CN113881557A - 一种基于物联网的发酵系统及发酵罐 - Google Patents

一种基于物联网的发酵系统及发酵罐 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于物联网的发酵系统及发酵罐，其中发酵系统包括：控制组件，所述控制组件与所述发酵罐设置到一起，用于监控发酵罐发酵状态，并接受远程指令控制发酵罐启停和运行；服务后台，与每个所述控制组件均通过网关信号连通，所述控制后台将每个所述控制组件按照编号排序，并根据排序结果控制所述控制组件按预设间隔时间依次启动对应的发酵罐。本发明中，采用控制后台预设启动模式，通过网关带动发酵罐的控制组件进行间隔启动，避免了发酵罐搅拌电机同时启动过程中对电网的冲击，在发酵罐启动时间分散后，发酵罐在搅拌过程中需要高转速高功率的时间也随之分散，降低了对预留功率的需求，提高了能源利用效率。

Description

一种基于物联网的发酵系统及发酵罐
技术领域
本发明属于发酵设备技术领域，尤其是涉及一种基于物联网的发酵系统及发酵罐。
背景技术
发酵行业是目前社会工业的重要组成之一。随着科技发展，发酵行业也从原来的食品、环保燃料、废料再利用等领域发展到基因工程,细胞工程,酶工程等高精尖领域。发酵工程利用微生物为人们营造了一个更为健康的生活环境，在环境工程中也有的较多的运用。
发酵罐是发酵产业链用到的一种设备。在发酵过程中经常需要对发酵罐内部的发酵液体进行搅拌来实现发酵罐内部的温度控制、菌种混合、内部气体扩散或添加剂分散等。
原来的发酵行业中，一个发酵车间一般只对一种物料或产品进行发酵作业，通过人工控制多个发酵罐采用统一启停、统一转速搅拌的方式实现发酵作业。这种方式在发酵电机启停和同时高功率、低功率运转的方式不但能效利用率低，更会给电网带来较大的震荡冲击。为了匹配发酵车间的运作，发酵厂往往会给发酵车间准备较高的功率额度和较多的配套转换设备，浪费物力、人力，不符合国家目前对节能减排、产业升级的要求。发酵企业为了避免电机统一启动过程中电压、电流冲击而额外的耗电设备和为发酵车间预留的功率额度明显不符合国家控制碳排放、限电等措施要求。
发明内容
为了弥补上述发酵车间发酵罐统一启停造成电网冲击，统一运行导致功耗高效率低的缺陷，本发明提出一种基于物联网的发酵系统及发酵罐。
其技术方案为：一种基于物联网的发酵系统，包括：控制组件，所述控制组件与所述发酵罐设置到一起，用于监控发酵罐发酵状态，并接受远程指令控制发酵罐启停和运行；服务后台，与每个所述控制组件均通过网关信号连通，所述控制后台将每个所述控制组件按照编号排序，并根据排序结果控制所述控制组件按预设间隔时间依次启动对应的发酵罐。
一种用于上述系统的发酵罐，包括：固定在所述发酵罐内部的搅拌桨；与所述搅拌桨通过主轴连接的驱动电机；与所述主轴通过传动系统连接的辅助电机；所述驱动电机的电机轴与所述主轴直接连接，所述主轴与所述传动系统通过离合结构传动连接到一起；所述辅助电机、所述驱动电机均与所述控制组件电连接。
本发明中，采用控制后台预设启动模式，通过网关带动发酵罐的控制组件进行间隔启动，避免了发酵罐搅拌电机同时启动过程中对电网的冲击，在发酵罐启动时间分散后，发酵罐在搅拌过程中需要高转速高功率的时间也随之分散，降低了对预留功率的需求，提高了能源利用效率。
同时本发明提出一种搅拌罐，搅拌罐采用辅助电机配合启动模式，进一步降低了启动过程中对电网的冲击。本发明采用驱动电机直连搅拌桨的方式，大功率的驱动电机在正常运转时，不经历传动系统的能耗，将电机绝大部分时间都运行在最佳效率区间。同时本发明采用小功率的辅助电机在搅拌系统启动时驱动搅拌桨转动，将搅拌桨驱动到合适转速后再关闭辅助电机以节省能量。
采用本发明的搅拌系统，驱动电机和辅助电机大部分时间都运行在高效率输出区间，提高了能效比。同时驱动电机避免了从转速从零开始全压启动的问题，避免了冲击电网，保护了电机寿命。
附图说明
图1为本发明系统的一种实施方式的结构示意图；
图2为本发明发酵罐的一种实施方式的结构示意图；
图3为本发明发酵罐离合结构的一种实施方式的结构示意图；
图4为本发明发酵罐的上驱动套与下驱动套的一种实施方式的结构示意图；
图5为图3实施例中顶杆改变角度后的一种实施方式的结构示意图；
图6为本发明发酵罐搅拌桨的桨叶的一种实施方式的俯视结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
结合图1，本发明一种实施方式。
一种基于物联网的发酵系统，包括：控制组件，所述控制组件与所述发酵罐设置到一起，用于监控发酵罐发酵状态，并接受远程指令控制发酵罐启停和运行；服务后台，与每个所述控制组件均通过网关信号连通，所述控制后台将每个所述控制组件按照编号排序，并根据排序结果控制所述控制组件按预设间隔时间依次启动对应的发酵罐。本发明中，采用控制后台预设启动模式，通过网关带动发酵罐的控制组件进行间隔启动，避免了发酵罐搅拌电机同时启动过程中对电网的冲击，在发酵罐启动时间分散后，发酵罐在搅拌过程中需要高转速高功率的时间也随之分散，降低了对预留功率的需求，提高了能源利用效率。此外，本发明中，还可以为整个地区或整个园区的的控制后台通过网络与总控制端连接到一起，通过总控制端分别规划控制每个控制后台的启动时间，实现对所有发酵车间的总调度，合理规划总控制端所连接的发酵车间的用电波峰波谷，降低电网负荷。
进一步的，上述搅拌系统中，所述排序方式为间隔排序，所述预设间隔时间为1-3分钟。本实施例中，对于一个发酵车间的发酵产品，间隔在1-3分钟可以实现电机完全启动的同时又不会导致第一个启动的发酵罐与最后一个启动的发酵罐启动时间间隔太久，不会因为时间间隔降低车间生产效率。同时对于个别需要特殊恒定温度范围的物料来说，在这个间隔时间段不会影响发酵结果，不用额外增加保温时间。
参照图2，本发明搅拌罐的一种实施方式。目前发酵罐主要采用异步电机来带动减速皮带轮或减速器实现对发酵罐内部的搅拌桨的驱动。然而，异步电机的启动过程一直是电机领域的难题，国家规定超过7.5KW的电机都不能采用全压启动的直启方式，必须通过异步电机带动减速设备启动或减压启动或等方式。上述启动方式中，减压启动无法满足发酵设备的搅拌需求，而利用减速机构的启动方式虽然可以降低对电机启动过程的冲击，但这种传动方式的工作效率不高，减速器齿轮传动或者减速皮带传动系统会进一步降低系统工作效率。这种电机间接驱动桨叶的方式在电机转速稳定后具有能耗高、效率低的特点，在目前节能减排和限电的前景下还有较大提升空间。为此本发明进一步提出一种发酵罐，包括：固定在所述发酵罐1内部的搅拌桨2；与所述搅拌桨通过主轴3连接的驱动电机4；与所述主轴通过传动系统5连接的辅助电机6；所述驱动电机的电机轴与所述主轴直接连接，所述主轴与所述传动系统通过离合结构7传动连接到一起；所述辅助电机、所述驱动电机均与所述控制组件电连接。
本实施方式中，所述传动结构为减速传动结构，用于将辅助电机输出的转速减速后输出到所述主轴。为了避免主要对搅拌桨输出动力的驱动电机的功率浪费，本发明采用驱动电机直接连接搅拌桨的方式，大大提高了驱动电机的能效比，同时为了避免驱动电机在启动过程中的冲击同时满足启动搅拌桨的力矩要求，本发明采用功率较小的辅助电机配合传动系统实现搅拌桨的启动。辅助电机虽然功率较小，但通过传动系统的减速作用，辅助电机将高速扭矩转化为对搅拌桨的低速高扭矩，并维持辅助电机在适宜的转速区间，保证搅拌桨启动的同时维持了辅助电机的高效率。虽然辅助电机通过传动机构有了功率的浪费，但与大功率的驱动电机配合相应的减速机构相比，辅助电机的浪费功率远小于驱动电机直连所节省的功率，发酵罐的综合能效比依然可以提高5％-10％，使其满足国家对节能减排的要求。同时本发明利用目前先有的电机技术做出改动，极大的节省了发酵厂对众多发酵设备的改造成本。
进一步的，为了减少辅助电机启动过程中的冲击，所述辅助电机功率低于7.5KW。辅助电机功率低于7.5KW，可以采用直接启动方式，避免了超标电机启动过程中的复杂操作和其他配件。
结合图3，进一步的，所述离合结构包括：与所述传动系统传动连接并套设在所述主轴外侧的下驱动套71，所述下驱动套与所述主轴之间留有空隙；固定套设在所述主轴外侧并与主轴同步转动的上驱动套72，所述上驱动套位于所述下驱动套上方；设置在所述上驱动套与所述下驱动套之间的动力选择组件73，所述动力选择组件用于根据所述驱动电机和所述辅助电机的输出情况来选择主轴的转动动力来源。本实施例中，辅助电机启动后带动主轴旋转，在主轴转动到一定转速后启动驱动电机。辅助电机为了提高输出扭矩，经过减速机减速后的转速比驱动电机工作转速低，为了避免在驱动电机介入工作后将动力反向输出到辅助电机，本发明采用两个驱动套配合动力选择组件的方式为主轴选择动力来源，动力选择组件的选择方式包括：在驱动电机未启动时，以辅助电机作为动力来源；在驱动电机启动但未达相应转速时，以辅助电机或辅助电机配合驱动电机作为动力来源；在驱动电机达到相应转速后，以驱动电机作为动力来源。动力选择组件根据实际需要选择是否传动连接辅助电机。本实施例中，下驱动套可以通过轴承74安装在支架75上，而支架与外界固定或与发酵罐固定连接。
在本发明中，所述动力选择组件可以为棘轮。为了实现动力组件的动力选择，在实际改进过程中我们首先选择了技术成熟的棘轮，通过棘爪和齿轮的配合实现辅助电机对主轴的单向输出。但是在实际工厂车间中棘轮机构出现一些问题。首先棘轮结构存在转动噪声，虽然单个棘轮噪声并不大，但在发酵车间中多个棘轮在较为接近的转速下噪声放大导致车间内非常吵，严重影响车间指令传达正常生产和相关工作人员的身心健康；其次，棘轮在摩擦过程中产生热量，在运转一段时间后棘轮外表面发热导致棘爪容易产生形变，影响寿命，添加冷却油或润滑液后还容易产生漏油，影响发酵质量；第三，棘轮结构仍然存在项目的摩擦造成驱动电机的功率浪费。为了解决上述问题，本发明进一步的，所述动力选择组件包括铰接在所述下驱动套上表面的顶杆76，所述顶杆在所述下驱动套转动时在惯性作用下与所述下驱动套上表面夹角变大；所述顶杆底部的铰接轴两侧设有限制所述顶杆夹角范围的限位斜面；所述上驱动套底面设有与所述顶杆顶端对应的阻台78，所述上驱动套与所述下驱动套通过所述顶杆与所述阻台配合构成单向传动结构。结合图4-图5，采用本实施例的结构，铰接的顶杆在下驱动套转动过程中在惯性作用下向后移动同时顶部抬高随转动抵触到上驱动套的阻台，将动力通过阻台传输到上驱动套，而上驱动套再将动力传输到主轴带动搅拌桨转动，实现发酵罐的搅拌。在驱动电机开启后，主轴的动力来源逐渐转移到驱动电机，而驱动电机驱动主轴的转速超过辅助电机或辅助电机关机后，顶杆受到阻台的顺向撞击，与下驱动套夹角减小，顶杆在倾斜状态下顶杆顶端低于阻台下平面，顶杆与阻台脱离，辅助电机脱离与主轴的传动连接。采用本实施例的传动方式，顶杆在惯性和重力作用下自动抬起顶住阻台或自动与阻台分离，实现了辅助电机与主轴之间的离合结构，同时避免了辅助电机不转的时候主轴的功率浪费。
进一步的，结合图4-图5，为了提高顶杆抬起和低下的速度，所述限位斜面包括设置在所述顶杆前侧的第一斜面和设置在所述顶杆后侧的第二斜面，所述第一斜面和所述第二斜面配合限制所述顶杆与所述下驱动套上表面夹角范围在85-55度之间。本实施方式，以主轴转动切线方向为前。在顶杆抬起角度最大，即与下驱动套上表面夹角85度时，第二斜面在限制顶杆角度同时还为顶杆提供支撑力，避免铰接端在长期使用过程中形变损坏。而顶杆最小角度55度是为了方便在惯性作用下顶杆轴向受力大于重力，方便顶杆抬起。
进一步的，为了方便顶杆的反应速度，所述顶杆顶端设有配重块，利用顶杆与铰接轴的杠杆原理实现快速反应。
进一步的，本实施例中，所述阻台对应所述顶杆一侧设有压力传感器。通过压力传感器感应顶杆对阻台的压力，进而判断主轴目前的动力来源，使辅助电机的停止时间更加精确。压力传感器感应的压力分为增加-减少-归零3个阶段，分别对应主轴的动力来源为辅助电机、辅助电机和驱动电机配合、驱动电机三个阶段，在压力归零时，确定辅助电机已经不再向主轴输出动力，此时可以将辅助电机关机。所述压力传感器采用无线连接方式与辅助电机的控制器连接。
此外，对于搅拌需求较高的发酵系统，原来可以通过提高电机转速以实现搅拌需求，但在本发明中，为了使驱动电机更加高效节能，本发明采用不改变电机转速而改进搅拌桨的方式。为了达到上述搅拌要求，本发明通过为搅拌桨的桨叶增加涡流发生器的方式来实现搅拌需求。
参照图6，所述涡流发生器22可以在桨叶21的初端、中部和末端以3：2：1的数量分布。同时桨叶末端的涡流发生器还可以将涡流搅拌轴的轴心线外扩散，以提高搅拌效果。采用涡流发生器可以大大的提高桨叶的搅拌效率，即便驱动电机始终运行在最佳转速区间也可以满足发酵罐的较高搅拌需求。此外，本实施例的涡流发生器在采用两个不对称的翼条组成，外侧的翼条与桨叶径向夹角大于内侧的翼条，通过这种不对称设计产生的涡流向外扩散过程中存在一定梯度，可以更好的按照由内到外的方式对发酵罐内的发酵液产生搅拌作用。
上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于物联网的发酵系统，其特征在于，包括：
控制组件，所述控制组件与所述发酵罐设置到一起，用于监控发酵罐发酵状态，并接受远程指令控制发酵罐启停和运行；
服务后台，与每个所述控制组件均通过网关信号连通，所述控制后台将每个所述控制组件按照编号排序，并根据排序结果控制所述控制组件按预设间隔时间依次启动对应的发酵罐。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的发酵系统，其特征在于，所述排序方式为间隔排序，所述预设间隔时间为1-3分钟。
3.一种用于权利要求1-2任意一项权利要求所述发酵系统的发酵罐，其特征在于，包括：固定在所述发酵罐内部的搅拌桨；与所述搅拌桨通过主轴连接的驱动电机；与所述主轴通过传动系统连接的辅助电机；所述驱动电机的电机轴与所述主轴直接连接，所述主轴与所述传动系统通过离合结构传动连接到一起；所述辅助电机、所述驱动电机均与所述控制组件电连接。
4.根据权利要求3所述的用于发酵系统的发酵罐，其特征在于，所述传动结构为减速传动结构，用于将辅助电机输出的转速减速后输出到所述主轴。
5.根据权利要求3所述的用于发酵系统的发酵罐，其特征在于，所述辅助电机功率低于7.5KW。
6.根据权利要求3所述的用于发酵系统的发酵罐，其特征在于，所述离合结构包括：与所述传动系统传动连接并套设在所述主轴外侧的下驱动套，所述下驱动套与所述主轴之间留有空隙；固定套设在所述主轴外侧并与主轴同步转动的上驱动套，所述上驱动套位于所述下驱动套上方；设置在所述上驱动套与所述下驱动套之间的动力选择组件，所述动力选择组件用于根据所述驱动电机和所述辅助电机的输出情况来选择主轴的转动动力来源。
7.根据权利要求6所述的用于发酵系统的发酵罐，其特征在于，所述动力选择组件包括铰接在所述下驱动套上表面的顶杆，所述顶杆在所述下驱动套转动时在惯性作用下与所述下驱动套上表面夹角变大；所述顶杆底部的铰接轴两侧设有限制所述顶杆夹角范围的限位斜面；所述上驱动套底面设有与所述顶杆顶端对应的阻台，所述上驱动套与所述下驱动套通过所述顶杆与所述阻台配合构成单向传动结构。
8.根据权利要求7所述的用于发酵系统的发酵罐，其特征在于，所述限位斜面包括设置在所述顶杆前侧的第一斜面和设置在所述顶杆后侧的第二斜面，所述第一斜面和所述第二斜面配合限制所述顶杆与所述下驱动套上表面夹角范围在85-55度之间。
9.根据权利要求8所述的用于发酵系统的发酵罐，其特征在于，所述顶杆顶端设有配重块。
10.根据权利要求7所述的用于发酵系统的发酵罐，其特征在于，所述阻台对应所述顶杆一侧设有压力传感器。
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