基于plc的谷氨酸发酵过程控制系统设计

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1、目录摘要11控制方案的分析和论证21.1系统分析21.2夹套温度控制21.3发酵罐温度控制21.4控制方案21.5故障报警31.6平滑滤波32系统硬件设计42.1PID调节方法42.2衰减曲线法确定PID参数62.3整体系统接线图72.4过程静态特性分析72.5过程动态特性的分析82.5.1扰动通道动态特性对控制质量的影响82.5.2控制通道动态特性对控制系统的影响93仪器选型与参数整定103.1温度变送器103.2电动调节阀113.3人机界面123.4控制器件124设计总结13参考文献14附录I工艺流程图15附录II控制流程方框图1

2、616摘要本文介绍了一种谷氨酸发酵温度控制的过程控制系统。谷氨酸发酵是味精生产流程中的核心环节，为了提高发酵质量，应该尽量保证发酵在恒温环境中进行。调节加热水和冷却水阀门的开闭调节夹套的温度，从而保证发酵罐一直保持在合适的温度本温控系统的设计中，采用PLCS7-200分散控制、集中管理的思想，将两个温控形成闭环并运用PID算法，集中到控制器集中管理，系统采用友好人机界面（HMI），将设定和检测的温度实时显示；采用多个温度变送单元将采集的信号平滑滤波，并且温度误差大于设定值时会自动报警功能。关键词：发酵　温度控制　PID　PLC　161

3、控制方案的分析和论证1.1系统分析谷氨酸发酵是味精生产过程的关键工艺，发酵过程是放热过程，所以其温度控制更是极其重要，通用的方法是通过调节夹套里的水温来控制发酵罐的温度，环境温度高用冷却水，环境温度低则用热水，冷、热水阀需交替动作，以保证发酵罐的温度恒定。如图所示：冷却水或热水进入夹层，以确保发酵罐的温度稳定，直接决定了产品质量的高低。1.2夹套温度控制夹套中水的温度为系统的控制量。夹套中水温由冷却水和加热水的流量决定。该系统要求夹套温度稳定在34℃±5℃。夹套中温度过高时打开冷却水阀门，夹套中温度过低时则打开加热水阀门。1.3发酵罐

4、温度控制谷氨酸发酵罐的温度稳定在38℃±2℃，发酵罐的温度最终决定了谷氨酸的发酵质量，决定了整个生产系统的生产质量。发酵罐的温度由夹套的温度决定。1.4控制方案确定夹套温度T1，发酵罐的温度T2，控制参数加热水阀门开度K1，冷却水阀门开度K2。采用串级控制系统。16假设发酵罐中液体量固定，加热水和冷却水的流量固定。设发酵罐液体温度变化为扰动f1，加热水温度变化为扰动f2，冷却水温度变化为扰动f3。调节器采用PLC控制，对两点温度分别进行闭环控制的方式，通过检测夹套的温度，送入控制器和设定值进行比较，采取PID控制方案实时调节加热水和冷

5、却水的电动调节阀；通过检测发酵罐的温度，变送送入控制器也采用PID控制方案实时调节夹套的温度。两个闭环采用嵌套方式进行，具体参数根据实际情况进行整定。1.5故障报警由于PLC和变送环节都有24V直流供电，故报警采用24V的蜂鸣器对故障进行警示，若出现多次有个别数据不合要求则有PWM不连续响声，说明有个别温度变送器出现故障，或者控制接近失常，需要人为参与调节；若出现平均值不在预设范围内，则有连续的响声，说明有温控失败或者整体控制出现异常。1.6平滑滤波考虑到一个温度变送器的采样信号可能出现误差，或者温度变送器出现损坏，或者线路出现短线的

6、情况，那么系统将陷入崩溃，故采用8个变送器对进风点和8个变送器对出风点依次采样，控制器接到信号后，也要做出一定处理：舍去最大值和最小值，然后对其它数据进行求平均值运算。162系统硬件设计2.1PID调节方法根据偏差的比例(P)，积分(I)，微分(D)进行控制(简称PID控制)，是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。实际运行的经验和理论的分析都表明，这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到满意的效果。在工业控制系统中，常常采用如图2-1所示的PID控制，其控制规律为式(2-1)。(2-1)对应的模拟PID控制器的传递函数为(2-

7、2)式中，是比例增益，与比例带成倒数关系即；为积分时间常数；为微分时间常数，为控制量，为偏差。16比例控制能迅速反应误差，从而减小误差，但比例控制不能消除稳态误差，的加大会引起系统的不稳定；积分控制的作用是：只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除误差，积分作用太强会使系统超调增大，甚至使系统出现振荡；微分控制可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。在PLC控制系统中，PID控制规律的实现必须用

8、数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。为了便于计算机实现，必须把式(2-1)变换成差分方程，为此可作如下近似（2-3）（2-4）式中，为采样周期；为采样序