基于S7-300PLC与WinCC的分布式液体发酵监控系统的设计

摘要

液体发酵以其远高于固态发酵的生产效率以及可实现全程自动化和连续化生产的优势逐渐成为了微生物发酵工业的主要发酵方式，但目前国内液体发酵监控系统的自动化水平整体不高，很大程度上制约了液体发酵产业的发展。为此，在液体发酵监控系统中引入现代的工业控制理论和方法、选用先进的工业控制设备以提高液体发酵自动化水平成为了当下液体发酵产业的迫切需要。
　　本文以液体发酵监控系统为研究对象，通过对系统工艺流程的分析，结合湖北某公司要求，确定了发酵过程中的转速、温度、pH、DO以及尾气中CO2和O2的含量等为主要监控参数。系统选用用西门子S7-300系列PLC作为核心控制器，结合西门子WinCC组态软件，构建了一个分布式的液体发酵监控系统。在该系统中， S7-300系列PLC配置了PS307(10A)、CPU314C-2 PN/DP、SM321、SM322以及SM331等模块，在STEP7中采用结构化的编程思想将监控任务分成参数检测、种子罐温度控制、发酵罐温度控制和变频调速四个小任务分别进行程序块设计。系统选用西门子MM440变频器实现对电机的变频调速，系统通过温度传感器、pH检测仪、溶氧检测仪和尾气分析仪实现了温度、pH、溶氧以及尾气中CO2和O2含量的采集。最后，系统通过工业以太网、采用TCP/IP协议实现了上位机和PLC的通讯，通过PROFIBUS总线实现PLC和MM440变频器的通讯，成功构建了液体发酵监控系统，实现了对发酵过程的监控和系统的自动化运行。
　　该系统可实现对发酵参数的实时在线采集、温度控制、变频调速等功能，并通过上位机可实现实时数据查询、报表查询、历史趋势查询以及报警信息等，同时可进行数据的打印输出。温度设定值和转速通过上位机主操作界面给定。目前系统已安装调试完毕，并已投料运行。运行结果表明：系统操作简便、运行稳定，通过对历史数据的对比分析表明：系统能准确采集各发酵参数、温度控制精度达到±1℃，变频调速稳定，满足控制要求，达到了预期的控制效果。

目录

声明

1.1 课题研究背景及意义

1.2 液体发酵监控的研究概况

1.3 课题主要研究内容

第2章 液体发酵监控系统总体方案设计

2.1 监控系统分析

2.2 监控系统设计

2.3 本章小结

3.1 监控系统硬件选型

3.2 监控系统硬件设计

3.3 PLC控制程序设计

3.4 PLC与变频器通讯

3.5 本章小结

第4章 液体发酵监控系统组态软件设计

4.1 WinCC简介

4.2 上位机配置

4.3 人机界面设计

4.4 PLC与WinCC通讯

4.5 本章小结

第5章 系统调试与运行

5.1 系统调试

5.2 系统运行

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢