CN102732423A

CN102732423A - 一种生物发酵控制器

Info

Publication number: CN102732423A
Application number: CN2012102258610A
Authority: CN
Inventors: 张相胜; 潘丰
Original assignee: Jiangnan University
Current assignee: Jiangnan University
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2012-06-29
Publication date: 2012-10-17

Abstract

本发明涉及到一种控制设备，具体说是一种生物发酵控制器。按照本发明提供的技术方案，该控制器包括可以连接温度、压力、PH、泡沫、溶氧传感器的输入接口，实现数据处理和控制的ARM嵌入式系统，实现参数选择和输入的控制键盘，实现温度、压力、PH、泡沫、溶氧控制的输出接口，实现参数显示的液晶屏组成；控制器定时向传感器接口发送命令，传感器接口接收到命令后将最新采样的处理数据回传给ARM嵌入式系统，ARM嵌入式系统通过循环冗余校验无误后，根据工艺要求进行向输出接口发送执行指令，并且通过485/以太网接口向上位机传送数据，从而实现主要参数的测量与控制功能。本控制器具有体积小，功耗低，安装使用灵活方便等特点，适用于各种发酵过程。

Description

一种生物发酵控制器

技术领域

本发明涉及ARM嵌入式系统作为核心开发的用于生物发酵的控制器，具体涉及利用ARM嵌入式系统实现发酵过程中温度、压力、PH、消泡、溶氧等主要参数的测量与控制功能。

背景技术

生物发酵过程是一种非常复杂的生物、物理、化学变化过程，它的特点是非线性、时变性、复杂性。

目前国内外各发酵罐生产厂家生产的发酵罐和控制柜均配有溶解氧浓度、PH、温度等最常见环境变量的定值控制系统，但是，外部环境条件的寻优或者说发酵过程的动态最优化是要靠人工进行确定或设定的。因此，在深入了解生物发酵过程的基础上，开发生物反应器智能控制器，针对非线性、时变、复杂的生物发酵过程，将智能控制技术融入到了生物发酵控制系统中，实现发酵过程的智能优化控制具有非常重要的意义。

基于32位ARM架构的嵌入式微处理器以其高性能、低功耗、低成本的优势，得到了很好的推广，同时由于国内微电子与嵌入式技术迅速发展。在此背景下，本系统现场控制的下位机的硬件平台将采用基于ARM内核的嵌入式片上系统为核心，操作系统移植嵌入式实时操作系统Linux。同时采用集散控制(DCS)技术，实现一台上位机可以同时与多台下位机的数据通讯和远程监控，而且下位机可以脱离上位计算机单独对各种参数进行控制。

发明的内容

针对现有生物发酵过程的特点，申请人经过研究，提供了一种基于ARM的生物发酵控制器，应用于生物、食品、医药等诸多领域中生物发酵过程中温度、压力、PH、消泡、溶氧等主要参数的测量与控制功能。该控制器包括可以连接温度、压力、PH、泡沫、溶氧传感器的输入接口，实现数据处理和控制的ARM嵌入式系统，实现参数选择和输入的控制键盘，实现温度、压力、PH、泡沫、溶氧控制的输出接口，实现参数显示液晶屏组成；发酵控制器定时的向传感器接口发送命令，传感器接口接收到命令后将最新采样后的处理数据回传给ARM的嵌入式系统，ARM的嵌入式系统通过循环冗余校验无误后，根据工艺要求进行向输出接口发送执行指令，并且通过以太网接口向上位机传送数据，从而实现主要参数的测量与控制功能。

本发明的技术方案如下：

一种生物发酵控制器，包括温度、压力、PH、消泡、溶氧等主要参数的测量与控制功能。

具体步骤如下：

①选择合适的ARM嵌入式处理器；

②设计控制系统的PCB开发板；

③设计系统软件；

④软件调试，实现系统的控制要求。

本发明利用ARM嵌入式系统实现对发酵过程中温度、压力、PH、消泡、溶氧等主要参数的测量与控制功能，为进一步实现高效的智能控制提出全新的思路。

具体实施方式

整个生物发酵控制器主要是由基于ARM核的处理器、存储体、RS485通讯接口电路、数字量隔离输入电路、模拟量隔离输入电路、数字量隔离输出电路、键盘及显示数码管等组成，用于接收、存储和处理数据，组成框图如图1所示，可以在线通过键盘改变参数，或者利用上位机通过RS485/以太网接口输入相关参数并存储于控制器的存储体中，如图3所示。

基于ARM核的低功率、高度集成的处理器是控制器的核心，负责整个控制器的运行管理。系统启动后，在时钟信号的驱动下，通过输入通道实时的采集温度、压力、PH、消泡、溶氧等主要参数，并且能够按照控制要求送到输出通道，实现温度、压力、PH、消泡、溶氧的控制。此外还可以实现运行状态的监控，当发现异常信号时，将发出报警信号。

存储器用于存储相应的数据，键盘和显示屏用于输入工作参数，RS485/以太网通讯接口接收上位机传送过来的数据；发酵控制器负责整个系统的数据采集和运行控制。

温度模块、压力模块、PH模块、消泡模块、溶氧模块作为输入输出模块用于和传感器及控制设备进行数据传输。

温度探头把温度信号变换为标准信号，传送到发酵控制器中，由发酵控制器编制的程序经过运算后输出信号，控制加热或冷却阀，达到控制温度的目的。

压力表把压力信号变换为标准信号，传送到发酵控制器中，由发酵控制器编制的程序经过运算后输出信号，控制气阀，达到控制压力的目的。

PH探头把PH信号变换为标准信号，传送到发酵控制器中，由发酵控制器编制的程序经过运算后输出信号，控制加酸、加碱的蠕动泵，达到控制PH的目的。

泡沫探头把泡沫信号变换为标准信号，传送到发酵控制器中，由发酵控制器编制的程序经过运算后输出信号，控制消泡蠕动泵，达到控制泡沫的目的。

溶氧探头把溶氧信号变换为标准信号，传送到发酵控制器中，由发酵控制器编制的程序经过运算后输出信号，根据需要选择变频器控制搅拌转速或气阀控制进气流量，达到控制溶氧的目的。

附图说明

图1是生物发酵控制器的模块组成示意图。

图2是生物发酵控制器电路组成示意图。其中(1)是传感器接口、(2)是ARM嵌入式系统、(3)是控制键盘、(4)是显示液晶屏、(5)是输出接口。

图3是生物发酵控制器与上位机的连接示意图。

上述各电路模块均为市售商品，各电路模块间的连接方式及工作过程均采用现有技术。以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下，可以做出其他改进和变化。

Claims

1.一种生物发酵控制器采用ARM的嵌入式系统作为控制的核心，该控制器包括可以连接的温度、压力、PH、泡沫、溶氧传感器输入接口，实现数据处理和控制的ARM嵌入式系统；实现参数选择和输入的控制键盘；实现温度、压力、PH、泡沫、溶氧控制的输出接口，实现参数显示的液晶屏组成；生物发酵控制器定时的向传感器接口发送命令，传感器接口接收到命令后将最新采样的处理数据回传给ARM的嵌入式系统，ARM的嵌入式系统通过循环冗余校验无误后，根据工艺要求进行智能运算后向输出接口发送执行指令，并且通过以太网接口向上位机传送数据，从而实现主要参数的测量与控制功能。其特征在于：选用Linux操作系统作为控制器的操作平台，可以方便的实现各种复杂的功能；采用低功耗的ARM处理器作为控制器的CPU，负责算术和逻辑运算。

控制开始时首先通过键盘设置传感器类型，并进行标定，生物发酵控制器通过A/D转换电路对于设置的传感器进行采样，并将采样数据保存至存储器中，同时生物发酵控制器根据命令将数据通过以太网传送给上位机。生物发酵控制器与上位机之间可以通过串口或者以太网口连接，通讯协议是MODBUS或者以太网协议；

数据采集的周期可以通过上位机在线设定或者通过生物发酵控制器的键盘进行设定，并将最新的200组数据保存于存储器中；

上位机中编制控制软件可以实现显示所相连的生物发酵控制器的实时画面，可以显示和控制发酵过程中温度、压力、PH、消泡、溶氧等主要参数，可以设置和修改相应的测量控制参数，可以保存测量数据。

2.根据权利1的要求所述，其特征是采用嵌入式架构，所述ARM芯片作为主控核心，负责数字和逻辑运算，通过移植的嵌入式实时操作系统Linux管理和协调其他部分的工作；根据生物发酵控制器的测量结果执行预定的设置项目，接受上位机传输的数据处理并进行响应。