基于DCS集散控制系统的食用菌多糖提取工艺控制系统设计*

王 静，王 磊

（1.河南应用技术职业学院 信息工程学院，河南 郑州 450002；2.河南应用技术职业学院 党委宣传部，河南 郑州 450002）

食用菌所含营养元素丰富，生理活性高，不仅能够增强淋巴细胞的活力，而且还富含人体所需的氨基酸等营养元素，长期食用有助于提高人体综合免疫力[1]。我国是食用菌生产大国，但生产技术落后，自动化程度低，严重依赖人工操作和生产，对提高我国食用菌多糖产品的质量和产量形成了压制。所以，围绕产量和质量，引入食用菌多糖的超声波提取工艺，对于提高生产质量和产量有着重要作用。通过基于DCS集散控制系统的食用菌多糖提取工艺控制系统的设计，以期为我国进一步提升食用菌产量和加强食用菌自动化生产能力提供理论参考。

1 DCS集散控制系统和食用菌多糖超声波提取工艺概述

1.1 DCS集散控制系统

DCS集散控制系统是一个综合型的控制系统，依托微型处理器，围绕过程控制级和过程监控级，在网络通讯功能下，以分散控制和集中管理为基础，将共用控制和共用显示集中统一，进而打造的一个集中分散型控制系统。作为一个多级计算机系统，不仅集成了计算机、通讯、显示和控制等技术，而且还融合了人性化的人机界面和高效的通讯集成。在计算机技术、网络通讯技术和自动控制技术的帮助和支持下，DCS集散控制系统尽可能的将危险进行分散，将控制进行集中，以实现高效和安全运行。其中，通信网络、分散控制和集中管理是构成DCS集散控制系统的3个主要部分[2]。

1.2 食用菌多糖的超声波提取工艺

当前食用菌多糖提取工艺多样，方法众多。其中，获得业界一致认可的高效提取方法是超声波浸提工艺。这一工艺的基本流程包含3个工序。

1）投料加溶媒。投料是加工的前提，在投料系统中，主要设备有盛装的喂料斗，运送的输送器以及进料器。在此阶段中，拌料速度的快慢由变频器予以控制。

2）超声波浸提。这一工序的关键就是创设适宜温度，合理预设时间，按照要求设定超声波功率和频率。

3）过滤和除杂。过滤装置主要由过滤器和过滤泵组成，其中，塞孔尺寸为30目的过滤袋设置在过滤器中，将流经于此残渣予以过滤，至此完成整个粗过滤流程，提取液则暂存于储液罐中[3]。

2 基于DCS集散控制系统的食用菌多糖提取工艺控制系统的结构与功能

2.1 总体结构

根据食用菌多糖超声波提取工艺的要求，在控制系统的选择中，依据现代食用菌加工企业的水平和能力，结合现代器械和发展状态，就目前的计算机控制系统而言，较佳的选择无疑是DCS集散控制系统。在DCS集散控制系统中，核心控制系统是PLC，即可编程逻辑控制器，其造价低廉，应用广泛且工作可靠性高。上位机是华为的IPC-610H，操作系统则选用Linux，开源且生态成熟，便于开发和生态匹配，监控组态软件选择人性化程度较好的“MCGS”；西门子S7-200系列PLC则为下位机的选择对象。在整个控制系统中，共有3层结构。

1）操作层和管理层。由2台PC机组成的上位机控制系统，是操作层和管理层的主要中枢。由于操作层的主要用途是控制各项设备的运转，为更好地控制和利用，确保安全生产。所以操作层一般设置于生产工厂的车间操作室中，由于车间工作环境复杂，所以在可靠性上必须选择程度较好的工控机。基于WINDOWS XP的操作系统，辅以MCGS组态软件，便可满足操作员站和工程师站的各种功能需求。基于PLC，上位机系统在RS232C与RS485串口的转换连接下，建立数据通讯，并经过MCGS驱动程序的带动，实现对PLC的读写。下位机系统则负责采集一切设备的工作状态和故障信息，并实时反馈在监控画面中，此外还可实现控制指令的传送，进而使控制系统能够对整个生产过程都进行监督和控制，还可实现信号报警、信息查询以及信息打印等功能。对于有需求和有条件的厂区，工控机还可实现与互联网的连接和通讯，将MCGS与ODBC数据库之间的通讯予以建立，工厂管理系统的信息系统便可实现通讯功能。

2） 现场控制层。由3台西门子S7-200系列PLC和TD200C文本显示器为主要设备，辅以基础的支持软件和外围部件构成的下位机控制系统，是现场控制层。该层级的控制目标是投料加溶媒、超声波浸提以及过滤除杂3个方面。现场控制层的主要功能是实现对数据的采集、现场开关量的检测和模拟控制等。

3）现场设备层。现场设备层主要对厂间的设备执行控制命令，检测控制信息，层面系统由各传感器和执行机构组成。其中，执行机构由原料输送机、提取管、离心机以及各类电动、电磁阀组成，传感器系统由液位开关、热电偶等构成。按照集散控制系统的设计要求，对于处于关键位置的控制机构，要由专门的PLC负责执行，以确保各控制系统相互独立。当上位机出现故障时，生产过程不会受到干扰和限制，危险得以分解，监控得以集中[4]。

2.2 基本功能

2.2.1 上位机监控系统的基本功能

1）借助组态软件，实现实时的生产流程全真反馈，以动画的形式将整个设备的运行状况完整呈现于组态软件中，以便工作人员了解实时的设备工作状态。组态软件在上位机的监控系统发挥着重要的作用，因此必须具备良好的人机交互功能，确保控制或调度信息能够传递。

2） 基于RS485接口，与现场装配的PLC进行通讯连接，能够准确获取PLC传送的各设备工作信息，监控系统据此进行登记和记录，并根据指令发送控制信息至PLC。

3）要具备系统运行的监视功能。当设备在运行过程中发生故障信息时，可以被及时察觉并发出声光报警，将发生故障的设备位置予以标明，并及时通知相关处理人员。有关设备的故障信息也及时写入到数据库中，方便后期查看和审阅。

4）上位机的监控系统与工厂的信息管理系统实现实时连接。当收到工厂的信息调度时，能根据需求及时响应，当生产工艺或计划改变时，上位机监控系统也能够及时对工艺参数进行修改和调整。比如食用菌多糖的提取温度、提取时间和超声波频率等。

5）负责对用户权限进行分配和管理。上位机监控系统作为控制系统的重要组成部分，为确保安全运行，要进行权限设置和管理，并为操作者设置基本的辅助信息，如操作技术要领、图解等。

2.2.2 下位机控制系统的基本功能

由西门子PLC和文本显示器为主要设备，辅以基础的支持软件和外围部件构成的下位机控制系统，控制提取组、运输组以及溶媒输送泵和过滤装置的运行，确保按照生产工艺的要求，实现自动生产[5]。所以，在下位机控制系统中，系统的控制功能设计要包含以下几点。

1） 在工艺的要求下，按照料液比实现自动投料，投料后各设备如输送装置、超声波振子启停和控制装置、过滤装置等能够按照超声波提取的流程要求，依次有序启动；2）要能够实时监控和采集提取管、输送口等位置的温度，并能够及时获取各罐内的液位信息；3）手动和自动控制系统要切换自由；4）在上位机监控系统和下位机控制系统中，要建立通讯联系，保证各设备的工作信息和状态可以及时发送至上位机监控系统中，并确保系统可以对所有设备进行检测和控制，同时下位机要能够实时接收上位机发送的指令和参数等；5）要能够及时将设备故障信息予以发送，且设备故障时能够进行声光报警；6）为保障工艺发展的要求和满足后期的升级需要，系统要留有冗余，具备可扩展功能。

3 基于DCS集散控制系统的食用菌多糖提取工艺控制系统的控制要求

按照提取的生产流程，一个PLC负责控制一个工段，这3个工序的控制节点及检测数据见表1。

3.1 投料加溶媒工序要求

在这一工序中，依托喂料斗、螺旋式物料输送机、进料器、计量设备以及电动阀、电磁阀等将食用菌原料按照工艺生产参数的要求，与提取溶媒按比例投入超声波提取管中，为下一工序的开展做准备。在投料加溶媒过程中，借助变速器，实现对物料输送机和输送泵的转速控制，以保障原料和溶媒是在料液比的要求下同时进入进料器。流量计实时对提取溶媒的流量进行监控，在进入提取管前，提取溶媒需要先经过板式换热器，将温度提升至一定数值，此时温度计负责实时监控提取溶媒的温度数值。

3.2 超声波浸提工序要求

在整个工序中，超声波浸提是十分重要的一步，这一步的主要目的是将食用菌多糖从食用菌原料中转提至提取溶媒中，并在提取时通过排渣管将食用菌杂质予以过滤，提取液则分流至提取液暂存罐中。在这一工段中，通过改变和调节超声波频率、功率以及提取管内温度，控制物料在提取管内停留的时间，以保证提取效果得到最佳。为保障超声波频率和功率能够按照工艺需要开展工作，在每个提取管上，都设置了超声波振子盒，由其控制超声波的频率和功率。在温度控制这一环节中，主要是通过软化水的温度来实现控制[6]。软化水位于超声波提取管的夹套内，控制这一位置的水温，便可达到调节超声波提取管内温度的目的。软化水的温度调节通过换热器来实现，然后经循环泵流动至提取管中。

3.3 过滤去杂工序要求

在这一工序中，依靠高速离心将经过初级过滤的食用菌多糖进行固体和液体的分离，以将提取液中的杂质进行彻底清除。在进入到高速离心机设备之前，要先对提取液进行粗过滤，应用过滤泵和网袋式过滤器将大小在20目～30目的固体首先滤掉，然后过滤泵将提取液抽送到过滤器中，并暂时存入提取液储罐。只进行粗过滤还不能达到工艺要求，因为此时还有众多微小的固体悬浮物掺杂其中，此时就需要利用高速离心机进行杂质去除，在转速达到20 000 r·min-1转的条件下，快速转动而产生的离心力将液体中的固体沉淀物开始向周围散去，固液由此实现分离，提取液的纯度进一步提升。