（机械制造及其自动化专业论文）基于plc与组态王在蔬菜发酵系统中的研究.pdf

摘要 目前我国蔬菜种植面积约1 4 0 0 万公顷，年产量占世界蔬菜生产总量的6 0 以上， 但蔬菜深加工还属于起步阶段，蔬菜加工量不到其总量的1 0 。从蔬菜加工方式品种 来看，主要以粗加工为主。发酵蔬菜是蔬菜加工中产量最大的一类，2 0 0 0 年全球泡菜等 贸易额约为1 3 亿美元，在国际市场上日韩两国占据了9 5 以上，而泡菜作为传统的调味 及休闲食品在我国具有明显资源优势。 本论文主要研究了蔬菜发酵技术，根据生产的工艺要求提出了以“组态王为上 位机监控系统软件，西门子s 7 2 0 0 p l c 为下位机控制电机和泵的分布式监控系统，实 现了“集中管理，分散控制 ，以触摸屏作为现场人机界面，具有现场数据实时记录和 监控、记录查询、报警、趋势分析、报表打印、实时模拟等重要功能。通过试验推导 出系统的开环传递函数，并且利用m a t l a b s i m u l i n k 建立了系统的数学模型，同时引 入p i d 控制算法。通过多种p i d 算法的比较仿真，设计了具有较好特性的p i d 调节器。 系统基本满足用户的需求，具有良好的重用性、可扩充性和可维护性。 蔬菜发酵从原料到最终成品，整个过程都在此密闭的设备中完成。蔬菜全程不与操 作人员及周围空气直接接触，从根本上解决了污染的问题。同时通过自动控制发酵参数 对发酵过程进行监控，保证了产品品质的稳定性，为发酵蔬菜标准的制定创造了条件，也 为特有品牌扩大国际市场份额奠定了基础。 关键词：分布式控制系统：组态软件；p l c ：触摸屏；p i d a b s t r a c t c u r r e n t l y ，t 1 1 eg r o w i n ga r e ao fv e g e t a b l e si sa b o u t14m i l l i o nh e c t a r e si i lc k i l a 仉e p r o d u c t i o no fv e g e t ；a b l e si sm o r et l l 觚6 0p e r c e n to fm e 、r l d sp r o d u c t i o ne v e 巧y e 虬b u t v e g e t a _ b l e sd e 印l yp r o d u c t i o ni ss t i l la ta ni i l i t i 2 l ls t a g e t h e 锄。吼to fv e g e t a b l ep r o c e s s i n g i sl e s st 1 1 a n10p e r c e n to fn 圮t o t a l t h ew a yo fv e g e t a b l ep f o c e s s i n gi sm 面n l yr o u 曲i n g f e 衄e n t i n gv e g e t a b l e sp o s s e s s e s o ft i l e b i g g e s tp r o d u c t i o ni i l t 1 1 ew a yo fv e g e t a b l e p r o c e s s i n g i n2 0 0 0 也e 饿i d eo fk i l t l c mw 勰a b o u t1 3b i l l i o nd o l l a 瑙a r o u l l dt h ew o r l d j 印a l l 舭l ds o u mk o r e ah a db e e na c c 0 u m e df o rm o 豫t l l 孤9 5p e r c e m 洫t l l ei n t e m a t i o n a j m a r k e t t h ek i m c h i 弱a 舰d i t i o n a ls 彻c kf o o dp o c e s s e s 锄o b v i o 憾r e s o u r c ea d v 锄t a g ei n c h i n a t h i sa n i c l em a i n l yr e s e a r c h e so nt h et e c i l l l o l o g yo ff e m e n t i n gv e g e t a b l e s a c c o r d i n g t 0 也er e q u i r e m e n t so fp r o c e s s i n g ，t h i sa n i c l ee s t a b l i s h e sad i s t r i b u t e dc o n 虹o ls y s t 啪w h i c h i sb 鹤e do n “硒n gv i e w 硒t t ：屺s u p e r v i s o d ，s o n w a r co f 印i g ) ，i l o 潞m a c h i n ea n ds i e m e n s s 7 2 0 0p l c 舔h ) ，p o g ) ，i l o u sm a c h i 鹏t 0c 0 1 1 仃o lm o t o r 锄dp u r 】叩t h ec h a r a c t e ro ft l l e s y t e mi s “i 1 1 t e g r a 把dm a n a g e ，d i s t r i b u t e dc 0 n t r o l ”nr e a l i z e ss 0 m ei m p o r t 舀mf m l c t i o n ss u c h 够t i l e 托a l - t i m ed a t a - l o g g i n g ，s u p e r v i s i n g r e c o r dc h e c k i n 岛m a n t i i n g ，廿e n d 觚a l y s i s ， 删m t i n go ft i 圮p 钺吼e t e r 锄dd a d y n a r i l i cs i i t l u l a t i o n 锄ds o n eo p e nl o o p 缸锄s f e r 舢1 c t i o nh 鹪b e e nd e d u c e d 廿l r o u g i le x p e r i m e n t 触e r 蛳t h em a ：t i l e m a t i c a lm o d e lo f s y s t e mi sc o n s 仃u c t e db ym a n ，a b s i m u l i l l l ( 锄dt h ep i d c o i 脚o la j g o 州珊i sa d d e dt 0m e m a t h e m a t i c a lm o d e l b yc o m p a r e d 、i t l ld i 舵r e n tp i dc o n t r 0 i a l g o r i t l u n ，t h i sa n i c l e d e s i 印e 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r a t i o ns o f 呐a 他，p l c ，t o u c hs c r e e n ，p i d 天津科技大学硕十学位论文 1绪论 1 1 课题背景与研究意义 目前我国蔬菜种植面积总计约为1 4 0 0 万公顷，年产量占世界蔬菜生产总量的6 0 以上，但蔬菜深加工在国内还属于起步阶段，加工量不到其总量的1 0 【l 】。从蔬菜加 工品种和方式来看，主要以粗加工为主，加工品种包括保鲜蔬菜、腌制蔬菜、脱水蔬 菜、速冻蔬菜、蔬菜罐头等。发酵蔬菜是蔬菜加工生产中最大的一类，比如四川泡菜、 浙江萧山萝卜干在国内有一定的知名度。 本课题着眼于提高天津市蔬菜产品附加值，增加农民收入，将实验室成熟的自动 化密闭发酵系统推广应用于天津传统发酵蔬菜产业中，使具有天津品牌的蔬菜产品 “天津冬菜 与现代技术相结合，改变目前的手工作坊式生产为工业化连续生产，改 变传统的粗放型生产为集约型生产，为天津传统发酵蔬菜在国内外市场做大、做强奠 定基础。 我国的四大咸菜之一“天津冬菜 也是发酵蔬菜的一种，国际上对“天津冬菜 的需求量不断加大，国际市场每年需求量在5 0 万吨左右，内需也在7 0 万吨左右，目 前的生产量远远不能满足国际、国内两大市场的需求。但是，目前发酵蔬菜行业普遍 存在加工工艺落后、没有产品国际标准、产品规模小、产业化程度低、质量不稳定， 亚硝酸盐、防腐剂、重金属、残留农药超标，使用合成色素等问题，严重地影响了包 括“天津冬菜 在国际市场上的竞争力。 借鉴韩国泡菜的成功案例，在我市现有发酵蔬菜传统生产技术的基础上，开发适 合于实际生产的发酵蔬菜自动化标准生产系统，生产出天然、卫生、方便、低盐、具 保健功能的发酵蔬菜产品，创造巨大的经济效益。同时，该发酵蔬菜系统的建立还可 以从根本上改变发酵蔬菜作为进口国的半成品或原料的现状，通过最终产品出口来增 加效益，能大大提高蔬菜产业的附加值。 1 2 蔬菜发酵现状及发展状况 蔬菜发酵加工是以各种蔬菜为原料，利用有益微生物的活动并控制其一定的生长 条件的一种蔬菜加工方式。发酵加工蔬菜产品主要有泡菜、酸菜、酱菜和腌菜等。在 这些产品加工过程中，都伴随着以乳酸菌为主的微生物生长代谢活动，蔬菜发酵体系 是一种微生态环境，其中含有乳酸菌、酵母菌和醋酸菌等多种微生物。蔬菜发酵加工 是一种冷加工方式，能进一步改善蔬菜风味，提高其营养与保健价值【2 】。蔬菜经过发 酵后的风味与蔬菜原料风味、微生物代谢活动及发酵条件等因素都有着密切相关。 欧洲发酵蔬菜制品的规模在1 9 8 5 年为5 l 万吨橄榄、2 2 万吨s a u e r k a u t 和4 5 万 吨腌黄瓜。1 9 9 9 年韩国国内泡菜市场产值约为1 6 7 亿美元。1 9 9 8 年日本泡菜生产量 达1 8 万吨，产值达到了1 3 亿美元，在国际市场上同韩两国占据了9 5 以上的市场份 额。欧洲，北美和韩国生产的具有重要经济价值的蔬菜主要包括橄榄，酸菜和黄瓜， l 绪论 具有次要经济价值的蔬菜种类较多，如洋蓟，圆头菜，革氏山柑子，胡萝卜，花椰菜， 绿色番茄，朝鲜泡菜，甜瓜，甜辣椒，芹菜，茄子等等。 2 0 0 0 年，中国泡菜工业的市场销售额约为1 0 亿元，中国四川泡菜企业出口总额 约5 0 0 万美元，仅占国际泡菜市场总量的3 。近年来，在江浙一带已有一些加工厂 应用传统工艺大规模生产盐腌雪里红，已形成批量出口，其中仅上海一地雪里红咸菜 出口远销香港、日本、新加坡等地，8 0 年代末年出口量统计在5 0 0 吨以上。现在，各 种白菜，卷心菜，甜菜，萝卜，黄瓜，青番茄，辣椒，青豆，菜豆等，都可用于生产 渍菜，并可按照市场需求的不同，将渍菜制成酸味，酸甜味，酸辣味，麻辣味等不同 风味【3 1 。 最近几年，在我国山东福建等省份相继的建立起了日式、韩式泡菜制作厂。据调 查，韩国、日本从中国的泡菜进口量与日俱增，其中日本从中国的进口量2 0 0 3 年激 增为2 0 0 2 年进口量的5 倍，由于中国劳动力成本原料的低廉的原因，韩国有意在中 国投资建设泡菜生产工厂。韩国产泡菜与中国的价位相差大，中国产泡菜o 3 8 美元 k g ，韩国产泡菜2 7 7 美元l ( g ，而质量及口味相似。 总之，泡菜存在一定的潜在市场。中国对发酵蔬菜加工有一定的群众基础、制造 能力、市场需求，发酵蔬菜加工业的发展与完善有助于国家农业结构调整，提高农民 收入水平。但产品品质因生产环境的不同而不够稳定，加上传统发酵蔬菜的营销品牌 意识淡薄，存在不能制订相应的质量标准去维护产品形象，不能有效扩大产品的市场 覆盖面等制约因素，造成了发酵蔬菜的加工不适应工业化生产，难以提高生产效益， 而发酵蔬菜加工产业化与提上日程实际操作还有距离。 韩国泡菜规格名为“硒m c l l i 的自然乳酸发酵产品，不但获得国际精品标准认 证，且对食品添加剂、香料、调味品、酸度调节剂、糊料、功能性增效剂及品质标准 都有严格的规定。与韩国泡菜相比，国内泡菜的深加工中没有统一的制定标准，不利 于泡菜加工产业化质量的稳定性，没有统一的品质标准也不利于国际贸易。只有制定 现代食品安全控制体系，才能实现发酵蔬菜加工安全性的全程质量控制，有效保证发 酵蔬菜产品的安全性。 1 3 蔬菜发酵及其处理技术简介 发酵蔬菜属乳酸菌发酵食品，是我国传统的一种发酵性食品，以其味道具有鲜、 嫩、脆的特点。长期以来，我国人民在生活实践中创造了种类繁多的腌渍方法，其腌 渍工艺大致相同，但制品风味各异，咸、甜、酸、辣应有尽有。不同种类的蔬菜发酵 方法基本相同，古代的基本方法都是先用盐水清洗发酵蔬菜原料，放入瓮中加盐埋住 菜，加上接种物以利发酵，再加热米汤浸泡让它们发酵完全。一般秋十月酿造，蔬菜 可保存到翌年春三月。现代的腌菜制法，原理上与古代基本相同，但更加卫生，而且 己了解通过科学的方法了解了发酵原理，比较容易保证产品的质量。 人们应考虑到酸菜的营养与保健作用。长期以来，科研工作者都致力于传统的工 艺条件的研究与改进，力求使泡菜的质量进一步提高，尽量减少泡制过程中产生的有 天津科技人学硕i j 学位论文 害物质。二十多年前，曾经在癌症高发区的酸菜中发现致癌物质，导致不少人害怕吃 酸菜，经过科学的分析，致癌物主要是亚硝酸赫和某些霉菌毒素。但是如果在腌渍时 选择新鲜优质的蔬菜，并且洗净器皿，注意卫生，致癌物是可以避免的。如果在酸菜 缸里发现含有白毛或绿毛，那就代表长有霉菌，有些霉菌会产生霉菌霉素，处于安全 性的考虑，这些酸菜就不应该食用。现代规模化生产，卫生条件基本可以保证，国外 还采用接种乳酸菌的方法生产，产生致癌物的可能性应该是微乎其微的。 发酵蔬菜的营养成分按原料的不同有所不同，主要含有钙、铁、磷、铜和盐等成 分，动物性原料中含有氨基酸和蛋白质，丰富的维生素b l 和纤维素。腌渍菜的各种 营养成分对于各种心血管疾病，缺铁性贫血，免疫低下和肠道疾病具有一定的预期效 果。此外，还可以治疗眼疾。 1 3 1 直投式纯种发酵模式 目前传统的发酵蔬菜大多采用手工作坊式进行生产，微生物是原料本身带有的野 生乳酸菌、酵母及霉菌。由于采用开放式自然发酵、腌渍，有益微生物的活力和数量 都在短期内无法实现发酵体系的优势生长，发酵周期长，产品质量不稳定。为防止有 害微生物的增殖，须加入大量的食盐，而高盐饮食已经被证明是高血压等心脑血管疾 病的最主要诱因之一，因此，高盐含量的产品不符合当今崇尚健康的饮食理念。同时， 自然发酵过程粗放，造成了盐的大量消耗，而且就算使用高盐浓度也无法保证不引入 有害菌，保证发酵产品质量和安全性。 采用一种半固态的发酵菌种，一方面可以有效解决传统发酵过程中微生物生长优 势的问题，另一方面采用半固态发酵可加快传质，缩短产品发酵期。其主要实施方法 为，从自然发酵过程中分离、制备出若干种优势纯菌种，利用高密度培养技术得到高 活性的纯种固态直投式发酵剂，并将多种纯种固态发酵剂进行复配。同时，实验证明 使用优势菌株同高密度培养技术相结合成产出的复配直投式发酵剂进行发酵，可保持 传统发酵冬菜原有的味道，并且能大大缩短生产周期，使原来4 至5 个月的发酵周期 缩短为2 周。建立纯种发酵体系在盐渍菜中的应用模型，可以在保持原有传统风味的 同时，大大降低盐用量，缩短发酵生产周期，提高产品质量的稳定性。 1 3 2 发酵蔬菜密闭生产模式 传统盐渍菜多采用敞开式发酵方法，即发酵过程在坛子或发酵池中完成。这样的 开放式生产最大的缺点就是无法保证产品的安全性，有害菌的感染，环境中有害物质 的吸附，操作过程中泥沙等物理污染物的混入都可能造成产品质量不合格。同时粗放 式的生产很难实现标准化控制，使得不同批次的产品质量相差悬殊，进而影响产品在 国内外大规模推广。 密闭化生产全过程是指从原料发酵，再到最终产品风味调节，整个过程都在密闭 的设备中完成。蔬菜全程不与操作人员及周围空气直接接触，从根本上解决了污染的 问题。同时通过自动控制发酵参数对发酵过程进行监控，保证了产品品质的稳定性， 为发酵蔬菜标准的制定创造了条件。 l 绪论 1 4 本课题主要研究内容 本课题针对蔬菜发酵开发了分布式监控系统，研究内容主要包括： ( 1 ) 查阅大量的文献资料，学习了解直投密闭式蔬菜发酵的生产工艺与理论知识。 ( 2 ) 结合生产工艺，建立和优化实际蔬菜发酵的控制过程，建立起分布式监控系统 ( 3 ) 系统硬件设计与选型，根据实际的工艺参数选择合理的传感器、泵、电机、p l c 和阀门等。 ( 4 ) 系统软件设计，下位机p l c 控制程序的编写以及上位工业控制机的组态，并且 实现他们的通讯，来进行数据检测，显示实时数据、历史曲线、实现报警、报表以及 打印功能。 天津科技大学硕j ：学位论文 2 控制系统工艺流程简介 我国蔬菜加工技术起步较晚，蔬菜的加工量低于蔬菜总产量的l o 蔬菜加工方法 主要为腌制干制罐藏速东榨汁等，其中腌制属于发酵加工，是传统蔬菜加工的主要方 法随着微生物学与发酵工程技术的成熟与发展，我国蔬菜发酵加工业已经步入一个新 的阶段心 目前，国内发酵蔬菜企业多采用传统的自然发酵工艺，该工艺的主要弊端是：发 酵周期相对较长，生产力低下；受卫生条件铲季节和用盐量影响，发酵易失败：发 酵质量不稳定，不利于工厂化规模化及标准化生产；沿用泡渍盐水的传统工艺，难以 实现大规模工业化生产；异地生产，难以保证产品的一致性；亚硝酸盐食盐含量高， 安全性差 传统工艺利用的是开放式接种，主要是需要形成微生物的大量聚集，达到蔬菜腌 渍所需的微生物群系，这种方式增加了有害微生物污染的可能性随着对于食品安全要 求的提高，传统工艺的缺陷日益突显，诸如劳动强度大，生产中卫生条件差，为抑制 有害微生物生长，加入过多的防腐剂，腌渍周期过长，难以进行低盐发酵等 传统发酵蔬菜的基本方法都是先用盐水清洗蔬菜，放入瓮中加盐，再加热米汤等 浸泡使之发酵般秋末开始，到翌年春末发酵结束以冬菜为例，具体流程见图2 1 匝匦母1 圃 时间s 约一周 时间。约四个月 时间t 约两周 图2 1 传统发酵生产工艺流程 。 f i g 2 - 1t h et e c h n o l o g i c a lf i o ws h e e to f 仃a d i t i o n 佬册e n t i n g 针对传统发酵的缺点，本课题采用直投式低盐半固态纯种发酵解决有害菌高盐 亚硝酸盐等问题，利用自动化集成设备控制发酵过程，实现发酵过程的标准化和发酵 蔬菜的机械化生产，在蔬菜的发酵过程中每一步都进行严格控制和科学管理具体技术 路线和工艺流程如下 技术路线： 2 控制系统工艺流程简介 蔬菜原料精选一清洗系统成型一巴氏杀菌一入罐发酵一压滤一干燥一半成品一 成品包装 本系统的工业流程主要包括以下几个方面： 蔬菜由货车运至储存仓库，经过简单预处理后，将固体蔬菜放入发酵罐中去然后 依次开启盐水罐的阀门用磁力泵将5 的盐水通入，开启菌体活化液罐阀门通入菌体 液，开启中和液罐阀门注入中和液，定时启动搅拌电机开始发酵并保证发酵温度，压 力，p h 值，溶氧量等参数，发酵结束后采用隔膜泵将发酵废液与发酵蔬菜抽出发酵 罐，再实现物液分离在通入液体过程中，在阀门开关附近加入光电开关，光电开关传 给p l c 光电信号实现对于阀门开关量的监控管路中的流量和发酵罐的溶氧量，液位 分别由相应的传感器测出，通过模拟量模块传给p l c ，实现数据的采集并与上位机进 行通讯，显示实时数据为了保证发酵温度在2 5 至3 5 之间，利用温度传感器将当 前温度传给p l c ，调节电阻丝的通断来保证发酵温度的恒定为了保证发酵罐压力，利 用压力传感器将当前的压力值传给p l c ，当超过一定压力值时，p l c 通过报警装置发 出报警，现场操作人员利用减压阀来进行调节，防止发生事故为保证发酵p h 值，采 用p l c 报警，人工手动定量补偿p h 的方法来实现，蔬菜发酵主要工艺流程图如图 2 2 所示 蔬菜车 图2 2 蔬菜发酵主要工艺流程图 f i g 2 - 21 1 h et e c h n o l o g i lf i o ws h e e lo ff e 咖e n t i n gf o rv 9 9 e t a b l e 2 1 发酵装置的选型 发酵设备是发酵工厂中主要的设备，必须为微生物生长和形成产物的创造条件， 促进微生物的新陈代谢，在低消耗下获得较高产量团比发酵设备必须具备微生物生长 的基本条件，例如，需要维持合适的培养温度，要求有不同程度的无菌度，结构应尽 可能简单，便于灭菌和清洗p ， 发酵罐是进行微生物等活细胞深层培养的设备，对于某些复杂工艺来说，发酵罐 是一个密闭的容器，同时附带精密食品控制系统：而对于另一些简单的工艺来说，发 酵罐只是一个开口的简单容器 6 天津科技大学硕士学位论文 2 1 1 嫌气发酵设备 嫌气发酵特点是在发酵构成中不需要通入空气，有时需通入二氧化碳或氮气等惰 性气体以保持罐内正压，防止产生杂菌，以及能够实现厌氧控制和提高醪液循环。对 这类发酵设备的要求是封闭并且能承受一定压力，具备冷却控制方式，尽量简化罐内 结构，消灭死角，便于清洗灭菌。由于发酵过程中不需要供氧或通入昂贵的无菌空气， 这种设备便于制造和操作并实现了自动清洗。 2 1 2 固体发酵设备 微生物在一定温度和湿度的固体表面进行生长和繁殖叫做固体发酵。固体发酵采 用的发酵设备称为固体发酵设备，其发酵特点是原料来源广，价格低廉；在霉菌发酵 时就可以防止污染杂菌，能耗低，固体发酵的产物回收一般步骤少，费用低廉。固体 发酵存在的主要工程问题是大规模生产时的散热比较困难，参数检测如p h 值、温度、 菌体增殖量和产物生成量等是很难实现的。 2 1 3 通风发酵设备 通风发酵罐又称好气发酵罐，它是最基础需氧生化反应的设备，在抗生素、酵母、 氨基酸、单细胞蛋白、有机酸或酶的发酵生产中都需要使用。好气发酵需要将空气不 断通入到发酵液中去，以供微生物所消耗的氧。通风发酵设备应具有独特的有点包括 良好传质和传热性能，结构严密，防杂菌污染，培养基流动与混合良好，良好的监测 与控制，设备简单，方便维护检修，能耗低。 鉴于以上三种常见发酵装置特点的比较，再结合实际发酵工艺的要求优化设备结 构，采用机械搅拌密闭发酵罐作为半固态蔬菜发酵装置。 2 2 本章小结 本章主要介绍了蔬菜发酵系统的工艺流程和三种主要的发酵设备，结合实际的发 酵工艺选择了机械搅拌密闭发酵罐。 3 分布式监控系统简介及控制系统的总体方案 3 分布式监控系统简介及控制系统的总体方案 3 1 分布式监控系统技术 随着生产规模的日益扩大，生产工艺的愈加复杂，对可靠性的要求越来越高，功 能需求也不断增加；同时，经济全球化的趋势越来越明显，在生产过程中原来孤立的 控制单元逐渐需要连成一体，并与企业级的信息网络相连通，最终导致了分布式控制 系统( d c s ，d i s t r i b m e dc o m r o ls y s t e m ) 的诞生。 3 1 1 分布式监控系统的定义 d c s ，即所谓的分布式控制系统或在有些资料中称之为集散系统，是相对于集中 式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展演 变而来的【6 1 。d c s 和集中式控制系统在系统功能方面区别不大，但在系统功能的实现 方法上却明显不同。 d c s 是一种以微处理器为基础的，综合3 c ( 计算机，控制，通信) 技术的，应 用于过程控制工程的分布式计算机控制系统【7 1 。自从美国h o n e y w e l l 公司于1 9 7 5 年推 出世界上第一套d c s 至今，d c s 已经经历了4 代的更新和完善。d c s 在分散控制， 集中操作，综合管理的设计原则下，发展成为生产过程自动化与生产管理信息化相结 合的管控一体化综合集成系统，能够保证安全可靠性，通用灵活性，最有控制性能和 综合管理能力，已经广泛的应用于工业生产的各个部门中。目前国内外各种产品不少 于6 0 种，主要有h o n e ，e l l ，w 色s t i n g i l o u s e ，a b b ，y o k o g a 、v a 等。进入2 l 世纪，国 内已开发出适合中国企业应用的d c s ，典型的有北京和利时，北京昆仑通态，浙大中 控和浙大中自等。 3 1 2d c s 的基本结构 d c s 的体系结构通常分为三级：分散过程控制级，集中操作监控级和综合信息管 理级。体系内采用通讯联系，各级之间采用通信网络连接，级内各装置之间由本级的 通信网络进行通信联系。 分布式控制系统是一个进行集中管理和分散控制的生产控制系统，上位机完成管 理任务，下位机完成控制任务。自7 0 年代中期第一套集散控制系统问世以来，集散 控制系统的技术日益成熟，己经在工业控制领域得到了广泛的应用，集散控制系统已 成为计算机集成制造系统或计算机集成作业系统的主角，发挥着它们的优势。随着计 算机技术的不断发展，网络技术已经使集散控制系统不仅主要用于分散控制，而且向 着集成管理的方向发展，尤其是系统的开放性不仅使不同制造厂商的集散控制系统产 品可以相互连接，而且可以方便地进行数据的交换，在现有的集散控制系统上，系统 的开放性也使第三方的软件可以方便地应用。集散控制系统与集中控制系统区别在 于，分布式控制系统由多个微处理器组成的，分散的控制站控制分散的生产部分，实 现了功能、负荷和危险的分散，从而优于集中型计算机控制系统。它也不同于分散的 天津科技大学硕士学位论文 仪表控制系统，各操作员站可以进行生产监控，从而克服了二者的缺陷而集中了二者 的优势，利用计算机技术对生产过程进行集中监测、操作、管理和分散控制。 集散控制系统一般主要由以下四部分组成： ( 1 ) 通信网络 通信网络是管理计算机、操作站和现场i o 控制站之间的桥梁，完成现场i o 控 制站、管理计算机、操作员站之间数据的传输【8 】。d c s 系统中的通信网络与通用的计 算机网络的区别在于，它能够保证在被控系统要求的时间内完成信息的传输，因此， 影响d c s 正常工作的重要因素是通信网络的可靠性，通常在实际应用中要采用热备 份工作。 ( 2 ) 操作员站 操作员站是由显示器、主机、键盘、鼠标等组成的人机系统，它为操作人员提供 人机界面，英文称为h m i ( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) ，实现集中监视、集中操作和 集中管理。操作员可以通过操作员站及时了解现场运行状态、监视各种运行参数和系 统的异常情况等，并对生产过程进行控制和调节，保证生产过程安全、可靠、高效。 随着计算机技术的发展，通用化的p c 计算机硬件和软件应用于d c s 的基础平台，具 有开放性好、成本低、可维护性好和上位功能强等优点。操作站可根据实际需要配置 其数目，最少情况下能和管理计算机共用一个平台。 ( 3 ) 工程师站 工程师站又称管理计算机，主要实现信息上的联系，是集散系统的主机，习惯上 称它为上位机。工程师站可以对d c s 进行离线配置、组态工作和在线系统监督控制。 工程师站通过通信网络对全系统的各单元管理系统的所有信息进行监控，具有进行大 型复杂运算的能力以及多输入、多输出控制能力，全系统的优化控制和管理。管理计 算机数量相对较少，但管理功能十分强大，一般情况下一个简易的d c s 只需配备一 台管理计算机。 ( 4 ) 现场控制站 现场控制站是完成过程现场控制要求主要是指现场i o 处理。部分d c s 的处理器 单元、通讯接口和i o 卡可冗余配置保证现场故障时的替换，并可带电插拔，所以现 场i o 控制站具有很强的可靠性和维护性。有些集散控制系统产品在分散过程控制装 置内又增加了现场装置级的控制装置和现场总线的通信系统；有些集散控制系统产品 则在操作管理装置内增加了综合管理级的控制装置和相应的通信系统。 3 1 3 分布式监控系统的特点 目前的d c s 主要具有以下特点： ( 1 ) d c s 的信息化与集成化 d c s 在信息化方面已经不是一个单纯以控制功能为主的控制系统，而是一个充 分发挥信息管理功能的综合平台系统【9 1 。它提供从现场到设备、从设备到车间、从车 间到工厂、从工厂到企业集团的整个信息通道。 3 分布式监控系统简介及控制系统的总体方案 集成化则表现在功能的集成和产品的集成两个方面。除保留传统d c s 的功能以 外，还集成了可编程逻辑控制器、采集发送器、各种多回路调节器、智能采集或控制 单元等单元。 ( 2 ) d c s 、p l c 、f c s 相互融合形成混合控制系统 实际应用当中，由于已经不是单一的过程控制和逻辑控制了，而是一个由过程控 制为主或逻辑控制为主的分过程组成的控制系统，所以为了实现整个生产过程的优 化，提高整个工厂的效率，就必须把整个生产过程纳入统一的分布式集成信息系统。 ( 3 ) d c s 的开放性 开放系统的网络具备标准的通信协议和规程。这些标准使d c s 具有可操作性，不 但可以互相联接，而且可以共享系统的资源，可以运行第三方的软件等。其主要体现 在在企业管理层支持与各种管理软件平台的连接，在工厂车间层支持第三方的先进控 制产品和软件平台以及多种网络协议，在装置控制层支持多种d c s 、p l c 、r 1 u 、各 种智能控制单元、以及各种标准的现场总线仪表与执行机构的三个层面上。 ( 4 ) d c s 进入低成本时代 由于第四代d c s 的开放性、第三方软硬件的集成、d c s 规模的灵活配置，降低 了d c s 的成本和价格，才使得大、中、小规模系统在不同的行业均获得广泛应用。 3 2d c s 在我国应用现状 在上世纪八十年代d c s 技术进入了我国的市场，截至2 0 0 1 年底，我国各行业 共计应用d c s 4 2 0 0 余套。d c s 已广泛应用于电力、石油、化工、冶金、建材、制药 等行业的生产过程中。d c s 在我国石化企业生产过程控制中的应用相当普及，其中以 日本横河和美国h o n e y w e l l 公司的产品最多【m j 。各行业应用的实践证明了d c s 的可 靠性、稳定性和精确性。但由于d c s 基本上采用一对一连线，4 2 0i l 认模拟信号进 行传输监测和控制，造成了设备与设备之间、系统与系统之间、系统与外界之间无法 进行数据信息的交流，在某种意义上可被称作“信息孤岛 。同时，d c s 标准的制定 也相对落后，d c s 厂家提供的系统大多存在非标准的和封闭的问题，在提高局部生 产过程控制水平的同时，限制了交流和通用性，制约了整体潜力的充分发挥。 目前，d c s 厂家的自动化控制技术发展趋势为集成化、开放化、信息化。但是 应用了先进的d c s 平台及控制软件并不等于能够实现先进控制，多数企业的d c s 应 用级别较低，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 只是用d c s 替代常规工业自动化仪器仪表，并没有充分利用其先进功能， 因此潜力没有得到充分挖掘。 ( 2 ) 在很多企业的d c s 与用户的管理信息系统存在独立进行设计的问题，当两 者互连时，d c s 厂商的技术支持有限，而用户又很少有能力进行自主开发，造成d c s 与其他部门之间难以配合，无法实现信息共享、全局的监控、维护和管理。 ( 3 ) 许多企业d c s 的应用还停留在常规控制上，虽然一些d c s 厂家已开发出 一些高级控制算法，如自适应控制、预测控制、模糊控制、基于规则的控制等，但操 天津科技大学硕士学位论文 作人员受习惯性等因素的影响，并不采用先进的控制技术。 ( 4 ) 对很多d c s 项目在设计时考虑不充分，致使系统冗余与改造升级空间有限。 ( 5 ) 低水平设备维护与操作人员制约着d c s 功能的发挥。 ( 6 ) 系统的整体协调性差，缺乏有效管理也是导致企业d c s 系统运行效果一般 的主要原因之一。 3 3 分布式监控系统的要求 蔬菜发酵过程是一个不间断的连续生产运行过程，只有在事故报警情况下，才允 许停止生产。工艺过程在控制系统中应视为大滞后的慢过程，例如发酵罐温度的控制。 针对工艺上的要求，监控系统应该实现对各泵站设备，阀门运行状态以及发酵罐 液位、压力、温度、p h 值和溶氧量等运行参数的实时监测，接收故障报警信息，并 且具有数据报表保存打印，历史曲线等功能。 3 4 系统总体方案 根据系统工艺特点和系统要求，系统的整体设计分为检测仪表与执行机构、操作 员站、工程师站几个部分，如下图3 1 所示。 孕 莎q 执行机构 传感器传 薮器传感器传聂器 图3 1 系统总体方案示意图 f i g 3 lt 1 1 es c h e m eo f t h ew h o l es y s t e m 用于检测压力、液位、p h 值、溶氧量、流量、温度的仪表选择了性能稳定的智 能仪表而且还选取相应的光电传感器来实现阀门开关的监测。操作员站采用控制开 关，工程师站采用工业级p c 结合组态软件实现实时监控以及参数的修改。系统的通 讯采用传统的串口方式，将系统有机的结合在一起，使系统具有充分的开放性、扩展 能力，同时保证系统具有强大的计算功能和先进的监视、控制功能。 3 分布式监控系统简介及控制系统的总体方案 3 5 本章小结 本章主要介绍了分布式监控系统的定义、结构及其特点，并提出了监控系统的功 能与要求，按照整个工艺流程给出了系统的总体方案。 天津科技大学硕士学位论文 4 监控系统硬件设计与选型 4 1 上位工控机的选型 根据用户要求为使系统经济，可靠，并能长期稳定运行，控制级采用研华i p c 一 6 1 0 型工业控制计算机作为上位机。此型号工业控制计算机特点主要有p c 机箱加固 防震，防磁，应用模块化结构，便于安装、维修及更换。其基本配置有2 1 英寸平面 直角显示器，c p u 为英特尔奔腾4 处理器，1 2 8 0 x 1 0 2 4 高分辨率，2 5 6 m 内存，4 0 g 硬盘，5 2 倍速光驱，标准键盘及鼠标。 4 2 泵与电动机的选型 泵是将原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器，主要分为离 心泵、往复泵、转子泵、喷射泵、空气升液泵、旋涡裂l i l 。 4 2 1 磁力泵的选型 磁力泵，是一种通过磁力传动器磁力联轴器来实现无接触力矩传递从而以静密封 取代动密封，使泵达到完全无泄漏的离心泵【眩l 。磁力泵由泵、磁力传动器、电动机 三部分组成。关键部件磁力传动器由外磁转子、内磁转子及不导磁的隔离套组成。当 电动机带动外磁转子旋转时，磁场能穿透空气隙和非磁性物质，带动与叶轮相连的内 磁转子作同步旋转，实现动力的无接触传递，将动密封转化为静密封。由于泵轴、内 磁转子采用了泵体、隔离套完全封闭的方式，所以彻底解决了“跑、冒、滴、漏 等 问题，消除了炼油化工行业易燃、易爆、有毒、有害介质通过泵密封泄漏的安全隐患， 有力地保证了操作者身体健康和安全生产。根据系统的设计要求，每次发酵前盐水液 大约需注入1 5 吨，菌种液为o 1 吨左右，用时为6 分钟，可以计算得： q l ：丘：坚生：1 5 朋3 ( 4 1 ) 一。 f l 0 1 厅 a ：蔓：堕：1 朋3 ( 4 2 ) f 2 0 1 矗 式中q 一盐水液原料罐的流量。 q 一菌种液原料罐的流量； k 一盐水液一次抽出的总量： k 一菌种液一次抽出的总量； 一次抽出盐水液所用的时间； ，一一次抽出菌种液所用的时间。 ： ， 根据磁力泵的流量再结合应用的扬程，传输管路的口径等条件选择了上海慧容泵 阀制造有限公司的c q b 2 5 - 1 5 - 1 0 5 ，c q b 5 0 3 2 1 0 5 两种磁力泵，性能参数如表4 一l 所 示： 4 监控系统硬件设计与选型 表4 1c q b 性能参数 1 a b i e4 1p a r a m e t e r so f c q b 4 2 2 隔膜泵的选型 隔膜泵是往复泵中较特殊的一种型式，它是依靠非金属的柔性隔膜片的来回鼓动 而吸入和排除液体的【1 3 j 。器主要优点是被输送液体在泵缸内被隔膜隔开，从而消除了 往复运动结构上的液体泄漏。同时隔膜采用了耐磨与耐腐蚀的材料，所以既可以扬送 清水，而且还可以扬送含有固体颗粒的液体，以及一些酸，碱，盐等液体。 本系统由于为方便取出发酵后的成品，应用隔膜泵将发酵蔬菜与发酵液共同抽 出，再进行物液分离。根据系统要求发酵后需抽出的混合液大约为3 吨，用时为1 5 分钟，可以计算得： q 1 ：量：立坠：1 2 坍3 ( 4 3 ) 一。 3 0 2 5 厅 式中a 一盐水液原料罐的流量； k 一菌种液一次抽出的总量； 厶一一次抽出菌种液所用的时间。 选用深圳索耐泵业有限公司的q b y - 5 气动隔膜泵，它采用压缩空气为动力源，对 于各种腐蚀性液体，带颗粒的液体，高粘度、易挥发、易燃、剧毒的液体，均能予以 抽光吸尽，其性能参数如表4 2 所示： 表4 - 2 y 性能参数 t a b l e4 2p a r 锄e t e r so fq b y 4 3 传感器的选型 4 3 1 传感器选型原则 信号采集做为过程控制系统的前端在整个系统中起着重要的作用，传感器选择的 好坏直接关系到整个系统的成功与失败【1 4 1 。 为了对控制系统中的相关参数进行精确测量，一般说来，传感器的选择应当遵循 以下一些原则： 天津科技人学硕： ：学位论文 ( 1 ) 灵敏度：一般讲，灵敏度越高传感器性能就越好，因为灵敏度越高，意味 着传感器所能感知的变化量越小，即被测量存在微小变化时，传感器就有较大输出。 ( 2 ) 精确度：传感器的精确度反映了传感器的检测值和被测对象的实际值之间 的吻合程度，从理论上说，精确度越高实际值与检测值越接近【l 5 。 ( 3 ) 响应特性：在传感器的响应特性的所测频率范围内测得的信号保持不失真。 ( 4 ) 线性范围：传感器有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关 系，线性范围代表着传感器的工作量程【1 6 】。 ( 5 ) 可靠性：工业控传感器一般环境可能比较恶劣，现场干扰较大，而且要求 使用寿命要长，因此，要保证传感器在一定的工作环境内长期可靠的运行，稳定性要 好。 ( 6 ) 其他：在传感器的选择上，除了以上要求以外对于安装方式，是否经济， 维护是否方便和现场是否易于更换部件等等问题也要进行相应的考虑。 4 3 2 温度及其传感器的选型 温度在工业控制中是一个重要的参数，在生产过程中，各个环节都与温度紧密相 连，本节重点温度的测量方式以及相关传感器的选型。 4 3 2 1 温度的测量原理 ( 1 ) 利用金属成半导体电阻与温度的关系，比如铂、铜等金属导体的电阻值随 着温度变化而发生相应的变化，参照这种原理可以做成铂热电阻等【l 刀； ( 2 ) 利用热点效应，当两种不同的金属导体在两个端点被固定时，如果导体本 身温度发生变化，两接点的温差会导致导体两端形成相应的电势差，利用这种原理可 以制作出热电偶温度计； ( 3 ) 利用温度与物体热膨胀的关系，当温度发生变化时无论是固体、液体还是 气体，其体积都将发生改变，利用这种原理，可以制作出诸如双金属温度计、水银温 度计、压力表式温度计等； ( 4 ) 利用物体的辐射能与温度的关系，由于能量与温度存在一定的关系，并且 任何物体都将向周围不断地发射热辐射，利用该原理可以制作出一些非接触式的温度 传感器，如红外测温计，光电高温计等。 4 3 2 2 温度的测量方式 温度传感器主要有接触式和非接触式两大类【1 8 】。所谓接触式就是传感器直接与被 测物体接触并进行温度测量，这是温度测量的基本形式。这种方式的特点是通过接触 方式把被测物体的热量传递给传感器，从而降低了被测物体的温度，当被测物体的热 容量较小时，测量精度较低。当采用这种方式要测物体