生产管理知识_麦芽糖醇生产工艺自动控制系统的设计论文

分类号： TP29单位代码： 10431 密级：学号： 2009075 工工程程硕硕士士学学位位论论文文 麦芽糖醇生产工艺自动控制系统的设计 作者姓名王家军 工程领域机械工程 所在学院电气工程与自动化学院 指导教师姓名邱书波 专业技术职务教授 2012 年 6 月 10 日 分类号： TP29单位代码： 10431 密级：学号： 2009075 工工程程硕硕士士学学位位论论文文 麦芽糖醇生产工艺自动控制系统的设计 作者姓名王家军 工程领域机械工程 所在学院电气工程与自动化学院 指导教师姓名邱书波 专业技术职务教授 2012 年 6 月 10 日 AThesis Submitted for theApplication of the Project Masters Degree The Design of maltitol production technology automatic control system Candidate:Wang Jiajun Specialty:Mechanical engineering Supervisor:ProfessorQiu Shubo Shandong Polytechnic University, Jinan, China June, 2012 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 论文作者签名：日期：年月日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名：日期：年月日 导 师 签 名：日期：年月日 山东轻工业学院硕士学位论文 1 目录 摘摘要要.I ABSTRACTI 第第 1 1 章章 集集散散控控制制系系统统1 1.1 集散控制系统的组成 .1 1.1.1 拓扑结构 1 1.1.2 功能分析 1 1.2 集散控制系统的现场控制站 .1 1.2.1 现场控制站的类别及要求 1 1.2.1.1 现场控制站的控制设备的分类 .1 1.2.1.2 现场控制设备的硬件结构 .2 1.2.1.3 现场控制站的软件设置要求 .2 1.2.1.4 集散控制系统的编程语言 .2 1.2.2 控制站的主要功能 2 1.2.2.1 参数控制 .2 1.2.2.2 逻辑和顺序控制 .3 1.2.2.3 数据检测 .3 1.3 集散系统的操作员站和工程师站 4 1.3.1 操作员站的功能 4 1.3.2 工程师站的功能 5 1.3.3 操作员站和工程师站的硬件设备 6 1.3.4 操作员站和工程师站的软件 6 1.3.4.1 操作员站的软件 .6 1.3.4.2 工程师站的软件 .8 1.4 集散系统的网络与通信 .8 1.4.1 网络技术 8 1.4.2 信息传输技术 10 1.4.3 网络通信协议 10 目录 2 第第 2 2 章章 过过程程变变量量的的检检测测与与变变送送11 2.1 温度检测与变送11 2.2 压力、流量、液位检测及变送11 2.2.1 压力的测量.11 2.2.2 流量的测量.11 2.2.3 液位的测量.12 2.3 过程控制仪表12 2.4 执行器12 第第 3 3 章章 麦麦芽芽糖糖醇醇各各生生产产工工序序自自动动控控制制系系统统的的设设计计15 3.1 麦芽糖醇生产工艺流程15 3.2 麦芽糖醇生产各工序的自动控制系统的设计15 3.2.1 淀粉调浆及液化工序自动控制系统的设计.25 3.2.2 糖化工序自动控制系统的设计.29 3.2.3 板框脱色工序自动控制系统的设计.41 3.2.4 离交工序自动控制系统的设计.44 3.2.5 蒸发工序自动控制系统的设计.49 3.2.6 色谱分离工序(模拟移动床)自动控制系统的设计71 3.2.7 结晶工序自动控制系统的设计.88 3.2.8 加氢工序自动控制系统的设计.107 3.2.9 母液烘干自动控制系统的设计.116 第第 4 4 章章 结结论论与与展展望望.125 4.1 结论125 4.2 展望125 参参考考文文献献127 致致谢谢129 在在学学期期间间主主要要科科研研成成果果131 一、发表论文.131 山东轻工业学院硕士学位论文 I 摘要 麦芽糖醇是由麦芽糖经氢化还原而得的一种双糖醇，是淀粉糖的一种，属于 多元糖醇，和赤藓糖醇、山梨醇、甘露糖醇等均属于功能性甜味剂产品。营养价 值高，甜味适口，甜度只有蔗糖的 90，风味柔和，麦芽糖醇不被大多数微生物 利用，在口腔内不产生酸，能有效防止龋齿；同时也可延长食品的保质期；不参 加胰岛素代谢(特别适于做糖尿病人的甜味剂)，不易吸潮，耐高温，保湿性好，抗 结晶，清凉透明。由于麦芽糖具有以上优良性能，随着人们生活的膳食结构从温 饱型向小康型过渡，麦芽糖醇以其特殊的生理功能和特殊的用途越来越受到人们 的青睐。将 DCS 控制系统应用到麦芽糖醇的生产中，实现了生产过程的自动化， 提高了生产技术水平，为企业带来了可观的效益。 麦芽糖醇生产过程中的糖化、液化、脱色、离交、蒸发、加氢、结晶等工序， 采用压力、温度、液位、真空度、流量等物理量为控制参数，采用优质的现场仪 表和 DCS 控制系统组成的控制麦芽糖醇生产过程中各个控制点的一个大型控制系 统。此系统的设计是根据特定的生产车间设计的一套自动控制生产线，各生产工 序均可实现自动化生产，由各工序操作人员通过设定相应的符合生产需要的参数 实现对各控制回路的调节。此控制系统经过实际生产运行，提高了生产参数的精 度，大大的缩短了生产时间，提高了生产效率，减少了生产成本，对经济效益的 增长发挥着极其重要的作用。 麦芽糖醇生产过程的自动化是时代发展所趋，高度的自动化生产线为公司的 效益提升了一个新的台阶，使得公司在经济竞争十分激烈的当今具有十分强的实 力。 关关键键词词：麦芽糖醇；多元糖醇；甜味剂；集散控制系统 山东轻工业学院硕士学位论文 I ABSTRACT Maltitol, a kind of starch sugarsyrup, is a disaccharide alcohol which is hydrogenated by the maltose. It belongs to functional sweetener product with many multiple sugar polyols such as red mosses sugar polyol, sorbitol and mannose alcohol. It has high nutritional value, proper sweet, flavor soft, and has only 90% of the sweetness of sucrose. Because maltitol has not be used by most microbes in the oral cavity, so it will not produce acid and prevent caries effectively; At the same time it can extend the shelf life of food; Not to attend the insulin metabolize (as the sweetener special for people with diabetes ), not easy to absorb moisture, high temperature resistant, good moisture retention , resistance to crystallization, cool and transparent. As peoples living dietary structure transform from subsistence society to coexisted society, maltitol is getting more and more favour of people with its particular physiological function and special use, due to its excellent properties of maltitol syrup above. The DCS control system is applied to the maltitol production, so that it can realize the automation of the production process, improve the level of production technology, and bring the considerable benefits for the enterprise. Theprocessofsaccharification,liquefaction,decoloring,purification,evaporation, hydrogenation, crystallization on the production of Maltitol, use the pressure, temperature, level, vacuum degree, flow rate for control of physical parameters, thiss a large control system with the high quality for the use of field instruments and DCS control system witch control all the point in the production process of maltitol. This system is designed according to the specific production workshop for a set of automatic production line, various manufacturing processes by each working procedure, operation personnel through the set of corresponding with the parameters of the need to achieve production each control circuit adjustment, in order to realize automation production. This control system based on the actual operation and improve the accuracy of production parameters, greatly shorten the production time and improve production efficiency, reduce the production cost, to increase the economic benefits of the plays a very important role. The automation of the Maltitol production process is the development of the Times of fashion, a high degree of automation production line for the benefit of the company ascend to a new level, make the company in the economic competition is fierce have very strong strength today. Keywords: maltitol, Multiple sugar polyol, sweetenerDistributed control system 山东轻工业学院硕士学位论文 1 第 1 章 集散控制系统 分布式控制系统(DISTRIBUTED CONTROLSYSTEM)简称 DCS，也就是我们 所说的集散控制系统。其以多样化的产品、丰富的软硬件配置及完整机动的功能 组合，成为一代新的工业自动化设备。其集微电子技术、自动控制技术、计算机 技术和通信技术于一体1。 1.1 集散控制系统的组成 集散控制系统的组成可从拓扑结构和功能分析两个方面来讨论。 1.1.1 拓扑结构 集散控制系统分为两级计算机控制系统。一个是底层，一个是上层。底层是 分散的、独立的、功能较为简单的计算机控制，他们通过数据总线与上位机交换 数据并控制信息2。上层是操作与监视计算机系统，它设有人机接口，便于操作者 管理系统的运行。上层向底层发布操作命令、传送运行参数，接受底层发送来的 各种资料，并将它们储存和显示，起到监视作用。另外，上层计算机能与更高级 别的管理系统联网，从网络中接受操作命令和信息，并向网络发送系统的运行信 息3。 1.1.2 功能分析 其在数据公路上的装置可分成两类，一类是过程控制单元或现场控制，它们 是分散安装在靠近工业设备现场并完成工况控制和数据采集任务的装置。另一类 是集中安装在远离现场的地方，完成工况监视和系统管理及操作的装置。它们的 安放位置与功能分配十分明确，是 DCS 的基本组成部分。 1.2 集散控制系统的现场控制站 现场控制站是接近被控制过程、现场设备而直接面向生产过程的设备，控制 站和监视站是主要的现场控制站，控制站完成对过程控制的参数控制、状态的逻 辑控制4；完成对过程参数的采集和传送。对生产过程的稳定运行和产品质量的保 证起到重要作用。 1.2.1 现场控制站的类别及要求 1.2.1.1 现场控制站的控制设备的分类 按规模大小和配备功能来划分，可分成三类： 1)小规模单功能控制器 第 1 章 集散控制系统 2 它们仅仅完成参数控制或者逻辑顺序控制中的一种，既可以是单回路也可以 是多回路。 2)中规模多功能控制器 它们能够实现参数控制和顺序控制，并能将两种功能集成起来，统一管理。 3)先进多功能控制器5 它们除了上述的功能外，还配备了先进的控制算法，能保证系统有优良的控 制性能。 1.2.1.2 现场控制设备的硬件结构 现场控制设备的硬件结构大部分是框架式，在一个控制柜内设置专门框架， 框架内设若干个槽，每个槽中可插入一块特定功能电路板，板与板之间通过底板 上的总线相连，或从端子直接输入和输出。槽数的数量反映了其功能的多少。 1.2.1.3 现场控制站的软件设置要求 软件设置需要满足两个基本要求： 1)现场控制站的软件能给用户提供比较好的的方式来制定所需实现的功能。 2)现场控制站的软件至少要提供一组控制功能和通信功能给用户选用6。 1.2.1.4 集散控制系统的编程语言 编程语言通常有三种： 功能块语言功能块语言用图形表示， 每个块固定一种简单的功能或运算， 其参数也可以由用户设定，将若干功能块联接就成为控制器。 面向问题的语言这种语言是由系统制造商按照应用要求专门设计。 高级语言高级语言在保持与上述两种语言兼容的前提下，提供用户自己 编写控制程序的一定程度的灵活性。 1.2.2 控制站的主要功能 控制站的主要功能是完成参数的控制、数据的采集和传输8。 1.2.2.1 参数控制 参数控制实际就是一个微处理机控制系统，它包括存储器、微处理器、输出、 A/D 变换、电源、显示和输入接口、通信接口、趋势存储、备用存储器等。通信 接口将现场控制器连接到数据高速公路，用来实现与上位机、控制站之间的信息 交换。趋势存储则用来保存历史数据，备用存储器则用来保护采集到的数据不会 因为停电而丢失。 参数控制目标的实现实际是靠不同的算法组合来完成的。标准算法有三种， 第一类就只有一种，被称为数据采集算法，用来采集参数实际值或者设定值，送 去显示或报警。第二类是控制算法，主要是常用的 PID 算法。 9第三类就是辅助算 山东轻工业学院硕士学位论文 3 法，它们主要是一些不随时间变动的变量间的固定算法，如加、减、乘、除、开 方及选择等等。 控制系统设计好了之后，将由现场控制站执行参数控制，为此要分别对各个 参数控制回路进行组态，其主要内容主要包括： 控制算法、辅助算法及它们互相连接方式的选定。 各个算法模块的工作方式、参数的设定。 1.2.2.2 逻辑和顺序控制 过程控制系统中有很多开关量，如设备运行状态、是否报警、行程开关等， 这种运算属于逻辑运算，现场控制站一般具有实现逻辑运算的功能。 1.2.2.3 数据检测 在过程控制中，对过程参数的测量、监视是必需的，要测量的参数既包括要 控制的，也包括不需要控制的，要监视的既有输入也有输出，有时还需要报警。 (1) 输入处理 模拟量输入模拟量输入有的来自变送器，有的直接来自检测元件。这些 信号进入系统后一般都要经过模数转换、特性化处理、格式选择、源选择、报警 检查等。 需要特性化处理的有四种：热电偶、热电阻、线性、开平方。10根据输入信 号来自检测元件、变送器的不同来选择使用。 格式选择是确定小数部分的位数，数长共 6 位，小数部分可选定 1 位、2 位、 3 位。 源选择就是指输入信号的来源。可以是顺序控制、手动输入、现场测量仪表。 数字量输入数字量输入处理的内容包括：正反作用选择、数据积累、源 选择、报警等。 正反作用选择用来确定输入信号的方向。11正作用就是指现场接点闭合时， 正常指示块亮，报警指示块灭。反作用就是指现场接点闭合时，正常指示块灭， 报警指示块亮。因此应根据正常工作时现场接点的开闭状态来选择正反作用。 累积就是对数字输入的计数，也就是记载状态变化的次数。可以递增也可以 递减，也可设累计上限。 脉冲输入仅仅来自流量计的频率信号， 其处理内容与模拟量输入相同。 (2) 输出处理 模拟量输出模拟量输出就是为现场执行器提供 420mA 电流信号，这 类信号通常要经过正反作用选择、非线性化处理。 正反作用的选择实质上是对输出显示而言。正作用表示 4mA 代表 0%，20mA 第 1 章 集散控制系统 4 代表 100%。12一般情况下气开阀选正作用，气关阀选反作用，这样操作员可不管 是气开还是气关，直接从显示上就可以知道阀的开度。 输出特征化处理就是对输出作折线处理，用于简单的非线性控制或者校正调 节阀的流量特性。 数字量输出数字量输出有脉宽调制(PWM)和状态输出两种形式供选 择。脉宽调制输出时除了要选定脉冲周期外，还要选择正反作用，它们输出的波 形正好相反13。 根据数据的输入、输出，通过组态可设置显示和(或)报警，完成检测功能。 1.3 集散系统的操作员站和工程师站 操作员站和工程师站是 DCS 的基本的组成部分，起到集中监视、集中管理的 作用14。它们和现场站一起，投入到工业生产中。 1.3.1 操作员站的功能 显示 它是操作员站的基本功能，它和键盘一起，完成各种画面的切换、显示，所 显示的画面有： 工艺流程及控制画面它能按照工艺流程显示系统整体或者局部的设备、控 制点、监视点，并能由键盘方便的切换以显示不同的画面。15 报警提示画面包括报警一览表和整体观察画面。报警一览表能显示 未被确认的报警信息，包括工位号等。整体观察则能将该工位的工况全部显示出 来，并能分辨出该工况是否报警。 控制回路画面能分组显示控制系统中全部的控制回路参数，以取代 常规仪表工况显示方式。当选择单回路时，还可以调整回路的设定参数。 过程趋势画面过程趋势画面能画出过程参数随时间变化的曲线。其 又分为当前趋势、历史趋势两种16，当前趋势就是从某一时刻到现在时刻的变化 曲线，历史曲线就是过去某一时间段内的变化曲线。 提示信息画面能够按顺序将已定义的工况逐条在屏幕上显示。 记录和表格画面能够按用户定义的格式将待输出的记录数据、表格显 示在屏幕上，起到了监视输出的作用。 操作 操作员站具有操作能力，用于管理系统的正常运行。这些操作都与画面显示 相结合，可以借助功能键或者组合功能键完成，从而大大方便了操作人员。这些 操作可以分为： 山东轻工业学院硕士学位论文 5 功能键定义操作键盘上一般有若干个功能键供用户定义，一旦定义 完成，触摸该键即可完成指定功能。17例如定义画面组号、操作命令等。 回路状态修改在调出控制绘图后，可以利用键盘修改回路的设定值和 PID 参数。 画面调用和展开利用功能键或别的键调出指定画面组，并可展开从而得 到指定范围的画面。 过程报告包含过程状态报告、历史事件报告、报警信息报告。 信息输出信息包含过程状态信息、顺序信息、报警信息、基于操 作有关的信息。 1.3.2 工程师站的功能 工程师站主要功能： 1.显示工艺过程模拟图、实时数据、累积数据 2.显示并确认报警 3.显示操作指导 4.建立趋势画面以及一月的数据查询 5.控制驱动装置 6.自动、手动控制方式的选择 7.调整过程设定值和偏置值 8.通过设置密码或者其它手段，以确定操作员对工艺操作的权限 9.打印报表 10.用于程序开发、控制系统组态、系统诊断、数据库、画面的编辑和修改 11.工程师站设置软件保护密码，防止一般人员改变控制策略、应用程序、系 统数据库 12.提供支撑工程师站的辅助设备，如刻录机、打印机等等、 13.其他操作等 工程师站四大功能 a、系统组态功能用来生成、变更操作员站、现场控制的功能，系统组 态的内容是填写工作单，由组态工具软件将工作单显示在屏上，用会话方式完成 功能的生成、变更。组态又可分为操作员站组态、现场控制站组态、用户自定义 组态三种。 b、系统测试功能系统测试功能用来检查组态后系统的工作情况，包括 对反馈控制回路的测试、对顺序控制状态的测试等。 c、系统功能的维护系统维护是对系统做定期检查或者更改。 d、 系统管理功能主要用来管理系统文件， 一是将组态文件自动加上信息， 第 1 章 集散控制系统 6 生成规定格式的文件，便于保存、检索、传送。二是对这些文件进行复制、对照、 列表、初始化或者重新建立等18。 1.3.3 操作员站和工程师站的硬件设备 从完成指定功能的需要出发，操作员站的硬件设备由显示器、计算机、键盘、 外围设备例如打印机、磁盘机等等组成，构成了一个专用的计算机控制系统。 根据工程师站的功能要求，需要配置一台功能强大的计算机系统，该系统要 储存全部的组态软件，通过人机对话实现组态以及其他功能。 1.3.4 操作员站和工程师站的软件 操作员站要完成对DCS的集中监视、管理的任务，就需要强有力的软件支持。 软件可分为系统软件和应用软件，系统软件一般是由厂方提供的，应用软件一般 是由用户利用系统软件生成的具有目中特殊用途的专用程序，直接服务于控制和 管理，其中有一部分要被下载到现场控制站和监视站。 系统软件通常包括：管理计算机系统工作的操作系统；供用户组态用的各种 工具软件，这其中包括在操作站管辖下的组态软件例如数据库生成、图形生成、 连续控制回路组态、顺序控制组态等等；以及面向过程的高级语言19。 1.3.4.1 操作员站的软件 (1) 实时多任务操作系统 操作员站的计算机直接参与过程运行、管理，对信息的处理必须是实时性的， 为此操作员站就必须有一个功能强大的多任务操作系统。 对于一个CPU来说，面对多个请求，它的响应肯定是分时的。如果一个请求 占用CPU的时间过长， CPU就不能对其他请求作出及时的响应。 解决此类问题的措 施：将用户的请求分解成任务，也就是最基本的单元，每个单元对应于一个短程 序，它只占用CPU极短的时间，每个任务有五种状态:运行状态、准备就绪状态、 等待或睡眠状态、挂起状态、终止状态。 (2) 集散系统的工具软件 工具软件是连接集散系统和用户的桥梁，工具软件能够提供一个环境，便于 用户根据控制、管理要求，组态生成应用文件，然后自动编译和生成执行程序， 由集散系统各部分去执行。对用户来说，仅仅需要在软件提供的规范格式中填写 必要的文字和数据，而不必直接编写程序。 操作员站大都备有多种工具软件，满足本站所需各种应用软件生成的需要， 它包括系统生成软件、数据库生成软件、图形生成软件、报表生成软件、反馈控 制组态软件、顺序控制组态软件等等。 数据库生成DCS中的数据库分为实时数据库和历史数据库，实时数据库 山东轻工业学院硕士学位论文 7 又可分为现场控制站(监视站)数据库和操作员站数据库。 不同的数据库类别有不同 的数据结构。 现场控制站或者监视站的数据是最完整、信息最丰富的数据，按照特征可分 为三种，即模拟量、计算量和设定量、开关量。 模拟量指过程参数值，模拟量含的信息量最大，数据也最长。一个模拟量的 标准数据结构可长达100多个8位字节。其包含的信息可归纳成几类： 索引信息含索引号ID和站号SN。索引号是该点在DCS中的统一编号。 点状态AS和实际值AV。 记录类型RT和命令字CM记录类型就是指该点属于输入记录还是输出记 录。命令字是操作员对该点发出的命令。 采样和显示信息包含采样周期、点名、说明项、工程单位等等，含义清楚。 报警管理信息有报警级别、报警时间、报警上限、报警下限、报警死区等。 转换计算用信息其有信息装换等级、信号装换类型、装换系数等。 计算量指由计算得到的数据例如功率、耗油量等等，而设定量则是用户输入 的一些预定参数。 操作员站实时数据库的数据结构与现场控制站的数据结构有显著区别。一是 信息含量不同，现场控制站的数据包含点的全部信息，而操作员站只保存部分信 息。如果需要，可以调用现场控制站的数据。二是访问方式不同，现场控制站中 是按点的顺序依次访问的，而操作员站是指定调用某一点的值，此时要求操作员 记住所有点的索引号是不可能的，只能根据点名调用。这样操作员站要存有点名 和索引号的对照表，能够由点名自动搜索出被点名的点的索引号，自动调用该点 数据。对照表的生成也会在组态完成后自动实现。 现场数据库和操作员站数据库统称系统的全局数据库。该数据库的生成共分 三步：a、建立现场控制站各点的数据记录。数据记录是由工具软件提供标准格式， 通过人机对话填入必要的信息，实际上就是一些可以修改的内容，数量一般不多， 这样可减少出错机会。b、建立操作员站的点记录。点记录是由现场控制站的点记 录自动生成。c、建立点名和索引号对照表。它是由机器自动完成。 图形生成 操作员站的一些显示画面例如工业流程画面、趋势曲线画面等等要由用户定 义。这就要求系统不但要提供编辑环境，而且当用户编辑完成后还要能自动执行， 将画面显示出来。 图像画面生成分下列几步： 背景画面编辑流程画面中相对不变的图形，例如反应缸、阀门、管道、 传感器等等的示意图以及说明符号，可称为图素，由它们构成的画面称为背景画 面。一些简单的图素 用户通过对图素的选择、复原、删除、移动、恢复、变色等 第 1 章 集散控制系统 8 等操作，编辑所需要的背景画面。软件还可以通过某些数据结构供用户定义扩充 图素，用于画面编辑。 动态画面编辑动态画面指的是过程参数或者状态的实时值、实时趋势、 历史趋势，它要完成对数据库的访问和对画面的刷新。动态点则有模拟量和开关 量两种。模拟量动态点编辑内容包括：数据显示位数、颜色，柱状显示宽度、颜 色、位移方向，实时趋势曲线步长、点数、颜色，历史曲线起止时间、显示间隔、 颜色等等。开关量动态点编辑内容为状态的通断和电路中的连接方式。 图形连接画面编辑一般从子画面出发，当编辑完成之后还需要连接才能构 成完整的画面，这个步骤通过人机接口完成。 反馈控制组态反馈控制组态的目标是选择和定义实现控制所用的算法模 块，并把他们按顺序连接起来，构成完整的控制回路，已达到特定的性能指标。 反馈控制组态是在确定控制方案之后进行。在控制方案中，规定了设定值、 被控参数、控制算法、参与控制的参数、限幅要求、手动/自动/串级切换等等， 这都是用于组态的依据。 组态方法有两种，首先是图形组态，其次是列表组态。 1.3.4.2 工程师站的软件 工程师站也是一个计算机系统，有着与操作员站类似的软件组成，工程师站 和操作员站的软件有两点差别： 工程师站的功能可以离线进行，对操作系统的实时性要求不高，可以采用通 用的操作系统。 工程师站的组态功能比操作员站丰富得多，因此需要配备更多工具软件。 1.4 集散系统的网络与通信 为了实现分散控制、集中监视和集中管理，集散系统在各现场控制站与操作 员之间都要建立信息交换通道，这些信息交换通道和各计算机站的总体就构成一 个计算机网络。这个计算机网络有四大特点：实时性强高可靠性高抗干扰 能力网络结构的层次性和开放性。 1.4.1 网络技术 (1) 网络的组成 网络就是由若干台计算机和传输介质连接而成的用于交换信息的整体，每台 计算机都称作网络的节点，在网络中都自主地向网上发送信息或者从网上接受信 息。 同一级网络中传输同一种规范信号，不管每个节点内部运行的信息是什么形 山东轻工业学院硕士学位论文 9 式。因此，计算机要必须经过网络连接器和网络相连，用它们来完成必须的信号 转换。 链接口单元通过指定的接口标准与网络相连，实际上就是一个调制解调 器，负责对发送的信号调制和对接受的信号解调。另外还有发出对网络控制权的 请求信号和答应信号。 站接口单元用来执行网络规程和对发送、接收信号进行处理，又可细分 为：发送/接收逻辑板。功能是数据的并、串或者串、并变换；地址编码、译码、 加入、删除；校验码的生成和校验；产生数据输入、输出定时信号。通信控制 器功能是处理来自节点计算机的链控制权请求；保存节点需要的网络状态信号； 当有主副电缆时发出切换信号，动作。输入、输出板它的功能主要有对要发 送信号作电平转换和功率放大；接通与断开节点与网络的连接；提供对多个节点 的连接通道。 传输介质是整个网络不可缺少的组成部分，集散系统网络所使用的传输介质 主要有三种： 双绞线所谓双绞线就是将两条绝缘导线规则地搅在一起，一条作信号线， 一条作公共线。如果再将若干对双绞线捆在一起，外面再用屏蔽护套包裹就构成 一条电缆。双绞线可以在很大程度上减少外部的电磁干扰对他信号传输的影响。 但是它的缺点是传输损耗大，传输距离短。 同轴电缆同轴电缆是由中心导体、固定中心导体的电介质绝缘层、外屏 蔽导体、外绝缘层组成。同轴电缆又分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆两种。 光缆光缆是由若干条光纤维组成，其传输的信号是由电信号转换而成的 光信号，所以光缆传输的信号损耗小，不受外部电磁干扰的影响。 (2) 网络的拓扑结构 DCS 的拓扑结构分为总线形、树形、环形、星形。 (3) 网络的控制 网络上节点有权请求占用传输介质来发送信息，但是一条传输介质在某一个 时刻只能由一个节点占用，否则必然会出现通信失误，网络无法正常工作。网络 控制有两种方法： 集中控制集中控制就是指定某个节点负责管理各个节点的占用请求，由该 节点来选择哪个节点占用介质发送信息。 分散控制分散控制不设中心节点来管理各节点的请求，而是由各个节点按一定的规律 轮换上网，以传送信息。目前的控制规则有两个：第一个是争用规则，第二个是令牌传送规 则。 第 1 章 集散控制系统 10 1.4.2 信息传输技术 信息传输技术是确保整个集散系统高效而可靠通信的非常重要因素。 (1) 基带和宽带 数字信号在传输介质上的传送信号可以分两种形式，第一种是数字式，就是 用二进制码的矩形脉冲直接传送到介质上，由于矩形波的频谱很宽，所以称之为 基带信号，一路基带信号占用一路介质。第二种是模拟形式，就是将数字信号用 模拟量调制，一路信号仅仅占用一个调制频带，一条介质上可以传送不同调制频 带的多路信号，故称为宽带传输，传送多路信号时被称为多路复用。 将数字信号转换成基带传输的代码的过程就称为编码，现在常见的编码方法 有三种：不归零码曼切斯特码差分曼切斯特码。 把数字信号变成模拟形式称为调制，调制的方式有幅值调制、频率调制、相 位调制三种。 (2) 查错和纠错 信息在传输过程中难免会受到噪声干扰而出现差错。奇偶校验就是比较简单 的查错方法，但是它只能查出字符中的一位错误，它只适用于短字符通信的查错。 1.4.3 网络通信协议 按照一定的规范编制文本，接收端就能分辨或区分传送的信息并加以利用。 这种规范就被我们称为通信协议。 山东轻工业学院硕士学位论文 11 第 2 章 过程变量的检测与变送 2.1 温度检测与变送 温度是工农业生产过程中最常见的、最基本的物理参数之一。从测量体与被 测介质接触与否来分，有接触式测温和非接触式测温二种。接触式测温就是利用 热平衡的原理。非接触式测温就是通过接受被测介质发出的辐射热来测量温度。 常用的测量仪表有热电偶和热电阻二种。 2.2 压力、流量、液位检测及变送 2.2.1 压力的测量 现代工业生产过程中测量压力的范围非常宽，测量的条件和精度等级要求各 异，故而压力检测仪表的种类繁多，按其工作原理的不同，可以分为以下四大类: 弹性式压力表它就是根据弹性元件受力变形的原理，把被测压力转换成 位移来测量的。例如弹簧管式压力表、膜片压力表、波纹管式压力表等等。 液柱式压力表它是根据流体静力学原理，把被测压力转换成液柱高度来 测量的，例如单管压力计、U 形管压力计及斜管压力计等等。 电气式压力表它是将被测量的压力转换成电势、电容、电阻等电量的变 化来间接地测量压力。例如应变片式压力计、霍尔片式压力计、热电式真空计等。 活塞式压力表它是根据液压机传递压力的原理，把被测压力转换成活塞 上的所加砝码的重量进行测量的。 2.2.2 流量的测量 流量测量的方法很多，按其工作原理可分为： 容积式流量计它是以单位时间内所排出流体的固定容积的数目来计算流体总 量的。它又包括椭圆齿轮流量计、扣板式流量计、腰轮流量计、旋转活塞式流量 计等。 速度式流量计它是应用流体力学测量流体在管道内的流速来计算流量的。例如 差压流量计、转子流量计、涡轮流量计、电磁流量计、靶式流量计、超声波流量 计等等。 质量流量计它有两种，第一种是通过直接测量与质量流量成比例的参数来实 现质量流量的直接性质量流量计；第二种是通过体积流量计和密度计的组合来实 现质量流量测量的间接性质量流量计。 第 2 章 过程变量的检测与变送 12 2.2.3 液位的测量 液位就是指密封容器或者开口容器中液面的高低。工业生产中最常用的是静 压式液位计、电容式液位计。 静压式液位计它是利用容器里液位高度产生的静压力随其液位变化的原 理进行工作的。对于不可压缩的液体，液位高度与液位的静压力是成正比的，所 以测量液体的静压力，就可以可知道液位高度。 电容式液位计它是利用电容量的变化来测量液位高低。 变送器它主要用于测量液体、气体或者蒸汽的压力、差压、流量、 液位等过程物理参量，并将它们转化成标准统一的 DC420mA 电流信号输出，以 便于实现自动检测或自动控制。 2.3 过程控制仪表 过程控制仪表包括调节器、执行器、操作器等各种新型控制仪表以及其安装 附件。 过程控制仪表按使用能源的不同，可以分为气动仪表和电动仪表；按结构形 式的不同，可以分为基地式仪表、单元式组合仪表、组装式仪表、集散控制装置； 按信号类型的不同，可分为模拟式仪表和数字式仪表。 单元组合式仪表有气动单元组合仪表和电动单元组合仪表二种。 气动单元组合仪表，它的简称是 QDZ 仪表。它以 140kPa 压缩空气为能源， 以 20100kPa 标准统一信号输出。 电动单元组合仪表，简称 DDZ 仪表。 可编程调节器是一种新型的数字式控制仪表。具有运算、可靠性高、控制功 能丰富、使用维护方便、兼容性能好、安全、通用性强、系统设计简便的特点。 20 2.4 执行器 执行器由执行机构和调节机构两部分组成。它是过程控制工程中的一个重要 组成环节。在一个过程控制系统中，执行器的作用就是接受调节器输出的控制信 号，并且把它们转换成直线位移或角位移，以此来调节阀芯和阀座之间的流通截 面积以控制流入或者流出被控过程的流体的流量，从而实现了对过程参数的控制。 根据使用能源的不同，执行器可以分为气动执行器、电动执行器、液动执行 器三大类。在过程控制系统中，气动执行器的应用最广，其次是电动执行器。气 动执行器的输入信号一般为 0.020.1MPa;电动执行器的输入信号一般为 DC420mA21。 气动执行器具有结构简单、价格便宜、动作可靠、性能稳定、维修方便、适 山东轻工业学院硕士学位论文 13 用于防火防爆场合等特点。 电动执行器动作速度快，其信号便于远传、便于与计算机配合使用，但他不 适用于易燃易爆的场合。 山东轻工业学院硕士学位论文 15 第 3 章 麦芽糖醇各生产工序自动控制系统的设计 3.1 麦芽糖醇生产工艺流程 麦芽糖醇生产工艺可分为两部分，第一部分是将淀粉水解之城高麦芽糖浆， 第二部分是将制得的高麦芽糖浆加氢还原制成麦芽糖醇。 生产工艺的总体流程图如下图 3.1。 3.2 麦芽糖醇生产各工序的自动控制系统的设计 年产 30 万吨麦芽糖醇生产工艺自动控制系统的设计目的：满足各工序自动需 求，提高控制精度，减少人员操作强度。各工序的关键控制点是：液化：液化液 折光 22-24%， 一喷流量 12-14 方/小时， 一喷温度 105-110 摄氏度， 二喷温度 125-135 摄氏度，PH 值 5.0-5.5；糖化：温度控制在 602(较佳值：6061)，PH 值： 5.05.5；脱色：走料时流速控制在 10-16M3/h(根据工艺调整)，待压力0.4MPa 关闭出料阀；离交：糖(醇)液交换流速20m3/h，再生10m3/h，交换后的糖(醇) 液 pH=3.5-7.0，交换后的糖(醇)液透光度：98(99)，糖(醇)液交换温度 45；一次蒸发液指标：折光率：42-50 ；二次蒸发液指标：折光率：602； 三次蒸发液指标： 折光率： 602 ； 四次蒸发液指标： 折光率： 75-76、 80-81； 色谱：进料折光：602%；结晶：来料折光：602%，控制温度：55-75；加 氢： 糖液指标： 折光 42-50， 调值后： PH7.5-8， 反应釜温度： 反应温度 125-140， 反应釜、氢气缓冲罐压力：8.0-11.0MPa，氢化液指标：转化率99.50%。其他就 是一般性显示仪表。 淀粉调浆PH 调节糖化一次板框脱色液化一次离子交换 蒸发蒸发色谱分离二次脱色二次离子交换加氢 离子交换结晶提取液烘干包装成品蒸发 提馀液过滤（离交）蒸发母液罐 （贮存）外售醇液 图 3.1 生产工艺的总体流程 第 3 章 麦芽糖醇各生产工序自动控制系统的设计 16 部分工序的工艺流程如图 3.2-3.5。 离交甜水 淀 粉 甜水罐 调浆罐配料罐上料罐 液化酶 一次喷射器 闪蒸罐层流罐二次喷射器高温维持罐列管换热器 PH 调节罐糖化罐加酶喷射器 盘管 糖化酶 图 3.2 淀粉调浆、液化工艺流程简图 离交阳柱 精密过滤器板式换热器离交前罐二次（三效四体降膜）蒸发前罐 离交阳柱离交阴柱离交阴柱离交阳柱离交阴柱 离交中转柱调节柱离交后罐 离交阳柱离交阴柱 离交中转柱 离交阳柱 调节柱离交后罐 离交阳柱离交阴柱离交阴柱 精密过滤器板式换热器离交前罐一次（五效七体降膜）蒸发前罐 图 3.3 （一次、二次、母液）离交工流程简图 离交阳柱 精密过滤器板式换热器离交前罐四次（四效五体降膜）蒸发前罐 离交阳柱离交阴柱离交阴柱离交阳柱离交阴柱 离交中转柱调节柱离交后罐 山东轻工业学院硕士学位论文 17 糖化罐预涂过滤机 配碳罐 糖化滤液罐列管换热器一次脱色罐 一蒸、二蒸 精密过滤器纸板过滤器自动过滤机离交前罐 板式换热器离交阳柱 图 3.4 板框（一次、二次）脱色工艺流程简图 蒸发前罐 加氢系统烛式过滤器二次脱色罐废碳罐 离交前罐 一次蒸发前罐精密过滤器 冷凝器 五效体蒸发器 闪蒸器 四效体蒸发器 加氢工艺二效体蒸发器 三效体蒸发器 一效体蒸发器 二次蒸发前罐精密过滤器 冷凝器 三效体蒸发器 闪蒸器 二效体蒸发器 色谱工艺 一效体蒸发器 三次蒸发前罐精密过滤器 冷凝器 五效体蒸发器四效体蒸发器 （母液）储罐 二效体蒸发器 三效体蒸发器 一效体蒸发器 精密过滤器纸板过滤器闪蒸器外售 四次蒸发前罐精密过滤器 冷凝器 四效体蒸发器三效体蒸发器 一效体蒸发器 二效体蒸发器 精密过滤器纸板过滤器闪蒸器 调节罐母液储罐 图 3.5 （一次、二次、三次、四次）蒸发工艺流程简图 第 3 章 麦芽糖醇各生产工序自动控制系统的设计 18 蒸发、结晶、加氢工序的现场仪表均接入仪表柜，其他则接入现场仪表。其 网络配置示意图及电源配置示意图，控制系统布置示意图等如下所示。 蒸发工序网络配置示意图如图3.6。 结晶工序网络配置示意图如图3.7。 A 网 B 网 A 网 B 网 ENG A B A 控 制 柜 B 图 3.6 蒸发工序网络配置示意图 A 网 B 网 A 网 B 网 ENG A B A B 控制柜 HMI 图 3.7 蒸发工序网络配置示意图 山东轻工业学院硕士学位论文 19 工控电源配置示意图如图3.8-3.9。 高速数据网系统结构示意图如图图 3.10。 #1 控制柜#2 控制柜#3 控制柜 蒸发工段加氢工段结晶工段 UPS 电源进线 220VAC 厂用电进线 220VAC 双电路切换器双电路切换器双电路切换器 图 3.8 工控电源配置示意图一 ENGENGENGHMI 蒸发工段加氢工段结晶工段 操作员从系统外取 图 3.9 工控电源配置示意图二 AB XCU 信息 服务器 数据网 OPUOPUENGHSU Gateway虚拟 XCU I/ AB XCU 图 3.10 高速数据网系统结构示意图 XCUs 第 3 章 麦芽糖醇各生产工序自动控制系统的设计 20 网络安装示意图如图3.11-3.14。 #1 控制柜 XCU01 LAN1LAN3 LAN2LAN4 至 A 网交换机 至 B 网交换机 至 IO-B 网交换机 至 IO-A 网交换机 图 3.11 网络安装示意图一 P1 P2 通讯模件 至 IO-B 网交换机 至 IO-A 网交换机 图 3.13 网络安装示意图三 #1 控制柜 XCU21 LAN1LAN3 LAN2LAN4 至 A 网交换机 至 B