近年來，我國人工工資水平大幅上漲，對比過去十年，人工成本翻倍，中國制造業(yè)的勞動力優(yōu)勢正在漸漸削弱，而勞動力群體正在發(fā)生代際替換，招工難成了日益凸顯的勞動力供需矛盾。我們正處在“制造業(yè)”向“智造業(yè)”跨越式發(fā)展的新時期；并且如果甘蔗植物細胞水提取工藝生產(chǎn)線采用人工手動操作，有著加熱汽源波動大，汽、水、物料的平衡性差，濃度配比僅靠經(jīng)驗判斷、參數(shù)控制不穩(wěn)或停產(chǎn)停機等缺陷，生產(chǎn)效率低，同時易造成甘蔗植物細胞水品質(zhì)出現(xiàn)波動，不利于對甘蔗植物細胞水生產(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)線實現(xiàn)自動化是項目成功的必要條件。
本文是研究自動控制系統(tǒng)在甘蔗植物水提取生產(chǎn)過程的應用，開發(fā)出一套基于現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)的分布式自動控制系統(tǒng)，以實現(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)過程的全程自動控制，實現(xiàn)日產(chǎn)40噸水的產(chǎn)業(yè)化目標。
甘蔗植物水飲料生產(chǎn)車間共分為六個主要工段，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。這六個工段提出了各自的控制目標，可以歸納為：物料均衡輸送，壓力、溫度、流量動態(tài)平衡，精確定量配比。要達成工藝控制目標，本項目需解決以下的問題：
(1）研究甘蔗植物水提取工藝的自動控制過程中關(guān)鍵控制點的算法；
(2）對各工段進行控制硬件配置及組態(tài)；
(3）使用開放性通訊網(wǎng)絡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與串級控制、模糊控制相結(jié)合，實現(xiàn)生產(chǎn)過程精確控制；甘蔗汁配比，人工操作強度大，且不能根據(jù)物料濃度變化隨時調(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，實現(xiàn)定量精確配比。
以串級PID控制方式實現(xiàn)甘蔗汁多級加熱滅菌用汽自動調(diào)節(jié)功能。
列管式多級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、蒸汽的流量的擾動導致控制作用不及時，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控制，在加熱控制流程上串接兩個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)過對該工段的分析以及整體工藝考慮，本項目設計的一次加熱的控制對象對應如下：
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蒸汽入口氣動調(diào)節(jié)閥；
流量檢測變送器：蒸汽渦街式智能流量計；
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PID程序，在本項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。
預處理甘蔗汁輸送工段，由于工區(qū)涉及糖廠的兩個車間（壓榨車間和甘蔗水生產(chǎn)車間），輸送管路長達幾百米，直接采用傳統(tǒng)PID控制不容易獲得流量、液位以及預處理過濾效果的動態(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)設備操作流量和員工操作經(jīng)驗制定出一套預處理控制規(guī)則，然后設定判定條件，根據(jù)判定條件的定義來確定使用哪一階段的控制手段。當在生產(chǎn)線剛開始啟動運行以及出現(xiàn)較大的工況變化時，由于物料的流量波動較大，流經(jīng)的各級罐體液位都會受到連續(xù)的波動，此時為了避免直接引入PID控制產(chǎn)生的震蕩或者延時，此時系統(tǒng)會采用經(jīng)驗控制算法，通過對變頻器頻率以及相關(guān)閥門開度進行較大幅度的增減控制，使物料在各級罐體的液位快速向設定目標逼近；當各級罐體液位趨近目標，并且工況相對穩(wěn)定的時候，滿足了系統(tǒng)的第二級判定條件，傳統(tǒng)的PID模塊投入使用，對液位進行精細化控制，從而滿足生產(chǎn)過程中液位不溢流，壓力、流量動態(tài)關(guān)聯(lián)且保持穩(wěn)定，能夠保持較好的控制效果，實現(xiàn)甘蔗汁動態(tài)均衡輸送，實現(xiàn)對液位、流量和預處理效果的精確控制，最終達到連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的效果。
本文的設計目標是控制器以現(xiàn)場總線方式與現(xiàn)場智能設備通信，多個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，使整個系統(tǒng)具備開放性、集成性和高度分散性。根據(jù)預算以及工藝控制要求，確定了采用多個離散式控制器來負責對應的工段控制，每個工段的現(xiàn)場都采用一次儀表，全部儀表的信號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)進行傳播。
根據(jù)整條生產(chǎn)線的工藝分段以及控制點數(shù)和控制要求進行整體規(guī)劃，同時考慮在有限預算下要對系統(tǒng)的開放性、擴展性上進行針對性配置，項目采用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，分為四個系統(tǒng)，每個子系統(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，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，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控制器無法進行超額的模擬量輸入的問題，同時完成了低端控制器實現(xiàn)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡讀取儀表信息的配置目標。
整個生產(chǎn)系統(tǒng)有3臺PC作為中控上位機，在固定的中控崗位進行操作；4臺觸摸屏作為各個工藝段的現(xiàn)場人機操作界面。其中膜設備作為一個重要工段，單獨分配一臺中控PC，配置SI-MATIC Win CC組態(tài)軟件直接與S7 300 PLC進行通訊。其余兩臺中控上位機，作為能夠銜接全廠進行監(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。觸摸屏直接采用標準的Win CC flexible進行界面組態(tài)。工段內(nèi)的各個設備都與對應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，在力控端實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)記錄和報表、報警等功能。
本文通過配置MOXA工業(yè)以太網(wǎng)交換機以及光電轉(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，工程師站、PLC和觸摸屏都能夠進行互相訪問，系統(tǒng)具有良好的擴展性。通過采用TCP/IP協(xié)議，可以將整個生產(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備，可以使用力控軟件的WEB發(fā)布功能，通過因特網(wǎng)實現(xiàn)遠程操控，達到管理網(wǎng)絡和控制網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)共享。整個生產(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)場總線自動控制系統(tǒng)投入運行后，全線的設備產(chǎn)能得到提高，每天產(chǎn)量達到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)場總線自動控制系統(tǒng)，整條生產(chǎn)線只需要8個操作人員，就可以正常運行，達到了高效、節(jié)省人工的目標。
