一种海洋溶菌酶发酵过程控制装置的制作方法

本实用新型是一种用于解决海洋溶菌酶发酵过程中关键参量(基质浓度、菌体浓度以及相对酶活)难以实时测量及控制，属于海洋溶菌酶生产装置的技术领域。

背景技术：

海洋溶菌酶具有抗氧化及溶菌谱广的特点，能专一性地作用于细菌细胞壁肽聚糖分子，使细菌细胞壁变得松驰而达到溶解细菌的效果，其产品应用在医学治疗、食品工业、畜禽养殖与生物工程等众多领域中。随着抗生素生产的迅速发展和广泛应用，在临床上引起了两个突出问题：一是细菌的耐药性逐年增加，致使一些抗生素的疗效降低，甚至无效；二是一些不致病的细菌成为条件致病菌。因此，对于溶菌酶的需求量越来越大，现存的溶菌酶数量很难解决市场供需矛盾。而对海洋溶菌酶发酵过程关键参数软测量及控制，可以掌控发酵过程进展程度，利于各种基质补料以及控制微生物的代谢，控制发酵产品质量，对于海洋溶菌酶的工业化生产具有重要的实际意义。

在传统的控制方式中，常采用的是单一的单片机或者单一的plc控制方法。单片机具有集成度高、体积小、控制功能强、易扩展、低功耗等优点，性价比较高，常用于数据采集系统；但用单片机制作的主控板受制版工艺、布局结构、器件质量等因素的影响导致抗干扰能力差，故障率高，对环境依赖性强，开发周期长。而plc是经过几十年实际应用中检验过的控制器，其抗干扰能力强、故障率低、易于设备的扩展、便于维护、高可靠性和稳定性、开发周期短；但plc的体系结构是封闭的，需要特定的控制规程，并且学习特定的编程语言。

技术实现要素：

技术问题：本实用新型的目的是提供一种海洋溶菌酶发酵过程控制装置，采用plc与单片机联动控制，传感器将采集到的数据经过处理后通过数据线传送给单片机，在单片机中嵌入智能算法，可以实现对发酵过程环境参量的多点采集、关键参量的解耦控制，可以较大范围对各类参数进行采集控制。plc的应用越来越广泛，现如今已经逐步取代其它能耗高、体积庞大、可靠性差的控制系统，与单片机联动控制的优势在于避免了单片机控制的不稳定及抗干扰能力差，提高了系统的可靠性，使控制更加精确可靠。

技术方案：本实用新型的一种海洋溶菌酶发酵过程控制装置，包括发酵罐、参数测量装置、模拟信号调整器、多路选择开关cd4051、可变增益放大器ad526、单片机、plc控制模块、8255并口扩展口、光耦驱动电路、执行机构以及上位机；

所述参数测量装置中的各类传感器通过模拟信号调整器、多路选择开关cd4051以及可变增益放大器ad526连接于a/d转换模块，a/d转换转换模块连接于单片机，单片机经由gpio模块连接与plc控制模块，plc控制模块连接8255并口扩展口，将信号发送至光耦驱动电路用于控制执行机构工作，所述执行机构用于对发酵时的温度、压力、搅拌转速、溶解氧浓度、ph参数进行调节并显示在上位机中。

其中：

在所述发酵罐上安装有温度传感器t1(pt100)、第一流量仪、do传感器、ph传感器、压力仪、光电编码器、温度传感器t2(pt100)、第二流量仪分别用于海洋溶菌酶发酵罐内温度、空气流量、溶解氧浓度、ph值、压力、电机转速等参数的检测。

海洋溶菌酶发酵罐外层设有夹套，夹套顶部设有进水口，底部设有出水口，进水口与出水口连接在水槽中，水槽与冷却水出水口相连接，水槽里放置有加热器；所述执行机构包括与搅拌机构相连接的调速器，与发酵罐上部输入端管道相连接的第一进气口电动调节阀、第二进气口电动调节阀与第三进气口电动调节阀，与供水系统水槽相连接的冷却水电磁阀与加热器，与发酵搅拌装置相连接的第一补酸用蠕动泵、第二补碱用蠕动泵、补消泡液用蠕动泵3、第一补料用蠕动泵与第二补料用蠕动泵。

所述plc控制器采用plc与单片机联动控制，预测发酵过程底物浓度、菌体浓度和相对酶活，并且计算出所需调节的环境参数的变化量，送入plc控制模块中由该模块进行调节；由plc控制模块发出信号：打开冷却水电磁阀控制冷却水的流入或控制加热器工作控制流入夹套中水的温度；第二控制蠕动泵进行补碱，第一控制蠕动泵补酸调节ph；通过控制控制搅拌电机的转速，第一进气口电动调节阀、第二进气口电动调节阀、第三进气口电动调节阀的开关调节罐内溶解氧浓度、罐内压力与空气流量；第三通过控制蠕动泵增加消泡液；第四控制蠕动泵、第五蠕动泵进行补料添加，同时通过调速器控制电机转速，使得补料更均匀的添加到发酵液中。

有益效果：本实用新型对温度的调节是通过冷却水电磁阀以及加热器来完成的，当罐内温度较低时，调整加热器的开关以及加热功率，升高流入夹套内的水温，带动罐内温度的升高，需要降低罐内温度时，打开冷却水电磁阀，通讯循环冷却水，使温度降低，由于发酵罐内温度变化具有较强的时滞性，因此采用模糊理论整定pid参数。同样ph值的控制也具有时滞性和非线性，因此控制ph值的执行机构：第一补酸用蠕动泵、第二补碱用蠕动泵同样采用模糊pid来控制。

附图说明

以下结合附图和具体实施对本实用新型作具体的介绍。

图1为本实用新型海洋溶菌酶发酵过程控制装置结构示意图；

图2为本实用新型控制装置各模块连接关系示意图。

发酵罐1、夹套2、进水口3、出水口4、水槽5、冷却水出水口6、第一温度传感器7、第一流量仪8、do传感器9、ph传感器11、压力仪13、搅拌电机14、光电编码器15、第二温度传感器16、第二流量仪17、调速器18、第一进气口电动调节阀19、第二进气口电动调节阀20、第一进气口电动调节阀21、冷却水电磁阀22、加热器23、第一补酸用蠕动泵24、第二补碱用蠕动泵25、第三补消泡液用蠕动泵26、第一补料用蠕动泵27、第二补料用蠕动泵28、模拟信号调整器29、多路选择开关cd405130、可变增益放大器ad52631、单片机32、plc控制模块33、8255并口扩展口34、光耦驱动电路35、执行机构以及上位机36。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。

图1为本实用新型海洋溶菌酶发酵过程控制装置结构示意图，包括发酵罐1、参数测量装置、模拟信号调整器29、多路选择开关cd4051、可变增益放大器ad526、单片机32、plc控制器模块33、8255并口扩展口34、光耦驱动电路35、执行机构以及上位机36。

所述参数测量装置中的各类传感器通过模拟信号调整器29、多路选择开关cd4051以及可变增益放大器ad526连接于a/d转换模块，a/d转换转换模块连接于单片机32，单片机32经由gpio模块连接与plc控制模块33，plc控制模块33连接8255并口扩展口34，将信号发送至光耦驱动电路35用于控制执行机构工作，所述执行机构用于对发酵时的温度、压力、搅拌转速、溶解氧浓度、ph等参数进行调节；

所述传感器用于检测海洋溶菌酶发酵时的温度、压力、搅拌转速、溶解氧浓度、ph值等参数通过模拟信号调整器29的模拟信号，这些模拟信号经a/d转换模块转换变成数字信号后送入单片机32中进行底物浓度、菌体浓度、相对酶活这三个状态量的软测量，再由解耦算法计算出对应的环境参数变化量，发送至plc控制模块33中，控制执行机构工作，从而调节发酵时的温度、压力、氧浓度、ph值等参数，并同时在上位机36显示发酵时的上述相关参数。

进一步的，所述传感器包括第一温度传感器t1(pt100)、第一流量仪8、do传感器9、ph传感器11、压力仪13、光电编码器15、第二温度传感器t2(pt100)16、第二流量仪17分别用于海洋溶菌酶发酵罐1内温度、空气流量、溶解氧浓度、ph值、压力、电机转速等参数的检测。

所述执行机构包括调速器18、第一进气口电动调节阀19、第二进气口电动调节阀20、第一进气口电动调节阀21、冷却水电磁阀22、加热器23、第一补酸用蠕动泵24、第二补碱用蠕动泵25、第三补消泡液用蠕动泵26、第一补料用蠕动泵27和第二补料用蠕动泵28；海洋溶菌酶发酵罐1外层设有夹套2，夹套2顶部设有进水口3，底部设有出水口4，进水口3与出水口4连接在水槽5中，水槽5与冷却水出水口6相连接，水槽5里放置有加热器23。

进一步的，所述第一温度传感器t1、第二温度传感器t2选择的型号为cwdz11，采用了二线制4～20ma的直流输出，能够进行温漂、非线性自动补偿，其温度范围为-50～100℃，最小量程为0～100℃，精度为0.5％fs。

当单片机32输出判定，需要升高温度时，控制加热器23工作，设定加热器23的加热功率；当判定需要降低罐内温度时，由plc控制模块33采取模糊pid算法发出信号，打开冷却水电磁阀22控制冷却水的流入，用于降低流入夹套2中水的温度。

进一步的，所述ph传感器11选择的产品型号为xw-400，采用了二线制4～20ma的直流输出，耐强酸强碱耐高温的玻璃电极，采用低噪音电缆线，输出信号长达30m无干扰，其酸碱度测量范围为0～14ph，测量精度<0.01ph，适用温度为0～90℃，回应时间为5sec，耐压为0.6mp。

当单片机32内算法的计算结果判定需要增加ph值时，由plc控制模块33采取模糊pid算法发出信号，第二控制蠕动泵25进行补碱；当计算结构判定ph值过高时，由plc控制模块33第一控制蠕动泵24补酸；

进一步的，所述溶解氧浓度传感器9选择的型号为sin-dm2800，隔离变送4～20ma的直流输出，其溶解氧的测量范围为0～20mg/l，分辨率为0.01mg/l，饱和度范围为0～200％，分辨率为0.10％，氧分压范围为0～400hpa，分辨率为1hpa，综合精度为<1.5％，温度补偿范围为-10～60℃，分辨率为0.1℃。

进一步的，所述压力传感器13选择的产品型号为sin-p310，采用了二线制4～20ma的直流输出，其测压范围为-0.1～60mpa，使用温度为-40～80℃，介质温度为-40～80℃，何在海洋溶菌酶发酵过程中使用。

进一步的，所述第一流量仪8、第二流量仪17选择的产品型号为lzb-3，其液体的流量范围为4～40ml/min，气体的流量范围为60～600ml/min，精度等级为4级，耐压<0.25mpa，允许温度范围为-20～70℃。

当单片机32判定下一步动作需要调节溶解氧浓度、罐内压力与空气流量时，经由plc控制模块33采用常规pid算法控制搅拌电机14的转速，第一进气口电动调节阀19、第二进气口电动调节阀20、第三进气口电动调节阀21的开关。

进一步的，所述光电编码器15采用的是型号为chb38s的增量式光电编码器，其脉冲数为10～5000cpr，供电电压为5～24v，响应频率为80khz，消耗电流为60ma，机械转速为6000rpm，工作温度为-20～85℃，电缆线采用带屏蔽网，有限提高干干扰能力。

当单片机32判定下一步动作需要调节电机转速或需要进行补料与消泡时，由plc控制模块33采取常规pid控制算法发出信号。当需要进行消泡时，第三控制蠕动泵26增加消泡液；当计算结构判定电机转速过高或过低时，由plc控制模块33控制调速器18进行调速；当计算结构判定发酵液中补料缺乏时，由plc控制模块33控制第四蠕动泵27、第五蠕动泵28进行补料的添加，同时通过调速器18控制搅拌电机14转速，使得补料更均匀的添加到发酵液中。

图2为本实用新型控制装置各模块连接关系示意图，底层数据采集部分包括发酵罐1、各通道a/d模数转换器、若干工业传感器等，它们共同完成现场数据采集功能，将采集的数据送入单片机32，通过单片机32中嵌入的算法进行预测；通过串口通信将计算出的环境参数调整量输入进plc控制模块33中，若存在预测值与实际值相差较大的情况，可通过plc控制模块33对现场开关量进行控制，实现关键参量的精准预测；该控制过程通过串口通信可在pc机36上显示或进行远程控制。