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   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

  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(gè)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(xì)菌的生長和正常發(fā)酵，需要在發(fā)酵過程中加入堿液對(duì)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(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)打開堿液閥，同時(shí)用秒表計(jì)時(shí)打開閥門的時(shí)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(shí)間過長，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)間值來打開電磁閥，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)，通過點(diǎn)擊手動(dòng)加堿按鈕，即可打開任意發(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(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)間長度打開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)查詢和管理。企業(yè)的電腦可以通過局域網(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)放在車間值班辦公室，通過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，PH值實(shí)時(shí)曲線。

  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控制柜上的選擇開關(guān)旋到“啟動(dòng)”。

   （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?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”即可打開電磁閥，打開時(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）  曲線瀏覽

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

   2.2.3 保護(hù)策略

  在電磁閥打開過程中，不管是手動(dòng)加堿還是自動(dòng)加堿，只要測(cè)量值超過了目標(biāo)值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉電磁閥，以保護(hù)過量加堿。

  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

   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(xiàn)(略)