基于PLC与MCGS的秸秆发酵控制系统软件设计

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工程软件设计开发前，首先对秸秆发酵制取燃料乙醇过程进行工藝机理分析，确定被控对象（发酵现场执行器设备电磁阀、电加热器、补水阀等的控制输出）和数据采集对象（发酵温度、电机搅拌转速、发酵液pH、发酵液溶解氧、消泡剂流加速率、补料量等）。监控组态工程软件对上述发酵过程状态信号进行动态显示、越限报警变色显示、参数曲线显示，并且完成数据存储与处理功能，按需读取历史参数，并且对报警进行记录。
上位机软件应具有以下功能：登陆界面，工艺流程图主界面管理，工艺参数实时在线显示，工艺参数历史趋势显示，报警信号记录等。组态软件MCGS可以对实时数据进行收集与分析，并且能够方便地设计出主界面和控制工艺流程，而且它还集成了实时监控等其他功能，基于此该研究利用组态软件MCGS开发设计上位机软件，借助组态软件构建的上位机软件系统，大大增强了秸秆发酵控制系统的实时性和稳定性，节约了系统开发成本，提高了开发速度。
2.1 登录界面设计
秸秆发酵过程监控界面首先要通过登录界面才能进入，使用者只有使用恰当的登录名及匹配的密码方可运行整个发酵系统。
在登录者中进行级别划分，能够使不同级别权限的使用者执行被授权的相关操控。该研究将上位机监控界面的权限分为工程师和值班操作员2个等级，其中工程师用户权限高于值班操作员权限。值班操作员的权限不具有对现场任何底层设备的操作权限，只可以对画面数据和设备运行状态的监控，进行报警消息的确认和归档等操作。秸秆发酵过程系统软件的管理人员，通常被分配工程师级别的权限。他们可控制现场设备的启停和对运行工程进行操作，可以对画面进行修改编辑，在组态软件配置文件中对用户权限进行分配及用户的登录界面。
2.2 发酵过程监控界面设计
MCGS组态软件内置各种工业设备的模型图[6]，根据用户的需要和秸秆发酵制取燃料乙醇工艺的要求，对界面进行设计和管理。此外，对不满意的功能单元按照自己的设想进行修改和完善，对于MCGS组态软件图库中不存在的图形功能单元，借助组态画图软件工具进行设计与二次开发[7]。
在发酵过程上位机监控界面里，用户除了可以进行发酵、灭菌和停止操作以及实时在线观测当前发酵过程的各种状态信号，还可以对发酵过程的各个状态信号进行手动调控，而且当系统软件发生警报还可以进行消警处理，并可以观察、访问发酵过程的历史数据和当前数据。
发酵开始前，操作员对发酵罐各个温度参数进行设置，设置好的参数通过上位机组态软件传输到下位机软件中，下位机软件根据温度参数设定情况对发酵罐温度进行自动控制。其中电机搅拌转速、灭菌时间、发酵时间等参数的设置图与温度参数设置图大体相同，不再一一例举。
2.4 系统警报和报表设计
当控制系统出现故障，发出紧急的水箱低液位报警、水系统低压力报警、停泵报警、温度报警等时，系统实时报警界面会自动弹出，而发酵罐控制柜内的音响会相应地发出报警铃声。此时，操作员需立即前往现场处理相应的报警问题，待报警处理完毕，系统运行正常后，在触摸屏上，必须在该界面中消除报警状态，即用鼠标左键双击“消警”。每条报警信息都会记录在历史报警表中。
点击“历史”按钮可进入历史发酵数据报表，该报表记录着历史发酵过程参数数据信息，如历史数据报表所示。在此可点击相应按钮进入 “历史曲线”画面，将历史数据进行存储（以EXCEL表格存储，方便用户读取）。
3 下位机软件
秸秆发酵制取乙醇过程下位机软件采用西门子V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9开发。V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9是基于Windows的应用软件，由西门子公司特地给S7-200系列PLC设计开发[5，8]。它性能多样，兼容性强，编程简单，非常适用于实时监测发酵现场的执行状态[9]。
实际运行过程中，下位机软件有2种运行模式。自运行模式下，下位机软件通过传感器实时采集发酵过程的各状态信号，根据采样值和实际设定值（上位机软件传送过来的各状态信号当前设定值）之间的差值，通过内部的控制算法计算出当前控制量，通过控制指令控制相应的执行元件，从而达到智能控制的目的。手动模式下，下位机软件根据用户指定，自行控制各个执行元件。
4 系统软件安装与调试
系统软件的调试是整个软件系统开发的关键[10]，该研究将设计好的秸秆发酵燃料乙醇过程系统软件在镇江日泰公司进行了实际安装与调试。
系统软件调试设备主要是由左边的发酵罐和右边的控制柜组成。用于支撑系统软件的发酵过程设备主要包括PLC模块、各类信号传感器、电源、开关、散热器、报警信号灯等几部分。调试过程中，操作人员通过控制柜上的上位机监控软件实时了解发酵过程的当前状态，通过调节上位机监控界面的发酵参数设置来达到发酵过程的实时控制，并配合调试工程师进行现场调试，及时解决调节过程中的问题，同时做调试效果的检验、检测和记录工作。最终调试结果表明，秸秆发酵制取燃料乙醇过程系统软件在功能性、可靠性、易用性等方面完全满足控制性能的要求，并且具备进行工程化开发的条件。
5 结论
该研究以秸秆发酵制取燃料乙醇过程为研究对象，应用PLC和组态软件MCGS开发设计了秸秆发酵制取燃料乙醇过程系统软件，对秸秆发酵控制系统的软件结构进行了阐述，包括上位机组态软件流程、登录界面设计、发酵过程监控界面设计、系统警报和报表设计、运行参数设定以及下位机软件程序流程图设计，并通过软件对程序进行编程设计，最后将设计好的系统软件在镇江日泰公司进行实际安装与调试。调试结果表明，秸秆发酵制取燃料乙醇过程系统软件在功能性、可靠性、易用性等方面完全满足控制性能的要求，并且具備进行工程化开发的条件，有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 张伟，林燕，刘妍，等.利用秸秆制备燃料乙醇的关键技术研究进展[J].化工进展，2011（11）：2417-2423.
[2] 李阳，孙岩峰，张文明，等.秸秆类废弃物制备燃料乙醇研究[J].酿酒科技，2008（11）：105-107.
[3] 黄敏，于涛，王建林，等.发酵过程乙醇浓度检测及补料控制系统设计[J].化工自动化及仪表，2012，39（7）：30-33.
[4] 马晓建，李洪亮，刘利平.燃料乙醇生产与应用技术[M].北京：化学工业出版社，2007.
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[6] 姚福来.组态软件及触摸屏综合应用技术速成[M].北京：电子工业出版社，2011.
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[9] 高安邦.西门子S7-200 PLC工程应用设计[M].北京：机械工业出版社，2011.
[10] 熊幸明.提高PLC控制系统可靠性的探讨[J].机床电器，2003，30（1）：29-31.