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摘要 针对秸秆发酵制取燃料乙醇的工艺特点，基于可编程逻辑控制器（PLC）技术与组态软件（MCGS）设计了发酵过程系统软件平台。对秸秆发酵制取燃料乙醇系统的软件结构进行了阐述，包括上位机组态软件流程、登录和发酵过程监控界面、系统警报和报表以及下位机软件设计流程，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，取得较好的效果。
关键词 秸秆发酵燃料乙醇过程；可编程逻辑控制器；组态软件；系统软件
中图分类号 S216.2；TP273 文献标识码
A 文章编号 0517-6611（2016）34-0225-03
Software Design of Straw Fermentation Control System Based on PLC and MCGS
DING Jin-shui （Jiangsu Gaochun Secondary Vocational School， Nanjing， Jiangsu 211300）
Abstract According to the production process characteristics of straw fermentation fuel ethanol，the software system of fermentation process was designed based on PLC and MCGS configuration software. The structure of the software of straw fermentation fuel ethanol process was elaborated， including PC configuration software process， configuration design， database configuration， device driver configuration operation and lower computer software design process， and through the software programming design of the program， the actual installation and commissioning were carried out in RITAI company，achieved good results.
Key words Straw fermentation fuel ethanol process； PLC； Configuration software； System software
生物质能源以其资源丰富、使用方便、清洁无污染等特点，被世界各国誉为具有巨大经济潜力的朝阳产业[1]。燃料乙醇作为世界上生产和使用规模最大的生物质能源，是从生物质中提取的唯一能够直接用于车用燃料的液态能源载体，特别是以农作物秸秆、柴草、木材加工废弃物等大量存在的木质纤维素为原料发酵生产的燃料乙醇，在实现资源高效综合利用的同时，可以避免上述物质带来的环境污染，对实现经济可持续发展与生态环境保护起到重要作用[2]。
近年来，秸秆发酵制取燃料乙醇朝着规模化、集约化方向发展，发酵罐由原来的几升逐渐扩大至上百吨[3]，乃至几千吨，如此大规模的发酵罐系统，一旦操作控制发生差错，就会造成原料的浪费和设备的空转，导致非常严重的后果。而发酵制取燃料乙醇本身具有高度非线性、强耦合、多参数、强时变等特性[4]，要想同时兼顾其优良的产出率和单位时间内的高效益，就必须设计出配套的发酵过程控制系统软件，以对发酵制取燃料乙醇进行实时检测与监控。
目前，秸秆发酵制取燃料乙醇过程大都选取传统继电器作为主控装置构成控制系统，不仅工作强度高而且存在诸如操控错误和时间难以把控等问题，导致发酵制取燃料乙醇过程易出现偏差，使乙醇产出率较低。近年来，随着编程逻辑控制器（PLC）技术、组态软件（MCGS）和人工智能技术的迅猛发展，人们对系统的功能要求早已不限定在完成设定的程序上，数据实时采集、分析等也已成为控制系统的重要组成部分。基于此，笔者对秸秆发酵制取燃料乙醇过程进行研究，基于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。系统软件运行过程中，工人只需要提前确认发酵过程状态信息，校对发酵数据，即可通过监控界面了解秸秆发酵燃料乙醇过程的各个运行状态信息，并实现发酵现场的无人智能监控，因此可大大减少人工劳力，降低生产成本，也使发酵过程更加可靠，极大地推动了秸秆发酵制取燃料乙醇的规模化、集约化生产进程。
1 软件设计总体方案
秸秆发酵制取燃料乙醇过程系统软件由上位机监控软件和下位机控制软件共同构成。上位机监控软件选择北京昆仑通态的组态软件MCGS进行开发，下位机控制软件选用西门子V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9编程软件进行开发[5]。
秸秆发酵制取燃料乙醇过程系统软件的运行过程：系统正常启动后，上位机监控软件接收下位传输的发酵过程当前状态信号[发酵罐温度、溶解氧（DO）、pH、电机转速等]，并在监控界面上实时动态显示，同时对状态信号设定值进行设置，并传输到下位机控制软件中。在自运行模式下，下位机软件通过温度、DO、pH、转速等传感器实时采集状态信号，根据采样值和设定值之间的差值，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。
2 上位机软件
上位机监控软件主要功能是对秸秆发酵制取燃料乙醇过程进行实时在线检测与监控，它是自动控制系统的可视化部分，它使得用户能够便捷地了解秸秆发酵乙醇过程的当前运行状态，很大程度上提高了系统的效率和可靠性。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.
[5] 西门子有限公司.深入浅出西门子S7-200PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[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.
[7] 刘小明.昆仑通态触摸屏MCGS的教学初探[J].科技视界，2016（4）：235.
[8] 郑凤翼.案例分析西门子S7-200系列PLC应用程序设计[M].北京：电子工业出版社，2013.
[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.
关键词 秸秆发酵燃料乙醇过程；可编程逻辑控制器；组态软件；系统软件
中图分类号 S216.2；TP273 文献标识码
A 文章编号 0517-6611（2016）34-0225-03
Software Design of Straw Fermentation Control System Based on PLC and MCGS
DING Jin-shui （Jiangsu Gaochun Secondary Vocational School， Nanjing， Jiangsu 211300）
Abstract According to the production process characteristics of straw fermentation fuel ethanol，the software system of fermentation process was designed based on PLC and MCGS configuration software. The structure of the software of straw fermentation fuel ethanol process was elaborated， including PC configuration software process， configuration design， database configuration， device driver configuration operation and lower computer software design process， and through the software programming design of the program， the actual installation and commissioning were carried out in RITAI company，achieved good results.
Key words Straw fermentation fuel ethanol process； PLC； Configuration software； System software
生物质能源以其资源丰富、使用方便、清洁无污染等特点，被世界各国誉为具有巨大经济潜力的朝阳产业[1]。燃料乙醇作为世界上生产和使用规模最大的生物质能源，是从生物质中提取的唯一能够直接用于车用燃料的液态能源载体，特别是以农作物秸秆、柴草、木材加工废弃物等大量存在的木质纤维素为原料发酵生产的燃料乙醇，在实现资源高效综合利用的同时，可以避免上述物质带来的环境污染，对实现经济可持续发展与生态环境保护起到重要作用[2]。
近年来，秸秆发酵制取燃料乙醇朝着规模化、集约化方向发展，发酵罐由原来的几升逐渐扩大至上百吨[3]，乃至几千吨，如此大规模的发酵罐系统，一旦操作控制发生差错，就会造成原料的浪费和设备的空转，导致非常严重的后果。而发酵制取燃料乙醇本身具有高度非线性、强耦合、多参数、强时变等特性[4]，要想同时兼顾其优良的产出率和单位时间内的高效益，就必须设计出配套的发酵过程控制系统软件，以对发酵制取燃料乙醇进行实时检测与监控。
目前，秸秆发酵制取燃料乙醇过程大都选取传统继电器作为主控装置构成控制系统，不仅工作强度高而且存在诸如操控错误和时间难以把控等问题，导致发酵制取燃料乙醇过程易出现偏差，使乙醇产出率较低。近年来，随着编程逻辑控制器（PLC）技术、组态软件（MCGS）和人工智能技术的迅猛发展，人们对系统的功能要求早已不限定在完成设定的程序上，数据实时采集、分析等也已成为控制系统的重要组成部分。基于此，笔者对秸秆发酵制取燃料乙醇过程进行研究，基于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。系统软件运行过程中，工人只需要提前确认发酵过程状态信息，校对发酵数据，即可通过监控界面了解秸秆发酵燃料乙醇过程的各个运行状态信息，并实现发酵现场的无人智能监控，因此可大大减少人工劳力，降低生产成本，也使发酵过程更加可靠，极大地推动了秸秆发酵制取燃料乙醇的规模化、集约化生产进程。
1 软件设计总体方案
秸秆发酵制取燃料乙醇过程系统软件由上位机监控软件和下位机控制软件共同构成。上位机监控软件选择北京昆仑通态的组态软件MCGS进行开发，下位机控制软件选用西门子V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9编程软件进行开发[5]。
秸秆发酵制取燃料乙醇过程系统软件的运行过程：系统正常启动后，上位机监控软件接收下位传输的发酵过程当前状态信号[发酵罐温度、溶解氧（DO）、pH、电机转速等]，并在监控界面上实时动态显示，同时对状态信号设定值进行设置，并传输到下位机控制软件中。在自运行模式下，下位机软件通过温度、DO、pH、转速等传感器实时采集状态信号，根据采样值和设定值之间的差值，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。
2 上位机软件
上位机监控软件主要功能是对秸秆发酵制取燃料乙醇过程进行实时在线检测与监控，它是自动控制系统的可视化部分，它使得用户能够便捷地了解秸秆发酵乙醇过程的当前运行状态，很大程度上提高了系统的效率和可靠性。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.
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[5] 西门子有限公司.深入浅出西门子S7-200PLC[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[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.
[7] 刘小明.昆仑通态触摸屏MCGS的教学初探[J].科技视界，2016（4）：235.
[8] 郑凤翼.案例分析西门子S7-200系列PLC应用程序设计[M].北京：电子工业出版社，2013.
[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.