摘 要：本文介绍了一种基于组态软件与PLC的发酵罐自动加碱控制与管理系统，该系统对发酵罐整个发酵过程进行自动化的管理和PH值恒定控制，提高了产品质量的稳定性，方便了企业的管理和减轻了操作工人的劳动强度，目前该系统已在三个黄原胶生产车间得以实际应用，控制效果良好。
关键词：组态软件 PLC 发酵罐 自动流加 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 系统简介
1.1 原加碱工艺说明
发酵是生产黄原胶的其中一个重要的工艺过程，发酵过程的好坏直接影响到产品的质量和产量，在发酵的过程中，发酵物产生大量酸，影响细菌的生长和正常发酵，需要在发酵过程中加入碱液对产生的酸中和。目前，发酵过程加入碱液的方法，一般是操作工人一个半小时去取样口取样，对取样物测定PH值，测定值比目标值小，然后手动打开碱液阀，同时用秒表计时打开阀门的时间，最后关闭碱液阀。这样的加碱方法带来了一些问题，一是抽样时间过长，导致发酵罐内PH值不稳定；二是加入碱液量凭操作人员经验估计，不同的操作人员面对相同的检测值，也会估计出不同的加碱时间，三是一次性加入的碱液太多，罐内PH值变化太大，对发酵有一定影响。四是取样出来的物料受温度变化因素，动静态测量因素等影响，测量值与罐内物料的实际PH值有所偏差，影响测量准确性。由于人为因素影响，常常影响到发酵后物料的粘度，也影响了产品质量。
1.2 自控加碱解决方案
为了克服现有诸多问题，系统在发酵罐上安装PH值电极，实时采集发酵罐中物料的PH值。在工控机软件上设定加碱循环时间，系统在设定的循环时间到来时，PLC把实时PH值与设定的目标值PH值比较，如果实时值低于目标值，PLC自动会根据实时PH值与目标PH值的差值计算出需要加碱的时间值，根据计算的时间值来打开电磁阀，完成一个加碱周期。循环加碱时间可以由操作工人根据不同发酵时段物料的粘度而设定，发酵前期粘度小可以设循环加碱的时间短一些，后期粘度大可以设长些，循环加碱时间一般设3～10分钟。
系统除了可以自动循环加碱外，每个发酵罐在上位机上都保留了手动方式加碱，操作工人只需用鼠标把自动切换成手动状态，通过点击手动加碱按钮，即可打开任意发酵罐加碱的电磁阀进行加碱，并显示加碱的时间。不管是手动和自动加碱，只要加碱时物料的PH值超过了目标PH值，系统会将电磁阀关闭，以防止加入碱液过量。
为了方便企业管理和查询，系统在每一批次发酵结束后，可以点击一个按钮，即可导出整个发酵批次的PH值数据，并形成独立的批次文件。
2 系统设计
2.1 硬件部分
2.1.1 系统框图
系统框图如图1所示。
现场采集控制端由PLC，AD模块，电极，仪表和电磁阀组成，发酵罐的PH值通过AD模块送入PLC，PLC根据采集的PH值与目标PH值比较，计算出加碱的时间，以此时间长度打开电磁阀把碱液加入发酵罐中。
远程管理端由工控机组成，工控机界面显示整个车间所有发酵罐的运行状态，操作工人设定的参数和做出的命令通过工控机下载到PLC，由PLC根据程序做出相应动作。工控机软件可导出和保存每个批次的PH值数据，方便企业查询和管理。企业的电脑可以通过局域网连接到工控机上，可以在远程进行监控车间生产状况。
图1
2.1.2 主要硬件组成
①工控机：采用研祥IPC-810工控机；
②组态软件：采用 MCGS6.2，512点；
③PLC：采用台达DVP48EH00R2，24DI/24DO；
④AD采集模块：采用台达DVP04AD-H2模块；
⑤通讯模块：采用泓格I-7520通讯模块；
⑥PH值电极、仪表：采用耐高温，发酵专用电极，仪表与电极配套，4~20mA输出；
⑦电磁阀：AC220电源，需耐强碱腐蚀；
⑧固态继电器：DC24V控制/AC220V输出。
2.1.3 现场方案
①工控机
工控机放在车间值班办公室，通过RS232/485通讯模块与PLC控制柜进行数据交换，通讯距离理论上在1.2KM，但考虑通讯速度，应尽量减少通讯距离。
②PLC控制柜
PLC控制柜安装位置根据现场情况而定，尽量选择清洁，环境温度低于40度的环境安装。
③PH值仪表柜
安装在发酵罐附近，电极与仪表之间的距离应小于10m，防止电极产生的微弱信号衰减。
④电磁阀
电磁阀安装在原手动加碱阀与空气进气管道之间，电磁阀进口处应安装过滤网，以防止颗粒物进入电磁阀，影响电磁阀工作。
现场图如图2所示。
图2
2.2 软件部分
2.2.1工控机主界面
工控机程序主界面如图3所示。
图3
软件主界面反映了所有发酵罐的基本运行数据和状态，运行数据包括：PH值目标值，PH值测量值和发酵罐的启动时间，状态数据包括：运行启停状态，报警状态，手/自动状态，报警禁止/允许状态。
如果要了解其中某个发酵罐的详细运行数据和状态，可以在主界面上点击“进入”，即可进到对应的某一个发酵罐界面，如图4所示。
在此界面上，能详细的反映了此发酵罐的运行数据和状态，包括：
①运行状态指示，报警指示，手/自动状态，手/自动控制按钮，手动加碱按钮，电磁阀开关状态，电磁阀动作次数，历史报警记录。
②批次输入和显示，发酵罐启停时间，启动计时，数据导出，
③PH值测量值，加碱时间系数，循环检测时间设定，PH值目标值设定，PH值上下限值设定。
④PH值历史曲线，PH值实时曲线。
2.2.2 界面操作
图4
（1）启动操作
①步输入本次发酵的批次；
②步设定系统运行参数；
③步选择手动/自动方式；
④步把PLC控制柜上的选择开关旋到“启动”。
（2）停止操作
①步把PLC控制柜上的选择开关旋到“停止”，处于停止状态时，PLC程序不执行该发酵罐的程序，不能进行手动或自动的加碱。
（3）数据导出
①步在发酵罐停止状态时，点击“**罐本批次PH值数据导出”即可，必须是在发酵罐停止状态时才能导出数据。
（4）手动加碱
①步选择“手动”按钮，再点击“手动加碱”即可打开电磁阀，打开时间在“加碱计时”显示。
（5）自动加碱
①步选择“自动”按钮，系统根据循环时间设定值自动循环检测加碱。
(6)曲线浏览
实时曲线：双击实时曲线，可放大实时曲线以方便查看。
历史曲线：把鼠标移到历史曲线上，可以看到某时刻的PH值。
2.2.3 保护策略
在电磁阀打开过程中，不管是手动加碱还是自动加碱，只要测量值超过了目标值，系统会自动关闭电磁阀，以保护过量加碱。
2.2.4报警策略
当测量值高于上限报警值或低于下限报警值时，系统延时10s后发出声光报警，PLC控制柜的蜂鸣器发出报警声，在软件界面上对应的发酵罐报警显示框变成红色并闪烁。
3 结束语
采用自动加碱后，PH值控制精度为：目标值±0.05，克服了人为手动加碱带来的不定因素，改善了发酵罐PH稳定性，提高了产品的质量稳定性，系统集成了整个车间的发酵罐管理，操作工人只需在电脑旁边，就可以了解和操作整个生产车间每个发酵罐的工作状态，降低了操作工人的劳动强度。
作者简介
肖先忠(1977-) 男 工程师，任职于英伟力新能源科技（上海）有限公司。
参考文献(略)
