Система для управления периодическим процессом ферментации

) 9) (11) 6 05027/ ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН МУ СВИДЕТЕЛЬСТ К АВТ А.А, Оприш тельство СССР 1/08, 1978.др, Процесс ферменталирования температуцевтический ж-л, 1968,ПРАВЛЕНИЯ ПЕРИОСОМ ФЕРМЕНТАЦИИ ОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР 21) 4733991/2422) 04.07.8946) 07,04.92. Бюл. М 1371) Грозненское научно-производственноеобъединение "Промавтоматика"(56) Авторское свидеМ 721477, кл. С 12 ВБирюков В.В. иции как объект регуры. - Химико-фармаМЗ, с. 36,(54) СИСТЕМА ДЛЯ УДИЧЕСКИМ ПРОЦЕС(57) Система содержит ферментатор 1, контур стабилизации расхода аэрирующего воздуха, включающий датчик 2, регулятор 3, исполнительный механизм 4 на линии подачи аэрирующего воздуха, контур стабилизации давления в ферментаторе, включающий датчик 5, регулятор 6, исполнительный механизм 7 на линии отходящих из ферментатора газов, контур регулирования температуры, включающий датчик 8, позиционный регулятор 9, сумматоры 10, 11, 14 переключающее реле 12, элементы 13, 21 задержки, релейные блоки 15, 23, 24, 26, блок 16 памяти, коммутатор 17, блок 18 вычитания, блок 19 определения модуля, дифференциатор 20, блок 22 перемножения, ключевой элемент 25, исполнительный механизм 27 на линии подачиждающей воды, 1 ил.Изобретение относится к автоматическому управлению периодическими процессами ферментации и может быть использовано в производствах микробиоло- гической, медицинской, химико-фармацевтической и пищевой промышленности,Известна система, реализуемая способом автоматического управления процессом выращивания микроорганизмов, содержащая контуры стабилизации давления, расхода воздуха на аэрацию, температуры в аппарате, включающие соответственно датчики измеряемых параметров, регуляторы, исполнительные механизмы, а также блоки дифференцирования и переключения, пороговый и релейный элементы.Недостатком известной системы является невысокая точность поддержания температурного параметра после вывода процесса на заданный режим, так как при формировании регулирующего воздействия на подачу охлаждающей воды не учитывается фактическая динамика канала регулирования температуры, что в конечном итоге снижает выход целевого продукта,Наиболее близким по технической сущности к предложенной является система автоматического управления периодическим процессом ферментации, содержащая контур регулирования температуры, включающий датчик, блок сравнения, позиционный регулятор и программное реле, реализующие двухпозиционный закон регулирования с помощью исполнительного механизма, установленного на линии подачи охлаждающей воды,Недостатком данной системы является низкая точность поддержания температурного параметра из-за отсутствия коррекции моментов переключения позиционного регулятора, необходимость которой обусловлена нестационарностью динамических характеристик обьекта. Поэтому изменение подачи охлаждающей воды происходит при температуре в аппарате, значительно отличающейся от заданной, что создает неоптимальные условия развития микроорганизмов и снижает выход целевого продукта.Цель изобретения - увеличение выхода целевого продукта за счет повышения точности поддержания температурного параметра.указанная цель достигается тем, что в системе для управления периодическим процессом ферментации, содержащей контуры стабилизации расхода воздуха на аэрацию и давления в аппарате, включающие последовательно соединенные соответствующие датчик, регулятор и исполнительный механизм, контур регули 10 20 25 последовательно соединенными ключевым элементом,и четвертым релейным блоком,30 35 40 45 50 55 рования температуры, включающий позиционный регулятор с датчиком температуры на входе, соединенный выходом с исполнительным механизмом, установленным на линии подачи охлаждающей воды, контур регулирования температуры снабжен первым и вторым сумматорами, последовательно соединенными первым элементом задержки, третьим сумматором, вторым входом подключенным к входу первого элемента задержки, и первым релейным блоком, блоком памяти, коммутатором, последовательно соединенными блоком вычитания, блоком определения модуля и переключающим реле, первый и второй выходы которого подключены к вторым входам первого и второго сумматоров, выходы которых подключены соответственно к входам минимального и максимального заданных значений позиционного регулятора,последовательно соединенными дифференциатором, вторым элементом задержки, блоком перемножения, вторым релейным блоком, третьим релейным блоком, а также причем второй вход блока перемножения подключен к выходу дифференциатора, информационный вход ключевого элемента - к выходу дифференциатора, а управляющий вход - к выходу третьего релейного блока, выход четвертого релейного блока соединен с управляющими входами коммутатора и переключающего реле, выход датчика температуры подключен к входу дифференциатора и к первому и второму информационным входам блока памяти, управляющий вход которого соединен с выходом первого релейного блока, первый и второй выходы блока памяти подключены к первым информационным входам коммутатора, второй информационный вход которого подключен к выходу датчика температуры, причем выходы коммутаторов соединены соответственно с первым и вторым входами блока вычитания, вход первого элемента задержки - с выходом позиционного регулятора,На чертеже представлена блок-схема системы для управления периодическим процессом ферментации.Контур стабилизации расхода аэрирующего воздуха, поступающего в ферментатор 1, содержит датчик 2, подключенный к входу регулятора 3, связанного с исполнительным механизмом 4, установленным на линии подачи аэрирующего воздуха.Контур стабилизации давления в ферментаторе 1 содержит датчик 5, подключенный к входу регулятора 6, связанному сисполнительным механизмом 7, установленным на линии отходящих из фермента- тора газов.Контур регулирования температуры вферментаторе 1 содержит датчик 8, подключенный к входу позиционного регулятора 9, к другим входам которого подключены выходы первого 10 и второго 11 сумматоров, переключающее реле 12, первый и второй выходы которого подключены к вторым входам первого 10 и второго 11 сумматоров, первый элемент 13 задержки, подключенный к выходу позиционного регулятора 9, третий сумматор 14, один вход которого подключен к выходу позиционного регулятора 9 непосредственно, а другой - через первый элемент 13 задержки, первый релейный блок 15, вход которого подключен к выходу третьего сумматора 14, а выход соединен с управляющим входом блока 16 памяти, первый и второй информационные входы которого соединены с датчиком 8 температуры, коммутатор 17, первые информационные входы которого соединены с первым и вторым выходами блока 16 памяти, а второй информационный вход - с выходом датчика 8 температуры, причем первый и второй выходы коммутатора 17 подключены к соответствующим входам блока 18 вычитания, выход которого подключен к входу блока 19 определения модуля, соединенного с входом переключающего реле 12, дифференциатор 20, подключенный к выходу датчика 8 температуры, второй элемент 21 задержки, вход которого соединен с выходом дифференциатора 20, а выход подключен к входу блока 22 перемножения, другой вход которого соединен с выходом дифференциатора 20, а выход блока 22 перемножения подключен к входу второго релейного блока 23, выход которого подключен к входу третьего релейного блока 24, выход которого подключен к управляющему входу ключевого элемента 25, информационный вход которого соединен с выходом дифференциатора 20, четвертый релейный блок 26, соединенный входом с выходом ключевого элемента 25, а выходом подключенный к управляющему входу коммутатора 17 и к управляющему входу переключающего реле 12, первый и второй выходы которого подключены к вторым входам первого 10 и второго 11 сумматоров, выход позиционного регулятора 9 подключен к входу исполнительного механизма 27, установленного на линии подачи охлаждающей воды,Система для уп ра влен ия периодическим процессом ферментации работает следующим образом,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Температура в ферментаторе 1 измеряется датчиком 8, сигнал с выхода которого поступает на один из входов позиционного регулятора 9На другие входы позиционного регулятора 9 через первый вход первого сумматора 10 поступает сигнал, задающий допустимое минимальное значение температуры, а через первый вход второго сумматора 11 - сигнал, задающий допустимое максимальное значение температуры в ферментаторе 1. Текущее значение температуры в позиционном регуляторе 9 сравнивается с задаваемым допустимым значением и в зависимости от знака рассогласования позиционный регулятор 9 формирует регулирующее воздействие на подачу охлаждающей воды максимальной (Омз) либо минимальной (Омин) величины.В случае тепловыделения процесса либо в результате перераспределения потоков теплопередачи вследствие внешних возмущений температура в ферментоторе 1 изменяется. Выходной сигнал датчика 8 температуры поступает на вход позиционного регулятора 9, в котором сравнивается с установленными допустимыми значениями, поступающими с выходов первого 10 и второго 11 сумматоров. При отрицательных отклонениях температуры, превышающих установленное допустимое значение, позиционный регулятор 9 формирует регулирующее воздействие Омакс, которое поступает на вход исполнительного механизма 27, и начинается максимальная подача охлаждающей воды в рубашку или в змеевик аппарата,Одновременно сигнал, пропорциональный величине регулирующего воздействия, поступает на вход третьего сумматора 14, на другой вход которого поступает сигнал регулирующего воздействия для предыдущего момента времени. Если охлаждение аппарата продолжается за счет подачи воды, то текущее значение сигнала регулирующего воздействия равно предыдущему и на выходе третьего сумматора 14 сигнал равен нулю, при этом на вход первого релейного блока 15 сигнал не поступает. При этом последний делает вывод о соответствии текущего значения регулирующего воздействия предыдущему значению, т,е, об отсутствии переключения сигнала управления с одного уровня на другой. В этом случае командный сигнал с выхода первого релейного блока 15 .на управляющий вход блока 16 памяти не поступает и на вход позиционного регулятора 9 продолжает поступать прежний задающий сигнал с выхода первого 10 и второго 11 суммато10 ров, с которым сравнивается текущее значение температуры в ферментаторе 1,Воздействие позиционного регулятора 9 на исполнительный механизм 27 продолжается до тех пор, пока текущее значение температуры в ферментаторе 1 не превысит пределы, установленные с помощью сумматоров 10 и 11, т.е. пока знак отклонения температуры изменится на противоположны, Когда знак отклонения температуры от установленного допустимого значения изменится на противоположный, позиционный регулятор 9 переключит сигнал регулирующего воздействия на противоположный, например с Омакс на Омии, Поскольку канал регулирования температуры имеет запаздывание, то после переключения регулирующего воздействия с Осаке на Омин охлаждение аппарата продолжается еще некоторое время, т,е. изменение температуры происходит в прежнем направлении в течение времени, определяемого временем запаздывания.Чтобы не допустить переохлаждения жидкости в ферментаторе 1, необходимо прекратить подачу воды на охлаждение до того, как .значение температуры достигнет установленного допустимого значения, т.е, с предварением изменить знак регулирующего воздействия на подачу охлаждающей воды. Для этого в момент смены знака сигнала регулирующего воздействия на выходе третьего сумматора 14 возникает ненулевой сигнал, пропорциональный разности О - Ои), где Оь Он - значения сигнала регулирующего воздействия в текущий и в предыдущий моменты времени соответственно, Сигнал отклонения с выхода третьего сумматора 14 поступает на вход первого релейного блока 15, который анализирует знак поступившего на его вход отклонения и выдает командный сигнал блоку 16 памяти на запоминание текущего значения температуры. Блок 16 памяти реализован в виде идентичных ячеек памяти, включенных противофазно.Если сигнал отклонения отрицательный, т.е. О - ОнО, то на соответствующем участке блока 16 памяти происходит запоминание текущего значения сигнала температуры, поступающего на первый вход блока 16 памяти. Если же сигнал отклонения положительный, т.е. О - О О, то на соответствующем участке блока 16 памяти происходит запоминание значения температуры, поступающего на второй вход блока 16 памяти, Одновременно выходной сигнал датчика 8 температуры поступает на вход дифференциатора 20. Сигнал, пропорциональный скорости изменения температуры 20 25 30 35 40 45 50 55 в текущий момент времени, с выхода дифференциатора 20 непосредственно и сигнал с выхода второго элемента 21 задержки, пропорциональный скорости изменения температуры в предыдущий момент времени, поступают на первый и второй входы блока 22 перемножения, соединенного с входом второго релейного блока 23, который анализирует знак входного сигнала,Если знак произведения сигналов больше нуля, то релейный блок 22 делает вывод о продолжающемся изменении температуры в аппарате за счет запаздывания в прежнем направлении, В этом случае сигнал с выхода второго релейного блока 23 на вход третьего релейного блока 24 не поступает и последний не воздействует на управляющий вход ключевого элемента 25.Регулирующее воздействие позиционного регулятора 9 на исполнительный механизм 27 вызывает соответствующее изменение температуры в ферментаторе 1 и приводит к тому, что знак произведения сигналов текущей производной температуры и предыдущего ее значения становится меньше нуля, что свидетельствует об изменении температуры в противоположном направлении. Выходной сигнал второго релейного блока 23 в этом случае поступает на вход третьего релейного блока 24, с выхода которого поступает командный сигнал на срабатывание ключевого элемента 25, который подключает выходной сигнал дифференциатора 20 на вход четвертого релейного блока 26. Последний анализирует знак производной выходного сигнала датчика 8 температуры (скорости изменения температуры) и в зависимости от знака выдает соответствующий сигнал на управляющие входы переключающего реле 12 и коммутатора 17. В зависимости от знака текущей производной выходного сигнала датчика 8 температуры коммутатор 17 подключает входы блока 18 вычитания к соответствующему участку блока 16 памяти.При отрицательном знаке производной температуры коммутатор 17 осуществляет коммутацию на один вход блока 18 вычитания того участка блока 16 памяти, на котором было запомнено значение температуры у 1, измеренной датчиком 8 и поступающей на этот участок памяти через первый вход блока 16 памяти, На другой вход блока 18 вычитания поступает через коммутатор 17 текущее значение температуры у 2, соответствующее моменту времени смены знака производной температуры с положительного на отрицательный. Блок 18 вычитания осуществляет вычисление приращения температуры Лу 1 или Луг, на которое изменит5 10 15 Ь У 1 = Уг - У 1,У макс = Умакс ИУ 1/,Луг = У 4 - УЗ,ся: температура от момента переключения регулирующего воздействия до момента начала ее спада (или нарастания), В данном случае вычисление приращения ЬУ 1 осуществляется по формуле где у 1 - значение температуры в момент переключения регулирующего воздействия с Омакс на Оминуг - значение температуры в момент начала спада, т.е. в момент смены знака производной температуры с положительного на отрицательный.Выделенный с помощью блока 19 определения модуля модуль приращения температуры (Ь У 1) перез переключающее реле 12 поступает на второй вход второго сумматора 11, В результате чего установленное ранее максимальное заданное значение температуры позиционного регулятора 9 корректируется, т.е. вычисляется новое значение порога срабатывания с учетом фактических значений изменившихся динамических параметров канала регулирования температуры по формуле где умакс - максимальное заданное значение температуры в ферментаторе;умакс - скорректированное максимальное заданное значение температуры в ферме нтаторе.В случае, когда темпеоатура в ферментаторе начинает возрастать, например за счет тепловыделения процесса, т.е. производная температуры меняет свой знак с отрицательного на положительный, четвертый релейный блок 26 выдает на управляющие входы переключающего реле 12 и коммутатора 17 такой командный сигнал, при действии которого коммутатор 17 подключает на вход блока 18 вычитания тот участок блока 16 памяти, на котором было запомнено значение температуры, поступившее на второй вход блока 16 памяти в момент переключения регулирующего воздействия с Омин на Омакс. На другой вход блока 18 вычитания через коммутатор 17 поступает текущее значение температуры в момент начала ее нарастания, т.е. в момент времени, когда первая производная меняет свой знак с отрицательного на положительный, Блок 18 вычитания в данном случае вычисляет приращение по формуле 20 25 30 35 40 45 50 55 где уз - значение температуры в момент переключения регулирующего воздействия с Омин на Омакс,у 4 - значение температуры в момент смены знака производной температуры с отрицательного на положительный.Выходной сигнал блока 18 вычитания поступает на вход блока 19 определения модуля, который выделяет модуль приращения Ьуг, поступающего на вход переключающего реле 12. Последнее в данном случае подключает входной сигнал к второму входу первого сумматора 10. В результате ранее установленное значение температуры корректируется в первом сумматоре 10 по формулеумин=умин+ Иуг/,где умин - минимальное заданное значение температуры в ферментаторе;умин - скорректированное минимальное заданное значение температуры в ферментаторе.В результате скорректированных минимального и максимального заданных значений позиционного регулятора 9 переключение регулирующего воздействия на подачу охлаждающей воды происходит с предварением, что .обеспечивает повышение точности поддержания температуры в аппарате.Стабилизация расхода воздуха и давления в аппарате осуществляется с помощью регуляторов 3 и 6 и исполнительных механизмов 4 и 7, воздействующих на подачу воздуха и сброс отходящих газов соответственно. Формула изобретения Система для управления периодическим процессом ферментации, содержащая контуры стабилизации расхода воздуха на аэрацию и давления в аппарате, включающие последовательно соединенные соответствующие датчик, регулятор и исполнительный механизм, контур регулирования температуры, включающий позиционный регулятор с датчиком температуры на входе и соединенный выходом с исполнительным механизмом, установленным на линии подачи охлаждающей воды, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью увеличения выхода целевого продукта за счет повышения точности поддержания температурного параметра, контур регулирования температуры снабжен первым и вторымсумматорами, последовательно соединенными первым элементом задержки, третьимсумматором, вторым входом подключенным12 1725203 25 30 40 45 50 Составитель В. ЛубенцовТехред М,Моргентал Корректор А. Осауленко Редактор В. Данко Заказ 1176 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 101 к входу первого элемента задержки, и первым релейным блоком, блоком памяти, коммутатором, последовательно соединенными блоком вычитания, блоком определения модуля и переключающим реле, первый и второй выходы которого подключены к вторым входам первого и второго сумматоров, выходы которых подключены соответственно к входам минимального и максимального заданных значений позиционного регулятора, последовательно соединенными дифференциатором, вторым элементом задержки, блоком перемножения, вторым входом подключенным к выходу дифференциатора, вторым релейным блоком, третьим релейным блоком, а также последовательно соединенными ключевым элементом и четвертым релейным блоком, причем информационный вход ключевого элемента подключен к выходу дифференциатора, а управляющий вход - к выходу третьего релейного блока, выход четвертого релейного блока соединен с уп равляющими входами коммутатора ипереключающего реле, выход датчика температуры подключен к входу дифференциатора и к первому и второму информационн ы м входам блока памяти, управляющий вход 10 которого соединен с выходом первого релейного блока, первый и второй выходы блока памяти подключены к первым информационным входам коммутатора, второй информационный вход которого подключен к 15 выходу датчика температуры, причем выходы коммутатора соединены соответственно с первым и вторым входами блока вычитания, вход первого элемента задержки соединен с выходом позиционного регулятора.20