2. 发酵过程关键参数与检测仪表选型

发酵过程的可控性，首先取决于“看得见”。PLC 要参与温度、pH、溶解氧、泡沫、罐压、搅拌转速、空气流量、补料重量等参数的控制，前提是这些物理量被可靠地转换成电信号送入控制器。本节围绕“参数—检测原理—仪表输出信号—PLC 模拟量/高速计数模块”这条主线展开，重点解决两个工程问题：仪表怎么选，信号怎么与 PLC 模块匹配。

一、关键参数的检测原理与仪表形式

温度是发酵最基础也最成熟的参数。中小型发酵罐普遍采用 Pt100 铂电阻，利用金属电阻随温度近似线性变化的特性测温，0 ℃ 时阻值 100 Ω，常用测量范围 −50～200 ℃。Pt100 精度高、长期稳定性好，但输出的是电阻变化，需要变送器转换为标准信号，或直接接入 PLC 的 RTD 专用输入模块。若罐体较大、测点较远，也可选用一体化温度变送器，输出 4–20 mA。

pH 采用玻璃复合电极，测量的是电极敏感膜与参比电极之间随氢离子活度变化的电位差，经高阻抗放大器转换为电压或电流信号。pH 电极内阻可达上百兆欧，因此变送器输入阻抗必须足够高，信号线要短、屏蔽良好。发酵现场 pH 变送器通常输出 4–20 mA，对应量程如 pH 2～12。

溶解氧常用极谱式（克拉克）或原电池式溶氧电极，氧分子在阴极还原产生与氧分压成正比的电流，经变送后输出 4–20 mA，量程常标为 0～100% 或 0～200% 饱和度。溶氧电极需要极化时间和定期标定，其信号对搅拌、通气变化响应较快，布线时应远离变频器动力线。

泡沫检测多采用电导式或电容式泡沫电极，安装在罐顶预期泡沫高度处，泡沫触及探头即改变电极间介质，输出开关量。也有采用压力式或超声式连续检测的方案，但发酵现场以点位式开关量最普遍，用于触发消泡剂补加或降低搅拌。

罐压通过压力变送器测量，常用 0～0.25 MPa 或 0～0.4 MPa 量程，输出 4–20 mA。需注意区分表压与绝压，发酵罐通常监测表压，取压口应加装隔膜或冷凝措施防止蒸汽灭菌时损坏传感器。

搅拌转速由接近开关、霍尔传感器或编码器检测，每转产生若干脉冲，属于脉冲/频率信号，不能直接接普通模拟量输入，应接入 PLC 的高速计数通道或专用转速模块。

空气流量常用热式质量流量计或涡街流量计，输出 4–20 mA 对应标准状态下的流量，如 0～50 L/min 或 0～20 m³/h。选型时要明确标况条件与量程比，避免小流量段精度不足。

补料重量通过称重传感器（应变式称重模块）测量补料罐或补料瓶重量，输出毫伏级信号，经称重变送器转换为 4–20 mA 或通过 RS-485 数字接口上传，用于计算补料速率和累计补料量。

二、信号类型与 PLC 输入模块的匹配

把上述仪表归纳起来，进入 PLC 的信号主要有三类：4–20 mA 模拟量（温度变送器、pH、溶氧、罐压、空气流量、称重变送器）、RTD 电阻信号（直连 Pt100）、脉冲/开关量（转速脉冲、泡沫开关）。匹配时抓住三个要点：

• 信号类型对应模块类型：4–20 mA 接模拟量输入模块（AI），Pt100 接 RTD 输入模块，脉冲接高速计数模块（HSC）或带 HSC 功能的 CPU 输入点，泡沫开关接数字量输入（DI）。
• 量程与分辨率核算：以西门子 S7-1200 的 4–20 mA 输入为例，模块把 4–20 mA 线性转换为 0～27648 的整数值。若 pH 量程 2～12，则每 1 mA 对应 0.625 pH，每 1 个数字量约 0.00036 pH，分辨率完全够用；而罐压 0～0.4 MPa 对应 27648 计数，每计数约 14.5 Pa，也满足一般控制要求。
• 接线与抗干扰：4–20 mA 采用两线制时注意模块是否提供 24 V 回路电源；屏蔽层单端接地；模拟量线与变频器输出线分槽敷设；RTD 三线制要补偿引线电阻。

下面用一张信号链图把“现场仪表—信号类型—PLC 模块—程序中的工程量”对应关系梳理清楚：

三、从原始值到工程量的换算

仪表选好、模块接对之后，程序里还要把模块读到的原始整数换算成工程量。以 4–20 mA 输入、0～27648 计数为例，通用换算式为：

工程量 = 量程下限 + (原始值 / 27648) × (量程上限 − 量程下限)

例：pH 量程 2～12，原始值 13824（即 12 mA）
pH = 2 + (13824 / 27648) × (12 − 2) = 2 + 0.5 × 10 = 7.00

实际编程时还要做两件事：一是断线检测，4–20 mA 回路断线时原始值会跌到 0 附近或出现负值，应判断原始值小于某阈值（如 2000）即报警并锁定输出；二是滤波，溶氧和 pH 信号易受搅拌与通气脉动影响，可在 PLC 中做一阶低通或滑动平均，时间常数取 2～5 s，兼顾平稳性与响应速度。

四、选型与匹配的工程要点

仪表选型不能只看“能不能测”，还要看“在什么环境下测、信号送多远、和模块配不配”。发酵罐需要蒸汽灭菌，接触介质的传感器必须耐 121～130 ℃ 高温，pH 和溶氧电极应选可耐灭菌的型号，并考虑灭菌后重新标定的操作便利性。信号传输距离超过几十米时，优先选 4–20 mA 电流信号而非电压信号，因为电流环抗干扰能力强、线路压降不影响读数。

模块匹配上还有两个易错点：其一，两线制与四线制仪表接线不同，两线制变送器由模块或外部电源供电，四线制仪表自带电源只输出信号，接错可能烧模块；其二，共模电压与隔离，多路模拟量若来自不同供电回路，应选用通道间隔离的 AI 模块，避免地电位差引入误差。转速脉冲则要注意 PLC 高速计数通道的最高频率上限，例如编码器每转 60 脉冲、转速 600 r/min 时脉冲频率为 600 Hz，需确认所选通道满足要求。

把本节内容落到一张选型对照表上，便于实际项目直接查阅：

需要强调的是，表中量程与参数均为教学示例，实际项目应以工艺条件、仪表样本和 PLC 模块手册为准逐项核算。检测环节做扎实，后续的温度 PID、pH 补碱、溶氧联动搅拌与通气等控制策略才有可靠的输入基础。