CN201785393U - 用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置 - Google Patents

用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置 Download PDF

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张瑞青
耿丽微
陈文杰
赵春辉
刘淑霞
王辉
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Abstract

本实用新型涉及一种用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置，包括有液体发酵罐、温度传感器、计算机、数据采集板、控制继电器、水泵和电动调节阀，温度传感器设置在液体发酵罐内，数据采集板插置在计算机的PCI插槽中，计算机内设置有模糊PID控制算法模块与工程测控模块，数据采集板具有模拟输入A/I通道、数字I/O通道及模拟输出A/O通道，分别连接温度传感器、控制继电器及电动调节阀，控制继电器另与电动调节阀电联，水泵出水口通过水管及电动调节阀连接发酵罐的循环冷却水夹层入口。该装置能够实时、准确、自动地监控液体发酵罐内的温度，为菌丝生长提供良好的发酵环境，提高发酵产物产量和质量。

Description

用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置
技术领域
本实用新型涉及一种用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置。
背景技术
在北虫草液体菌种发酵生产的过程中，发酵罐内的温度一个非常重要的控制参数，传统的控制方法是通过II型调节仪表来控制液体发酵罐内的发酵温度，然而对于液体发酵这样的非线性、大滞后系统而言，此控制方法存在着控温效果差、自动化程度低、可靠性不高等诸多缺点。近年来虽开发了一些相应的用于发酵罐温度控制的计算机控制系统(主要采用PID控制技术)，但存在着操作系统繁琐、运行不稳定、维护费用高等缺点，实际使用的效果并不理想。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：在北虫草液体菌种发酵生产的过程中，由于发酵罐内的温度难以实时、准确控制，而目前的计算机控制系统对其应用的效果也不尽人意，为解决该问题，特公开了一种用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置，该装置能够实时、准确、自动地控制液体菌种发酵罐内的温度。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置，包括有液体发酵罐、温度传感器、计算机、数据采集板、控制继电器、水泵和电动调节阀，发酵罐具有循环冷却水夹层，温度传感器设置在液体发酵罐内，数据采集板插置在计算机内对应的插槽中，计算机内设置有模糊PID控制算法模块与工程测控模块，数据采集板具有模拟输入A/I通道、数字I/O通道及模拟输出A/O通道，其中模拟输入A/I通道连接温度传感器，数字I/O通道连接控制继电器，模拟输出A/O通道连接电动调节阀，控制继电器另与电动调节阀电联，水泵出水口通过水管及电动调节阀连接发酵罐的循环冷却水夹层入口。
该套装置的工作原理是：传感器采集发酵罐内的温度，并将检测信号通过数据采集板传送给计算机，计算机将采集到的信息处理后与预先标定好的设定值进行比较，当超过预定值时进行报警，同时输出控制信号，输出的控制信号作用于电动调节阀，控制电动调节阀的开口大小，从而控制发酵罐循环冷却水夹层内冷却水的循环流量，达到调节发酵罐内发酵温度的目的。计算机在建立上述设定值和输出控制信号时通过所设的模糊PID控制算法模块进行运作，模糊PID控制算法模块的运行流程为：a.微机经中断采样获取被控量的精确值，与设定值比较，得到误差和误差变化率作为模糊控制器输入；b.利用专家经验知识，经过对输入输出量的模糊化、模糊控制规则的确定和模糊量的反模糊化处理，得到PID控制器的比例系数KP、微分系数KD和积分系数KI的在线整定；c.利用在线整定得到的比例、微分和积分系数，经PID控制器得到精确的数字控制量；d.数字控制量再经数模转换为精确的模拟量传送给执行机构，以对被控对象进行控制。上述的模糊控制器为两输入三输出的结构形式，输入为发酵罐温度误差e和误差变化量ec，输出为KP、KI、KD，并作为PID控制器的输入，经PID控制器得到控制输出，控制电动调节阀的开口增量Δu(k)。
工程测控模块提供人机交互界面，并对系统全局的运作进行控制。
计算机内还设置有虚拟仪器模块，以代替传统的组合仪表进行运作，在屏幕上动态地显示检测参数的变化，并以表格等形式记录、存储数据，以及进行历史存储数据的查询和统计分析等。
本实用新型的有益效果是：该用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置，能够实时、准确、自动地监控液体发酵罐内的温度，使液体发酵温度始终保持在适当的范围，从而为菌丝生长提供良好的发酵环境，满足菌丝发酵过程对温度的要求，有效提高发酵产物的产量和质量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型的结构组成框图；
图2为本实用新型的控制流程原理框图；
图3为本实用新型中所述模糊PID控制算法模块的工作原理框图。
具体实施方式
一种用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置，如图1所示，其包括有液体发酵罐、温度传感器、计算机、数据采集板、控制继电器、水泵和电动调节阀，发酵罐具有循环冷却水夹层，温度传感器设置在液体发酵罐内，数据采集板插置在计算机内对应的插槽中，计算机内设置有模糊PID控制算法模块与工程测控模块，数据采集板具有模拟输入A/I通道、数字I/O通道及模拟输出A/O通道，其中模拟输入A/I通道连接温度传感器，数字I/O通道连接控制继电器，模拟输出A/O通道连接电动调节阀，控制继电器另与电动调节阀电联，水泵出水口通过水管及电动调节阀连接发酵罐的循环冷却水夹层入口。
在计算机内另设置有用以代替传统的组合仪表进行运作的虚拟仪器模块。
如图2所示，该套装置的工作过程是：液体发酵罐内的温度由温度传感器采集并转换成电信号，通过具有A/D转换功能的数据采集板，将检测信号传送给计算机，计算机一方面利用虚拟仪器软件，代替传统的组合仪表，在屏幕上动态的显示检测参数的变化，并以表格等形式记录、存储数据，另一方面计算机将采集到的信息处理后与预先标定好的设定值25℃进行比较，当超过预定值24±1.O℃时进行报警，同时采用模糊PID控制算法进行运算，输出控制信号，再经数据采集板的数字I/O通道和模拟A/O通道，将输出信号作用于控制继电器和电动调节阀，通过控制调节阀开口的大小，调节发酵罐夹层水温来达到调节发酵温度的目的，实现对液体发酵罐内温度的有效调控。
本例中数据采集板选择了美国NI公司生产的插入式数据采集板PCI-6221。该数据采集板由数据采集器、存储单元和控制逻辑等部分组成。本例中选用该数据采集板的67、68端口连接温度传感器，采集液体发酵罐内的温度；选用52、53端口连接控制继电器，选用21、55端口连接电动调节阀的输入信号，通过输入信号的大小控制电动调节阀开口的大小。
本例中温度传感器选用灵敏度高、线性好Pt100铂电阻温度传感器。温度传感器的温度信号采样周期设置为10秒。
本例中水泵型号为AB-12，其额定功率为40W，最大流量为12升/分。与水泵相连的电动调节阀为ZAZP型电动调节阀。电源输出380V三相交流电经熔断器、控制继电器输入到电动调节阀电源的输入端，数据采集板一方面通过数字I/O口输出低电压信号控制继电器的开合，另一方面通过模拟A/O口输出电压控制信号到电动调节阀的信号输入端，以调节阀口开度大小。其中控制继电器采用了GJ系列(过零型)固态继电器(SSR)作为强电与弱电的接口器件。
如图3所示，模糊PID控制算法模块的工作原理是：微机经中断采样获取被控量的精确值，通过与设定值比较得到误差和误差变化率，作为模糊控制器的二维输入。模糊控制器的结构为两输入三输出的形式，输入为发酵罐温度误差e和误差变化量ec；利用专家经验知识，经过对输入输出量的模糊化、模糊控制规则的确定和模糊量的反模糊化处理，得到PID控制器的比例系数KP、微分系数KD和积分系数KI的在线整定；利用在线整定得到的比例、微分和积分系数，经PID控制器得到精确的数字控制量；输出为控制调节阀开口增量Δu(k)，数字控制量再经数模转换为精确的模拟量输送给执行机构，以对被控对象进行控制。
本例中计算机采用中文WindowsXP操作系统作为软件的运行环境，开发工具选用了美国NI公司推出的虚拟仪器开发软件LabWindows/CVI7.1，工程测控软件包含如下内容：用户界面、数据采集、数据分析、程序控制等几个部分。其中软面板程序用来提供虚拟仪器与用户的接口，它可以在计算机屏幕上生成一个与传统仪器面板相似的图形界面，用于显示测量的结果等。同时，用户还可通过软面板上的开关和按扭，模拟传统仪器的各种操作，通过键盘或鼠标实现对虚拟仪器的控制。仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器，设置特定的参数和工作方式，使虚拟仪器保持在正常的工作状态。应用程序主要用来对输入计算机的数据进行处理，用户就是通过编制应用程序来定义虚拟仪器功能的。测控系统主要包括参数设定、参数标定、检测与控制、报警记录、数据管理、历史查询、帮助等几个模块。在进入测控系统前首先要输入用户密码，输入正确，才可进入主控台。测控系统中的参数设定模块主要是对发酵罐基本参数设置、采集参数、控制参数进行系统设置。设置系统采集参数时，用户可以根据硬件的情况在此处分配各路通道，如对采样周期、模拟输入通道、模拟输出通道和数字通道进行选择与初始化。初始化内容包括给定通道号、量程下限，量程上限，采样时间等数据。如遇硬件故障，需更换通道时，只需重新分配通道即可。参数标定模块是使用户能够通过标准件来标定传感器，用户在第一次使用本装置时，必须首先运行本模块来标定系统。后续测试时，可以直接进行测试。多次测量后，若系统测试结果还不太稳定，可再次进行系统标定。

Claims (2)

1.一种用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置，其特征在于：包括有液体发酵罐、温度传感器、计算机、数据采集板、控制继电器、水泵和电动调节阀，发酵罐具有循环冷却水夹层，温度传感器设置在液体发酵罐内，数据采集板插置在计算机内对应的插槽中，计算机内设置有模糊PID控制算法模块与工程测控模块，数据采集板具有模拟输入A/I通道、数字I/O通道及模拟输出A/O通道，其中模拟输入A/I通道连接温度传感器，数字I/O通道连接控制继电器，模拟输出A/O通道连接电动调节阀，控制继电器另与电动调节阀电联，水泵出水口通过水管及电动调节阀连接发酵罐的循环冷却水夹层入口。
2.根据权利要求1所述的用于北虫草液体发酵过程的温度智能控制装置，其特征在于：计算机内还设置有虚拟仪器模块。
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