1、 毕业设计(论文)开题报告学生姓名： 学 号： 所在学院： 电气工程及其自动化学院 专 业： 自动化 设计(论文)题目： 生物发酵过程自动加药控制系统设计 指导教师： 2015 年 1 月 17 日毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000 字左右的文献综述：文 献 综 述一、生物发酵自动加药控制系统的背景在电力、石油、化工、冶金工业、环境工程、水处理、化工、印染等领域中常需要将某种液体连续自动地注入到另一种液体中成为一种混合液，或者使加入的药剂与液体中存在的某种组分发生化学反应，以达到预期的工艺要求。生产过程中是连续的，这种投
2、加工作必须同样是连续的，需要一种既能配置溶液，又能定量定时投加药剂的全自动加药装置设备 4。微生物发酵工程是生化工程和现代生物技术及其产业化的基础。发酵过程测控系统是发酵系统中重要的组成部分,直接影响着发酵过程生产。通过测控系统对发酵过程实施有效的监测与控制,确保发酵过程生产正常运行,提高发酵的产量和质量。目前所使用的发酵过程测控系统结构尚不完善,其稳定性和控制水平普遍不高,不能很好地满足发酵生产需求。因此,研究发酵过程测控系统的集成方法,集成智能化的发酵测控系统具有重要的实际应用价值 5。2、生物发酵自动加药控制系统的工作原理及运行特性 自动加药设备是以计量泵为主要投加设备、将溶药箱、搅拌器
3、、液位计、安全阀、止回阀、压力表、过滤器、缓冲器、管路、阀门、底座、扶梯、自动监视系统、电力控制系统等按工艺流程需要组装在一个公共平台上，形成一个模块，即所谓的撬装式组合式单元（简称“撬体” ） 7。按需要将定量的药剂放入搅拌溶液箱内进行搅拌溶解，溶解完毕后再通过计量泵送至投加点的工作过程，加药量的大小可自由任意调节，以满足不同加药量的场所。加药装置，采用的是机电一体化结构形式，从安装上可分为固定式和移动式（推车式） ，每种形式的加药装置均配有搅拌系统、加药系统和自动控制系统。几个固定式撬装可组合成一个整体，加上变频控制系统，可实现就地控制、远程自动控制、手动和自动相互转换加药。具有结构紧凑，
4、体积小、噪音低、工作平稳、安装简单、操作使用方便等优点。加药装置通过不同的工艺设计，精确配置各类固体和液体的化学药品的溶液，再用计量泵准确投加，以达到各种设计要求。如除垢、除氧、混凝、加酸、加碱等。加药过程可手动操作，也可通过 PC 机、磁翻板液位计、PH 计、行程控制器、变频器等各种电器、仪表、使加药装置成为机电一体化产品、实现自动控制。加药装置的加药量及加药压力，可根据工业流程的需要，选取合适的计量泵。流量从 1L/h 到 8000L/h,压力从 0.1MPa 到 25MPa 范围内均可选择到合适的产品 6，计量泵的计量精度可高达1%，并且可以实现多种介质同时输送，单独调整。除此之外，这次
5、设计还运用到了模糊 PID 控制的原理：模糊 PID 控制器,即利用模糊逻辑算法并根据一定的模糊规则对 PID 控制的比例、积分、微分系数进行实时优化,以达到较为理想的控制效果。模糊 PID 控制共包括参数模糊化、模糊规则推理、参数解模糊、PID 控制器等几个重要组成部分。计算机根据所设定的输入和反馈信号，计算实际位置和理论位置的偏差 e 以及当前的偏差变化 ec，并根据模糊规则进行模糊推理，最后对模糊参数进行解模糊，输出 PID 控制器的比例、积分、微分系数。这次设计主要是测试 pH 值进而进行自动加药，所以就 pH 自动加药系统说一说：首先由 pH 传感器检测到中和池或化工反应釜中液体的
6、pH 值，并传输给工业 pH 计，再根据生产工艺的要求，在工业 pH 计上设定高、低控制点，工业 pH 计将输入的 pH 信号和高、低设定值进行比较后输出开关信号或比例控制信号给控制箱，由控制箱去调节控制计量泵加酸液或者碱液。本系统不需要人员操作，自动控制，从而大大提高了加药的精度和工作效率，保障了生产工艺的稳定和人员的安全 PH 自动调节加药系统首先在工业 pH 计上把被处理水所需要的 PH 值设定好，计量泵开始工作添加药液，由工业pH 计检测水中的 PH 值,并在工业 pH 计控制表中显示出来。工业 pH 计控制表自动将测量值与设定值进行比较.若测量值与设定值不同时,控制计量泵的启停，这样
7、就可自动把水中的 PH 值控制在设定值上。在电厂的给水加药中，原理与其类似：锅炉水中适当添加磷酸盐及氢氧化钠,可提高炉水的缓冲性能并对维持炉水 pH 值的稳定有很大的作用,故能防止锅炉水冷壁的结垢和腐蚀.平衡磷酸盐处理时,磷酸盐的加入量必须适当,这就要求计量泵必须能够自动调节加药量,调节信号是根据汽水取样系统磷酸根表和 pH 表送来的 420mA 信号,控制计量泵的转速.(由于磷酸根的信号比较弱,变化范围小,不易控制,所以本控制系统采用pH 表的 420mA 信号作为调节信号)。通过检测 pH 值来控制炉水中磷酸盐的加入量,pH值要求控制在 9.49.78 之间,当其中一台机组的 pH 值低于
8、 9.4 时便启动相应机组的加药泵 2,此时磷酸盐加药箱内的磷酸盐溶液经过管道(管道上的阀门都为手动阀,正常时都是打开状态)被泵入相应机组的除氧器出水管加药点.炉水中加入适当的磷酸盐及氢氧化钠,可提高炉水的缓冲性能并对维持炉水 pH 值的稳定有很大的作用,故能防止锅炉水冷壁的结垢和腐蚀。3、生物发酵自动加药控制系统的组成上位监控部分：整个系统的上位监控部分可由一台工业计算机来完成.监控工作人员可通过 CRT 实时监控系统的运行状况,设定或修改系统的运行参数,同时可通过 CRT远程软件操作控制系统运行.上位工控机进行数据处理和管理,并可与 MIS 系统等实现联网 3。在上位机上,可对控制器进行组
9、态,组态范围包括:控制器的网络地址、控制器的时间、选择控制算法、设定算法参数、设定控制量的设定点、选择算法的输入量及输出量的通道等。下位控制部分: 自动加药控制系统的核心是一套控制器,可编程控制器(PLC)是近年来发展起来的并得到广泛应用的新一代工业自动化控制装置,它已成为解决自动控制问题的最有效工具之一,越来越受到人们的重视.控制器安装在现场,采集相应的水质数据.由于化学加药系统具有纯滞后性质,会导致控制作用不及时,引起系统产生超调或振荡,而利用计算机可以方便地实现滞后补偿.经过控制器的控制算法,采用经改进的数字PID 控制算法,输出控制信号(420mA)到现场调节设备,以调节加药泵的出力.
10、调节设备可以是直流电机,直接通过调节电机电压来改变转速;可以是步进电机,通过改变加药泵的行程来调节加药泵出力;还可以是变频器,调节加药泵交流电机的转速.随着电力电子技术的发展,交流变频调速控制方法得到了广泛的应用,我们采用变频调速进行化学加药自动控制,由于不需要对管路进行改造,系统可靠,得到了人们的认同,并取得了良好的效果。PLC 设备选型及说明 1：CPU 模块:以西门子的 CPU224 作为控制器的核心,具有丰富的指令系统,能够进行各种复杂的逻辑运算和算术运算,同时可以进行各种函数运算,如信号标度变换、信号滤波、PID 运算等.在 CPU 模块内部,由微处理器通过数据总线、地址总线、控制总
11、线以及辅助电路连接存储器、接口及 I/O 单元.借助编程器接收键入的用户程序和数据;读取并解释执行用户程序;按规定的时序接收输入状态,刷新输出状态,与外部设备交换信息;诊断 PC 的硬件状态等 1.(CPU 自带 D/A 模块:输出是 420mA 电流信号.一般来说,变频器既有 420mA 信号输入端子,也有电压输入端子,在这里采用 420mA 标准信号输出以控制变频器的频率,以此改变加药量。A/D 模块:EM235 模拟量混合模块(4 输入、1 输出)是高速 12 位模拟量模块,能在149ms 内将模拟量转换成相应的数字量.输入可以是电压信号,也可以是电流信号.一般来说,pH 值表都有 42
12、0mA 信号输出,因此采用 420mA 标准信号输入。4、生物发酵自动加药控制系统的意义为了在发酵液变化过程的情况下达到最佳效果，需要对所加化学药剂量自动跟踪调节控制加药速度，因此采用先进的自动控制方式来控制全自动加药装置的加药量 10。全自动加药装置能自动按水处理技术要求自动准确、定量投加药剂，这样可以大大减少现场施工工作量，避免了中间环节的差错，有效地保证工期和工程质量，减少用户的麻烦和损失。随着生物技术的快速发展,微生物发酵技术对人们生活的影响越来越大,其涉及了医药、食品、能源等领域。为了使发酵生产能按预期目标进行,提高发酵产量和质量,需要对发酵过程进行监督控制。目前,国内大部分实验室或
13、工厂的发酵过程控制还处于手工控制阶段,控制效果的好坏取决于操作员的经验,导致发酵产物质量的不稳定,也不利于扩大生产规模。计算机技术和控制技术的发展为解决这一矛盾提供了基础,建立基于计算机技术的发酵过程测控系统,不仅能够实现酵母发酵生产过程的自动控制,降低工人劳动强度,提高控制精度,而且能够实时提供生产过程信息,为发酵生产调度和管理提供依据。此外,从发酵生产过程的特点,可以看出发酵过程是一个动态的、具有高度非线性和时变性的过程 7。在发酵生产中,为了提高投入产出比,往往需要对发酵过程进行优化控制,但由于发酵过程的复杂性,难于建立精确的数学模型,并且很多发酵参数不可在线检测,致使常规控制方法很难获
14、得良好控制效果。随着智能控制技术的发展,诸如专家系统、模糊控制、神经网络等智能控制算法己经开始应用于发酵过程控制,并取得了良好的控制效果。因此,研究基于计算机的测控技术,构建可靠、稳定的发酵过程测控系统,并应用人工智能技术实现发酵过程的优化控制具有重要的理论和实际应用价值。五、软件介绍上位机软件 WinCC 系统概述：WinCC 是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模块.高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据使其具有高度的适用性1。PLC200Smart 控制器：提供不同类型、I/O 点数丰富的 CPU
15、模块，单体 I/O 点数最高可达 60 点，可满足大部分小型自动化设备的控制需求。另外，CPU 模块配备标准型和经济型供用户选择，对于不同的应用需求，产品配置更加灵活，最大限度的控制成本。配备西门子专用高速处理器芯片，基本指令执行时间可达 0.15 s，在同级别小型 PLC 中遥遥领先。一颗强有力的“芯” ，能让您在应对繁琐的程序逻辑，复杂的工艺要求时表现的从容不迫。CPU 模块本体标配以太网接口，集成了强大的以太网通信功能。一根普通的网线即可将程序下载到 PLC 中，方便快捷，省去了专用编程电缆。通过以太网接口还可与其它 CPU 模块、触摸屏、计算机进行通信，轻松组网。西门子 Smart 触
16、摸屏：西门子顺应市场需求推出的 SIMATIC 精彩系列面板（SMART LINE） ，准确地提供了人机界面的标准功能，经济适用，具备高性价比。如今，全新一代精彩系列面板的功能得到了进一步的提升，与 S7-200 SMART PLC 组成完美的自动化控制与人机交互平台，为您的便捷操控提供了理想的解决方案。西门子视窗控制中心 SIMATIC WinCC: 作为 SIMATIC 全集成自动化系统的重要组成都分，WinCC 确保与 SIMATIC S5，S7 和 505 系列的 PLC 连接的方便和通讯的高效；WinCC 与 STEP 7 编程软件的紧密结合缩短了项目开发的周期。此外，WinCC 还
17、有对SIMATIC PLC 进行系统诊断的选项，给硬件维护提供了方便。参考文献1 张秀香. 基于 PLC 的锅炉加药自动控制系统J. 兰州工业学院学报 , 2010, (2). 2 杨智, 杨照华, 魏列江 . 电厂锅炉给水自动加药 PLC 控制系统设计与实现J. 自动化仪表, 2001, (8):47-49.3 张玉花, 王康平. 智能变频技术在电站锅炉给水加药系统中的应用J. 科技广场, 2005, (2):48-50.4 杨洪波. 基于 PLC 的发酵过程测控系统集成方法及其实现研究D. 北京化工大学, 2005.5 张影微. 基于 PLC 和组态软件的厌氧发酵控制系统研究D. 东北农业
18、大学, 2013.6 黄儒强, 尤蓉 , 李娘辉. 发酵设备课理论性与实操性相结合的教学方法初探J. 现代食品科技, 2007, (8):98-99.7 王海芳, 吕超. PLC 自动加药机在选矿厂的应用J. 大众科技, 2011, (9):110-112.8 朱璐. MCGS 组态软件在自动加药机系统中的设计与实现D. 湖南大学, 2012.9 沈孝忠, 刘强, 赵霞. 基于 S7-300PLC 的浮选自动加药控制系统 J. 自动化应用, 2012, (5).10 李仲清, 林金钳. 基于 PLC 的工业发酵自动控制解决方案J. 化学工程与装备, 2005, (2).11 席裕庚, 耿晓军,
19、 陈虹. 预测控制性能研究的新进展. 控制理论与应用,2000, 17(4):469-47512 王树青. 先进控制技术及应用. 化学工业出版社, 2001:92-95 13 邹涛，丁宝苍，张瑞.模型预测控制工程应用导论 M.北京：化学工业出版社，2010.14 丁宝苍 预测控制的理论与方法 M北京.机械工业出版社, 2008:415 夏红,王慧,李平.自动化与仪表,1996,11(4):41 一 4316 Martins,Femando G,Coelho,Manuel AN.Com Put Chem Enng,2000,24(2):853 一 858毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课
20、题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：要研究或解决的问题1. 了解自动加药系统的基本结构，首先 PLC200Smart 控制器、西门子 Smart 触摸屏以及加药设备相互连接，由 PLC200Smart 控制器控制，西门子 Smart 触摸屏进行参数更改，进而控制加药设备的自动加药； 2了解自动加药系统的研究背景: 微生物发酵工程是生化工程和现代生物技术及其产业化的基础。发酵过程测控系统是发酵系统中重要的组成部分,直接影响着发酵过程生产。通过测控系统对发酵过程实施有效的监测与控制,确保发酵过程生产正常运行,提高发酵的产量和质量；3. 了解自动加药系统的意义：全自动加药装置能自动按水处
21、理技术要求自动准确、定量投加药剂，这样可以大大减少现场施工工作量，避免了中间环节的差错，有效地保证工期和工程质量，减少用户的麻烦和损失；4. 了解自动加药系统的工作原理：自动加药设备是以计量泵为主要投加设备、将溶药箱、搅拌器、液位计、安全阀、止回阀、压力表、过滤器、缓冲器、管路、阀门、底座、扶梯、自动监视系统、电力控制系统等按工艺流程需要组装在一个公共平台上，形成一个模块，即所谓的撬装式组合式单元（简称“撬体” ） 。按需要将定量的药剂放入搅拌溶液箱内进行搅拌溶解，溶解完毕后再通过计量泵送至投加点的工作过程，加药量的大小可自由任意调节，以满足不同加药量的场所。加药装置，采用的是机电一体化结构形
22、式，从安装上可分为固定式和移动式（推车式） ，每种形式的加药装置均配有搅拌系统、加药系统和自动控制系统。几个固定式撬装可组合成一个整体，加上变频控制系统，可实现就地控制、远程自动控制、手动和自动相互转换加药；5. 了解自动加药系统的组成：由上位监控部分、下位控制部分、PLC 组成；6. 基于 PLC 设计出自动加药系统的控制策略图以及仿真结果图。采用的研究手段通过查阅大量的参考资料，对自动加药系统能有一定的了解，同时基于现在控制理论的基础知识对自动加药系统进行讨论。根据理论分析，建立自动加药系统的仿真模型，根据理论分析，进行数值的计算，利用仿真软件的进行仿真，完成自动加药系统的仿真结果图。毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：指导教师： 年 月 日
