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，中國制造業的勞動力優勢正在漸漸削弱，而勞動力群體正在發生代際替換，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”向“智造業”跨越式發展的新時期；并且如果甘蔗植物細胞水提取工藝生產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，濃度配比僅靠經驗判斷、參數控制不穩或停產停機等缺陷，生產效率低，同時易造成甘蔗植物細胞水品質出現波動，不利于對甘蔗植物細胞水生產規模化、均衡生產，也不利于保證甘蔗植物細胞水產品質量和口感。所以甘蔗植物水提取生產線實現自動化是項目成功的必要條件。
本文是研究自動控制系統在甘蔗植物水提取生產過程的應用，開發出一套基于現場總線和工業以太網的分布式自動控制系統，以實現加熱用蒸汽汽源參數穩定可控，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過程的全程自動控制，實現日產40噸水的產業化目標。
甘蔗植物水飲料生產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鍵控制點的算法；
(2）對各工段進行控制硬件配置及組態；
(3）使用開放性通訊網絡將各工段銜接為分布式自控系統。
甘蔗植物水提取過程表現出多變量、非線性、時變性的特性，使用傳統的反饋控制方式不能滿足控制目的，需要研究傳統PID與串級控制、模糊控制相結合，實現生產過程精確控制；甘蔗汁配比，人工操作強度大，且不能根據物料濃度變化隨時調整配比量來保證精度，研究甘蔗汁配比控制方法，構建精確配比模型，實現定量精確配比。
以串級PID控制方式實現甘蔗汁多級加熱滅菌用汽自動調節功能。
列管式多級加熱滅菌蒸汽源的壓力和溫度不穩定，并且受到過汁流量、初始溫度的影響，需要頻繁調節，人工調節方式難以獲得穩定的溫壓值，影響加熱溫度進而后續生產。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，控制質量差，往往不能滿足生產要求。
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控制器構成雙閉環控制系統，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蒸汽入口氣動調節閥；
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，由于工區涉及糖廠的兩個車間（壓榨車間和甘蔗水生產車間），輸送管路長達幾百米，直接采用傳統PID控制不容易獲得流量、液位以及預處理過濾效果的動態平衡。
本文采用人工規則和PID調節相結合的控制方法，首先根據設備操作流量和員工操作經驗制定出一套預處理控制規則，然后設定判定條件，根據判定條件的定義來確定使用哪一階段的控制手段。當在生產線剛開始啟動運行以及出現較大的工況變化時，由于物料的流量波動較大，流經的各級罐體液位都會受到連續的波動，此時為了避免直接引入PID控制產生的震蕩或者延時，此時系統會采用經驗控制算法，通過對變頻器頻率以及相關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，并且工況相對穩定的時候，滿足了系統的第二級判定條件，傳統的PID模塊投入使用，對液位進行精細化控制，從而滿足生產過程中液位不溢流，壓力、流量動態關聯且保持穩定，能夠保持較好的控制效果，實現甘蔗汁動態均衡輸送，實現對液位、流量和預處理效果的精確控制，最終達到連續穩定生產的效果。
本文的設計目標是控制器以現場總線方式與現場智能設備通信，多個控制器之間用以太網連接，構成數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，使整個系統具備開放性、集成性和高度分散性。根據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，統一將溫度、壓力、液位、流量等工藝參數在智能變送器中轉化為可讀數據，該數據由各自工段的控制器讀取后，再由工業以太網進行傳播。
根據整條生產線的工藝分段以及控制點數和控制要求進行整體規劃，同時考慮在有限預算下要對系統的開放性、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協議來形成膜工段的硬件系統，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，每個子系統配置一套以S7-200 Smart為核心的控制硬件。
根據控制核心的特點，整套系統采用兩路總線協議：膜工段采用了PROFIBUS DP總線網絡，一次儀表通過采用隔離器連接到ET200M，由ET200M和IM153-1完成與CPU的數據交互；其余4個S7-200 Smart控制器，通過配置帶Modbus協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現場總線網絡讀取儀表信息的配置目標。
整個生產系統有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控，采用了力控組態軟件，以較低的成本地解決了不同系列控制器的全局監控功能。觸摸屏直接采用標準的Win CC flexible進行界面組態。工段內的各個設備都與對應的控制單元一起配置同一網段的不同IP地址，最終把數據共享到中控配置的力控組態界面，在力控端實現數據交互，數據記錄和報表、報警等功能。
本文通過配置MOXA工業以太網交換機以及光電轉換器，在現場長距離使用光纖、短距離使用8芯網線，所有上位機和控制核心都采用以太網接口并入同一局域網內，PC上位機，工程師站、PLC和觸摸屏都能夠進行互相訪問，系統具有良好的擴展性。通過采用TCP/IP協議，可以將整個生產線各工段都包括在主控系統內，并且不需要額外的硬件設備，可以使用力控軟件的WEB發布功能，通過因特網實現遠程操控，達到管理網絡和控制網絡的數據共享。整個生產系統的能源消耗、物料走向以及最終產品的產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場總線自動控制系統投入運行后，全線的設備產能得到提高，每天產量達到40噸，提升產品質量，提高生產效率，降低生產成本；提高產品質量穩定性，避免人為操作失誤引起的生產事故；使用甘蔗植物水提取工藝現場總線自動控制系統，整條生產線只需要8個操作人員，就可以正常運行，達到了高效、節省人工的目標。
