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摘 要：本文给出了一套以PLC（基础程序控制器）为核心的发酵空气预处理自动控制装置的设计方案，介绍了系统组成、控制原理和工作过程等内容。该系统通过对气动调节阀的PID控制，实现了对发酵预处理空气温湿度的自动调节。该装置在实际生产中的应用表明，系统性能稳定、操作便捷，可有效提高发酵空气温湿度的调节精度，降低劳动强度并达到节约能源的目的。
关键词：PLC 自动控制 发酵 空气预处理
中图分类号： TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（c）-0000-00
1 概述
发酵工业应用的空气必须是洁净无菌的，并且要有一定的压力、温度和湿度，从而能控制发酵罐内原料不受污染。所谓“无菌空气”，是指通过除菌后的压缩空气中含菌量降低到零或除菌效率达到99.9999%后的洁净空气。因此，发酵工厂要对空气进行净化除菌和调节处理，为保证过滤后的发酵空气达到净化标准，过滤前的空气一般要经过冷却、除水及杂质、加热以降低相对湿度的一系列预处理过程。
当预处理后的空气温湿度不能满足设计要求时，普遍采用手动调节阀门的方式调节空气的温湿度，这样做会暴露出很多不足，如调节精度低、反应时间长、需要人工干预等。若采用PLC自动控制的方法，相比于以往的手动调节过程，能够实现系统温湿度的自动调节，且调节精度高，无需人工干预，可靠性强，使用方便。
2 工艺路线
发酵空气净化流程是根据发酵生产对无菌空气的质量要求进行设计的，吸气环境如地理位置、气候条件各异，则空气的温度、湿度、粉尘含量不同，选用的设备、过滤介质和工艺流程也不同。
该装置采用的是冷热空气直接混合升温的空气预处理流程，整套装置是由空压机、储气罐、冷却器，气液分离器，混合器等设备组成，其工艺流程见图1。经粗过滤的大气吸入压缩机，被压缩的空气经两级冷却器降温后进入气液分离器，除去压缩空气中绝大部分的水份，与部分来自空压机的热空气直接混合升温后，进入总空过滤器后，最终供给发酵罐。
图1 发酵空气预处理工艺流程图
该装置在一级冷却器前端、混合器高温进气口、混合器进气口和混合器出气口分别安装四个温湿度传感器用来监测预处理空气的温湿度，当混合器出口的温湿度不能满足设定值时，控制系统将通过PLC对调节阀分别进行PID调节，满足参数在设定范围内：温度为45℃±1℃，湿度<40%RH（可设定）。
3控制系统设计
3.1 控制系统组成
发酵空气预处理装置的自动控制系统主要由两大部分组成：硬件部分和软件部分。
硬件部分是指构成整个控制系统的操作显示元件（触摸控制屏）、外部电路（PLC控制单元）、检测元件（温湿度信号传感器）、执行元件（气动调节阀）等。
软件部分是指来控制完成空气净化温湿度调节整个工作过程的程序，包括控制软件和画面软件。控制软件是指存放于PLC（基础程序控制器）内部的，用来完成指定工作循环的程序；画面软件是指用来显示当前工作状态及参数输入的人机交互程序，它存放于触摸屏内部。
系统的控制流程图如图2所示。
图2 控制流程图
3.2控制系统I/O配置
本控制系统的核心控制部件采用西门子S7200-224高性能可编程序控制器，根据温湿度自动控制的要求，共有1个数字量输入、10个模拟量输入、2个数字量输出和2个模拟量输出，设计的I/O配置如表1所示。
3.3温度调节软件设计
混合器出口温度传感器对高温空气调节阀的控制用于对混合器出口空气温度进行调节，使其达到工艺要求的最接近值。当静态混合器出口温度不满足设定值时，控制系统通过PLC对高温空气调节阀做PID调节。在调节过程中，由于温湿度传感器存在惰性，从冷态达到稳定工作状态需要一段时间，所以整个温度调节过程大约需要3～4小时。
温度调节的梯形图如图3所示。
图3 温度调节梯形图
3.4湿度调节软件设计
混合器进口温度传感器对二冷水调节阀的控制用于对混合器出口湿度的调节，现场试验证明，当混合器进口温度设定值低于混合器出口温度设定值3℃～5℃时，通过PID调节二冷水调节阀，即可满足湿度<40%RH的要求。
在极端气候条件下（高温高湿天气），当混合器出口湿度值大于设定值时，控制系统会自动将混合器进口温度设定值下调5℃，通过PID调节二冷水调节阀使混合器出口湿度值满足设定。实际运行结果表明，混合器进口温度下调5℃后，混合器出口湿度可下降10% RH～20%RH。
湿度调节的梯形图如图4所示。
图4 湿度调节梯形图
3.5人机交互系统
该装置采用Smart700-7英寸彩色触摸屏作为人际相互界面。通过该系统，操作人员可以了解设备实时的运转情况和工作状态，调整设备的参数设定等。监控系统主要实现的功能包括：
（1）显示功能：工艺流程、设备运行状态、系统温湿度值、报警显示等。
（2）操作控制功能：根据界面上的按钮可以对系统进行启动/停止操作。
（3）参数设定功能：画面系统对各监测点的温湿度设定值进行修改。
（4）报警功能：系统温湿度超过报警值后进行报警，提示操作信息，并直观地显示在画面上。
4应用效果
该装置经过测试，并于2014年12月在山东潍坊某发酵工厂成功应用。试验及应用结果表明：采用PLC控制与未使用前的装置比较，性能稳定，控制精确（温度调节精度可控制在±1℃以内），抗干扰能力强，操作简单，完全满足发酵空气预处理后的各项性能指标，保证了供气的质量。该全自动控制模式可有效降低工人的劳动强度，节约工时，保证了工程质量及工程进度。同时，冷热空气直接混合升温的空气预处理流程省去了蒸汽加热工艺，而且通过温度对二冷水进行实时调节的过程，能够节省二冷水的用量，这些做法既节约了工程投资成本，又减少了运行中的能源消耗，具有很大的推广应用价值。
参考文献
[1] 岑文学，陆飞浩.发酵用无菌压缩空气制备过程节能探讨[J].医药工程设计，2011（1）.
[2] 容艳筠.从设备角度谈发酵染菌的防控[J].中国新技术新产品，2012（14）.
关键词：PLC 自动控制 发酵 空气预处理
中图分类号： TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（c）-0000-00
1 概述
发酵工业应用的空气必须是洁净无菌的，并且要有一定的压力、温度和湿度，从而能控制发酵罐内原料不受污染。所谓“无菌空气”，是指通过除菌后的压缩空气中含菌量降低到零或除菌效率达到99.9999%后的洁净空气。因此，发酵工厂要对空气进行净化除菌和调节处理，为保证过滤后的发酵空气达到净化标准，过滤前的空气一般要经过冷却、除水及杂质、加热以降低相对湿度的一系列预处理过程。
当预处理后的空气温湿度不能满足设计要求时，普遍采用手动调节阀门的方式调节空气的温湿度，这样做会暴露出很多不足，如调节精度低、反应时间长、需要人工干预等。若采用PLC自动控制的方法，相比于以往的手动调节过程，能够实现系统温湿度的自动调节，且调节精度高，无需人工干预，可靠性强，使用方便。
2 工艺路线
发酵空气净化流程是根据发酵生产对无菌空气的质量要求进行设计的，吸气环境如地理位置、气候条件各异，则空气的温度、湿度、粉尘含量不同，选用的设备、过滤介质和工艺流程也不同。
该装置采用的是冷热空气直接混合升温的空气预处理流程，整套装置是由空压机、储气罐、冷却器，气液分离器，混合器等设备组成，其工艺流程见图1。经粗过滤的大气吸入压缩机，被压缩的空气经两级冷却器降温后进入气液分离器，除去压缩空气中绝大部分的水份，与部分来自空压机的热空气直接混合升温后，进入总空过滤器后，最终供给发酵罐。
图1 发酵空气预处理工艺流程图
该装置在一级冷却器前端、混合器高温进气口、混合器进气口和混合器出气口分别安装四个温湿度传感器用来监测预处理空气的温湿度，当混合器出口的温湿度不能满足设定值时，控制系统将通过PLC对调节阀分别进行PID调节，满足参数在设定范围内：温度为45℃±1℃，湿度<40%RH（可设定）。
3控制系统设计
3.1 控制系统组成
发酵空气预处理装置的自动控制系统主要由两大部分组成：硬件部分和软件部分。
硬件部分是指构成整个控制系统的操作显示元件（触摸控制屏）、外部电路（PLC控制单元）、检测元件（温湿度信号传感器）、执行元件（气动调节阀）等。
软件部分是指来控制完成空气净化温湿度调节整个工作过程的程序，包括控制软件和画面软件。控制软件是指存放于PLC（基础程序控制器）内部的，用来完成指定工作循环的程序；画面软件是指用来显示当前工作状态及参数输入的人机交互程序，它存放于触摸屏内部。
系统的控制流程图如图2所示。
图2 控制流程图
3.2控制系统I/O配置
本控制系统的核心控制部件采用西门子S7200-224高性能可编程序控制器，根据温湿度自动控制的要求，共有1个数字量输入、10个模拟量输入、2个数字量输出和2个模拟量输出，设计的I/O配置如表1所示。
3.3温度调节软件设计
混合器出口温度传感器对高温空气调节阀的控制用于对混合器出口空气温度进行调节，使其达到工艺要求的最接近值。当静态混合器出口温度不满足设定值时，控制系统通过PLC对高温空气调节阀做PID调节。在调节过程中，由于温湿度传感器存在惰性，从冷态达到稳定工作状态需要一段时间，所以整个温度调节过程大约需要3～4小时。
温度调节的梯形图如图3所示。
图3 温度调节梯形图
3.4湿度调节软件设计
混合器进口温度传感器对二冷水调节阀的控制用于对混合器出口湿度的调节，现场试验证明，当混合器进口温度设定值低于混合器出口温度设定值3℃～5℃时，通过PID调节二冷水调节阀，即可满足湿度<40%RH的要求。
在极端气候条件下（高温高湿天气），当混合器出口湿度值大于设定值时，控制系统会自动将混合器进口温度设定值下调5℃，通过PID调节二冷水调节阀使混合器出口湿度值满足设定。实际运行结果表明，混合器进口温度下调5℃后，混合器出口湿度可下降10% RH～20%RH。
湿度调节的梯形图如图4所示。
图4 湿度调节梯形图
3.5人机交互系统
该装置采用Smart700-7英寸彩色触摸屏作为人际相互界面。通过该系统，操作人员可以了解设备实时的运转情况和工作状态，调整设备的参数设定等。监控系统主要实现的功能包括：
（1）显示功能：工艺流程、设备运行状态、系统温湿度值、报警显示等。
（2）操作控制功能：根据界面上的按钮可以对系统进行启动/停止操作。
（3）参数设定功能：画面系统对各监测点的温湿度设定值进行修改。
（4）报警功能：系统温湿度超过报警值后进行报警，提示操作信息，并直观地显示在画面上。
4应用效果
该装置经过测试，并于2014年12月在山东潍坊某发酵工厂成功应用。试验及应用结果表明：采用PLC控制与未使用前的装置比较，性能稳定，控制精确（温度调节精度可控制在±1℃以内），抗干扰能力强，操作简单，完全满足发酵空气预处理后的各项性能指标，保证了供气的质量。该全自动控制模式可有效降低工人的劳动强度，节约工时，保证了工程质量及工程进度。同时，冷热空气直接混合升温的空气预处理流程省去了蒸汽加热工艺，而且通过温度对二冷水进行实时调节的过程，能够节省二冷水的用量，这些做法既节约了工程投资成本，又减少了运行中的能源消耗，具有很大的推广应用价值。
参考文献
[1] 岑文学，陆飞浩.发酵用无菌压缩空气制备过程节能探讨[J].医药工程设计，2011（1）.
[2] 容艳筠.从设备角度谈发酵染菌的防控[J].中国新技术新产品，2012（14）.