翠叶金丝桑叶桑黄发酵工艺控制系统使用手册

翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵工艺控制系统使用手册11 系统概述1.1 产品特点和用途翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵工艺控制系统由上位机、2004 版发酵控制软件、现场控制器（BIOF-6000A/shg） 、传感器和各执行元件组成。上位机可以用工业控制计算机或普通台式计算机，windows2000 操作系统作为平台。现场控制器 BIOF-6000A/shg，是以 Rabbit 控制芯片做为核心的3010 V3.02 为主板，具有 11 路 A/D 转换通道、8 路 D/A 通道、24 路开关量输入，16 路开关量输出。现场操作界面采用台湾产 easy view 5.7”或 10.4”触摸屏。这样的设计结构和选件，主要是进一步提高系统的可靠性能，不会因为上位机的系统受到病毒、或 windows2000 操作系统等问题而影响发酵生产。因为，BIOF-6000A/shg 是一种嵌入式结构，他的主要特点是稳定性高、可靠性好，嵌入的软件不可能受到外界病毒的破坏，操作系统符合工业控制要求。它与上位机通过以太网联接。在不与上位机联机时，发酵控制运行由现场控制器决定；当与上位机联机时，可以按上位机的控制命令运行，现场控制器服从于上位机。当上位机发生故障时，发酵运行又会自动切入到现场控制器。2006 版发酵控制软件是基于“组态王”平台的控制软件，它可实现的功能如下： 可控制搅拌速度、罐内介质的温度、pH 值、DO 值、罐内压力*、通气流量*； 灭菌时自动控温*； 具备 CO2检测*、O 2检测*、氧化还原检测*、发酵液重量检测*、发酵液液位高度*、电导率检测*； 可设定温度、转速、pH 值、DO 值、罐内压力*、通气流量*的上、下限并具备超限报警功能； 具备超液位报警和自动补液功能，具备超泡位报警和自动添加消泡翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵工艺控制系统使用手册2剂功能； 所有报警事故可记录查阅； 速度、温度、pH 值、DO 值、压力*、流量*等都能设定为自动、手动及关闭状态； 每个参数有 PID 调节过程显示，如设定值，实时值，PID 设定值，上下限位值，曲线显示，手动/自动切换，在线设定等； 各种参数的历史数据和曲线可保存多年（必须有上位计算机才能实现） ； 人机界面友好，可切换十几种监控画面； 具备补料计量功能*(加入电子秤能实现精确补料计量)； 系统具备多种关联控制：速度与溶氧的关联控制，补料与溶氧的关联控制，补料与 pH 值的关联控制等等； 系统具有运行过程的实时显示、数据记录、数据分析（柱状图、曲线图和批报表） 、输出打印、密码管理，中文界面。记录画面可同时显示 8 根不同曲线，如需要可依次显示更多曲线； 用网络线可远程监控发酵罐的运行状态*； 各检测和控制回路的参数可以在画面上在线手动设定和修正，可以进行温度、DO、pH 传感器的整定调校，各蠕动泵流量的标定；操作有密码保护功能，密码分为操作员与管理员级密码； 自动记录发酵罐开机时间，关机时间，自动运行时的停电次数，停电时间，来电时间等； 软件系统具有自适应能力和自诊断能力； 现场具有重要参数的大型 LED 显示器*；显示罐温和罐压-醒目，重要参数一目了然。BIOF-6000A 系列发酵罐广泛适用于食品、抗生素、酶制剂、氨基酸、有机酸、食用菌、疫苗、微生物制剂、生物农药、环保等领域，是发酵、生化、生命科学等行业科研、教学的理想设备。注：以上带*号的功能，不属于基本配置功能，需要时必须说明，费用另计。翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵工艺控制系统使用手册31.2 使用环境和工作条件环境温度： 5 35冷却水压力 0.1 0.3 MPa冷却水温度： 5 30（自来水） ，如果所需发酵温度较低可以加冷水机。 输入空气压力： 小于 0.2 MPa（须经干燥、预过滤）输入空气流量： 05 L/min（根据发酵工艺决定）输入蒸汽压力： 0.20.35MPa蒸汽发生器功率： 3KW电源电压及容量： AC 220V10%、50Hz2%、2KW（不含蒸汽发生器的消耗功率）1.3 主要技术性能指标罐体容积： 5 升； 最大工作容积：3.5 升； 温控范围： 冷却水+6 50；控制精度：0.2，分辨率 0.1灭菌温度： 105 130搅拌转速： 50 900rpm；控制精度：0.5最高转速pH 控制： 控制范围：2 12；控制精度：0.02；分辨率 0.01DO 测量： 0 100%工作罐压： 0.01 0.08 MPa搅拌功率： 200 W加热功率： 1.5KW其他功率： 300W2 罐体系统组成与设备安装2.1 BIOF 生物发酵罐系统BIOF 生物发酵罐系统如图 2-1 所示。翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵工艺控制系统使用手册4排 水 排 汽 2搅拌电机 进 蒸 气进 水 进 气图 2-1 BIOF-6000A 系列生物发酵罐系统示意图1 电加热器 12 测温电极（2）24 液位电极2 测温电极（1）13 泡沫电极 AQ 安全阀3 水位电极 14 pH 电极 W1 溢水阀4 补料瓶 17 测温电极（3）W2 排水排汽阀5 呼吸过滤器 18 尾气过滤器 S 进蒸汽阀6 补料蠕动泵 19 尾气滤水器 EW 冷却水电磁阀8 进气流量计 20 取样放料装置G 气路调节阀9 灭菌罩 21 罐盖 P1 压力表10 进气过滤器 22 回水管 P2 压力表11 DO 电极 23 恒温水槽翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵工艺控制系统使用手册52.3 罐体系统罐身：由硼硅玻璃和不锈钢（316L）加工制成。密封件：机械密封、硅橡胶“O”型圈。2.3.1 恒温座恒温座（参见图 2-1）由不锈钢座、1加热器、2测温电极、3水位电极等组成。2.3.2 灭菌罩灭菌罩（参见图 2-1）由不锈钢罩体、AQ安全阀、P2压力表、17测温电极（3）等组成。2.3.3 管阀系统管阀系统（参见图 2-1）由 EW冷却水电磁阀、W1溢流水阀、W2排水排汽阀、S进蒸汽调节阀、G-气路调节阀、不锈钢管路、优质胶管、接头等组成。2.3.4 辅助设备由空气压缩机、蒸汽发生器、高压灭菌锅等组成。辅助设备属于选购设备。2.3.5 系统安装发酵罐应安装在通风良好、空气洁净的房间, 房间内应经常消毒。将罐体与控制电箱放置在平整桌面上，调节支撑脚确保水平与垂直度。连接进水、排水、空气进气管，并用卡箍固定挟紧，进水端要加水过滤器。将搅拌电机、pH 电极、DO 电极、CO 2检测电极、泡沫电极、测温电极、水位电极、加热器、电磁阀的电缆接头连接好。接插好黄绿接地线，保证罐体有良好的接地。翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵工艺控制系统使用手册63 发酵罐电气系统3.1 开机和关机上位机电源和加热器、搅拌电机、蠕动泵（包括电磁阀）等的电源开关是分开安装的，如果不要求这些执行元件动作，相应的电源开关（在机箱内）可以关闭，也可以关掉机箱前面的红色主控开关，在此情况下，上位机仍可以开机运行，但不能驱动执行机构。如果要求这些执行元件动作，则相应的电源开关应打开，特别是搅拌电机的电源必须在发酵程序运行前打开，要不然会造成飞车，损毁搅拌系统。 关机时必须先退出程序的执行，再切断主控电源。3.2 系统程序功能3.2.1 上位机操作说明BIOF-6000A 型嵌入式发酵控制系统（以下简称 6000A 系统） ，是本公司在 2000 型和 6000 型基础上推出的嵌入式版本，其数据控制精度和工作稳定性有了很大的提高，以多年的大生产型发酵工程和大型实验室工程为实践所积累的经验，6000A 系统使用更高级的控制算法和更完善的系统保护策略，不但能更好、更有效地控制发酵参数，更从软件角度避免多种软、硬件故障的发生。系统首页 在没有登陆系统前，当前用户信息显示为：“无” ，用户没有权限使用本软件 需要登陆，点击“登陆”翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵工艺控制系统使用手册7用户名：操作员 密码：100 低级权限用户名：管理员 密码：500 高级权限 “锁定” 注销当前用户，使软件保持锁定状态，避免误操作 “退出” 关闭本软件 登陆，后您可以选择“发酵管理”或者“灭菌管理” 为防止操作人员遗忘注销操作权限，系统默认在登陆时间最长 4 小时后，将自动注销 密码管理，提供改变管理员和操作员登陆密码的功能，可以定制由管理员更改密码或者由登陆人自行修改密码 本软件默认为管理员和操作员两个用户，不同的用户拥有不同的操作权限，通常分配给管理员更高的权限来更改部分重要的数据和使用部分关键的功能，而对于操作员，只提供正常生产所需要的常规的操作权限。 调试功能，通常只在工程调试中使用，在设备调试完成后一般不再使用，除非在设备通讯或软件功能出现问题时才会使用，擅自进入调试画面操作可能会对软件造成不必要的损害（本软件一般不向客户提供此画面操作权限）登陆画面（选择用户名和输入密码）提供“软键盘”功能也可以用普通键盘输入画面导航条 管理 切换到主管理画面 运转 切换到模拟图画面 转速 切换到转速管理画面 温度 切换到温度管理画面 pH 切换到 pH 管理画面 DO 切换到 DO 管理画面 报警 切换到报警管理画面，显示历史报警记录 曲线 切换到总曲线显示画面，同时显示全部曲线翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵工艺控制系统使用手册8 蠕动泵 切换到蠕动泵管理 调试 切换到调试界面主管理画面 报警显示 当被检测的数据大于上限或小于下限时，报警灯处于闪烁状态只有在相应的子控制开关打开后，报警功能才有效 控制执行 子控制开关，打开后就可以根据设定参数进行自动控制只有在打开发酵开关后，温度、转速类的子控制开关才能打开 电极校正 高精度电极自动计算校正功能 蠕动泵设置 蠕动泵复杂功能设定 罐体开关 罐体开关是发酵罐工作的表示，打开罐体开关后才能进行发酵或灭菌 发酵开关 由于发酵和灭菌不能同时进行，所以打开发酵开关，灭菌自动关闭 转速设定 搅拌速度设定 0-1000 当前转速 当前搅拌速度 0-1000 温度设定 发酵温度设定 0-160 当前温度 当前发酵温度 0-160 pH 设定 pH 设定 0-14 当前 pH 当前 pH 0-14 DO 设定 DO 设定 0-150 当前 DO 当前 DO 0-150翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵工艺控制系统使用手册9转速管理画面 曲线刷新 打开曲线刷新开关后，所显示的曲线将以每秒一次的频率更新 DO 关联 此功能将判断当前 DO 值和设定 DO 值的偏差，通过改变转速的方式来改变 DO 值，此功能对转速的调节受到转速上、下限的制约 输出电压 在自动控制转速时，显示当前输出的电压在没有得到转速反馈时（转速为 0） ，输出电压在大于2.5V 后自动归零 特别提醒 进行对转速的自动控制前，请保证各控制电源已打开 左侧显示的是设定值（红色） ，可人为改变 右侧显示的是设定值（绿色） ，不可人为改变 （左下方）点击可以改变数值设定 （右下方）显示当前值 转速设定值和显示值均为软件默认数值，在具体设备中，转速的最高值受设备的制约，并不一定能够达到 1000 转 必须特别注意的：在打开转速控制之前，一定要保证转速控制电源和电机电源开关都已经打开，然后才可以打开转速控制开关翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵工艺控制系统使用手册10（可能发生的问题是，在没有打开电源之前，先打开转速控制开关，然后发现转速没有反应，这才发现电源没打开，再打开转速电源，结果造成搅拌轴飞速启动） ，即使发现忘了打开转速电源，也要先关闭转速控制开关再打开电源。曲线显示控件 需要调整和设置曲线，首先应该关闭曲线刷新开关 曲线颜色和对应变量名称在这里点击鼠标右键可以添加和删除所显示的曲线或者改变曲线的显示属性 左游标对应时间和数值 右游标对应时间和数值按下鼠标左键可以移动游标到指定的曲 线点上 所采集变量的最小值和最大值 平均值翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵工艺控制系统使用手册11 隐藏或显示该曲线向左或向右移动曲线，中间的数值表示每次移动的时间单位（点击可改变） 点击可改变显示曲线的方式比如：按实际值显示或按百分比显示为什么要按百分比显示？在只显示一条曲线的时候，我们一般采用 实际值的显示方式但是如果同时显示两条不同的曲线比如转速 0-1000 和 pH 0-14，那么 pH 曲线的变化就几乎看不到了，所以我们可以采用百分比的显示方法，这样转速的500 和 pH 的 7 就会都按 50%而显示在中间位置另外，在用百分比显示曲线的时候，还可以用上、下游标来放大曲线。（在用百分比显示曲线的时候，上、下游标出现在曲线侧面） 放大或缩小曲线（使用 曲线显示范围定义可能更直接） 打印所显示的曲线 添加曲线或改变曲线属性 刷新曲线到当前时间 曲线显示范围定义 隐藏曲线属性显示面板翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵工艺控制系统使用手册12温度管理画面为保证温控系统的正常使用，当水位电极报警时，系统会暂停对温度的控制，优先打开冷水阀向夹套进水，直到夹套水位足够切水位电极不报警时，温度控制程序才会继续执行。 （可能发生的维修事件：水位电极工作异常，频繁报警，温度控制无法正常进行）PID 智能控制介绍P 值的作用：P 值被称为比例系数，在智能控制中，首先由 P 值根据设定值和实际值的偏差，来决定输出的调节值。比如，实际温度比设定温度低 0.3度或者高 1 度，P 值会首先判断和计算出应该加热还是冷却，执行的时间是多少，偏差小和偏差大所计算出来的执行时间当然是不一样的。由于环境、发酵工艺等等的不同，我们不能保证 P 值所设定的值是完全能够满足控制需要的，比如在温度控制中，当实际温度比设定温度低 0.3度时，很有可能由于 P 值设定的数值过小而导致输出的加热功率太小，在环境温度比较低的地方，这样的加热功率可能还不足以弥补罐体的热量散失。还有可能由于 P 值的设定的数值过大而导致输出的加热功率太大，导致温度上升太多，同样不能达到满意的控制效果。由此，如果希望系统能够智能地调节控制输出，以弥补 P 值设置的偏差，那么就有必要使用 I 值。I 值的作用：I 值被称为积分系数，如果由于 P 值的设置还不能达翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵工艺控制系统使用手册13到控制要求，那么 I 值会根据偏差的状况来自动调节，以弥补 P 值的不足。需要注意的是“积分切入”的问题，当设定值和实际值的偏差很大的时候，不需要 I 值来加入计算，因为如果觉得输出功率不符合要求的话，可以调节 P 值。也就是说，I 值应该在偏差比较小的时候才起作用，这个偏差就是“积分切入”数值。通常，我们在实验调试阶段，首先必须保证 P 值对温度的控制能使设定值和实际值的偏差小于“积分切入”值，只有这样积分系数才是有效的。另外要注意的，如果设置“积分切入”值为零，那么就没有积分功能了，如果设置“积分切入”值过大，造成积分时间很长，或者将 I 值设的很大，都很容易造成“积分饱和” ，在一般情况下，积分累计的绝对值（Sum）都不超过 10，如果超过很多，则说明 P 值的设置不是过大就是过小。D 值的作用：当输出功率高，调节速度快时，为了避免调节过冲，我们使用 D 值来起到缓冲的效果，D 值可以使调节效果更快更稳定。死区的作用：我们没有必要因为温度低了 0.01 度而打开加热器，也没有必要因为pH 高了 0.01 而加酸，这样做不但浪费资源，而且反而达不到控制要求，在控制精度允许的情况下，我们采用“死区”的方式来解决这个问题，只要设定值和实际值的偏差在死区范围内，我们就认为达到控制要求了，对于存在的微小偏差就不在作调整动作了。PID 输出：在经过了 PID 计算后，系统会得出一个参考值（OutPut） ，系统按照这个数值的大小，作为打开加热器或者冷水阀的时间长短的依据，系统规定，当这个数值为正值时，打开加热器，为负值时，打开冷水阀，打开的时间为（输出值 / 50）* 周期时间。需要说明的是，在设定温度和实际温度相同（接近没有偏差）时，PID 计算得到的输出值并不一定是 0（或者说并不一定说明不需要加热和冷却了） ，因为 PID 的计算并不只有温度的差值来决定，在温度偏差很小的时候，往往积分系数对温度控制的开关动作产生的影响更大，举例来说，在环境温度比