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

  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旋到“啟動”。

   （2）停止操作

①步把PLC控制柜上的選擇開關旋到“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。

  參考文獻(略)