符合工藝要求。在發(fā)酵期間，如壓力升得過高，應緩慢放氣，使壓力達到要求。放氣太快，發(fā)酵液內(nèi)溶解的CO2驟然汽化逸出。PLC根據(jù)發(fā)酵罐內(nèi)的壓力來調(diào)節(jié)電磁閥的動作。
（3）溶氧控制回路
通常對攪拌式發(fā)酵罐中溶解氧的控制是通過調(diào)節(jié)攪拌電機的轉(zhuǎn)速和通氣量來實現(xiàn)的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器控制攪拌電機的轉(zhuǎn)速，從而控制攪拌葉的轉(zhuǎn)動；并且對電磁閥進行脈寬調(diào)制可以實現(xiàn)對通氣量精確連續(xù)的調(diào)節(jié)，達到改變發(fā)酵液中溶氧濃度的目的。
3 監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)
通過PC/PPI總線把PLC和上位機連接，發(fā)酵罐自動監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)工藝要求實現(xiàn)對各發(fā)酵罐內(nèi)的溫度、壓力等影響谷氨酸質(zhì)量的重要因素進行實時監(jiān)控。通過組態(tài)王軟件設定和修改各種工藝參數(shù)?；赑C的網(wǎng)絡監(jiān)控實現(xiàn)對整個發(fā)酵罐的監(jiān)控，主要由基本信息顯示、工藝參數(shù)配置、設備監(jiān)視、工藝實時/歷史曲線顯示等四個主要界面組成。