摘 要：本文給出了一套以PLC（基礎程序控制器）為核心的發(fā)酵空氣預處理自動控制裝置的設計方案，介紹了系統(tǒng)組成、控制原理和工作過程等內容。該系統(tǒng)通過對氣動調節(jié)閥的PID控制，實現(xiàn)了對發(fā)酵預處理空氣溫濕度的自動調節(jié)。該裝置在實際生產(chǎn)中的應用表明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、操作便捷，可有效提高發(fā)酵空氣溫濕度的調節(jié)精度，降低勞動強度并達到節(jié)約能源的目的。

關鍵詞：PLC 自動控制 發(fā)酵 空氣預處理

中圖分類號： TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

1 概述

發(fā)酵工業(yè)應用的空氣必須是潔凈無菌的，并且要有一定的壓力、溫度和濕度，從而能控制發(fā)酵罐內原料不受污染。所謂“無菌空氣”，是指通過除菌后的壓縮空氣中含菌量降低到零或除菌效率達到99.9999%后的潔凈空氣。因此，發(fā)酵工廠要對空氣進行凈化除菌和調節(jié)處理，為保證過濾后的發(fā)酵空氣達到凈化標準，過濾前的空氣一般要經(jīng)過冷卻、除水及雜質、加熱以降低相對濕度的一系列預處理過程。

當預處理后的空氣溫濕度不能滿足設計要求時，普遍采用手動調節(jié)閥門的方式調節(jié)空氣的溫濕度，這樣做會暴露出很多不足，如調節(jié)精度低、反應時間長、需要人工干預等。若采用PLC自動控制的方法，相比于以往的手動調節(jié)過程，能夠實現(xiàn)系統(tǒng)溫濕度的自動調節(jié)，且調節(jié)精度高，無需人工干預，可靠性強，使用方便。

2 工藝路線

發(fā)酵空氣凈化流程是根據(jù)發(fā)酵生產(chǎn)對無菌空氣的質量要求進行設計的，吸氣環(huán)境如地理位置、氣候條件各異，則空氣的溫度、濕度、粉塵含量不同，選用的設備、過濾介質和工藝流程也不同。

該裝置采用的是冷熱空氣直接混合升溫的空氣預處理流程，整套裝置是由空壓機、儲氣罐、冷卻器，氣液分離器，混合器等設備組成，其工藝流程見圖1。經(jīng)粗過濾的大氣吸入壓縮機，被壓縮的空氣經(jīng)兩級冷卻器降溫后進入氣液分離器，除去壓縮空氣中絕大部分的水份，與部分來自空壓機的熱空氣直接混合升溫后，進入總空過濾器后，最終供給發(fā)酵罐。

圖1 發(fā)酵空氣預處理工藝流程圖

該裝置在一級冷卻器前端、混合器高溫進氣口、混合器進氣口和混合器出氣口分別安裝四個溫濕度傳感器用來監(jiān)測預處理空氣的溫濕度，當混合器出口的溫濕度不能滿足設定值時，控制系統(tǒng)將通過PLC對調節(jié)閥分別進行PID調節(jié)，滿足參數(shù)在設定范圍內：溫度為45℃±1℃，濕度<40%RH（可設定）。

3控制系統(tǒng)設計

3.1 控制系統(tǒng)組成

發(fā)酵空氣預處理裝置的自動控制系統(tǒng)主要由兩大部分組成：硬件部分和軟件部分。

硬件部分是指構成整個控制系統(tǒng)的操作顯示元件（觸摸控制屏）、外部電路（PLC控制單元）、檢測元件（溫濕度信號傳感器）、執(zhí)行元件（氣動調節(jié)閥）等。

軟件部分是指來控制完成空氣凈化溫濕度調節(jié)整個工作過程的程序，包括控制軟件和畫面軟件。控制軟件是指存放于PLC（基礎程序控制器）內部的，用來完成指定工作循環(huán)的程序；畫面軟件是指用來顯示當前工作狀態(tài)及參數(shù)輸入的人機交互程序，它存放于觸摸屏內部。

系統(tǒng)的控制流程圖如圖2所示。

圖2 控制流程圖

3.2控制系統(tǒng)I/O配置

本控制系統(tǒng)的核心控制部件采用西門子S7200-224高性能可編程序控制器，根據(jù)溫濕度自動控制的要求，共有1個數(shù)字量輸入、10個模擬量輸入、2個數(shù)字量輸出和2個模擬量輸出，設計的I/O配置如表1所示。

3.3溫度調節(jié)軟件設計

混合器出口溫度傳感器對高溫空氣調節(jié)閥的控制用于對混合器出口空氣溫度進行調節(jié)，使其達到工藝要求的最接近值。當靜態(tài)混合器出口溫度不滿足設定值時，控制系統(tǒng)通過PLC對高溫空氣調節(jié)閥做PID調節(jié)。在調節(jié)過程中，由于溫濕度傳感器存在惰性，從冷態(tài)達到穩(wěn)定工作狀態(tài)需要一段時間，所以整個溫度調節(jié)過程大約需要3～4小時。

溫度調節(jié)的梯形圖如圖3所示。

圖3 溫度調節(jié)梯形圖

3.4濕度調節(jié)軟件設計

混合器進口溫度傳感器對二冷水調節(jié)閥的控制用于對混合器出口濕度的調節(jié)，現(xiàn)場試驗證明，當混合器進口溫度設定值低于混合器出口溫度設定值3℃～5℃時，通過PID調節(jié)二冷水調節(jié)閥，即可滿足濕度<40%RH的要求。

在極端氣候條件下（高溫高濕天氣），當混合器出口濕度值大于設定值時，控制系統(tǒng)會自動將混合器進口溫度設定值下調5℃，通過PID調節(jié)二冷水調節(jié)閥使混合器出口濕度值滿足設定。實際運行結果表明，混合器進口溫度下調5℃后，混合器出口濕度可下降10% RH～20%RH。

濕度調節(jié)的梯形圖如圖4所示。

圖4 濕度調節(jié)梯形圖

3.5人機交互系統(tǒng)

該裝置采用Smart700-7英寸彩色觸摸屏作為人際相互界面。通過該系統(tǒng)，操作人員可以了解設備實時的運轉情況和工作狀態(tài)，調整設備的參數(shù)設定等。監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能包括：

（1）顯示功能：工藝流程、設備運行狀態(tài)、系統(tǒng)溫濕度值、報警顯示等。

（2）操作控制功能：根據(jù)界面上的按鈕可以對系統(tǒng)進行啟動/停止操作。

（3）參數(shù)設定功能：畫面系統(tǒng)對各監(jiān)測點的溫濕度設定值進行修改。

（4）報警功能：系統(tǒng)溫濕度超過報警值后進行報警，提示操作信息，并直觀地顯示在畫面上。

4應用效果

該裝置經(jīng)過測試，并于2014年12月在山東濰坊某發(fā)酵工廠成功應用。試驗及應用結果表明：采用PLC控制與未使用前的裝置比較，性能穩(wěn)定，控制精確（溫度調節(jié)精度可控制在±1℃以內），抗干擾能力強，操作簡單，完全滿足發(fā)酵空氣預處理后的各項性能指標，保證了供氣的質量。該全自動控制模式可有效降低工人的勞動強度，節(jié)約工時，保證了工程質量及工程進度。同時，冷熱空氣直接混合升溫的空氣預處理流程省去了蒸汽加熱工藝，而且通過溫度對二冷水進行實時調節(jié)的過程，能夠節(jié)省二冷水的用量，這些做法既節(jié)約了工程投資成本，又減少了運行中的能源消耗，具有很大的推廣應用價值。

參考文獻

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