基于DCS集散控制系統的食用菌多糖提取工藝控制系統設計*

王 靜，王 磊

（1.河南應用技術職業學院 信息工程學院，河南 鄭州 450002；2.河南應用技術職業學院 黨委宣傳部，河南 鄭州 450002）

食用菌所含營養元素豐富，生理活性高，不僅能夠增強淋巴細胞的活力，而且還富含人體所需的氨基酸等營養元素，長期食用有助于提高人體綜合免疫力[1]。我國是食用菌生產大國，但生產技術落后，自動化程度低，嚴重依賴人工操作和生產，對提高我國食用菌多糖產品的質量和產量形成了壓制。所以，圍繞產量和質量，引入食用菌多糖的超聲波提取工藝，對于提高生產質量和產量有著重要作用。通過基于DCS集散控制系統的食用菌多糖提取工藝控制系統的設計，以期為我國進一步提升食用菌產量和加強食用菌自動化生產能力提供理論參考。

1 DCS集散控制系統和食用菌多糖超聲波提取工藝概述

1.1 DCS集散控制系統

DCS集散控制系統是一個綜合型的控制系統，依托微型處理器，圍繞過程控制級和過程監控級，在網絡通訊功能下，以分散控制和集中管理為基礎，將共用控制和共用顯示集中統一，進而打造的一個集中分散型控制系統。作為一個多級計算機系統，不僅集成了計算機、通訊、顯示和控制等技術，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、網絡通訊技術和自動控制技術的幫助和支持下，DCS集散控制系統盡可能的將危險進行分散，將控制進行集中，以實現高效和安全運行。其中，通信網絡、分散控制和集中管理是構成DCS集散控制系統的3個主要部分[2]。

1.2 食用菌多糖的超聲波提取工藝

當前食用菌多糖提取工藝多樣，方法眾多。其中，獲得業界一致認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，在投料系統中，主要設備有盛裝的喂料斗，運送的輸送器以及進料器。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。這一工序的關鍵就是創設適宜溫度，合理預設時間，按照要求設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目的過濾袋設置在過濾器中，將流經于此殘渣予以過濾，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集散控制系統的食用菌多糖提取工藝控制系統的結構與功能

2.1 總體結構

根據食用菌多糖超聲波提取工藝的要求，在控制系統的選擇中，依據現代食用菌加工企業的水平和能力，結合現代器械和發展狀態，就目前的計算機控制系統而言，較佳的選擇無疑是DCS集散控制系統。在DCS集散控制系統中，核心控制系統是PLC，即可編程邏輯控制器，其造價低廉，應用廣泛且工作可靠性高。上位機是華為的IPC-610H，操作系統則選用Linux，開源且生態成熟，便于開發和生態匹配，監控組態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。在整個控制系統中，共有3層結構。

1）操作層和管理層。由2臺PC機組成的上位機控制系統，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備的運轉，為更好地控制和利用，確保安全生產。所以操作層一般設置于生產工廠的車間操作室中，由于車間工作環境復雜，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，輔以MCGS組態軟件，便可滿足操作員站和工程師站的各種功能需求。基于PLC，上位機系統在RS232C與RS485串口的轉換連接下，建立數據通訊，并經過MCGS驅動程序的帶動，實現對PLC的讀寫。下位機系統則負責采集一切設備的工作狀態和故障信息，并實時反饋在監控畫面中，此外還可實現控制指令的傳送，進而使控制系統能夠對整個生產過程都進行監督和控制，還可實現信號報警、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，工控機還可實現與互聯網的連接和通訊，將MCGS與ODBC數據庫之間的通訊予以建立，工廠管理系統的信息系統便可實現通訊功能。

2） 現場控制層。由3臺西門子S7-200系列PLC和TD200C文本顯示器為主要設備，輔以基礎的支持軟件和外圍部件構成的下位機控制系統，是現場控制層。該層級的控制目標是投料加溶媒、超聲波浸提以及過濾除雜3個方面。現場控制層的主要功能是實現對數據的采集、現場開關量的檢測和模擬控制等。

3）現場設備層。現場設備層主要對廠間的設備執行控制命令，檢測控制信息，層面系統由各傳感器和執行機構組成。其中，執行機構由原料輸送機、提取管、離心機以及各類電動、電磁閥組成，傳感器系統由液位開關、熱電偶等構成。按照集散控制系統的設計要求，對于處于關鍵位置的控制機構，要由專門的PLC負責執行，以確保各控制系統相互獨立。當上位機出現故障時，生產過程不會受到干擾和限制，危險得以分解，監控得以集中[4]。

2.2 基本功能

2.2.1 上位機監控系統的基本功能

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

2） 基于RS485接口，與現場裝配的PLC進行通訊連接，能夠準確獲取PLC傳送的各設備工作信息，監控系統據此進行登記和記錄，并根據指令發送控制信息至PLC。

3）要具備系統運行的監視功能。當設備在運行過程中發生故障信息時，可以被及時察覺并發出聲光報警，將發生故障的設備位置予以標明，并及時通知相關處理人員。有關設備的故障信息也及時寫入到數據庫中，方便后期查看和審閱。

4）上位機的監控系統與工廠的信息管理系統實現實時連接。當收到工廠的信息調度時，能根據需求及時響應，當生產工藝或計劃改變時，上位機監控系統也能夠及時對工藝參數進行修改和調整。比如食用菌多糖的提取溫度、提取時間和超聲波頻率等。

5）負責對用戶權限進行分配和管理。上位機監控系統作為控制系統的重要組成部分，為確保安全運行，要進行權限設置和管理，并為操作者設置基本的輔助信息，如操作技術要領、圖解等。

2.2.2 下位機控制系統的基本功能

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

1） 在工藝的要求下，按照料液比實現自動投料，投料后各設備如輸送裝置、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）要能夠實時監控和采集提取管、輸送口等位置的溫度，并能夠及時獲取各罐內的液位信息；3）手動和自動控制系統要切換自由；4）在上位機監控系統和下位機控制系統中，要建立通訊聯系，保證各設備的工作信息和狀態可以及時發送至上位機監控系統中，并確保系統可以對所有設備進行檢測和控制，同時下位機要能夠實時接收上位機發送的指令和參數等；5）要能夠及時將設備故障信息予以發送，且設備故障時能夠進行聲光報警；6）為保障工藝發展的要求和滿足后期的升級需要，系統要留有冗余，具備可擴展功能。

3 基于DCS集散控制系統的食用菌多糖提取工藝控制系統的控制要求

按照提取的生產流程，一個PLC負責控制一個工段，這3個工序的控制節點及檢測數據見表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、進料器、計量設備以及電動閥、電磁閥等將食用菌原料按照工藝生產參數的要求，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備。在投料加溶媒過程中，借助變速器，實現對物料輸送機和輸送泵的轉速控制，以保障原料和溶媒是在料液比的要求下同時進入進料器。流量計實時對提取溶媒的流量進行監控，在進入提取管前，提取溶媒需要先經過板式換熱器，將溫度提升至一定數值，此時溫度計負責實時監控提取溶媒的溫度數值。

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提至提取溶媒中，并在提取時通過排渣管將食用菌雜質予以過濾，提取液則分流至提取液暫存罐中。在這一工段中，通過改變和調節超聲波頻率、功率以及提取管內溫度，控制物料在提取管內停留的時間，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。在溫度控制這一環節中，主要是通過軟化水的溫度來實現控制[6]。軟化水位于超聲波提取管的夾套內，控制這一位置的水溫，便可達到調節超聲波提取管內溫度的目的。軟化水的溫度調節通過換熱器來實現，然后經循環泵流動至提取管中。

3.3 過濾去雜工序要求

在這一工序中，依靠高速離心將經過初級過濾的食用菌多糖進行固體和液體的分離，以將提取液中的雜質進行徹底清除。在進入到高速離心機設備之前，要先對提取液進行粗過濾，應用過濾泵和網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。只進行粗過濾還不能達到工藝要求，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行雜質去除，在轉速達到20 000 r·min-1轉的條件下，快速轉動而產生的離心力將液體中的固體沉淀物開始向周圍散去，固液由此實現分離，提取液的純度進一步提升。