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(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)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(wěn)定性，方便了企業(yè)的管理和減輕了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，目前該系統(tǒng)已在三個(gè)黃原膠生產(chǎn)車(chē)間得以實(shí)際應(yīng)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

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(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(xì)菌的生長(zhǎng)和正常發(fā)酵，需要在發(fā)酵過(guò)程中加入堿液對(duì)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(duì)取樣物測(cè)定PH值，測(cè)定值比目標(biāo)值小，然后手動(dòng)打開(kāi)堿液閥，同時(shí)用秒表計(jì)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(zhǎng)，導(dǎo)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(yàn)估計(jì)，不同的操作人員面對(duì)相同的檢測(cè)值，也會(huì)估計(jì)出不同的加堿時(shí)間，三是一次性加入的堿液太多，罐內(nèi)PH值變化太大，對(duì)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(cè)量因素等影響，測(cè)量值與罐內(nèi)物料的實(shí)際PH值有所偏差，影響測(cè)量準(zhǔn)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(wèn)題，系統(tǒng)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(jī)軟件上設(shè)定加堿循環(huán)時(shí)間，系統(tǒng)在設(shè)定的循環(huán)時(shí)間到來(lái)時(shí)，PLC把實(shí)時(shí)PH值與設(shè)定的目標(biāo)值PH值比較，如果實(shí)時(shí)值低于目標(biāo)值，PLC自動(dòng)會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)PH值與目標(biāo)PH值的差值計(jì)算出需要加堿的時(shí)間值，根據(jù)計(jì)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(jù)不同發(fā)酵時(shí)段物料的粘度而設(shè)定，發(fā)酵前期粘度小可以設(shè)循環(huán)加堿的時(shí)間短一些，后期粘度大可以設(shè)長(zhǎng)些，循環(huán)加堿時(shí)間一般設(shè)3～10分鐘。

系統(tǒng)除了可以自動(dòng)循環(huán)加堿外，每個(gè)發(fā)酵罐在上位機(jī)上都保留了手動(dòng)方式加堿，操作工人只需用鼠標(biāo)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(biāo)PH值，系統(tǒng)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(tǒng)在每一批次發(fā)酵結(jié)束后，可以點(diǎn)擊一個(gè)按鈕，即可導(dǎo)出整個(gè)發(fā)酵批次的PH值數(shù)據(jù)，并形成獨(dú)立的批次文件。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(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(jù)采集的PH值與目標(biāo)PH值比較，計(jì)算出加堿的時(shí)間，以此時(shí)間長(zhǎng)度打開(kāi)電磁閥把堿液加入發(fā)酵罐中。

遠(yuǎn)程管理端由工控機(jī)組成，工控機(jī)界面顯示整個(gè)車(chē)間所有發(fā)酵罐的運(yùn)行狀態(tài)，操作工人設(shè)定的參數(shù)和做出的命令通過(guò)工控機(jī)下載到PLC，由PLC根據(jù)程序做出相應(yīng)動(dòng)作。工控機(jī)軟件可導(dǎo)出和保存每個(gè)批次的PH值數(shù)據(jù)，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(jī)上，可以在遠(yuǎn)程進(jìn)行監(jiān)控車(chē)間生產(chǎn)狀況。

圖1

2.1.2 主要硬件組成

①工控機(jī)：采用研祥IPC-810工控機(jī)；

②組態(tài)軟件：采用 MCGS6.2，512點(diǎn)；

③PLC：采用臺(tái)達(dá)DVP48EH00R2，24DI/24DO；

④AD采集模塊：采用臺(tái)達(dá)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(qiáng)堿腐蝕；

⑧固態(tài)繼電器：DC24V控制/AC220V輸出。

2.1.3 現(xiàn)場(chǎng)方案

①工控機(jī)

工控機(jī)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(shù)據(jù)交換，通訊距離理論上在1.2KM，但考慮通訊速度，應(yīng)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(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(yīng)小于10m，防止電極產(chǎn)生的微弱信號(hào)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(yīng)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(xiàn)場(chǎng)圖如圖2所示。

圖2

2.2 軟件部分

2.2.1工控機(jī)主界面

工控機(jī)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(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)，運(yùn)行數(shù)據(jù)包括：PH值目標(biāo)值，PH值測(cè)量值和發(fā)酵罐的啟動(dòng)時(shí)間，狀態(tài)數(shù)據(jù)包括：運(yùn)行啟停狀態(tài)，報(bào)警狀態(tài)，手/自動(dòng)狀態(tài)，報(bào)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(xì)運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)，可以在主界面上點(diǎn)擊“進(jìn)入”，即可進(jìn)到對(duì)應(yīng)的某一個(gè)發(fā)酵罐界面，如圖4所示。

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

①運(yùn)行狀態(tài)指示，報(bào)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(shù)，歷史報(bào)警記錄。

②批次輸入和顯示，發(fā)酵罐啟停時(shí)間，啟動(dòng)計(jì)時(shí)，數(shù)據(jù)導(dǎo)出，

③PH值測(cè)量值，加堿時(shí)間系數(shù)，循環(huán)檢測(cè)時(shí)間設(shè)定，PH值目標(biāo)值設(shè)定，PH值上下限值設(shè)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(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)；

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?fàn)顟B(tài)時(shí)，PLC程序不執(zhí)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(shù)據(jù)導(dǎo)出

①步在發(fā)酵罐停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，點(diǎn)擊“**罐本批次PH值數(shù)據(jù)導(dǎo)出”即可，必須是在發(fā)酵罐停止?fàn)顟B(tài)時(shí)才能導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

（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(jì)時(shí)”顯示。

（5）自動(dòng)加堿

①步選擇“自動(dòng)”按鈕，系統(tǒng)根據(jù)循環(huán)時(shí)間設(shè)定值自動(dòng)循環(huán)檢測(cè)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(biāo)移到歷史曲線(xiàn)上，可以看到某時(shí)刻的PH值。

2.2.3 保護(hù)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(cè)量值超過(guò)了目標(biāo)值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉電磁閥，以保護(hù)過(guò)量加堿。

2.2.4報(bào)警策略

當(dāng)測(cè)量值高于上限報(bào)警值或低于下限報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)延時(shí)10s后發(fā)出聲光報(bào)警，PLC控制柜的蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，在軟件界面上對(duì)應(yīng)的發(fā)酵罐報(bào)警顯示框變成紅色并閃爍。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用自動(dòng)加堿后，PH值控制精度為：目標(biāo)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(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(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(qiáng)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。