基于组态软件和台达PLC的发酵罐PH值控制和管理系统

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)