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基于組態軟件和臺達PLC的發酵罐PH值控制和管理系統
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1 系統簡介
1.1 原加堿工藝說明
發酵是生產黃原膠的其中一個重要的工藝過程，發酵過程的好壞直接影響到產品的質量和產量，在發酵的過程中，發酵物產生大量酸，影響細菌的生長和正常發酵，需要在發酵過程中加入堿液對產生的酸中和。目前，發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，導致發酵罐內PH值不穩定；二是加入堿液量憑操作人員經驗估計，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PH值變化太大，對發酵有一定影響。四是取樣出來的物料受溫度變化因素，動靜態測量因素等影響，測量值與罐內物料的實際PH值有所偏差，影響測量準確性。由于人為因素影響，常常影響到發酵后物料的粘度，也影響了產品質量。
1.2 自控加堿解決方案
為了克服現有諸多問題，系統在發酵罐上安裝PH值電極，實時采集發酵罐中物料的PH值。在工控機軟件上設定加堿循環時間，系統在設定的循環時間到來時，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，根據計算的時間值來打開電磁閥，完成一個加堿周期。循環加堿時間可以由操作工人根據不同發酵時段物料的粘度而設定，發酵前期粘度小可以設循環加堿的時間短一些，后期粘度大可以設長些，循環加堿時間一般設3～10分鐘。
系統除了可以自動循環加堿外，每個發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，通過點擊手動加堿按鈕，即可打開任意發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，系統會將電磁閥關閉，以防止加入堿液過量。
為了方便企業管理和查詢，系統在每一批次發酵結束后，可以點擊一個按鈕，即可導出整個發酵批次的PH值數據，并形成獨立的批次文件。
2 系統設計
2.1 硬件部分
2.1.1 系統框圖
系統框圖如圖1所示。
現場采集控制端由PLC，AD模塊，電極，儀表和電磁閥組成，發酵罐的PH值通過AD模塊送入PLC，PLC根據采集的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酵罐的運行狀態，操作工人設定的參數和做出的命令通過工控機下載到PLC，由PLC根據程序做出相應動作。工控機軟件可導出和保存每個批次的PH值數據，方便企業查詢和管理。企業的電腦可以通過局域網連接到工控機上，可以在遠程進行監控車間生產狀況。
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固態繼電器：DC24V控制/AC220V輸出。
2.1.3 現場方案
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控制柜進行數據交換，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現場情況而定，盡量選擇清潔，環境溫度低于40度的環境安裝。
③PH值儀表柜
安裝在發酵罐附近，電極與儀表之間的距離應小于10m，防止電極產生的微弱信號衰減。
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，以防止顆粒物進入電磁閥，影響電磁閥工作。
現場圖如圖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酵罐的基本運行數據和狀態，運行數據包括：PH值目標值，PH值測量值和發酵罐的啟動時間，狀態數據包括：運行啟停狀態，報警狀態，手/自動狀態，報警禁止/允許狀態。
如果要了解其中某個發酵罐的詳細運行數據和狀態，可以在主界面上點擊“進入”，即可進到對應的某一個發酵罐界面，如圖4所示。
在此界面上，能詳細的反映了此發酵罐的運行數據和狀態，包括：
①運行狀態指示，報警指示，手/自動狀態，手/自動控制按鈕，手動加堿按鈕，電磁閥開關狀態，電磁閥動作次數，歷史報警記錄。
②批次輸入和顯示，發酵罐啟停時間，啟動計時，數據導出，
③PH值測量值，加堿時間系數，循環檢測時間設定，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步輸入本次發酵的批次；
②步設定系統運行參數；
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”，處于停止狀態時，PLC程序不執行該發酵罐的程序，不能進行手動或自動的加堿。
（3）數據導出
①步在發酵罐停止狀態時，點擊“**罐本批次PH值數據導出”即可，必須是在發酵罐停止狀態時才能導出數據。
（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，系統根據循環時間設定值自動循環檢測加堿。
(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，系統延時10s后發出聲光報警，PLC控制柜的蜂鳴器發出報警聲，在軟件界面上對應的發酵罐報警顯示框變成紅色并閃爍。
3 結束語
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，改善了發酵罐PH穩定性，提高了產品的質量穩定性，系統集成了整個車間的發酵罐管理，操作工人只需在電腦旁邊，就可以了解和操作整個生產車間每個發酵罐的工作狀態，降低了操作工人的勞動強度。
1.1 原加堿工藝說明
發酵是生產黃原膠的其中一個重要的工藝過程，發酵過程的好壞直接影響到產品的質量和產量，在發酵的過程中，發酵物產生大量酸，影響細菌的生長和正常發酵，需要在發酵過程中加入堿液對產生的酸中和。目前，發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，導致發酵罐內PH值不穩定；二是加入堿液量憑操作人員經驗估計，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PH值變化太大，對發酵有一定影響。四是取樣出來的物料受溫度變化因素，動靜態測量因素等影響，測量值與罐內物料的實際PH值有所偏差，影響測量準確性。由于人為因素影響，常常影響到發酵后物料的粘度，也影響了產品質量。
1.2 自控加堿解決方案
為了克服現有諸多問題，系統在發酵罐上安裝PH值電極，實時采集發酵罐中物料的PH值。在工控機軟件上設定加堿循環時間，系統在設定的循環時間到來時，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，根據計算的時間值來打開電磁閥，完成一個加堿周期。循環加堿時間可以由操作工人根據不同發酵時段物料的粘度而設定，發酵前期粘度小可以設循環加堿的時間短一些，后期粘度大可以設長些，循環加堿時間一般設3～10分鐘。
系統除了可以自動循環加堿外，每個發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，通過點擊手動加堿按鈕，即可打開任意發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，系統會將電磁閥關閉，以防止加入堿液過量。
為了方便企業管理和查詢，系統在每一批次發酵結束后，可以點擊一個按鈕，即可導出整個發酵批次的PH值數據，并形成獨立的批次文件。
2 系統設計
2.1 硬件部分
2.1.1 系統框圖
系統框圖如圖1所示。
現場采集控制端由PLC，AD模塊，電極，儀表和電磁閥組成，發酵罐的PH值通過AD模塊送入PLC，PLC根據采集的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酵罐的運行狀態，操作工人設定的參數和做出的命令通過工控機下載到PLC，由PLC根據程序做出相應動作。工控機軟件可導出和保存每個批次的PH值數據，方便企業查詢和管理。企業的電腦可以通過局域網連接到工控機上，可以在遠程進行監控車間生產狀況。
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固態繼電器：DC24V控制/AC220V輸出。
2.1.3 現場方案
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控制柜進行數據交換，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現場情況而定，盡量選擇清潔，環境溫度低于40度的環境安裝。
③PH值儀表柜
安裝在發酵罐附近，電極與儀表之間的距離應小于10m，防止電極產生的微弱信號衰減。
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，以防止顆粒物進入電磁閥，影響電磁閥工作。
現場圖如圖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酵罐的基本運行數據和狀態，運行數據包括：PH值目標值，PH值測量值和發酵罐的啟動時間，狀態數據包括：運行啟停狀態，報警狀態，手/自動狀態，報警禁止/允許狀態。
如果要了解其中某個發酵罐的詳細運行數據和狀態，可以在主界面上點擊“進入”，即可進到對應的某一個發酵罐界面，如圖4所示。
在此界面上，能詳細的反映了此發酵罐的運行數據和狀態，包括：
①運行狀態指示，報警指示，手/自動狀態，手/自動控制按鈕，手動加堿按鈕，電磁閥開關狀態，電磁閥動作次數，歷史報警記錄。
②批次輸入和顯示，發酵罐啟停時間，啟動計時，數據導出，
③PH值測量值，加堿時間系數，循環檢測時間設定，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步輸入本次發酵的批次；
②步設定系統運行參數；
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”，處于停止狀態時，PLC程序不執行該發酵罐的程序，不能進行手動或自動的加堿。
（3）數據導出
①步在發酵罐停止狀態時，點擊“**罐本批次PH值數據導出”即可，必須是在發酵罐停止狀態時才能導出數據。
（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，系統根據循環時間設定值自動循環檢測加堿。
(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，系統延時10s后發出聲光報警，PLC控制柜的蜂鳴器發出報警聲，在軟件界面上對應的發酵罐報警顯示框變成紅色并閃爍。
3 結束語
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，改善了發酵罐PH穩定性，提高了產品的質量穩定性，系統集成了整個車間的發酵罐管理，操作工人只需在電腦旁邊，就可以了解和操作整個生產車間每個發酵罐的工作狀態，降低了操作工人的勞動強度。
