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(dòng)加堿控制與管理系統，該系統對發(fā)酵罐整個(gè)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化的管理和PH值恒定控制，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩定性，方便了企業(yè)的管理和減輕了操作工人的勞動(dòng)強度，目前該系統已在三個(gè)黃原膠生產(chǎn)車(chē)間得以實(shí)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(dòng)流加 PH值恒定控制 批次管理

  1 系統簡(jiǎn)介

   1.1 原加堿工藝說(shuō)明

   發(fā)酵是生產(chǎn)黃原膠的其中一個(gè)重要的工藝過(guò)程，發(fā)酵過(guò)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(guò)程中，發(fā)酵物產(chǎn)生大量酸，影響細菌的生長(cháng)和正常發(fā)酵，需要在發(fā)酵過(guò)程中加入堿液對產(chǎn)生的酸中和。目前，發(fā)酵過(guò)程加入堿液的方法，一般是操作工人一個(gè)半小時(shí)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(dòng)打開(kāi)堿液閥，同時(shí)用秒表計時(shí)打開(kāi)閥門(mén)的時(shí)間，最后關(guān)閉堿液閥。這樣的加堿方法帶來(lái)了一些問(wèn)題，一是抽樣時(shí)間過(guò)長(cháng)，導致發(fā)酵罐內PH值不穩定；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(huì )估計出不同的加堿時(shí)間，三是一次性加入的堿液太多，罐內PH值變化太大，對發(fā)酵有一定影響。四是取樣出來(lái)的物料受溫度變化因素，動(dòng)靜態(tài)測量因素等影響，測量值與罐內物料的實(shí)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

   為了克服現有諸多問(wèn)題，系統在發(fā)酵罐上安裝PH值電極，實(shí)時(shí)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(shí)間，系統在設定的循環(huán)時(shí)間到來(lái)時(shí)，PLC把實(shí)時(shí)PH值與設定的目標值PH值比較，如果實(shí)時(shí)值低于目標值，PLC自動(dòng)會(huì )根據實(shí)時(shí)PH值與目標PH值的差值計算出需要加堿的時(shí)間值，根據計算的時(shí)間值來(lái)打開(kāi)電磁閥，完成一個(gè)加堿周期。循環(huán)加堿時(shí)間可以由操作工人根據不同發(fā)酵時(shí)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(shí)間短一些，后期粘度大可以設長(cháng)些，循環(huán)加堿時(shí)間一般設3～10分鐘。

   系統除了可以自動(dòng)循環(huán)加堿外，每個(gè)發(fā)酵罐在上位機上都保留了手動(dòng)方式加堿，操作工人只需用鼠標把自動(dòng)切換成手動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)點(diǎn)擊手動(dòng)加堿按鈕，即可打開(kāi)任意發(fā)酵罐加堿的電磁閥進(jìn)行加堿，并顯示加堿的時(shí)間。不管是手動(dòng)和自動(dòng)加堿，只要加堿時(shí)物料的PH值超過(guò)了目標PH值，系統會(huì )將電磁閥關(guān)閉，以防止加入堿液過(guò)量。

   為了方便企業(yè)管理和查詢(xún)，系統在每一批次發(fā)酵結束后，可以點(diǎn)擊一個(gè)按鈕，即可導出整個(gè)發(fā)酵批次的PH值數據，并形成獨立的批次文件。

   2 系統設計

   2.1 硬件部分

   2.1.1 系統框圖

   系統框圖如圖1所示。

   現場(chǎng)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(guò)AD模塊送入PLC，PLC根據采集的PH值與目標PH值比較，計算出加堿的時(shí)間，以此時(shí)間長(cháng)度打開(kāi)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(gè)車(chē)間所有發(fā)酵罐的運行狀態(tài)，操作工人設定的參數和做出的命令通過(guò)工控機下載到PLC，由PLC根據程序做出相應動(dòng)作。工控機軟件可導出和保存每個(gè)批次的PH值數據，方便企業(yè)查詢(xún)和管理。企業(yè)的電腦可以通過(guò)局域網(wǎng)連接到工控機上，可以在遠程進(jìn)行監控車(chē)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(diǎn)；
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(zhuān)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 現場(chǎng)方案

   ①工控機

   工控機放在車(chē)間值班辦公室，通過(guò)RS232/485通訊模塊與PLC控制柜進(jìn)行數據交換，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現場(chǎng)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(dòng)加堿閥與空氣進(jìn)氣管道之間，電磁閥進(jìn)口處應安裝過(guò)濾網(wǎng)，以防止顆粒物進(jìn)入電磁閥，影響電磁閥工作。

   現場(chǎng)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)酵罐的基本運行數據和狀態(tài)，運行數據包括：PH值目標值，PH值測量值和發(fā)酵罐的啟動(dòng)時(shí)間，狀態(tài)數據包括：運行啟停狀態(tài)，報警狀態(tài)，手/自動(dòng)狀態(tài)，報警禁止/允許狀態(tài)。

   如果要了解其中某個(gè)發(fā)酵罐的詳細運行數據和狀態(tài)，可以在主界面上點(diǎn)擊“進(jìn)入”，即可進(jìn)到對應的某一個(gè)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)酵罐的運行數據和狀態(tài)，包括：

   ①運行狀態(tài)指示，報警指示，手/自動(dòng)狀態(tài)，手/自動(dòng)控制按鈕，手動(dòng)加堿按鈕，電磁閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)，電磁閥動(dòng)作次數，歷史報警記錄。

   ②批次輸入和顯示，發(fā)酵罐啟停時(shí)間，啟動(dòng)計時(shí)，數據導出，

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

   ④PH值歷史曲線(xiàn)，PH值實(shí)時(shí)曲線(xiàn)。

  2.2.2 界面操作
 
                 
                                   圖4

  （1）啟動(dòng)操作

①步輸入本次發(fā)酵的批次；
②步設定系統運行參數；
③步選擇手動(dòng)/自動(dòng)方式；
④步把PLC控制柜上的選擇開(kāi)關(guān)旋到“啟動(dòng)”。

   （2）停止操作

①步把PLC控制柜上的選擇開(kāi)關(guān)旋到“停止”，處于停止狀態(tài)時(shí)，PLC程序不執行該發(fā)酵罐的程序，不能進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)的加堿。

   （3）數據導出

①步在發(fā)酵罐停止狀態(tài)時(shí)，點(diǎn)擊“**罐本批次PH值數據導出”即可，必須是在發(fā)酵罐停止狀態(tài)時(shí)才能導出數據。

   （4）手動(dòng)加堿

①步選擇“手動(dòng)”按鈕，再點(diǎn)擊“手動(dòng)加堿”即可打開(kāi)電磁閥，打開(kāi)時(shí)間在“加堿計時(shí)”顯示。

   （5）自動(dòng)加堿

①步選擇“自動(dòng)”按鈕，系統根據循環(huán)時(shí)間設定值自動(dòng)循環(huán)檢測加堿。

   （6）  曲線(xiàn)瀏覽

實(shí)時(shí)曲線(xiàn)：雙擊實(shí)時(shí)曲線(xiàn)，可放大實(shí)時(shí)曲線(xiàn)以方便查看。
歷史曲線(xiàn)：把鼠標移到歷史曲線(xiàn)上，可以看到某時(shí)刻的PH值。

   2.2.3 保護策略

  在電磁閥打開(kāi)過(guò)程中，不管是手動(dòng)加堿還是自動(dòng)加堿，只要測量值超過(guò)了目標值，系統會(huì )自動(dòng)關(guān)閉電磁閥，以保護過(guò)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(shí)，系統延時(shí)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 結束語(yǔ)

   采用自動(dòng)加堿后，PH值控制精度為：目標值±0.05，克服了人為手動(dòng)加堿帶來(lái)的不定因素，改善了發(fā)酵罐PH穩定性，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量穩定性，系統集成了整個(gè)車(chē)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(gè)生產(chǎn)車(chē)間每個(gè)發(fā)酵罐的工作狀態(tài)，降低了操作工人的勞動(dòng)強度。

   作者簡(jiǎn)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。

  參考文獻(略)