基于PLC與MCGS的秸稈發酵控制系統軟件設計

丁金水

(江蘇省高淳中等專業學校，江蘇南京 211300)

基于PLC與MCGS的秸稈發酵控制系統軟件設計

丁金水

(江蘇省高淳中等專業學校，江蘇南京 211300)

針對秸稈發酵制取燃料乙醇的工藝特點，基于可編程邏輯控制器(PLC)技術與組態軟件(MCGS)設計了發酵過程系統軟件平臺。對秸稈發酵制取燃料乙醇系統的軟件結構進行了闡述，包括上位機組態軟件流程、登錄和發酵過程監控界面、系統警報和報表以及下位機軟件設計流程，并通過軟件對程序進行編程設計，最后將設計好的系統軟件在鎮江日泰公司進行實際安裝與調試，取得較好的效果。

秸稈發酵燃料乙醇過程；可編程邏輯控制器；組態軟件；系統軟件

生物質能源以其資源豐富、使用方便、清潔無污染等特點，被世界各國譽為具有巨大經濟潛力的朝陽產業[1]。燃料乙醇作為世界上生產和使用規模最大的生物質能源，是從生物質中提取的唯一能夠直接用于車用燃料的液態能源載體，特別是以農作物秸稈、柴草、木材加工廢棄物等大量存在的木質纖維素為原料發酵生產的燃料乙醇，在實現資源高效綜合利用的同時，可以避免上述物質帶來的環境污染，對實現經濟可持續發展與生態環境保護起到重要作用[2]。

近年來，秸稈發酵制取燃料乙醇朝著規模化、集約化方向發展，發酵罐由原來的幾升逐漸擴大至上百噸[3]，乃至幾千噸，如此大規模的發酵罐系統，一旦操作控制發生差錯，就會造成原料的浪費和設備的空轉，導致非常嚴重的后果。而發酵制取燃料乙醇本身具有高度非線性、強耦合、多參數、強時變等特性[4]，要想同時兼顧其優良的產出率和單位時間內的高效益，就必須設計出配套的發酵過程控制系統軟件，以對發酵制取燃料乙醇進行實時檢測與監控。

目前，秸稈發酵制取燃料乙醇過程大都選取傳統繼電器作為主控裝置構成控制系統，不僅工作強度高而且存在諸如操控錯誤和時間難以把控等問題，導致發酵制取燃料乙醇過程易出現偏差，使乙醇產出率較低。近年來，隨著編程邏輯控制器(PLC)技術、組態軟件(MCGS)和人工智能技術的迅猛發展，人們對系統的功能要求早已不限定在完成設定的程序上，數據實時采集、分析等也已成為控制系統的重要組成部分。基于此，筆者對秸稈發酵制取燃料乙醇過程進行研究，基于PLC和組態軟件MCGS，開發設計了秸稈發酵制取燃料乙醇過程系統軟件。系統軟件運行過程中，工人只需要提前確認發酵過程狀態信息，校對發酵數據，即可通過監控界面了解秸稈發酵燃料乙醇過程的各個運行狀態信息，并實現發酵現場的無人智能監控，因此可大大減少人工勞力，降低生產成本，也使發酵過程更加可靠，極大地推動了秸稈發酵制取燃料乙醇的規模化、集約化生產進程。

1 軟件設計總體方案

秸稈發酵制取燃料乙醇過程系統軟件由上位機監控軟件和下位機控制軟件共同構成。上位機監控軟件選擇北京昆侖通態的組態軟件MCGS進行開發，下位機控制軟件選用西門子V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9編程軟件進行開發[5]。

秸稈發酵制取燃料乙醇過程系統軟件的運行過程：系統正常啟動后，上位機監控軟件接收下位傳輸的發酵過程當前狀態信號[發酵罐溫度、溶解氧(DO)、pH、電機轉速等]，并在監控界面上實時動態顯示，同時對狀態信號設定值進行設置，并傳輸到下位機控制軟件中。在自運行模式下，下位機軟件通過溫度、DO、pH、轉速等傳感器實時采集狀態信號，根據采樣值和設定值之間的差值，通過內部的控制算法計算出當前控制量，通過控制指令控制相應的執行元件，從而達到智能控制的目的。手動模式下，下位機軟件根據用戶指定，自行控制各個執行元件。

2 上位機軟件

上位機監控軟件主要功能是對秸稈發酵制取燃料乙醇過程進行實時在線檢測與監控，它是自動控制系統的可視化部分，它使得用戶能夠便捷地了解秸稈發酵乙醇過程的當前運行狀態，很大程度上提高了系統的效率和可靠性。工程軟件設計開發前，首先對秸稈發酵制取燃料乙醇過程進行工藝機理分析，確定被控對象(發酵現場執行器設備電磁閥、電加熱器、補水閥等的控制輸出)和數據采集對象(發酵溫度、電機攪拌轉速、發酵液pH、發酵液溶解氧、消泡劑流加速率、補料量等)。監控組態工程軟件對上述發酵過程狀態信號進行動態顯示、越限報警變色顯示、參數曲線顯示，并且完成數據存儲與處理功能，按需讀取歷史參數，并且對報警進行記錄。

上位機軟件應具有以下功能：登陸界面，工藝流程圖主界面管理，工藝參數實時在線顯示，工藝參數歷史趨勢顯示，報警信號記錄等。組態軟件MCGS可以對實時數據進行收集與分析，并且能夠方便地設計出主界面和控制工藝流程，而且它還集成了實時監控等其他功能，基于此該研究利用組態軟件MCGS開發設計上位機軟件，借助組態軟件構建的上位機軟件系統，大大增強了秸稈發酵控制系統的實時性和穩定性，節約了系統開發成本，提高了開發速度。

2.1 登錄界面設計 秸稈發酵過程監控界面首先要通過登錄界面才能進入，使用者只有使用恰當的登錄名及匹配的密碼方可運行整個發酵系統。如圖1是系統登錄界面。

圖1 秸稈發酵過程監控系統登錄界面Fig.1 Login interface of monitoring system of straw fermentation process

在登錄者中進行級別劃分，能夠使不同級別權限的使用者執行被授權的相關操控。該研究將上位機監控界面的權限分為工程師和值班操作員2個等級，其中工程師用戶權限高于值班操作員權限。值班操作員的權限不具有對現場任何底層設備的操作權限，只可以對畫面數據和設備運行狀態的監控，進行報警消息的確認和歸檔等操作。秸稈發酵過程系統軟件的管理人員，通常被分配工程師級別的權限。他們可控制現場設備的啟停和對運行工程進行操作，可以對畫面進行修改編輯，在組態軟件配置文件中對用戶權限進行分配及用戶的登錄界面。

2.2 發酵過程監控界面設計 MCGS組態軟件內置各種工業設備的模型圖[6]，根據用戶的需要和秸稈發酵制取燃料乙醇工藝的要求，對界面進行設計和管理。此外，對不滿意的功能單元按照自己的設想進行修改和完善，對于MCGS組態軟件圖庫中不存在的圖形功能單元，借助組態畫圖軟件工具進行設計與二次開發[7]。

在發酵過程上位機監控界面里，如圖2所示，用戶除了可以進行發酵、滅菌和停止操作以及實時在線觀測當前發酵過程的各種狀態信號，還可以對發酵過程的各個狀態信號進行手動調控，而且當系統軟件發生警報還可以進行消警處理，并可以觀察、訪問發酵過程的歷史數據和當前數據。

圖2 秸稈發酵過程上位機監控界面Fig.2 Upper monitor monitoring interface of straw fermentation process

2.3 運行參數設定 秸稈發酵制取燃料乙醇過程中運行的參數較多，操作人員需要針對不同罐批的發酵需求設定發酵參數初始值(根據發酵工藝，基于發酵過程的最適條件對各個參數進行設置)。參數設定分為公共參數和當前罐批發酵參數。公共參數里設定是夏季/冬季發酵(季節因素對發酵過程影響較大)、滅菌時間、發酵時間、歷史記錄間隔時間和發酵罐內視鏡燈關閉延時時間等。當前罐批發酵參數主要是設定攪拌轉速、pH、溶解氧濃度、罐內溫度、夾層溫度、消泡劑流加速率、補料量等狀態信號。只有正確設定了秸稈發酵過程的各初始參數，才能進行后續的自動發酵。圖3是秸稈發酵過程系統軟件的溫度參數設置。

如圖3所示，發酵開始前，操作員對發酵罐各個溫度參數進行設置，設置好的參數通過上位機組態軟件傳輸到下位機軟件中，下位機軟件根據溫度參數設定情況對發酵罐溫度進行自動控制。其中電機攪拌轉速、滅菌時間、發酵時間等參數的設置圖與溫度參數設置圖大體相同，不再一一例舉。

2.4 系統警報和報表設計 當控制系統出現故障，發出緊急的水箱低液位報警、水系統低壓力報警、停泵報警、溫度報警等時，系統實時報警界面會自動彈出，而發酵罐控制柜內的音響會相應地發出報警鈴聲。此時，操作員需立即前往現場處理相應的報警問題，待報警處理完畢，系統運行正常后，在觸摸屏上，必須在該界面中消除報警狀態，即用鼠標左鍵雙擊“消警”。每條報警信息都會記錄在歷史報警表中。圖4是報警信息圖表。

圖4 系統報警信息表界面 Fig.4 System alarm information table interface

點擊圖2中的“歷史”按鈕可進入歷史發酵數據報表，該報表記錄著歷史發酵過程參數數據信息，如圖5歷史數據報表所示。在此可點擊相應按鈕進入 “歷史曲線”畫面，將歷史數據進行存儲(以EXCEL表格存儲，方便用戶讀取)。

圖5 歷史數據報表界面Fig.5 Historical data report interface

3 下位機軟件

秸稈發酵制取乙醇過程下位機軟件采用西門子V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9開發。V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9是基于Windows的應用軟件，由西門子公司特地給S7-200系列PLC設計開發[5，8]。它性能多樣，兼容性強，編程簡單，非常適用于實時監測發酵現場的執行狀態[9]。

實際運行過程中，下位機軟件有2種運行模式。自運行模式下，下位機軟件通過傳感器實時采集發酵過程的各狀態信號，根據采樣值和實際設定值(上位機軟件傳送過來的各狀態信號當前設定值)之間的差值，通過內部的控制算法計算出當前控制量，通過控制指令控制相應的執行元件，從而達到智能控制的目的。手動模式下，下位機軟件根據用戶指定，自行控制各個執行元件。下位機軟件程序流程圖如圖6所示。

圖6 下位機軟件主程序控制流程Fig.6 Main program control flow of lower machine software

4 系統軟件安裝與調試

系統軟件的調試是整個軟件系統開發的關鍵[10]，該研究將設計好的秸稈發酵燃料乙醇過程系統軟件在鎮江日泰公司進行了實際安裝與調試，圖7是系統軟件實際安裝與調試圖。

圖7 實際安裝與調試示意Fig.7 Actual installation and commissioning

如圖7所示，系統軟件調試設備主要是由左邊的發酵罐和右邊的控制柜組成。用于支撐系統軟件的發酵過程設備主要包括PLC模塊、各類信號傳感器、電源、開關、散熱器、報警信號燈等幾部分。調試過程中，操作人員通過控制柜上的上位機監控軟件實時了解發酵過程的當前狀態，通過調節上位機監控界面的發酵參數設置來達到發酵過程的實時控制，并配合調試工程師進行現場調試，及時解決調節過程中的問題，同時做調試效果的檢驗、檢測和記錄工作。最終調試結果表明，秸稈發酵制取燃料乙醇過程系統軟件在功能性、可靠性、易用性等方面完全滿足控制性能的要求，并且具備進行工程化開發的條件。

5 結論

該研究以秸稈發酵制取燃料乙醇過程為研究對象，應用PLC和組態軟件MCGS開發設計了秸稈發酵制取燃料乙醇過程系統軟件，對秸稈發酵控制系統的軟件結構進行了闡述，包括上位機組態軟件流程、登錄界面設計、發酵過程監控界面設計、系統警報和報表設計、運行參數設定以及下位機軟件程序流程圖設計，并通過軟件對程序進行編程設計，最后將設計好的系統軟件在鎮江日泰公司進行實際安裝與調試。調試結果表明，秸稈發酵制取燃料乙醇過程系統軟件在功能性、可靠性、易用性等方面完全滿足控制性能的要求，并且具備進行工程化開發的條件，有廣闊的應用前景。

[1] 張偉,林燕,劉妍,等.利用秸稈制備燃料乙醇的關鍵技術研究進展[J].化工進展,2011(11):2417-2423.

[2] 李陽,孫巖峰,張文明,等.秸稈類廢棄物制備燃料乙醇研究[J].釀酒科技,2008(11):105-107.

[3] 黃敏,于濤,王建林,等.發酵過程乙醇濃度檢測及補料控制系統設計[J].化工自動化及儀表,2012,39(7)：30-33.

[4] 馬曉建，李洪亮，劉利平.燃料乙醇生產與應用技術[M].北京：化學工業出版社,2007.

[5] 西門子有限公司.深入淺出西門子S7-200PLC[M].北京:北京航空航天大學出版社，2007.

[6] 姚福來.組態軟件及觸摸屏綜合應用技術速成[M].北京：電子工業出版社,2011.

[7] 劉小明.昆侖通態觸摸屏MCGS的教學初探[J].科技視界,2016(4):235.

[8] 鄭鳳翼.案例分析西門子S7-200系列PLC應用程序設計[M].北京：電子工業出版社,2013.

[9] 高安邦.西門子S7-200 PLC工程應用設計[M].北京：機械工業出版社,2011.

[10] 熊幸明.提高PLC控制系統可靠性的探討[J].機床電器,2003,30(1):29-31.

Software Design of Straw Fermentation Control System Based on PLC and MCGS

DING Jin-shui

(Jiangsu Gaochun Secondary Vocational School, Nanjing, Jiangsu 211300)

According to the production process characteristics of straw fermentation fuel ethanol,the software system of fermentation process was designed based on PLC and MCGS configuration software. The structure of the software of straw fermentation fuel ethanol process was elaborated, including PC configuration software process, configuration design, database configuration, device driver configuration operation and lower computer software design process, and through the software programming design of the program, the actual installation and commissioning were carried out in RITAI company,achieved good results.

Straw fermentation fuel ethanol process; PLC; Configuration software; System software

江蘇省自然科學基金項目(BK20140568, BK20151345)；江蘇省高校自然科學研究面上基金項目(14KJB510007)。

丁金水(1966- )，男，江蘇南京人，高級講師，碩士，從事職業教育及機電工程研究。

2016-11-16

S 216.2;TP 273

A

0517-6611(2016)34-0225-03