基于DCS集散控制系統(tǒng)的食用菌多糖提取工藝控制系統(tǒng)設(shè)計*

王 靜，王 磊

（1.河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院 黨委宣傳部，河南 鄭州 450002）

食用菌所含營養(yǎng)元素豐富，生理活性高，不僅能夠增強淋巴細(xì)胞的活力，而且還富含人體所需的氨基酸等營養(yǎng)元素，長期食用有助于提高人體綜合免疫力[1]。我國是食用菌生產(chǎn)大國，但生產(chǎn)技術(shù)落后，自動化程度低，嚴(yán)重依賴人工操作和生產(chǎn)，對提高我國食用菌多糖產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量形成了壓制。所以，圍繞產(chǎn)量和質(zhì)量，引入食用菌多糖的超聲波提取工藝，對于提高生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量有著重要作用。通過基于DCS集散控制系統(tǒng)的食用菌多糖提取工藝控制系統(tǒng)的設(shè)計，以期為我國進(jìn)一步提升食用菌產(chǎn)量和加強食用菌自動化生產(chǎn)能力提供理論參考。

1 DCS集散控制系統(tǒng)和食用菌多糖超聲波提取工藝概述

1.1 DCS集散控制系統(tǒng)

DCS集散控制系統(tǒng)是一個綜合型的控制系統(tǒng)，依托微型處理器，圍繞過程控制級和過程監(jiān)控級，在網(wǎng)絡(luò)通訊功能下，以分散控制和集中管理為基礎(chǔ)，將共用控制和共用顯示集中統(tǒng)一，進(jìn)而打造的一個集中分散型控制系統(tǒng)。作為一個多級計算機系統(tǒng)，不僅集成了計算機、通訊、顯示和控制等技術(shù)，而且還融合了人性化的人機界面和高效的通訊集成。在計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)和自動控制技術(shù)的幫助和支持下，DCS集散控制系統(tǒng)盡可能的將危險進(jìn)行分散，將控制進(jìn)行集中，以實現(xiàn)高效和安全運行。其中，通信網(wǎng)絡(luò)、分散控制和集中管理是構(gòu)成DCS集散控制系統(tǒng)的3個主要部分[2]。

1.2 食用菌多糖的超聲波提取工藝

當(dāng)前食用菌多糖提取工藝多樣，方法眾多。其中，獲得業(yè)界一致認(rèn)可的高效提取方法是超聲波浸提工藝。這一工藝的基本流程包含3個工序。

1）投料加溶媒。投料是加工的前提，在投料系統(tǒng)中，主要設(shè)備有盛裝的喂料斗，運送的輸送器以及進(jìn)料器。在此階段中，拌料速度的快慢由變頻器予以控制。

2）超聲波浸提。這一工序的關(guān)鍵就是創(chuàng)設(shè)適宜溫度，合理預(yù)設(shè)時間，按照要求設(shè)定超聲波功率和頻率。

3）過濾和除雜。過濾裝置主要由過濾器和過濾泵組成，其中，塞孔尺寸為30目的過濾袋設(shè)置在過濾器中，將流經(jīng)于此殘渣予以過濾，至此完成整個粗過濾流程，提取液則暫存于儲液罐中[3]。

2 基于DCS集散控制系統(tǒng)的食用菌多糖提取工藝控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

2.1 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)食用菌多糖超聲波提取工藝的要求，在控制系統(tǒng)的選擇中，依據(jù)現(xiàn)代食用菌加工企業(yè)的水平和能力，結(jié)合現(xiàn)代器械和發(fā)展?fàn)顟B(tài)，就目前的計算機控制系統(tǒng)而言，較佳的選擇無疑是DCS集散控制系統(tǒng)。在DCS集散控制系統(tǒng)中，核心控制系統(tǒng)是PLC，即可編程邏輯控制器，其造價低廉，應(yīng)用廣泛且工作可靠性高。上位機是華為的IPC-610H，操作系統(tǒng)則選用Linux，開源且生態(tài)成熟，便于開發(fā)和生態(tài)匹配，監(jiān)控組態(tài)軟件選擇人性化程度較好的“MCGS”；西門子S7-200系列PLC則為下位機的選擇對象。在整個控制系統(tǒng)中，共有3層結(jié)構(gòu)。

1）操作層和管理層。由2臺PC機組成的上位機控制系統(tǒng)，是操作層和管理層的主要中樞。由于操作層的主要用途是控制各項設(shè)備的運轉(zhuǎn)，為更好地控制和利用，確保安全生產(chǎn)。所以操作層一般設(shè)置于生產(chǎn)工廠的車間操作室中，由于車間工作環(huán)境復(fù)雜，所以在可靠性上必須選擇程度較好的工控機。基于WINDOWS XP的操作系統(tǒng)，輔以MCGS組態(tài)軟件，便可滿足操作員站和工程師站的各種功能需求?；赑LC，上位機系統(tǒng)在RS232C與RS485串口的轉(zhuǎn)換連接下，建立數(shù)據(jù)通訊，并經(jīng)過MCGS驅(qū)動程序的帶動，實現(xiàn)對PLC的讀寫。下位機系統(tǒng)則負(fù)責(zé)采集一切設(shè)備的工作狀態(tài)和故障信息，并實時反饋在監(jiān)控畫面中，此外還可實現(xiàn)控制指令的傳送，進(jìn)而使控制系統(tǒng)能夠?qū)φ麄€生產(chǎn)過程都進(jìn)行監(jiān)督和控制，還可實現(xiàn)信號報警、信息查詢以及信息打印等功能。對于有需求和有條件的廠區(qū)，工控機還可實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的連接和通訊，將MCGS與ODBC數(shù)據(jù)庫之間的通訊予以建立，工廠管理系統(tǒng)的信息系統(tǒng)便可實現(xiàn)通訊功能。

2） 現(xiàn)場控制層。由3臺西門子S7-200系列PLC和TD200C文本顯示器為主要設(shè)備，輔以基礎(chǔ)的支持軟件和外圍部件構(gòu)成的下位機控制系統(tǒng)，是現(xiàn)場控制層。該層級的控制目標(biāo)是投料加溶媒、超聲波浸提以及過濾除雜3個方面?，F(xiàn)場控制層的主要功能是實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、現(xiàn)場開關(guān)量的檢測和模擬控制等。

3）現(xiàn)場設(shè)備層。現(xiàn)場設(shè)備層主要對廠間的設(shè)備執(zhí)行控制命令，檢測控制信息，層面系統(tǒng)由各傳感器和執(zhí)行機構(gòu)組成。其中，執(zhí)行機構(gòu)由原料輸送機、提取管、離心機以及各類電動、電磁閥組成，傳感器系統(tǒng)由液位開關(guān)、熱電偶等構(gòu)成。按照集散控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，對于處于關(guān)鍵位置的控制機構(gòu)，要由專門的PLC負(fù)責(zé)執(zhí)行，以確保各控制系統(tǒng)相互獨立。當(dāng)上位機出現(xiàn)故障時，生產(chǎn)過程不會受到干擾和限制，危險得以分解，監(jiān)控得以集中[4]。

2.2 基本功能

2.2.1 上位機監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能

1）借助組態(tài)軟件，實現(xiàn)實時的生產(chǎn)流程全真反饋，以動畫的形式將整個設(shè)備的運行狀況完整呈現(xiàn)于組態(tài)軟件中，以便工作人員了解實時的設(shè)備工作狀態(tài)。組態(tài)軟件在上位機的監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮著重要的作用，因此必須具備良好的人機交互功能，確保控制或調(diào)度信息能夠傳遞。

2） 基于RS485接口，與現(xiàn)場裝配的PLC進(jìn)行通訊連接，能夠準(zhǔn)確獲取PLC傳送的各設(shè)備工作信息，監(jiān)控系統(tǒng)據(jù)此進(jìn)行登記和記錄，并根據(jù)指令發(fā)送控制信息至PLC。

3）要具備系統(tǒng)運行的監(jiān)視功能。當(dāng)設(shè)備在運行過程中發(fā)生故障信息時，可以被及時察覺并發(fā)出聲光報警，將發(fā)生故障的設(shè)備位置予以標(biāo)明，并及時通知相關(guān)處理人員。有關(guān)設(shè)備的故障信息也及時寫入到數(shù)據(jù)庫中，方便后期查看和審閱。

4）上位機的監(jiān)控系統(tǒng)與工廠的信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)實時連接。當(dāng)收到工廠的信息調(diào)度時，能根據(jù)需求及時響應(yīng)，當(dāng)生產(chǎn)工藝或計劃改變時，上位機監(jiān)控系統(tǒng)也能夠及時對工藝參數(shù)進(jìn)行修改和調(diào)整。比如食用菌多糖的提取溫度、提取時間和超聲波頻率等。

5）負(fù)責(zé)對用戶權(quán)限進(jìn)行分配和管理。上位機監(jiān)控系統(tǒng)作為控制系統(tǒng)的重要組成部分，為確保安全運行，要進(jìn)行權(quán)限設(shè)置和管理，并為操作者設(shè)置基本的輔助信息，如操作技術(shù)要領(lǐng)、圖解等。

2.2.2 下位機控制系統(tǒng)的基本功能

由西門子PLC和文本顯示器為主要設(shè)備，輔以基礎(chǔ)的支持軟件和外圍部件構(gòu)成的下位機控制系統(tǒng)，控制提取組、運輸組以及溶媒輸送泵和過濾裝置的運行，確保按照生產(chǎn)工藝的要求，實現(xiàn)自動生產(chǎn)[5]。所以，在下位機控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制功能設(shè)計要包含以下幾點。

1） 在工藝的要求下，按照料液比實現(xiàn)自動投料，投料后各設(shè)備如輸送裝置、超聲波振子啟停和控制裝置、過濾裝置等能夠按照超聲波提取的流程要求，依次有序啟動；2）要能夠?qū)崟r監(jiān)控和采集提取管、輸送口等位置的溫度，并能夠及時獲取各罐內(nèi)的液位信息；3）手動和自動控制系統(tǒng)要切換自由；4）在上位機監(jiān)控系統(tǒng)和下位機控制系統(tǒng)中，要建立通訊聯(lián)系，保證各設(shè)備的工作信息和狀態(tài)可以及時發(fā)送至上位機監(jiān)控系統(tǒng)中，并確保系統(tǒng)可以對所有設(shè)備進(jìn)行檢測和控制，同時下位機要能夠?qū)崟r接收上位機發(fā)送的指令和參數(shù)等；5）要能夠及時將設(shè)備故障信息予以發(fā)送，且設(shè)備故障時能夠進(jìn)行聲光報警；6）為保障工藝發(fā)展的要求和滿足后期的升級需要，系統(tǒng)要留有冗余，具備可擴展功能。

3 基于DCS集散控制系統(tǒng)的食用菌多糖提取工藝控制系統(tǒng)的控制要求

按照提取的生產(chǎn)流程，一個PLC負(fù)責(zé)控制一個工段，這3個工序的控制節(jié)點及檢測數(shù)據(jù)見表1。

3.1 投料加溶媒工序要求

在這一工序中，依托喂料斗、螺旋式物料輸送機、進(jìn)料器、計量設(shè)備以及電動閥、電磁閥等將食用菌原料按照工藝生產(chǎn)參數(shù)的要求，與提取溶媒按比例投入超聲波提取管中，為下一工序的開展做準(zhǔn)備。在投料加溶媒過程中，借助變速器，實現(xiàn)對物料輸送機和輸送泵的轉(zhuǎn)速控制，以保障原料和溶媒是在料液比的要求下同時進(jìn)入進(jìn)料器。流量計實時對提取溶媒的流量進(jìn)行監(jiān)控，在進(jìn)入提取管前，提取溶媒需要先經(jīng)過板式換熱器，將溫度提升至一定數(shù)值，此時溫度計負(fù)責(zé)實時監(jiān)控提取溶媒的溫度數(shù)值。

3.2 超聲波浸提工序要求

在整個工序中，超聲波浸提是十分重要的一步，這一步的主要目的是將食用菌多糖從食用菌原料中轉(zhuǎn)提至提取溶媒中，并在提取時通過排渣管將食用菌雜質(zhì)予以過濾，提取液則分流至提取液暫存罐中。在這一工段中，通過改變和調(diào)節(jié)超聲波頻率、功率以及提取管內(nèi)溫度，控制物料在提取管內(nèi)停留的時間，以保證提取效果得到最佳。為保障超聲波頻率和功率能夠按照工藝需要開展工作，在每個提取管上，都設(shè)置了超聲波振子盒，由其控制超聲波的頻率和功率。在溫度控制這一環(huán)節(jié)中，主要是通過軟化水的溫度來實現(xiàn)控制[6]。軟化水位于超聲波提取管的夾套內(nèi)，控制這一位置的水溫，便可達(dá)到調(diào)節(jié)超聲波提取管內(nèi)溫度的目的。軟化水的溫度調(diào)節(jié)通過換熱器來實現(xiàn)，然后經(jīng)循環(huán)泵流動至提取管中。

3.3 過濾去雜工序要求

在這一工序中，依靠高速離心將經(jīng)過初級過濾的食用菌多糖進(jìn)行固體和液體的分離，以將提取液中的雜質(zhì)進(jìn)行徹底清除。在進(jìn)入到高速離心機設(shè)備之前，要先對提取液進(jìn)行粗過濾，應(yīng)用過濾泵和網(wǎng)袋式過濾器將大小在20目～30目的固體首先濾掉，然后過濾泵將提取液抽送到過濾器中，并暫時存入提取液儲罐。只進(jìn)行粗過濾還不能達(dá)到工藝要求，因為此時還有眾多微小的固體懸浮物摻雜其中，此時就需要利用高速離心機進(jìn)行雜質(zhì)去除，在轉(zhuǎn)速達(dá)到20 000 r·min-1轉(zhuǎn)的條件下，快速轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的離心力將液體中的固體沉淀物開始向周圍散去，固液由此實現(xiàn)分離，提取液的純度進(jìn)一步提升。