基于PLC的醋酸發酵過程控制

李懷芳

（山西梁汾醋業有限公司，山西晉中 030600）

固態醋酸發酵工藝是老陳醋制作過程的關鍵工藝，在酒醪中拌入麩皮、稻殼、谷糠及50%的水拌勻后，放入水泥池進行發酵，目前多數企業固態醋酸發酵過程的上、下料，發酵過程的溫度、溶氧控制基本采用人工控制或機械手動控制方式[1]。這種發酵設備存在產量低、占地面積大、勞動強度大、衛生狀況差、生產時間長等缺點，隨著自動化技術和網絡技術的發展，迫切需要改造傳統固態發酵生產技術，實現上下料自動化、發酵過程參數可控、品質可控。

1 固態發酵設備

固態醋酸發酵設備有幾種：①淺缸發酵，高度500 mm，裝料量50 kg，靠人力木鍬翻到醋醅進行上下料，倒缸進行供氧和降溫；②大池發酵，用水泥池或水泥池內襯不銹鋼，長度1.5～2.5 m，寬度1.5 m，料層厚度500 mm，翻醅用不銹鋼翻醅機，進出料，翻醅用機械實現；③不銹鋼轉筒發酵，長度6 m，直徑1.5 m，裝料量4 t，進出料動作通過PLC實現，自動控制發酵過程的溫度、溶氧[2]。這3種發酵設備目前都在使用，1×104t/年產量的企業多數使用陶缸發酵，1×104t/年產量以上的企業多數使用大池發酵，近幾年隨著國家大力推進綠色發展、能化釀造，一些大企業積極研制固態發酵新裝備、新工藝，使用PLC、計算機來控制醋酸發酵過程的參數，比如溫度、溶氧等，同時用自動化技術改造醋醅的進料、出料，減輕工人勞動強度，改善衛生環境。不銹鋼轉筒固態發酵裝置。

不銹鋼發酵設備見圖1。

2 固態醋酸發酵工藝

固態醋酸發酵機理：釀造食醋的醋酸發酵階段，就是利用醋酸菌分泌的氧化酶，將酒精發酵所生成的酒精氧化成大量的醋酸，其反應如下：

圖1 不銹鋼發酵設備

理論上1份酒精產純醋酸1.304，而實際上1份酒精僅產1份醋酸左右。同時在醋酸發酵過程中會分解各種氨基酸。

醋酸發酵時，溫度一般控制在微生物及酶作用的最佳溫度范圍內，對溫度控制可遵循“前緩、中梃、后緩落”的原則。發酵過程可分為初發酵期、主發酵期、后發酵期，梁汾工藝特點是多菌共酵、靶向控制，通過添加不同的復合菌種，靈活控制發酵時間，比如添加醋酸菌，對應的發酵時間為8 d，控制溫度為25～44℃。

3 控制系統

醋酸發酵轉筒共100多個，32個轉筒為一組，每組由一套西門子S7-1200 PLC控制，多PLC系統通過工業以太網和上位監控計算機聯網[3]。

系統配置遠程監控服務器，一臺服務器為工程師站，一臺服務器互操作員站，2臺服務器互為主備，其中一臺服務器發生故障，另一臺服務器實時切換，保證系統正常運行時一臺為工程師站，另一臺為操作員站。

監控服務器配備組態王7.4組態軟件，實時模擬設備運行狀態，實時、歷史記錄發酵過程參數、設備運行參數、故障記錄及報警，遠程設置PLC及觸摸屏參數，屏幕化操作設備動作，生成生產及設備報表。

系統主要功能：①自動進出料；②自動翻料、倒料；③發酵溫度、溶氧根據設置曲線自動控制；④實時、歷史計量產量。

控制系統見圖2。

3.1 控制主機S7-1200

控制主機選用西門子S7-1200 PLC，S7-1200 PLC定位在S7-200 PLC和S7-300 PLC之間，解決了S7-200 PLC不能和組態軟件直接連接問題，增加了通訊接口，提高了指令速度，編程環境使用博圖軟件，具有集成的PROFINET接口3。

硬件原理框圖見圖3。

圖2 控制系統

圖3 硬件原理框圖

硬件原理框圖，系統硬件配置如下：

（1） PLC模塊。CPU模塊 1214C；I/O模塊 SM 1223 DC；通訊模塊CB 1241 RS485，一個用于和變頻器進行USS通訊，另一個用于和無線溫度接收模塊通訊。

（2）接近開關，用于轉筒定位，有停止位，檢測位2個位置。

（3）氣缸位置，翻板位置反饋，翻板開，翻板關。

（4） 變頻器，西門子V20變頻器，通過USS通訊協議控制。

（5） 觸摸屏，西門子 10'觸摸全彩精簡屏KTP1000，通過PN口連接，觸摸屏作為現場手動操作，數據顯示使用。

3.2 USS協議

S7-1200 PLC控制多個變頻器，變頻器和PLC之間通過串口通訊模塊，使用USS協議，通過4條指令即可完全控制變頻器。

USS_DRV功能塊是S7-1200 USS通信的主體功能塊，接受變頻器的信息和控制變頻器的指令都是通過這個功能塊來完成的。

USS_PORT功能塊是S7-1200與變頻器USS通信的接口，設置通信的接口參數。

USS_RPM功能塊是通過USS通信讀取變頻器的參數。

USS_WPM功能塊是通過USS通信設置變頻器的參數。必須在主OB中調用。

變頻器參數設置：

P2020=波特率

P2021=USS通訊站地址

P2022=PZD數量

P2023=PKW數量

設置P0010=1

修改P0015=21

設置P0010=0

3.3 以太網通訊（服務器、觸摸屏）

PLC、觸摸屏、監控服務器三者之間，通過工業交換機進行硬件連接，通過以太網、TC/IP協議實現聯網，進行數據交換。

監控服務器通過組態王軟件控制PLC進行遠程操作顯示，并記錄設備運行參數、發酵參數、故障記錄及報警，也可對PLC、觸摸屏進行遠程參數設置。就地安裝觸摸屏，可進行參數設置；就地手動操作，可進行數據顯示及記錄，故障報警等功能。

系統網絡結構圖見圖4。

4 軟件

根據設備工作流程分不同的功能塊，分別為進料、出料、通訊、發酵控制、倒筒等。

軟件流程圖見圖5。

5 結語

醋酸發酵控制系統的使用，極大地提高了設備的自動化、智能化水平，減少了人工勞動力，改善了車間衛生環境，提高了生產效率和產品品質。設備具備了聯網功能，為將來ERP管理系統使用打下了基礎。

圖4 系統網絡結構圖

圖5 軟件流程圖