CN203825500U - 一种菌种发酵温度控制系统 - Google Patents

Abstract

一种应用于菌种发酵系统的菌种发酵温度控制系统，用于实现菌种发酵过程温度的自动、智能化控制，通过温度模拟采样模块采集温度信息，经控制处理模块与设定温度值比较后，且在温度控制通道输出使能信号打开时，输出加热的信息；其中，还能实现对菌种发酵罐的并行或串行控制。同时为了实现系统监控、参数记录及修改，还设置上位机，实现温度控制系统之间的通信。

Description

一种菌种发酵温度控制系统

技术领域

本发明创造涉及温度控制技术领域，具体涉及菌种发酵的温度控制。

背景技术

在一些发酵领域，如菌种发酵，需要对发酵温度进行严格控制，以保证菌种的生长速度和品质。

现有的发酵温度控制多采用温度控制仪表、使用PLC或PC机进行温度控制；采用温度控制仪表进行温度控制，是单温度点控制，不能实现对多个发酵容器内的温度进行整体协调控制，也不能对加热控制元件进行散热控制；采用PLC进行温度控制，虽然能解决温度控制仪表的一些不足，但是在数据的上传、显示、记录、多台设备的组网运行和小型化方面达不到要求；PC机进行温度控制虽然能解决PLC控制的不足，但是设备需要长时间连续工作，而PC机的稳定性很大程度上依赖于PC机的操作系统，这就会给长时间运行的稳定性带来不确定性。

另外，现有技术中有关于食用菌种植生产环境监控的成熟方案，如公告号为CN201576218U的专利中公开的一种用于食用菌种植生产的温湿度控制器，以单片机为核心，单片机安装在控制柜内，控制柜对外连接有温度传感器、干球温度传感器和湿球温度传感器；所述控制柜上还配备RS485通讯接口及输出插座。采用干湿球方法，具有自动加温、降温、加湿、定时开启循环风、排风和补光等功能；用户仅需要设置温度、湿度及其控制范围，控制器就可以通过控制相应的设备，对食用菌仿生车间进行控制，测湿精度高；通过RS485通讯接口对接电脑监控系统，电脑可对温湿度和其它参数进行监控，并保存测量数据。还有公开号为CN103438932A的食用菌栽培环境的监测系统等。但这些均是对通过菌种来种植或生长食用菌的生长环境的监控，该环境是相对开放、统一的大环境，且该环境的监测介质为空气；而本申请监控对象则是一个个密闭的发酵罐体内的温度，其监测介质为液体；另外，上述控制方案虽然实现了温度及湿度控制，但在一些情况下对特定回路的功能关闭或者模式切换功能未涉及；再者，上述方案均是单机控制，未能实现监控装置之间的相互连接；同时，现有食用菌栽培环境的监测单机控制即可实现，也不需要实现监控装置之间的相互连接及对特定回路功能的控制处理，因此，现有技术提供的食用菌栽培环境的监测控制系统是不同于，也不能借鉴到本发明创造的菌种发酵温控系统中。

发明创造内容

基于背景技术中的问题，本发明创造的实施例通过提供用于控制菌种发酵的温度的系统提出，能够实现菌种发酵过程温度的自动、智能化控制的控制系统及方法；并且克服了上述几种控制方式的不足，同时保留了它们的优点。

具体的，本发明创造通过如下技术方案来实现：

本发明创造的实施例指向于与菌种发酵系统一起使用的菌种发酵温度控制系统，菌种发酵系统的发酵罐内配置有温度传感器及加热器件；其中，菌种发酵温度控制系统包含：

温度模拟采样模块，用于接收温度传感器发来的至少一个发酵罐内的至少一个温度情况，所述温度模拟采样模块连接至系统总线以传输发酵罐内温度信息；

数字输入控制模块，用于接收温度控制通道输出使能信号，所述数字输入控制模块连接至系统总线以传输温度控制通道输出使能状态信息；

通信接口模块，用于接收及发送控制处理模块的实时状态信息和温度的设置参数，所述通信接口模块连接至控制处理模块的通信专用接口；所述温度的设置参数包括对应于每个发酵罐的温度的上限值、下限值及报警值；

控制处理模块，用于接收发酵罐内温度信息、温度控制通道输出使能状态信息、接收并发送实时状态信息和温度的设置参数，处理发酵罐内温度信息、温度的设置参数与温度控制通道输出使能状态信息并从处理的信息产生一个或多个有效温度控制信息，所述有效温度控制信息通过系统总线传输至数字输出模块；

数字输出模块连接至系统总线用于接收控制处理模块发送的有效温度控制信息，并设置输出状态；

所述发酵罐内温度信息存在对应于时间的函数关系，依据所述函数关系判定发酵阶段；所述温度控制系统基于每个发酵罐内的发酵阶段、对应于所述发酵罐的有效温度控制信息进行对发酵罐的串行或并行控制。

根据本发明创造的一个实施例的一个方面，当发酵罐内温度信息低于温度的设置参数下限值，且对应于所述发酵罐的温度控制通道输出使能状态信息打开时，所述控制处理模块产生启动加热的有效温度控制信息；当发酵罐内温度信息高于温度的设置参数上限值，且无论对应于所述发酵罐的温度控制通道输出使能状态信息是否打开，所述控制处理模块产生停止加热的有效温度控制信息；当发酵罐内温度信息高于温度的设置参数报警值，且无论对应于所述发酵罐的温度控制通道输出使能状态信息是否打开，所述控制处理模块产生启动报警的有效温度控制信息；当发酵罐内温度信息低于温度的设置参数报警值，且无论对应于所述发酵罐的温度控制通道输出使能状态信息是否打开，所述控制处理模块产生停止报警的有效温度控制信息。

根据本发明创造的一个实施例的另一方面，若每个发酵罐内温度信息与时间的对应函数关系描述为一个完整的函数，则在每个发酵罐内完成发酵整个过程，所述温度控制系统实现对发酵罐的并行控制；若每个发酵罐内温度信息与时间的对应函数关系描述为一个完整的函数的一部分，则在每个发酵罐内完成发酵整个过程的某一阶段，所述温度控制系统实现对发酵罐的串行控制。

根据本发明创造的一个实施例，所述温度模拟采样模块、数字输入模块及数字输出模块对应有温度模拟采样通道、数字输入通道及数字输出通道；所述温度模拟采样通道分配有唯一对应的数字输入通道及至少一数字输出通道，所述数字输入通道作为数字输出通道的使能信号；所述有效温度控制信息的输出基于该使能信号。

根据本发明创造的一个实施例，还包括作为主站的上位机，所述菌种发酵温度控制系统作为各个从站与上位机进行通信，主站通过现场总线至少对一个从站进行查询并记录该查询数据，将查询到的数据通过现场总线至少传送给另外一台从站，用于实现从站之间的相互通信。

根据本发明创造的另一个实施例，还包括作为主站的任一菌种发酵温度控制系统及作为从站的其它菌种发酵温度控制系统，所述主站通过现场总线至少对一个从站进行查询，将查询到的数据通过现场总线至少传送给另外一台从站；用于实现菌种发酵温度控制系统之间的相互通信。根据本发明创造的实施例的另一方面，所述作为主站的菌种发酵温度控制系统还能够连接至上位机用于执行上位机查询指令，并反馈查询结果，上位机记录该查询结果。

本发明创造通过上述方案实现了根据需要预设发酵参数，实现对多个发酵罐的柔性的串行或并行控制，另外实现了多个控制系统之间的并联工作和上位机数据访问记录。

本发明创造的额外特征和优势将由下文中参照附图的示意性实施例的详细说明变得明显。

附图说明

本发明创造前述的以及其它的目的在结合附图阅读以下详细描述时可以被很好的理解。为了阐述本发明创造，附图中示出了目前优选的实施例，然而可以理解的是，本发明创造不局限于所公开的特定手段。附图中包括以下图：

图1示出根据本发明创造的一个实施例所述的菌种发酵温度控制系统原理图；

图2示出根据本发明创造的一个实施例所述的基于图1的数据、信号关系图；

图3示出在本发明创造的实施例中根据温度值以确定是否输出加热信息的过程图；

图4示出根据本发明创造的一个实施例所述的菌种发酵系统串行工作时的温度控制系统示例图；

图5示出根据本发明创造的另一个实施例所述的菌种发酵系统并行工作时的温度控制系统示例图；

具体实施方式

本优选实施例的菌种发酵温度控制系统，与菌种发酵系统一起使用时，在菌种发酵系统的发酵罐内配置温度传感器、加热器件及报警器；其中，发酵罐是相对密闭的罐体，里面装灌包含菌丝与培养基的液体混合物，根据加热器件所处位置配置压缩气体输入接口，用于翻滚及搅拌液体混合物，使发酵罐内液体混合物受热均匀，根据实际需要在发酵罐内相应位置配置一个或多个温度传感器。现实生产环境中，多个发酵罐同时工作，根据生产工艺需求每个发酵罐内分别发酵不同品种的菌种或同一菌种，每个发酵罐可独立完成整个发酵过程或几个发酵罐同时协调完成一个发酵过程，后一过程即每个发酵罐完成整个发酵过程的一个阶段。

结合图1，本优选实施例的菌种发酵温度控制系统包含温度模拟采样模块，数字输入控制模块，通信接口模块，控制处理模块及数字输出模块，所述五个模块由系统总线连接。

温度模拟采样模块通过电连接从温度传感器采集发酵罐内温度情况，温度模拟采样模块通过SPI串行总线向控制处理模块传输发酵罐内温度信息，所述控制处理模块对传输信息的读取可能是定期地并且持续的，或是在不同的事件之后。

数字输入控制模块通过对应于每一温度模拟采样通道的按钮的开合接收温度控制通道输出使能信号，数字输入控制模块通过并行数据总线向控制处理模块传输温度控制通道输出使能状态信息，所述控制处理模块对传输信息的读取可能是定期地并且持续的，或是在不同的事件之后；读取方式可以是并行并且同步的、线性并且按顺序的、或者偶发高优先级的。

控制处理模块通过USART接口与通信接口模块连接，通信接口模块输出RS485接口与外部主站或从站连接，接收及发送控制处理模块的实时状态信息和温度的设置参数；其中，控制处理模块的实时状态信息包括温度控制通道输出使能状态、手动控制状态、温度控制状态、报警状态以及运行的阶段。本发明创造的优选实施例中，通信接口模块包括两个RS485接口和一个CANBUS接口，RS485接口一个配置为主站模式，一个配置为从站模式；其中，主站模式RS485接口和CANBUS接口可以用于连接其他从站设备，从站模式RS485接口可以连接触摸屏或者上位机。温度的设置参数可以通过触摸屏输入，包括对应于每个发酵罐的温度的上限值、下限值及报警值。该温度的设置参数可以是预设在温控系统中也可以在菌种发酵过程中随时输入自定义的参数至控制处理模块。

控制处理模块可以在定期的和持续的时间间隔内，或者在不同的事件时，接收感测到的信息。在本发明创造的其它实施例中，可以包含传输中断以便使某些消息优先并且打断正常运行顺序，比如操作员手动设置加热状态而不管加热参数的上下限。

结合图2，控制处理模块可以不断的、或者以预定的时间间隔计算感测到的温度与所要求的温度之间的差异，控制处理模块可以连续的尝试和减小上述差异。控制处理模块将接收到的发酵罐内温度信息与温度的设置参数进行比较，并且根据温度控制通道输出使能状态信息产生一个或多个有效温度控制信息：当发酵罐内温度信息低于温度的设置参数下限值，且对应于该罐的温度控制通道输出使能状态信息打开时，控制处理模块产生启动加热的有效温度控制信息；当发酵罐内温度信息高于温度的设置参数上限值，且无论对应于该罐的温度控制通道输出使能状态信息是否打开，控制处理模块产生停止加热的有效温度控制信息；当发酵罐内温度信息高于温度的设置参数报警值，且无论对应于该罐的温度控制通道输出使能状态信息是否打开，控制处理模块产生启动报警的有效温度控制信息；当发酵罐内温度信息低于温度的设置参数报警值，且无论对应于该罐的温度控制通道输出使能状态信息是否打开，控制处理模块产生停止报警的有效温度控制信息。在本发明创造的实施例中，控制处理模块可以接收操作员启动的命令例如当操作员已发现故障时停止加热。

控制处理模块将实时状态信息及发酵罐内温度信息通过USART接口传输给通信接口模块，在触摸屏或上位机上显示；控制处理模块同时接收触摸屏或上位机发送的状态信息和温度设置信息，并且将上述有效温度控制信息通过数据总线传输至数字输出模块，数字输出模块设置输出状态。其中，温度模拟采样模块、数字输入模块及数字输出模块对应有温度模拟采样通道、数字输入通道及数字输出通道；温度模拟采样通道分配有唯一对应的数字输入通道及至少一数字输出通道，数字输入通道作为数字输出通道的使能信号；有效温度控制信息的输出基于该使能信号。在本实施例中，数字输入通道DI0……DIn分别用于数字输出DO0……DOn的允许信号，即只有对应的输入通道n接通后，才允许对应的输出通道n输出有效信号；同时温度模拟采样通道0……n的加热控制通道也分别对应于数字输出DO0……DOn。

结合图4、图5，发酵罐内温度信息存在对应于时间的函数关系，依据所述函数关系判定发酵阶段；温度控制系统基于每个发酵罐内的发酵阶段、对应于所述发酵罐的有效温度控制信息进行对发酵罐的串行或并行控制。本实施中，所述函数关系描述为时间为横轴，温度为纵轴；加热开始，随着时间的推移，温度从初始值直线上升至一个接近上限温度的值，此时，时间与温度为趋于线性比例关系，此为该函数的第一段，工艺上理解为升温阶段；该函数的第二段，随着时间的推移，温度基于上限值上下波动，即实际值与理论值的拟合波动，工艺上理解为保温阶段。若每个发酵罐内温度信息与时间的对应函数关系描述为一个完整的函数，则在每个发酵罐内完成发酵整个过程，所述温度控制系统实现对发酵罐的并行控制；并行温度控制时，每个发酵罐体内放置用于发酵的单一或不同品种的菌种，温度控制系统同时对这些罐体分路进行温度控制，另外实现对每个罐体内整个发酵过程进行温控。若每个发酵罐内温度信息与时间的对应函数关系描述为一个完整的函数的一部分，则在每个发酵罐内完成发酵整个过程的某一阶段，所述温度控制系统实现对发酵罐的串行控制；串行温度控制时，一种实施例为每个罐体内放置用于发酵的同一品种不同发酵阶段的菌种，实现同时对每个罐体菌种发酵阶段的温度控制；如四个罐体分别对应四个阶段，如同流水线生产一样，第四个罐体出成品，之前三个罐体的菌种依次后移。

为实现系统监控和修改参数，以及记录生产过程中的运行参数到数据库，实现用户可以随时对数据进行查询，检查生产过程；还设置作为主站的上位机，所述菌种发酵温度控制系统作为各个从站与上位机进行通信，此时所述菌种发酵温度控制系统的通信接口模块的RS485接口为从站模式，主站通过现场总线RS485至少对一个从站进行查询并记录该查询数据，且将查询到的数据通过现场总线RS485至少传送给另外一台从站，用于实现从站之间的相互通信。在本发明创造的另一个实施例中，任一菌种发酵温度控制系统可以作为主站，其它菌种发酵温度控制系统作为从站，此时作为主站的菌种发酵温度控制系统的通信接口模块的RS485接口为主站模式，作为从站的菌种发酵温度控制系统通信接口模块的RS485接口为从站模式，所述主站通过现场总线RS485或CANBUS至少对一个从站进行查询，将查询到的数据至少传送给另外一台从站；用于实现菌种发酵温度控制系统之间的相互通信；同时，作为主站的菌种发酵温度控制系统还能够连接至上位机用于执行上位机查询指令，并反馈查询结果，上位机记录该查询结果；此时，作为主站的菌种发酵温度控制系统的通信接口模块的从站模式RS485接口与上位机连接。

其中，每一菌种发酵温度控制系统可以对应一发酵罐或者实现对多个发酵罐的控制，实现对多个发酵罐的控制时，温度模拟采样模块的至少一个通道对应于一个发酵罐。在本发明创造的其他实施例中，所述主站和从站之间的通信可以横跨任何形式的模拟或数字有线连接。

控制处理模块可以是一个或者多个包括适当的外部设备例如存储器、电源、数据总线和其它适用于实现其功能的电路系统的微型计算机、微型控制器或处理器。控制处理模块可以使用存储卡来存储数据（例如保存的设置、记录的状态设置、配置文件、用户资料等）或者指令（例如应用、算法或者在本发明创造的操作中所使用的程序）用于在温控系统的操作中使用。存储器是控制处理模块可以访问的并且可以是本地RAM、ROM、闪速存储器、硬盘驱动器、固态存储器、外置存储卡或者他们的任何组合或子集。控制处理模块使用存储器存储用户的设置信息，并根据查询指令实时修改设置信息。

结合图3，菌种发酵温度控制系统上电工作监控发酵罐内温度决定是否给予加热的控制流程，控制处理模块首先对自身内部的各个功能进行初始化，然后对设置在发酵罐内的温度传感器的接收状态进行检测，如果线路已经连接，则通过温度模拟采样模块进行正常温度的采样，即读AD值，然后通过读到的AD值换算成对应的温度值；此时控制处理模块需对换算的温度值进行判定，以决定该值是否进入后续流程；所述判断包括温度值是否明显偏离发酵温度范围值，如由于线路连接原因换算得到的温度值偏离发酵温度范围值的上限值20℃左右，则判定该温度值不可用。若判定该温度值可用，进一步判定该温度值与设定的发酵控制温度的关系，若低于设定的发酵控制温度的下限值，此时温度模拟采样模块需进一步检查对应于该温度通道的使能信号是否打开，若打开，则启动加热信息；反之则温度模拟采样模块不动作。另一方面，若温度值高于设定的发酵控制温度的下限值、低于上限值，此时温度模拟采样模块不动作。另外一方面，若温度值高于设定的发酵控制温度的上限值，此时温度模拟采样模块直接输出停止加热的信息。

本文中所述的系统总线包括地址总线、数据总线和控制总线。

虽然本发明创造已经参照例示性实施例优劣描述，但是本发明创造不局限于所述例示性实施例。本领域的技术人员应理解，可以对本发明创造的优选实施例做出许多的改变和修改并且所述改变和修改可以在不背离本发明创造的真实精神的情况下做出。因此本发明创造的目的在于附加的权利要求可以被构造来覆盖所有处于本发明创造的真实精神和范围内的同等改变。

Claims (8)

1.一种菌种发酵温度控制系统，所述温度控制系统应用于菌种发酵系统，发酵罐内配置有温度传感器及加热器件；其特征是：包括

温度模拟采样模块，用于接收温度传感器发来的至少一个发酵罐内的至少一个温度情况，所述温度模拟采样模块连接至系统总线以传输发酵罐内温度信息；

数字输入控制模块，用于接收温度控制通道输出使能信号，所述数字输入控制模块连接至系统总线以传输温度控制通道输出使能状态信息；

通信接口模块，用于接收及发送控制处理模块的实时状态信息和温度的设置参数，所述通信接口模块连接至控制处理模块的通信专用接口；所述温度的设置参数包括对应于每个发酵罐的温度的上限值、下限值及报警值；

控制处理模块，用于接收发酵罐内温度信息、温度控制通道输出使能状态信息、接收并发送实时状态信息和温度的设置参数，处理发酵罐内温度信息、温度的设置参数与温度控制通道输出使能状态信息并从处理的信息产生一个或多个有效温度控制信息，所述有效温度控制信息通过系统总线传输至数字输出模块；

数字输出模块连接至系统总线用于接收控制处理模块发送的有效温度控制信息，并设置输出状态；

所述发酵罐内温度信息存在对应于时间的函数关系，依据所述函数关系判定发酵阶段；所述温度控制系统基于每个发酵罐内的发酵阶段、对应于所述发酵罐的有效温度控制信息进行对发酵罐的串行或并行控制。

2.根据权利要求1所述的菌种发酵温度控制系统，其特征是：当发酵罐内温度信息低于温度的设置参数下限值，且对应于所述发酵罐的温度控制通道输出使能状态信息打开时，所述控制处理模块产生启动加热的有效温度控制信息；当发酵罐内温度信息高于温度的设置参数上限值，且无论对应于所述发酵罐的温度控制通道输出使能状态信息是否打开，所述控制处理模块产生停止加热的有效温度控制信息；当发酵罐内温度信息高于温度的设置参数报警值，且无论对应于所述发酵罐的温度控制通道输出使能状态信息是否打开，所述控制处理模块产生启动报警的有效温度控制信息；当发酵罐内温度信息低于温度的设置参数报警值，且无论对应于所述发酵罐的温度控制通道输出使能状态信息是否打开，所述控制处理模块产生停止报警的有效温度控制信息。

3.根据权利要求1所述的菌种发酵温度控制系统，其特征是：若每个发酵罐内温度信息与时间的对应函数关系描述为一个完整的函数，则在每个发酵罐内完成发酵整个过程，所述温度控制系统实现对发酵罐的并行控制；若每个发酵罐内温度信息与时间的对应函数关系描述为一个完整的函数的一部分，则在每个发酵罐内完成发酵整个过程的某一阶段，所述温度控制系统实现对发酵罐的串行控制。

4.根据权利要求1-3任一权项所述的菌种发酵温度控制系统，其特征是：所述温度模拟采样模块、数字输入模块及数字输出模块对应有温度模拟采样通道、数字输入通道及数字输出通道；所述温度模拟采样通道分配有唯一对应的数字输入通道及至少一数字输出通道，所述数字输入通道作为数字输出通道的使能信号；所述有效温度控制信息的输出基于该使能信号。

5.根据权利要求1-3任一权利要求所述的菌种发酵温度控制系统，其特征是：还包括作为主站的上位机，所述菌种发酵温度控制系统作为各个从站与上位机进行通信，主站通过现场总线至少对一个从站进行查询并记录该查询数据，将查询到的数据通过现场总线至少传送给另外一台从站，用于实现从站之间的相互通信。

6.根据权利要求4任一权利要求所述的菌种发酵温度控制系统，其特征是：还包括作为主站的上位机，所述菌种发酵温度控制系统作为各个从站与上位机进行通信，主站通过现场总线至少对一个从站进行查询并记录该查询数据，将查询到的数据通过现场总线至少传送给另外一台从站，用于实现从站之间的相互通信。

7.根据权利要求1-3任一权项所述的菌种发酵温度控制系统，其特征是：还包括作为主站的任一菌种发酵温度控制系统及作为从站的其它菌种发酵温度控制系统，所述主站通过现场总线至少对一个从站进行查询，将查询到的数据通过现场总线至少传送给另外一台从站；用于实现菌种发酵温度控制系统之间的相互通信；所述作为主站的菌种发酵温度控制系统还能够连接至上位机用于执行上位机查询指令，并反馈查询结果，上位机记录该查询结果。

8.根据权利要求4任一权项所述的菌种发酵温度控制系统，其特征是：还包括作为主站的任一菌种发酵温度控制系统及作为从站的其它菌种发酵温度控制系统，所述主站通过现场总线至少对一个从站进行查询，将查询到的数据通过现场总线至少传送给另外一台从站；用于实现菌种发酵温度控制系统之间的相互通信；所述作为主站的菌种发酵温度控制系统还能够连接至上位机用于执行上位机查询指令，并反馈查询结果，上位机记录该查询结果。