Проектирование и применение распределенной системы автоматического управления для линии по производству напитков из сахарного тростника
1. Введение
В последние годы уровень заработной платы в Китае значительно вырос. По сравнению с прошлым десятилетием затраты на рабочую силу удвоились, и преимущество Китая в сфере производства постепенно ослабевает. Поколение работников проходит смену поколений, а трудности с наймом становятся всё более заметным противоречием между спросом и предложением рабочей силы. Мы вступили в новую эпоху стремительного развития от «производства» к «интеллектуальному производству»; если линия по извлечению сока из сахарного тростника работает вручную, у неё есть такие недостатки, как большие колебания источника греющего пара, плохой баланс пара, воды и сырья, определение коэффициента концентрации только на основе опыта, нестабильный контроль параметров или остановка, низкая производительность и лёгкое возникновение колебаний качества сока из сахарного тростника, что не способствует крупномасштабному и сбалансированному производству сока из сахарного тростника, а также не способствует обеспечению качества и вкуса продукции. Поэтому автоматизация линии по извлечению сока из сахарного тростника является необходимым условием успеха проекта.
В данной статье исследуется применение системы автоматического управления в процессе производства сока из сахарного тростника и разрабатывается распределённая система автоматического управления на базе полевой шины и промышленного Ethernet для обеспечения стабильных и регулируемых параметров источника греющего пара, а также автоматического управления всем процессом транспортировки сока сахарного тростника под постоянным давлением и постоянным расходом, слива и нижнего слива резервуара, и количественного дозирования сока из сахарного тростника, чтобы достичь промышленной цели — 40 тонн сока в сутки.
Производственный цех по выпуску напитка из сока сахарного тростника разделён на шесть основных участков, а именно: извлечение сырья, первичный нагрев, предварительная физическая фильтрация, вторичный нагрев, мембранная фильтрация и смешивание сока сахарного тростника. Эти шесть участков ставят свои цели управления, которые можно свести к следующему: сбалансированная транспортировка материала, динамическое равновесие давления, температуры и расхода, а также точное количественное дозирование. Для достижения целей технологического управления данный проект должен решить следующие задачи:
(2) Настроить и сконфигурировать оборудование управления для каждого участка;
(3) Использовать открытую коммуникационную сеть для объединения каждого участка в распределённую систему автоматизации.
Процесс извлечения сока из сахарного тростника характеризуется многопараметричностью, нелинейностью и изменением во времени, и использование традиционных методов обратной связи не позволяет достичь поставленных целей управления. Поэтому необходимо исследовать сочетание традиционного PID-регулирования, каскадного управления и нечёткого управления для достижения точного контроля производственного процесса; дозирование сока сахарного тростника является трудоёмким процессом, и соотношение не может регулироваться в любой момент в зависимости от изменения концентрации сырья, чтобы обеспечить точность. Необходимо изучить метод регулирования соотношения сока сахарного тростника, построить точную модель дозирования и обеспечить количественно точное смешивание.
Каскадный режим PID-регулирования используется для реализации функции автоматической регулировки пара многоступенчатого нагрева и стерилизации сока сахарного тростника.
Давление и температура источника пара для трубчатой многоступенчатой нагревательной стерилизации нестабильны и зависят от расхода сока и начальной температуры, что требует частой регулировки. При ручной регулировке трудно получить стабильные значения температуры и давления, что влияет на температуру нагрева и последующее производство. При использовании одноконтурного управления возмущение от сырья и расхода пара приводит к несвоевременному воздействию системы, большой погрешности, низкому качеству управления и часто не позволяет удовлетворить производственные требования.
В данной статье используется каскадное управление выходной температурой нагревателя и расходом пара. В процессе управления нагревом два PID-регулятора соединены последовательно, образуя двухконтурную замкнутую систему управления. Выход температурного регулятора используется как уставка для регулятора расхода, а регулятор расхода управляет регулирующим клапаном паропровода нагрева.
После анализа участка и с учётом всего технологического процесса объекты управления, разработанные в данном проекте для первичного нагрева, соответствуют следующему:
Регулятор температуры: PID-модуль температуры на выходе нагревателя;
Регулятор расхода: PID-модуль давления пара;
Регулирующий клапан: пневматический регулирующий клапан входа пара 0,2 МПа;
Измерительный преобразователь расхода: интеллектуальный расходомер пара вихревого типа;
Измерительный преобразователь температуры: интеллектуальный преобразователь температуры на выходе первичного нагрева.
Путём создания каскадной PID-программы были достигнуты хорошие результаты управления температурой материала как на участке первичного, так и вторичного нагрева в данном проекте.
Для участка транспортировки предварительно обработанного сока сахарного тростника, поскольку рабочая зона охватывает два цеха сахарного завода (прессовый цех и цех по производству тростникового сока), а трубопровод имеет длину в несколько сотен метров, при непосредственном использовании традиционного PID-регулирования трудно добиться динамического равновесия расхода, уровня жидкости и эффекта предварительной фильтрации.
В данной статье используется метод управления, сочетающий ручные правила и PID-регулирование. Сначала на основе технологической последовательности оборудования и опыта работы персонала разрабатывается набор правил предварительного управления, после чего задаются условия принятия решения. На основе этих условий определяется, на каком этапе используется тот или иной метод управления. Когда производственная линия только начинает работу и условия эксплуатации существенно меняются, из-за больших колебаний потока материала уровни жидкости в проходящих резервуарах будут постоянно колебаться. Чтобы избежать колебаний или задержек, возникающих при непосредственном внедрении PID-управления, система использует эмпирические алгоритмы управления для значительного увеличения или уменьшения частоты преобразователя частоты и степени открытия связанных клапанов, быстро приближаясь к заданному уровню материала на всех этапах резервуаров; когда уровень жидкости во всех резервуарах приближается к целевому значению и условия работы становятся относительно стабильными, выполняется второе условие принятия решения системы. Традиционный PID-модуль вводится в работу для тонкого регулирования уровня жидкости, чтобы удовлетворить требованию отсутствия перелива в процессе производства, динамической взаимосвязи и стабильности давления и расхода, что позволяет поддерживать хороший эффект управления, обеспечить динамически сбалансированную транспортировку сока сахарного тростника и точный контроль уровня жидкости, расхода и эффекта предварительной обработки. Конечная цель — обеспечить непрерывное и стабильное производство.
Целью данного проекта является организация связи контроллера с полевыми интеллектуальными устройствами через полевую шину, а также соединение нескольких контроллеров через Ethernet для формирования цифровой, двунаправленной, многоветвевой коммуникационной сети, что делает всю систему открытой, интегрированной и высокодецентрализованной. С учётом бюджета и требований к технологическому управлению принято решение использовать несколько отдельных контроллеров для управления соответствующими участками. Каждый участок оснащается первичными приборами на месте, и все приборы используют интеллектуальные преобразователи для сбора сигналов. Технологические параметры, такие как температура, давление, уровень, расход и т. д., единообразно преобразуются в читаемые данные в интеллектуальных преобразователях. Эти данные считываются контроллером каждого участка, а затем передаются через промышленный Ethernet.
В соответствии с технологическим делением, точками управления и требованиями к управлению всей производственной линией выполняется общее планирование с учётом целевой конфигурации открытости и масштабируемости системы при ограниченном бюджете. В проекте используется один комплект ПЛК серии S7-300 и четыре комплекта ПЛК серии Smart 200 в качестве ядра управления подсистемами для управления каждым участком. Наиболее высокие требования предъявляются к участку мембранной фильтрации, где в качестве главной станции используется CPU315 DP-2 серии S7-300, 24 модуля ввода-вывода ET200M через 3 модуля связи IM153-1, а аппаратная система мембранного участка формируется с использованием протокола PROFI-BUS DP. S7-300 способен эффективно управлять участками мембранного оборудования с большим количеством клапанов и датчиков. Участки извлечения сырья, первичного нагрева, предварительной физической фильтрации, вторичного нагрева и смешивания сока сахарного тростника разделены на четыре системы, и каждая подсистема оснащена комплектом оборудования управления на базе S7-200 Smart.
В соответствии с особенностями ядра управления вся система использует два шинных протокола: мембранный участок использует сетевую шину PROFIBUS DP, а первичные приборы подключаются к ET200M через изолятор. ET200M и IM153-1 выполняют обмен данными с CPU; остальные четыре контроллера S7-200 Smart подключаются к первичным приборам посредством конфигурации интеллектуальных преобразователей с протоколом Modbus. Использование интеллектуальных преобразователей Modbus позволяет решить проблему невозможности чрезмерного аналогового ввода у контроллеров 200 Smart, одновременно достигая цели конфигурации — контроллеры нижнего уровня считывают информацию с приборов через полевую шинную сеть.
Вся производственная система имеет три ПК в качестве центральных верхних компьютеров управления, работающих в фиксированных центральных точках управления; четыре сенсорные панели служат интерфейсами человеко-машинного взаимодействия на месте для каждого технологического участка. Важный участок мембранного оборудования оснащён отдельным центральным ПК управления, и конфигурационное ПО SI-MATIC Win CC настроено для непосредственной связи с ПЛК S7 300. Два других центральных верхних компьютера, которые могут подключать весь завод для мониторинга, используют конфигурационное ПО Force Control для реализации глобальной функции мониторинга различных серий контроллеров при более низких затратах. Сенсорная панель напрямую использует стандартный Win CC flexible для конфигурации интерфейса. Каждое устройство в цехе настраивается с разными IP-адресами одной и той же подсети вместе с соответствующим блоком управления, а данные в конечном итоге совместно используются с интерфейсом конфигурации Force Control в центральной системе управления. На стороне Force Control реализуются обмен данными, запись и отчётность по данным, аварийные и другие функции.
В данной работе промышленный Ethernet-коммутатор MOXA и фотоэлектрический преобразователь настроены так, чтобы по оптоволокну использовать связь на большие расстояния, а для коротких расстояний на объекте — 8-жильный сетевой кабель. Все верхние компьютеры и управляющие ядра объединены в одну ЛВС через Ethernet-интерфейс. Верхний ПК, станция инженера, ПЛК и сенсорный экран могут получать доступ друг к другу, при этом система обладает хорошей масштабируемостью. Благодаря протоколу TCP/IP всю производственную линию и каждый ее участок можно включить в основную систему управления без необходимости в дополнительном аппаратном обеспечении. Функция WEB-публикации программного обеспечения force control позволяет реализовать удаленное управление через Интернет, обеспечивая обмен данными между управленческой и контрольно-управляющей сетями. Энергопотребление, поток материалов и выпуск готовой продукции всей производственной системы могут эффективно контролироваться и управляться.
После ввода в эксплуатацию полевой шинной системы автоматического управления процессом водоизвлечения из сахарного тростника производственная мощность всей линии увеличилась, достигнув суточного выпуска 40 тонн, что позволило повысить качество продукции, производительность и снизить производственные затраты; была повышена стабильность качества продукции и предотвращены аварии, вызванные ошибками ручного управления; благодаря системе автоматического управления процессом водоизвлечения из сахарного тростника с полевой шиной вся производственная линия может нормально работать всего при 8 операторах, что позволяет достичь цели высокой эффективности и экономии труда.
