Diseño y aplicación de un sistema de control automático distribuido para una línea de producción de bebidas de caña de azúcar
1 Introducción
En los últimos años, el nivel de los salarios laborales en China ha aumentado significativamente. En comparación con la década anterior, los costos laborales se han duplicado y la ventaja laboral de la industria manufacturera china se debilita gradualmente. La mano de obra está experimentando un relevo generacional y la dificultad para contratar se ha convertido en una contradicción cada vez más destacada entre la oferta y la demanda de trabajo. Nos encontramos en una nueva era de desarrollo acelerado, de la "fabricación" a la "fabricación inteligente"; y si la línea de producción de extracción de agua de células de plantas de caña de azúcar se opera manualmente, presenta defectos como grandes fluctuaciones en la fuente de vapor de calentamiento, mala coordinación entre vapor, agua y materiales, relación de concentración basada únicamente en juicios empíricos, control inestable de parámetros o paradas, baja eficiencia de producción y facilidad para provocar fluctuaciones en la calidad del agua de la planta de caña de azúcar, lo que no favorece la producción a gran escala y equilibrada del agua de la planta de caña de azúcar. Tampoco favorece garantizar la calidad y el sabor de los productos acuáticos de agua de caña de azúcar. Por lo tanto, lograr la automatización de la línea de producción de extracción de agua de caña de azúcar es una condición necesaria para el éxito del proyecto.
Este trabajo estudia la aplicación de un sistema de control automático en el proceso de producción de extracción de agua de caña de azúcar y desarrolla un sistema de control automático distribuido basado en bus de campo y Ethernet industrial para lograr parámetros estables y controlables de la fuente de vapor de calentamiento, así como el control automático de todo el proceso de transporte de jugo de caña de azúcar a presión y caudal constantes, el drenaje y vaciado inferior del cuerpo del tanque, y la proporción cuantitativa de agua de caña de azúcar, con el fin de alcanzar el objetivo de industrialización de 40 toneladas de agua por día.
El taller de producción de bebida de agua de caña de azúcar se divide en seis secciones principales: extracción de materia prima, calentamiento primario, filtración física previa, calentamiento secundario, filtración por membrana y mezcla de agua de caña de azúcar. Estas seis secciones plantean sus respectivos objetivos de control, que pueden resumirse en: transporte equilibrado de materiales, equilibrio dinámico de presión, temperatura y caudal, y proporción cuantitativa precisa. Para lograr los objetivos de control del proceso, este proyecto debe abordar los siguientes საკითხos:
(2) Configurar y ajustar el hardware de control para cada sección;
(3) Utilizar una red de comunicación abierta para conectar cada sección en un sistema de automatización distribuida.
El proceso de extracción de agua de las plantas de caña de azúcar presenta características multivariable, no lineales y variables en el tiempo, y el uso de métodos tradicionales de control por realimentación no puede cumplir los objetivos de control. Por lo tanto, es necesario estudiar la combinación de PID tradicional, control en cascada y control difuso para lograr un control preciso del proceso de producción; la dosificación del jugo de caña de azúcar requiere mucha mano de obra, y la relación no puede ajustarse en cualquier momento según el cambio de la concentración del material para garantizar la precisión. Estudie el método de control de proporción del jugo de caña de azúcar, establezca un modelo de proporción preciso y logre una dosificación cuantitativa y exacta.
El modo de control PID en cascada se utiliza para realizar la función de ajuste automático del vapor de calentamiento multietapa del jugo de caña de azúcar y su esterilización.
La presión y la temperatura de la fuente de vapor de calentamiento multietapa del calentador tubular son inestables y se ven afectadas por el caudal del jugo y la temperatura inicial, por lo que requieren ajustes frecuentes. El ajuste manual dificulta la obtención de valores estables de temperatura y presión, lo que afecta la temperatura de calentamiento y la producción posterior. Si se utiliza un control de lazo único, la perturbación del material y del caudal de vapor provoca un efecto de control tardío, gran desviación, mala calidad de control y, a menudo, no puede satisfacer las necesidades de producción.
Este artículo adopta un control en cascada de la temperatura de salida del calentador y del caudal de vapor. En el proceso de control del calentamiento, dos controladores PID se conectan en serie para formar un sistema de control de doble lazo cerrado. La salida del controlador de temperatura se utiliza como valor de consigna del controlador de caudal, y el controlador de caudal actúa para controlar la válvula de control de la tubería de vapor de calentamiento.
Tras analizar la sección y considerar el proceso general, los objetos de control diseñados en este proyecto para el calentamiento primario corresponden a los siguientes:
Controlador de temperatura: módulo PID para la temperatura de salida del calentador;
Controlador de caudal: módulo PID de presión de vapor;
Válvula de control: válvula neumática de control de entrada de vapor de 0,2 MPa;
Transmisor de detección de caudal: caudalímetro inteligente de vórtices de vapor;
Transmisor de detección de temperatura: transmisor inteligente para la temperatura de salida del calentamiento primario.
Al establecer un programa PID en cascada, se lograron buenos efectos de control en el control de temperatura de los materiales tanto en la sección de calentamiento primario como en la de calentamiento secundario de este proyecto.
Para la sección de transporte del jugo de caña de azúcar en pretratamiento, dado que el área de trabajo abarca dos talleres de la fábrica azucarera (el taller de prensado y el taller de producción de agua de caña), la tubería de transporte tiene varios cientos de metros de longitud, y no es fácil obtener el equilibrio dinámico de caudal, nivel de líquido y efecto de filtración previa utilizando directamente el control PID tradicional.
Este artículo adopta un método de control que combina reglas manuales y ajuste PID. En primer lugar, se desarrolla un conjunto de reglas de control de preprocesamiento basadas en el flujo de operación del equipo y la experiencia operativa de los empleados, y luego se establecen condiciones de juicio. Sobre la base de la definición de las condiciones de juicio, se determina qué etapa del método de control se utiliza. Cuando la línea de producción acaba de empezar a operar y hay cambios significativos en las condiciones de trabajo, debido a las grandes fluctuaciones en el caudal del material, los niveles de líquido de los tanques que atraviesa sufrirán fluctuaciones continuas. Para evitar la oscilación o el retraso causados por la introducción directa del control PID, el sistema utilizará algoritmos de control empírico para aumentar o disminuir significativamente la frecuencia del variador y la apertura de las válvulas relacionadas, acercándose rápidamente al objetivo establecido en el nivel de líquido del material en todos los niveles del tanque; cuando el nivel de líquido de todos los tanques se aproxima al objetivo y la condición de trabajo es relativamente estable, se cumple la segunda condición de juicio del sistema. El módulo PID tradicional se pone en funcionamiento para realizar un control fino del nivel de líquido, a fin de cumplir con el requisito de que el nivel no rebose durante el proceso de producción, de que la presión y el caudal estén dinámicamente correlacionados y se mantengan estables, lo que permite mantener un buen efecto de control, lograr un transporte equilibrado dinámico del jugo de caña de azúcar y un control preciso del nivel de líquido, el caudal y el efecto de pretratamiento. El objetivo final es lograr una producción continua y estable.
El objetivo de diseño de este artículo es que el controlador se comunique con dispositivos inteligentes de campo a través de bus de campo, y que varios controladores se conecten mediante Ethernet para formar una red de comunicación digital, de transmisión bidireccional y multirrama, haciendo que todo el sistema sea abierto, integrado y altamente descentralizado. De acuerdo con el presupuesto y los requisitos del control del proceso, se determina utilizar varios controladores independientes para hacerse cargo del control de las secciones correspondientes. Cada sección adopta un instrumento primario en el campo, y todos los instrumentos utilizan transmisores inteligentes para la adquisición de señales. Los parámetros de proceso como temperatura, presión, nivel de líquido, caudal, etc., se convierten uniformemente en datos legibles en los transmisores inteligentes. Los datos son leídos por el controlador de cada sección y luego transmitidos por Ethernet industrial.
De acuerdo con la segmentación del proceso, los puntos de control y los requisitos de control de toda la línea de producción, se realiza una planificación general, teniendo en cuenta al mismo tiempo la configuración específica de la apertura y la escalabilidad del sistema dentro de un presupuesto limitado. El proyecto adopta un conjunto de PLC de la serie S7-300 y cuatro conjuntos de PLC de la serie Smart 200 como núcleo de control del subsistema para el control de cada sección. La sección de filtración por membrana tiene los requisitos más altos y utiliza el CPU315 DP-2 de la serie S7-300 como estación principal, 24 módulos de entrada y salida ET200M a través de 3 módulos de enlace IM153-1, y utiliza el protocolo PROFIBUS DP para formar el sistema de hardware de la sección de membrana. El S7-300 puede encargarse de controlar secciones de equipos de membrana con válvulas densas y numerosos sensores. La extracción de materia prima, el calentamiento primario, la filtración física previa, el calentamiento secundario y la sección de mezcla de agua de caña de azúcar se dividen en cuatro sistemas, y cada subsistema está equipado con un conjunto de hardware de control centrado en S7-200 Smart.
De acuerdo con las características del núcleo de control, todo el sistema adopta dos protocolos de bus: la sección de membrana adopta una red de bus PROFIBUS DP, y el instrumento primario se conecta a ET200M a través de un aislador. ET200M e IM153-1 completan el intercambio de datos con la CPU; los otros cuatro controladores S7-200 Smart se conectan al instrumento primario mediante la configuración de transmisores inteligentes con protocolo Modbus. El uso de transmisores inteligentes Modbus puede resolver el problema de que los controladores 200 Smart no puedan realizar una entrada analógica excesiva, al tiempo que se logra el objetivo de configuración de que los controladores de nivel inferior lean la información de los instrumentos a través de la red de bus de campo.
Todo el sistema de producción cuenta con tres PC como ordenadores centrales de control superior, que operan en posiciones fijas de control central; cuatro pantallas táctiles sirven como interfaces de operación hombre-máquina in situ para cada sección del proceso. Como sección importante de los equipos de membrana, se asigna un PC de control central independiente, y se configura el software de supervisión y control SI-MATIC Win CC para comunicarse directamente con el PLC S7 300. Los otros dos ordenadores centrales de control superior, que pueden conectar toda la planta para supervisión, utilizan software de configuración Force Control para resolver la función de supervisión global de diferentes series de controladores a un costo menor. La pantalla táctil utiliza directamente el estándar Win CC flexible para la configuración de la interfaz. Cada dispositivo del taller se configura con diferentes direcciones IP del mismo segmento de red junto con la unidad de control correspondiente, y los datos se comparten finalmente con la interfaz de configuración Force Control en el control central. En el extremo de Force Control se logran funciones de intercambio de datos, registro e informes de datos, alarmas y otras.
En este artículo, el switch Ethernet industrial MOXA y el convertidor fotoeléctrico se configuran para utilizar fibra óptica para largas distancias y cable de red de 8 núcleos para distancias cortas en sitio. Todos los ordenadores superiores y núcleos de control se integran en la misma LAN a través de la interfaz Ethernet. El PC superior, la estación de ingeniería, el PLC y la pantalla táctil pueden acceder entre sí, y el sistema ofrece una buena escalabilidad. Mediante la adopción del protocolo TCP/IP, toda la línea de producción y cada sección pueden incluirse en el sistema de control principal sin necesidad de equipos de hardware adicionales. La función de publicación web del software de control por fuerza puede utilizarse para lograr el control remoto a través de Internet, consiguiendo el intercambio de datos entre la red de gestión y la red de control. El consumo de energía, la dirección de los materiales y la producción final de todo el sistema de producción pueden gestionarse y controlarse correctamente.
Tras la puesta en funcionamiento del sistema de control automático por bus de campo del proceso de extracción de agua de la planta de caña de azúcar, aumentó la capacidad de producción de toda la línea, alcanzando una producción diaria de 40 toneladas, mejorando la calidad del producto, incrementando la eficiencia de producción y reduciendo los costos de producción; se mejora la estabilidad de la calidad del producto y se evitan accidentes de producción causados por errores de operación humana; al utilizar el sistema de control automático por bus de campo para el proceso de extracción de agua de la planta de caña de azúcar, toda la línea de producción puede operar normalmente con solo 8 operarios, logrando el objetivo de alta eficiencia y ahorro de mano de obra.
