摘 要

近年来，生物技术工业发展迅速，作为生物技术产业化的基础，生物发酵技术和发酵装置已引起人们广泛的关注。微生物发酵过程，有着错综复杂的机理和影响因素，所以难以选择确定的数学模型用来描述，加之在线检测发酵生物量参数的传感器的缺乏，这些困难都是生物发酵自动化所需攻克的，因此有必要开发一个能有效监控的系统。

本课题研制基于PLC/MCGS的生物发酵实验装置监控系统，监控对象是一台生物发酵实验装置。我们所设计的这个系统，分析了系统的控制要求，编制了PLC自动控制程序，并结合MCGS组态控制软件进行仿真、监控，改善了控制系统的性能。

在系统设计中主要进行设备的构图，PLC的选型，外部硬件接线图，并编写程序指令表及梯形图，进而在GX Developer与GX Simulator中仿真调试。在MCGS中设计监控的人机画面，最后同步PLC的程序到MCGS中，进行仿真调试。该设计将MCGS与PLC结合起来，运用PLC完成现场控制，开发基于MCGS软件的人机友好界面，系统的可操作性和实时性都得到了极大的提高。

关键词：MCGS ；PLC ；监控系统；生物发酵

Abstract

In recent years, the rapid development of industrial biotechnology, biological fermentation technology and fermentation device as the biotechnology industry has caused widespread concern. Microbial fermentation process and its mechanism is very complex. The influence factors are complicated and it is difficult to use mathematical model to describe, coupled with the lack of online detection on fermentation parameters of the sensor, It brings a difficult to the biological fermentation automation. Therefore, it’s necessary to develop a effective monitoring system.

The research of biological fermentation experiment device monitoring system based on PLC/MCGS, the monitoring object is a biological fermentation device. We designed this system, analyzes the control system requirements, designing of the PLC automatic control program, and combined with MCGS configuration control software for simulation, monitoring, improve the performance of the control system.

In system design, main equipment composition, the selection of PLC, external hardware wiring diagram and write program instruction list and ladder diagram, and then in the GX developer and GX simulator simulation debugging. The design of monitoring computer screen in MCGS, the PLC program to MCGS synchronization, simulation debugging. This design will be combination of MCGS and PLC, the use of PLC to complete the scene control, based on MCGS configuration software to develop a friendly interface, greatly improve the system operation and real-time.

Keywords: MCGS; PLC; monitoring system; biological fermentation

目 录

摘 要 I

Abstract II

1 绪论 1

1.1 课题研究背景和研究意义 1

1.2 生物发酵生产的工艺流程 1

1.3 国内外研究现状 1

1.4 本论文研究内容 2

2 方案设计 3

2.1 基于PLC/MCGS的生物发酵实验装置监控系统工艺过程及控制要求 3

2.2 总体设计方案 4

3 下位机硬件设计 6

3.1 硬件选型 6

3.1.1 PLC的选型 6

3.1.2 传感器选型 7

3.1.3 其他外部硬件的选择 7

3.2 PLC的I/O地址分配 7

3.3 PLC的外部接线图 9

3.3.1 传感器与FX2n-4AD的连接 9

3.3.2 输入部分与PLC的连接 9

3.3.3 输出部分与PLC的连接 10

3.4 变频器接线图 11

4 下位机软件设计 12

4.1 PLC主程序设计 12

4.1.1 程序设计方法 12

4.1.2 软件程序设计 12

4.2 PLC程序的调试 13

4.2.1 编程及仿真软件的简介 13

4.2.2 程序调试及仿真 13

5 基于MCGS的控制系统设计 18

5.1 MCGS的简介 18

5.2 本设计的组态建立 18

5.2.1 构造数据库 18

5.2.2 设备与变量的连接 20

5.2.3 界面设计 22

总 结 23

致 谢 24

参考文献 25

附录A 系统外部接线图 26

附录B 系统梯形图 27

1 绪论

1.1 课题研究背景和研究意义

不断发展的发酵技术，使对自动控制技术的要求也不断提高。然而，机理复杂的生物发酵过程，具有高度的时变性、非线性，在线难以监测一些关键参数，使得先进的优化控制算法和策略难以实现；而目前使用的发酵测控系统基于不同的测控单元，多数采用常规的检测单元，缺少对关键参数进行监测的智能单元；为了实现生物发酵在线优化与调控，迫切需要研究出融入智能检测单元的发酵过程智能监控系统^[1]。

1.2 生物发酵生产的工艺流程

生物发酵是生物质在有限氧供给的条件下，监控发酵物的pH值、体积量的变化过程^[2]。生物发酵装置主要由酸、碱料罐、发酵罐、传感器等组成。通过阀门和泵将酸、碱料罐送入发酵罐，使生物质在发酵罐中与其反应，在一段时间内完成pH和体积控制的过程。为确保对设备实时控制的实现，以及试验装置的精确性，在整个过程中需要监控的信号包括：(1)pH值信号，主要测量发酵罐内的pH值；(2)体积信号，主要测量发酵罐内的体积。通过阀门和泵将酸、碱料罐送入发酵罐，使生物质在发酵罐中与其反应，在一段时间内完成pH和体积控制的过程。

1.3 国内外研究现状

我国在生物发酵过程的监控方面与国外相比,仍然有较大的差距，还处于起步阶段。研究和生产控制所需要的数据仅凭经验或实验测得，这些都是远远不够的。因此，对发酵过程监控系统的研制、实现、推广和国产化，会大大提高我国发酵行业的自动化生产水平，提高生产率，降低成本具有显著的经济和社会效益^[3]。在国外，生物发酵生产的自动化率都比较高，其发酵监控系统的工业化的生产和商业化的使用已呈现了规模化。

国内科研机构在我国发酵过程的发展中，开始将国外先进经验和技术的基础尝试着吸收，并将其技术应用到我国生物发酵过程。目前用于发酵过程实时控制和数据处理的系统主要有单片机计算机监控系统、工业控制计算机监控系统、可编程逻辑控制器监控系统、集散控制系统和现场总线控制系统等^[4]。