摘  要：本文介紹了一種基于組態(tài)軟件與PLC的發(fā)酵罐自動加堿控制與管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)對發(fā)酵罐整個發(fā)酵過程進行自動化的管理和PH值恒定控制，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，方便了企業(yè)的管理和減輕了操作工人的勞動強度，目前該系統(tǒng)已在三個黃原膠生產(chǎn)車間得以實際應用，控制效果良好。

關(guān)鍵詞：組態(tài)軟件  PLC   發(fā)酵罐   自動流加   PH值恒定控制  批次管理

Abstract:This article describes automatic alkali control and management systems based on configuration software and PLC, which can achieve PH constant control and automatic management in entire fermentation process, improve the stability of product quality, ease labor, the system has good control effect in three xanthan gum production plant practical application.

Key words:Configuration Software  PLC   Fermenter  PH constant control   Batch control

1 系統(tǒng)簡介

1.1 原加堿工藝說明

發(fā)酵是生產(chǎn)黃原膠的其中一個重要的工藝過程，發(fā)酵過程的好壞直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，在發(fā)酵的過程中，發(fā)酵物產(chǎn)生大量酸，影響細菌的生長和正常發(fā)酵，需要在發(fā)酵過程中加入堿液對產(chǎn)生的酸中和。目前，發(fā)酵過程加入堿液的方法，一般是操作工人一個半小時去取樣口取樣，對取樣物測定PH值，測定值比目標值小，然后手動打開堿液閥，同時用秒表計時打開閥門的時間，最后關(guān)閉堿液閥。這樣的加堿方法帶來了一些問題，一是抽樣時間過長，導致發(fā)酵罐內(nèi)PH值不穩(wěn)定；二是加入堿液量憑操作人員經(jīng)驗估計，不同的操作人員面對相同的檢測值，也會估計出不同的加堿時間，三是一次性加入的堿液太多，罐內(nèi)PH值變化太大，對發(fā)酵有一定影響。四是取樣出來的物料受溫度變化因素，動靜態(tài)測量因素等影響，測量值與罐內(nèi)物料的實際PH值有所偏差，影響測量準確性。由于人為因素影響，常常影響到發(fā)酵后物料的粘度，也影響了產(chǎn)品質(zhì)量。

1.2 自控加堿解決方案

為了克服現(xiàn)有諸多問題，系統(tǒng)在發(fā)酵罐上安裝PH值電極，實時采集發(fā)酵罐中物料的PH值。在工控機軟件上設定加堿循環(huán)時間，系統(tǒng)在設定的循環(huán)時間到來時，PLC把實時PH值與設定的目標值PH值比較，如果實時值低于目標值，PLC自動會根據(jù)實時PH值與目標PH值的差值計算出需要加堿的時間值，根據(jù)計算的時間值來打開電磁閥，完成一個加堿周期。循環(huán)加堿時間可以由操作工人根據(jù)不同發(fā)酵時段物料的粘度而設定，發(fā)酵前期粘度小可以設循環(huán)加堿的時間短一些，后期粘度大可以設長些，循環(huán)加堿時間一般設3～10分鐘。

系統(tǒng)除了可以自動循環(huán)加堿外，每個發(fā)酵罐在上位機上都保留了手動方式加堿，操作工人只需用鼠標把自動切換成手動狀態(tài)，通過點擊手動加堿按鈕，即可打開任意發(fā)酵罐加堿的電磁閥進行加堿，并顯示加堿的時間。不管是手動和自動加堿，只要加堿時物料的PH值超過了目標PH值，系統(tǒng)會將電磁閥關(guān)閉，以防止加入堿液過量。

為了方便企業(yè)管理和查詢，系統(tǒng)在每一批次發(fā)酵結(jié)束后，可以點擊一個按鈕，即可導出整個發(fā)酵批次的PH值數(shù)據(jù)，并形成獨立的批次文件。

2 系統(tǒng)設計

2.1 硬件部分

2.1.1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

現(xiàn)場采集控制端由PLC，AD模塊，電極，儀表和電磁閥組成，發(fā)酵罐的PH值通過AD模塊送入PLC，PLC根據(jù)采集的PH值與目標PH值比較，計算出加堿的時間，以此時間長度打開電磁閥把堿液加入發(fā)酵罐中。

遠程管理端由工控機組成，工控機界面顯示整個車間所有發(fā)酵罐的運行狀態(tài)，操作工人設定的參數(shù)和做出的命令通過工控機下載到PLC，由PLC根據(jù)程序做出相應動作。工控機軟件可導出和保存每個批次的PH值數(shù)據(jù)，方便企業(yè)查詢和管理。企業(yè)的電腦可以通過局域網(wǎng)連接到工控機上，可以在遠程進行監(jiān)控車間生產(chǎn)狀況。

圖1

2.1.2 主要硬件組成

①工控機：采用研祥IPC-810工控機；

②組態(tài)軟件：采用 MCGS6.2，512點；

③PLC：采用臺達DVP48EH00R2，24DI/24DO；

④AD采集模塊：采用臺達DVP04AD-H2模塊；

⑤通訊模塊：采用泓格I-7520通訊模塊；

⑥PH值電極、儀表：采用耐高溫，發(fā)酵專用電極，儀表與電極配套，4~20mA輸出；

⑦電磁閥：AC220電源，需耐強堿腐蝕；

⑧固態(tài)繼電器：DC24V控制/AC220V輸出。

2.1.3 現(xiàn)場方案

①工控機

工控機放在車間值班辦公室，通過RS232/485通訊模塊與PLC控制柜進行數(shù)據(jù)交換，通訊距離理論上在1.2KM，但考慮通訊速度，應盡量減少通訊距離。

②PLC控制柜

PLC控制柜安裝位置根據(jù)現(xiàn)場情況而定，盡量選擇清潔，環(huán)境溫度低于40度的環(huán)境安裝。

③PH值儀表柜

安裝在發(fā)酵罐附近，電極與儀表之間的距離應小于10m，防止電極產(chǎn)生的微弱信號衰減。

④電磁閥

電磁閥安裝在原手動加堿閥與空氣進氣管道之間，電磁閥進口處應安裝過濾網(wǎng)，以防止顆粒物進入電磁閥，影響電磁閥工作。

現(xiàn)場圖如圖2所示。

圖2

2.2 軟件部分

2.2.1工控機主界面

工控機程序主界面如圖3所示。

圖3

軟件主界面反映了所有發(fā)酵罐的基本運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)，運行數(shù)據(jù)包括：PH值目標值，PH值測量值和發(fā)酵罐的啟動時間，狀態(tài)數(shù)據(jù)包括：運行啟停狀態(tài)，報警狀態(tài)，手/自動狀態(tài)，報警禁止/允許狀態(tài)。

如果要了解其中某個發(fā)酵罐的詳細運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)，可以在主界面上點擊“進入”，即可進到對應的某一個發(fā)酵罐界面，如圖4所示。

在此界面上，能詳細的反映了此發(fā)酵罐的運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)，包括：

①運行狀態(tài)指示，報警指示，手/自動狀態(tài)，手/自動控制按鈕，手動加堿按鈕，電磁閥開關(guān)狀態(tài)，電磁閥動作次數(shù)，歷史報警記錄。

②批次輸入和顯示，發(fā)酵罐啟停時間，啟動計時，數(shù)據(jù)導出，

③PH值測量值，加堿時間系數(shù)，循環(huán)檢測時間設定，PH值目標值設定，PH值上下限值設定。

④PH值歷史曲線，PH值實時曲線。

2.2.2 界面操作

圖4

（1）啟動操作

①步輸入本次發(fā)酵的批次；

②步設定系統(tǒng)運行參數(shù)；

③步選擇手動/自動方式；

④步把PLC控制柜上的選擇開關(guān)旋到“啟動”。

（2）停止操作

①步把PLC控制柜上的選擇開關(guān)旋到“停止”，處于停止狀態(tài)時，PLC程序不執(zhí)行該發(fā)酵罐的程序，不能進行手動或自動的加堿。

（3）數(shù)據(jù)導出

①步在發(fā)酵罐停止狀態(tài)時，點擊“**罐本批次PH值數(shù)據(jù)導出”即可，必須是在發(fā)酵罐停止狀態(tài)時才能導出數(shù)據(jù)。

（4）手動加堿

①步選擇“手動”按鈕，再點擊“手動加堿”即可打開電磁閥，打開時間在“加堿計時”顯示。

（5）自動加堿

①步選擇“自動”按鈕，系統(tǒng)根據(jù)循環(huán)時間設定值自動循環(huán)檢測加堿。

(6)曲線瀏覽

實時曲線：雙擊實時曲線，可放大實時曲線以方便查看。

歷史曲線：把鼠標移到歷史曲線上，可以看到某時刻的PH值。

2.2.3 保護策略

在電磁閥打開過程中，不管是手動加堿還是自動加堿，只要測量值超過了目標值，系統(tǒng)會自動關(guān)閉電磁閥，以保護過量加堿。

2.2.4報警策略

當測量值高于上限報警值或低于下限報警值時，系統(tǒng)延時10s后發(fā)出聲光報警，PLC控制柜的蜂鳴器發(fā)出報警聲，在軟件界面上對應的發(fā)酵罐報警顯示框變成紅色并閃爍。

3 結(jié)束語

采用自動加堿后，PH值控制精度為：目標值±0.05，克服了人為手動加堿帶來的不定因素，改善了發(fā)酵罐PH穩(wěn)定性，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性，系統(tǒng)集成了整個車間的發(fā)酵罐管理，操作工人只需在電腦旁邊，就可以了解和操作整個生產(chǎn)車間每個發(fā)酵罐的工作狀態(tài)，降低了操作工人的勞動強度。

作者簡介

肖先忠(1977-) 男 工程師，任職于英偉力新能源科技（上海）有限公司。