近年來，我國人工工資水平大幅上漲，對(duì)比過去十年，人工成本翻倍，中國制造業(yè)的勞動(dòng)力優(yōu)勢正在漸漸削弱，而勞動(dòng)力群體正在發(fā)生代際替換，招工難成了日益凸顯的勞動(dòng)力供需矛盾。我們正處在“制造業(yè)”向“智造業(yè)”跨越式發(fā)展的新時(shí)期；并且如果甘蔗植物細(xì)胞水提取工藝生產(chǎn)線采用人工手動(dòng)操作，有著加熱汽源波動(dòng)大，汽、水、物料的平衡性差，濃度配比僅靠經(jīng)驗(yàn)判斷、參數(shù)控制不穩(wěn)或停產(chǎn)停機(jī)等缺陷，生產(chǎn)效率低，同時(shí)易造成甘蔗植物細(xì)胞水品質(zhì)出現(xiàn)波動(dòng)，不利于對(duì)甘蔗植物細(xì)胞水生產(chǎn)規(guī)模化、均衡生產(chǎn)，也不利于保證甘蔗植物細(xì)胞水產(chǎn)品質(zhì)量和口感。所以甘蔗植物水提取生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化是項(xiàng)目成功的必要條件。
本文是研究自動(dòng)控制系統(tǒng)在甘蔗植物水提取生產(chǎn)過程的應(yīng)用，開發(fā)出一套基于現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式自動(dòng)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)加熱用蒸汽汽源參數(shù)穩(wěn)定可控，及恒壓恒流輸送甘蔗汁、箱體罐體疏水排底、甘蔗植物水定量配比等生產(chǎn)過程的全程自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)日產(chǎn)40噸水的產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)。
甘蔗植物水飲料生產(chǎn)車間共分為六個(gè)主要工段，依次為原料提取、一次加熱、前置物理過濾、二次加熱、膜過濾、甘蔗植物水配兌。這六個(gè)工段提出了各自的控制目標(biāo)，可以歸納為：物料均衡輸送，壓力、溫度、流量動(dòng)態(tài)平衡，精確定量配比。要達(dá)成工藝控制目標(biāo)，本項(xiàng)目需解決以下的問題：
(1）研究甘蔗植物水提取工藝的自動(dòng)控制過程中關(guān)鍵控制點(diǎn)的算法；
(2）對(duì)各工段進(jìn)行控制硬件配置及組態(tài)；
(3）使用開放性通訊網(wǎng)絡(luò)將各工段銜接為分布式自控系統(tǒng)。
甘蔗植物水提取過程表現(xiàn)出多變量、非線性、時(shí)變性的特性，使用傳統(tǒng)的反饋控制方式不能滿足控制目的，需要研究傳統(tǒng)PID與串級(jí)控制、模糊控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程精確控制；甘蔗汁配比，人工操作強(qiáng)度大，且不能根據(jù)物料濃度變化隨時(shí)調(diào)整配比量來保證精度，研究甘蔗汁配比控制方法，構(gòu)建精確配比模型，實(shí)現(xiàn)定量精確配比。
以串級(jí)PID控制方式實(shí)現(xiàn)甘蔗汁多級(jí)加熱滅菌用汽自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。
列管式多級(jí)加熱滅菌蒸汽源的壓力和溫度不穩(wěn)定，并且受到過汁流量、初始溫度的影響，需要頻繁調(diào)節(jié)，人工調(diào)節(jié)方式難以獲得穩(wěn)定的溫壓值，影響加熱溫度進(jìn)而后續(xù)生產(chǎn)。若采用單回路控制，由于原料、蒸汽的流量的擾動(dòng)導(dǎo)致控制作用不及時(shí)，偏差大，控制質(zhì)量差，往往不能滿足生產(chǎn)要求。
本文采用加熱器出口溫度與蒸汽流量的串級(jí)控制，在加熱控制流程上串接兩個(gè)PID控制器構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，用溫度控制器的輸出作為流量控制器的設(shè)定值，由流量控制器輸出去控制蒸汽加熱管道的控制閥。
經(jīng)過對(duì)該工段的分析以及整體工藝考慮，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的一次加熱的控制對(duì)象對(duì)應(yīng)如下：
溫度控制器：加熱器出口溫度PID模塊；
流量控制器：蒸汽壓力PID模塊；
控制閥：0.2Mpa蒸汽入口氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥；
流量檢測變送器：蒸汽渦街式智能流量計(jì)；
溫度檢測變送器：一次加熱出口溫度智能變送器。
通過建立串級(jí)PID程序，在本項(xiàng)目的一次加熱和二次加熱工段，物料的溫度控制均取得了良好的控制效果。
預(yù)處理甘蔗汁輸送工段，由于工區(qū)涉及糖廠的兩個(gè)車間（壓榨車間和甘蔗水生產(chǎn)車間），輸送管路長達(dá)幾百米，直接采用傳統(tǒng)PID控制不容易獲得流量、液位以及預(yù)處理過濾效果的動(dòng)態(tài)平衡。
本文采用人工規(guī)則和PID調(diào)節(jié)相結(jié)合的控制方法，首先根據(jù)設(shè)備操作流量和員工操作經(jīng)驗(yàn)制定出一套預(yù)處理控制規(guī)則，然后設(shè)定判定條件，根據(jù)判定條件的定義來確定使用哪一階段的控制手段。當(dāng)在生產(chǎn)線剛開始啟動(dòng)運(yùn)行以及出現(xiàn)較大的工況變化時(shí)，由于物料的流量波動(dòng)較大，流經(jīng)的各級(jí)罐體液位都會(huì)受到連續(xù)的波動(dòng)，此時(shí)為了避免直接引入PID控制產(chǎn)生的震蕩或者延時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)采用經(jīng)驗(yàn)控制算法，通過對(duì)變頻器頻率以及相關(guān)閥門開度進(jìn)行較大幅度的增減控制，使物料在各級(jí)罐體的液位快速向設(shè)定目標(biāo)逼近；當(dāng)各級(jí)罐體液位趨近目標(biāo)，并且工況相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)候，滿足了系統(tǒng)的第二級(jí)判定條件，傳統(tǒng)的PID模塊投入使用，對(duì)液位進(jìn)行精細(xì)化控制，從而滿足生產(chǎn)過程中液位不溢流，壓力、流量動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)且保持穩(wěn)定，能夠保持較好的控制效果，實(shí)現(xiàn)甘蔗汁動(dòng)態(tài)均衡輸送，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位、流量和預(yù)處理效果的精確控制，最終達(dá)到連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的效果。
本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是控制器以現(xiàn)場總線方式與現(xiàn)場智能設(shè)備通信，多個(gè)控制器之間用以太網(wǎng)連接，構(gòu)成數(shù)字式、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，使整個(gè)系統(tǒng)具備開放性、集成性和高度分散性。根據(jù)預(yù)算以及工藝控制要求，確定了采用多個(gè)離散式控制器來負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)的工段控制，每個(gè)工段的現(xiàn)場都采用一次儀表，全部儀表的信號(hào)采集都使用智能變送器，統(tǒng)一將溫度、壓力、液位、流量等工藝參數(shù)在智能變送器中轉(zhuǎn)化為可讀數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由各自工段的控制器讀取后，再由工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行傳播。
根據(jù)整條生產(chǎn)線的工藝分段以及控制點(diǎn)數(shù)和控制要求進(jìn)行整體規(guī)劃，同時(shí)考慮在有限預(yù)算下要對(duì)系統(tǒng)的開放性、擴(kuò)展性上進(jìn)行針對(duì)性配置，項(xiàng)目采用S7-300系列PLC一組，Smart 200系列PLC四組，作為各工段控制的子系統(tǒng)控制核心。其中膜過濾工段要求最高，采用S7-300系列的CPU315 DP-2作為主站，24塊ET200M輸入輸出模塊通過3塊IM153-1鏈路模塊，走PROFI-BUS DP協(xié)議來形成膜工段的硬件系統(tǒng)，S7-300可以勝任控制閥門密集、傳感器繁多的膜設(shè)備工段。原料提取、一次加熱、前置物理過濾、二次加熱以及甘蔗植物水配兌工段，分為四個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)配置一套以S7-200 Smart為核心的控制硬件。
根據(jù)控制核心的特點(diǎn)，整套系統(tǒng)采用兩路總線協(xié)議：膜工段采用了PROFIBUS DP總線網(wǎng)絡(luò)，一次儀表通過采用隔離器連接到ET200M，由ET200M和IM153-1完成與CPU的數(shù)據(jù)交互；其余4個(gè)S7-200 Smart控制器，通過配置帶Modbus協(xié)議的智能變送器來連接一次儀表。采用Modbus智能變送器可以解決200 Smart控制器無法進(jìn)行超額的模擬量輸入的問題，同時(shí)完成了低端控制器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)讀取儀表信息的配置目標(biāo)。
整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)有3臺(tái)PC作為中控上位機(jī)，在固定的中控崗位進(jìn)行操作；4臺(tái)觸摸屏作為各個(gè)工藝段的現(xiàn)場人機(jī)操作界面。其中膜設(shè)備作為一個(gè)重要工段，單獨(dú)分配一臺(tái)中控PC，配置SI-MATIC Win CC組態(tài)軟件直接與S7 300 PLC進(jìn)行通訊。其余兩臺(tái)中控上位機(jī)，作為能夠銜接全廠進(jìn)行監(jiān)控，采用了力控組態(tài)軟件，以較低的成本地解決了不同系列控制器的全局監(jiān)控功能。觸摸屏直接采用標(biāo)準(zhǔn)的Win CC flexible進(jìn)行界面組態(tài)。工段內(nèi)的各個(gè)設(shè)備都與對(duì)應(yīng)的控制單元一起配置同一網(wǎng)段的不同IP地址，最終把數(shù)據(jù)共享到中控配置的力控組態(tài)界面，在力控端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)記錄和報(bào)表、報(bào)警等功能。
本文通過配置MOXA工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)以及光電轉(zhuǎn)換器，在現(xiàn)場長距離使用光纖、短距離使用8芯網(wǎng)線，所有上位機(jī)和控制核心都采用以太網(wǎng)接口并入同一局域網(wǎng)內(nèi)，PC上位機(jī)，工程師站、PLC和觸摸屏都能夠進(jìn)行互相訪問，系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性。通過采用TCP/IP協(xié)議，可以將整個(gè)生產(chǎn)線各工段都包括在主控系統(tǒng)內(nèi)，并且不需要額外的硬件設(shè)備，可以使用力控軟件的WEB發(fā)布功能，通過因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，達(dá)到管理網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)共享。整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的能源消耗、物料走向以及最終產(chǎn)品的產(chǎn)量都可以得到良好的管理和控制。
該甘蔗植物水提取工藝現(xiàn)場總線自動(dòng)控制系統(tǒng)投入運(yùn)行后，全線的設(shè)備產(chǎn)能得到提高，每天產(chǎn)量達(dá)到40噸，提升產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本；提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性，避免人為操作失誤引起的生產(chǎn)事故；使用甘蔗植物水提取工藝現(xiàn)場總線自動(dòng)控制系統(tǒng)，整條生產(chǎn)線只需要8個(gè)操作人員，就可以正常運(yùn)行，達(dá)到了高效、節(jié)省人工的目標(biāo)。
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