1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

微生物反应发酵过程是一种典型的间歇过程，利用微生物发酵技术的生产规模也随着科技的发展不断扩大。目前生物发酵技术己经在卫生医药、农林牧渔、轻工食品、新型能源等多个重要领域发挥着举足轻重的作用，例如医学上所使用的各种抗生素、生物酶制剂等，这些都是跟微生物的发酵工程紧密相关的。

考虑到生产要求和微生物发酵的特殊性，结合当下计算机软硬件技术，智能仪器仪表，决定采用基于西门子PLC和WinCC的综合自动化控制系统。^[1]

目前制造业正在经历一个快速变革的时代，面对激烈的市场竞争，企业必须提高生产过程自动化水平和产品质量。因此，对监视和控制生产过程以及对生产数据进行归档和进一步处理的要求在急剧增加。西门子组态软件WinCC无论从功能性、开放性还是现代化程度而言，都是满足新要求的最优系统平台。^[2]

1. 微生物发酵工艺

发酵过程中，为了能对生产过程进行必要的控制，需要对有关工艺参数进行定期取样测定或进行连续测量。反映发酵过程变化的参数可以分为两类：一类是可以直接采用特定的传感器检测的参数。它们包括反映物理环境和化学环境变化的参数，如温度、压力、搅拌功率、转速、泡沫、发酵液粘度、浊度、pH、离子浓度、溶解氧、基质浓度等，称为直接参数。另一类是至今尚难于用传感器来检测的参数，包括细胞生长速率、产物合成速率和呼吸嫡等。这些数据需要根据一些直接检测出来的参数，借助于电脑计算和特定的数学模型才能得到。因此这类参数被称为间接参数。上述参数中，对发酵过程影响较大的有温度、PH、溶解氧浓度等。

1) 温度

温度对发酵过程的影响是多方面的，它会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生物的代谢调控机制。除这些直接影响外，温度还对发酵液的理化性质产生影响，如发酵液的粘度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解和吸收速率等，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。工业生产上，所用的大发酵罐在发酵过程中一般不需要加热，因发酵中释放了大量的发酵热，在这种情况下通常还需要加以冷却，利用自动控制或手动调整的阀门，将冷却水通人夹套或蛇形管中，通过热交换来降温，保持恒温发酵。

2) PH值

PH 值对微生物的生长繁殖和产物合成的影响有以下几个方面：①影响酶的活性，当pH 值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢；②影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸收及代谢产物的排泄；③影响培养基中某些组分和中间代谢产物的离解，从而影响微生物对这些物质的利用；④PH 值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。另外，PH 值还会影响某些霉菌的形态。发酵过程中，pH 值的变化取决于所用的菌种、培养基的成分和培养条件。培养基中的营养物质的代谢，是引起PH 值变化的重要原因，发酵液的pH 值变化乃是菌体产酸和产碱的代谢反应的综合结果。

3) 溶解氧浓度

对于好氧发酵，溶解氧浓度是最重要的参数之一。好氧微生物深层培养时，需要适量的溶解氧以维持其呼吸代谢和某些产物的合成，氧的不足会造成代谢异常，产量降低。微生物发酵的最适氧浓度与临界氧浓度是不同的。前者是指溶解氧浓度对生长或合成有一最适的浓度范围，后者一般指不影响菌体呼吸所允许的最低氧浓度。为了避免生物合成处在氧限制的条件下，需要考察每一发酵过程的临界氧浓度和最适氧浓度，并使其保持在最适氧浓度范围。现在已可采用复膜氧电极来检测发酵液中的溶解氧浓度。 ^[3]

2. WinCC组态介绍与应用

西门子公司的WinCC 是视窗控制中心( Windows Control Center) 的简称。它集成了SCADA、人机界面( HMI) 、组态、脚本语言和OPC 等先进技术, 被用来在生产和过程自动化中进行图形显示和完成控制任务。

WinCC 运行于个人计算机环境, 其特性之一是全面开放性, 可以与各种自动化设备及控制软件集成, 具有丰富的设置项目、可视窗口和菜单选项, 使用方式灵活, 功能齐全。它具有强大的功能接口、快速画面更新和安全的归档功能, 保证WinCC 具有非常高的可靠性。用户在其友好的界面下进行组态、编程和数据管理, 可形成所需的操作画面、监视画面、控制画面、报警画面、实时趋势曲线、历史趋势曲线和打印报表等。WinCC 的另一个特点在于其整体开放性, 它可以方便地与各种软件和用户程序组合在一起,支持C 脚本和VB 脚本。WinCC 的基本组件是组态软件和运行软件。WinCC 项目管理器是组态软件的核心, 对整个工程项目的数据组态和设置进行全面的管理。WinCC 的项目管理器主要由以下几部分组成: 计算机、变量管理器、数据类型、编辑器。^[5]

为了生物发酵工艺不断发展与完善，与之相关的系统也在不断地进行着变化，不断优化。生物发酵控制器从控制系统的硬件方面来看主要有三种形式:一种是可编程控制器PLC，这种PLC是在1960年后开始应用于发酵工业中，一经应用，便使得自动化发酵过程成为现实，并且在目前，这种控制器还在广泛使用;另一种是PC计算机，这种计算机最早是由德国贝朗公司在1982年发现的，最早使用于生物发酵控制系统;还有一种是传统单片机，可以对发酵过程的PH酸碱度值、温度进行实时在线检测及控制。^[6]

西门子公司SIMATIC S7系列可编程控制器采用模块化设计, 在一块机架底板上可安装电源、CPU、各种信号模板、通信处理器等模块, 其中CPU 上有一个标准化MPI 接口, 它既是编程接口, 又是数据通行接口, 使用S7 协议, 通过此接口PLC 之间、或与上位机之间都可以进行通信, 从而组成多点MPI 接口网络。PLC通过I/O 采集相关数据和发出控制信号, I/O 通过PROFIBUS 现场总线与CPU 单元通信。在西门子的软件包STEP7中, 可用梯形图、语句表或电气图进行编程。^[5]

为了加强监控系统的智能化，本文设计了人机界面和故障报警系统。操作员站采用西门子IPC3000smart工控机，在PCI插槽中安装CP5611采集卡，操作员站与PLC采用Profibus-DP通讯协议，在组态过程中选择相应的驱动，设置与软件程序中相符合的各个变量，实现变量之间的通讯连接。利用工控机的WinCC人机界面平台，当有报警发生时，操作人员只需点击故障报警条，就可直接切换到操作界面。系统故障写入也是采用同步写入法。把优先级最高的故障写入故障选择列表。一旦检测到故障发生，则会根据故障的优先级在界面上显示出来，界面上的解决方法会和工程师站上诊断的结果同步更新。^[1]

3. 发酵过程控制现状

由于生物参量测量的困难性和发酵过程的复杂性，生物发酵过程大多以人工控制为主，大大影响了工艺水平和管理水平的提高，造成生产不稳定，发酵系数低，能耗大，成本高等问题。如果能够采用计算机控制技术，对发酵过程进行实时监测与自动控制、管理和优化操作，不但能解决上述存在的问题，而且可以提高自动化水平，减轻操作人员的劳动强度，提高发酵系数和经济效益。因此，研究和开发计算机控制技术在发酵过程中的应用是很有现实意义的^[4]。

鉴于此，本课题以设备简单、价格低廉、功能适用及控制精准为原则，采用基于PLC的分布式控制系统，各个发酵罐体安装着温度传感器、液位传感器、压力传感器、PH计、溶氧量检测仪，参与工艺生产的监测和控制，根据检测的温度、PH和溶氧量，自动控制系统的运行。同时对系统采用带死区的PID控制，传感器将采集的信号送入PLC中，PLC根据测量值与设定值的误差及误差变化率按设定的程序对罐体实施控制策略，同时上位机也可以对工作过程实现监控与手动控制。

本方案充分考虑了热泵系统规模较小，控制精度要求适中的特点，既发挥了分散控制系统的优势，延长压缩机使用寿命，同时又节约高品位能源，减少能源浪费。本系统控制动作迅速，不会有大的迟滞，提高了控制质量。

参考文献

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

解决问题：本课题主要是设计与实现微生物发酵过程wincc远程监控系统。

研究手段：

课题前期，阅读与课题相关的中外文文献，对经典的文献进行摘录和详读，深入了解毕业设计的相关内容，了解课题的难度；对微生物发酵的工艺进行了解和学习，包括熟悉它的各个参数的控制方式，如：温度、ph值、溶解氧浓度等；在熟悉掌握相关工艺之后利用所学的知识进行控制方案设计和工艺流程图绘制，并且跟导师讨论该方案的稳定性和可行性；确定控制方案后，绘制wincc监控界面，实现数据的实时传输；最后，认真撰写毕业设计论文。