計算機集散控制系統(tǒng)在葡萄糖過程中的應(yīng)用

1、 計算機集散控制系統(tǒng)在葡萄糖過程中的應(yīng)用 摘 要：本文介紹了集散系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，功能特性及其優(yōu)點，并簡述了該系統(tǒng)運用到葡萄糖生產(chǎn)中時計算機的軟、硬件是如何設(shè)計，實施。在葡萄糖生產(chǎn)的實際過程中該系統(tǒng)是如何實現(xiàn)復(fù)雜的葡萄糖生產(chǎn)工藝和替代幾十年的人工操作，而顯示出計算機的強大優(yōu)越性。關(guān)鍵詞：集散控制 專家智能控制系統(tǒng) 葡萄糖生產(chǎn)一、 前言現(xiàn)代葡萄糖的生產(chǎn)工藝包括下列主要過程：酶 酶淀粉乳液化糖化過濾離子交換蒸發(fā)結(jié)晶分離干燥包裝此過程是一個較為復(fù)雜的連續(xù)的化學(xué)反應(yīng)和物理變化的綜合過程，參與或影響生產(chǎn)過程的有多種酶、本、堿、鹽，反應(yīng)時間、PH值、溫度、壓力等因素。生產(chǎn)過程中物料的純度和濃度在不斷地變化，制糖

2、的工藝條件如真空度、蒸汽壓力、PH值等經(jīng)常波動，這些因素都直接影響上述制糖的各個環(huán)節(jié)。在葡萄糖生產(chǎn)過程中，糖化、離子交換、結(jié)晶等過程中相當復(fù)雜的，用簡單的控制手段或人工手動控制是難以達到要求的。從另一方看，葡萄在我國的生產(chǎn)歷史已有幾十年，有關(guān)專家和操作人員對糖化、離子交換、蒸發(fā)、結(jié)晶過程和控制策略，及對于上述過程中的各種情況的判斷和處理都有相當豐富的知識和經(jīng)驗?；谏鲜隹紤]我們采用基于知識而不是基于數(shù)學(xué)模型的專家智能控制系統(tǒng)對葡萄糖的結(jié)晶過程進行控制。二、集散控制系統(tǒng)DCS，即所謂的分布式控制系統(tǒng)，或在有些資料中稱之為集散系統(tǒng)，是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計算機控制系統(tǒng)，它是在集中式控

3、制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來的。在系統(tǒng)功能方面，DCS和集中式控制系統(tǒng)的區(qū)別不大，但在系統(tǒng)功能的實現(xiàn)方法上卻完全不同。首先，DCS的骨架系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，它是DCS的基礎(chǔ)和核心。由于網(wǎng)絡(luò)對于DCS整個系統(tǒng)的實時性、可靠性和擴充性，起著決定性的作用，因此各廠家都在這方面進行了精心的設(shè)計。對于DCS的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)來說，它必須滿足實時性的要求，即在確定的時間限度內(nèi)完成信息的傳送。這里所說的“確定”的時間限度，是指在無論何種情況下，信息傳送都能在這個時間限度內(nèi)完成，而這個時間限度則是根據(jù)被控制過程的實時性要求確定的。因此，衡量系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)性能的指標并不是網(wǎng)絡(luò)的速率，即通常所說的每秒比特數(shù)（bps），而是系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實時

4、性，即能在多長的時間內(nèi)確保所需信息的傳輸完成。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)還必須非?？煽?，無論在任何情況下，網(wǎng)絡(luò)通信都不能中斷，因此多數(shù)廠家的DCS均采用雙總線、環(huán)形或雙重星形的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。為了滿足系統(tǒng)擴充性的要求，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)上可接入的最大節(jié)點數(shù)量應(yīng)比實際使用的節(jié)點數(shù)量大若干倍。這樣，一方面可以隨時增加新的節(jié)點，另一方面也可以使系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)運行于較輕的通信負荷狀態(tài)，以確保系統(tǒng)的實時性和可靠性。在系統(tǒng)實際運行過程中，各個節(jié)點的上網(wǎng)和下網(wǎng)是隨時可能發(fā)生的，特別是操作員站，這樣，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)會經(jīng)常進行，而這種操作絕對不能影響系統(tǒng)的正常運行，因此，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有很強在線網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)功能。其次，這是一種完全對現(xiàn)場I/O處理并實現(xiàn)直

5、接數(shù)字控制（DOS）功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。一般一套DCS中要設(shè)置現(xiàn)場I/O控制站，用以分擔整個系統(tǒng)的I/O和控制功能。這樣既可以避免由于一個站點失效造成整個系統(tǒng)的失效，提高系統(tǒng)可靠性，也可以使各站點分擔數(shù)據(jù)采集和控制功能，有利于提高整個系統(tǒng)的性能。DCS的操作員站是處理一切與運行操作有關(guān)的人機界面（HMI-Human Machine Interface或operator interface）功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是DCS的工程師站，它是對DCS進行離線的配置、組態(tài)工作和在線的系統(tǒng)監(jiān)督、控制、維護的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其主要功能是提供對DCS進行組態(tài)，配置工作的工具軟件（即組態(tài)軟件），并在DCS在線運行時實時

6、地監(jiān)視DCS網(wǎng)絡(luò)上各個節(jié)點的運行情況，使系統(tǒng)工程師可以通過工程師站及時調(diào)整系統(tǒng)配置及一些系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，使DCS隨時處在最佳的工作狀態(tài)之下。與集中式控制系統(tǒng)不同，所有的DCS都要求有系統(tǒng)組態(tài)功能，可以說，沒有系統(tǒng)組態(tài)功能的系統(tǒng)就不能稱其為DCS。DCS自1975年問世以來，已經(jīng)經(jīng)歷了二十多年的發(fā)展歷程。在這二十多年中，DCS雖然在系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)上沒有發(fā)生重大改變，但是經(jīng)過不斷的發(fā)展和完善，其功能和性能都得到了巨大的提高?？偟膩碚f，DCS正在向著更加開放，更加標準化，更加產(chǎn)品化的方向發(fā)展。作為生產(chǎn)過程自動化領(lǐng)域的計算機控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的DCS僅僅是一個狹義的概念。如果以為DCS只是生產(chǎn)過程的自動化

7、系統(tǒng)，那就會引出錯誤的結(jié)論，因為現(xiàn)在的計算機控制系統(tǒng)的含義已被大大擴展了，它不僅包括過去DCS中所包含的各種內(nèi)容，還向下深入到了現(xiàn)場的每臺測量設(shè)備、執(zhí)行機構(gòu)，向上發(fā)展到了生產(chǎn)管理，企業(yè)經(jīng)營的方方面面。傳統(tǒng)意義上的DCS現(xiàn)在僅僅是指生產(chǎn)過程控制這一部分的自動化，而工業(yè)自動化系統(tǒng)的概念，則應(yīng)定位到企業(yè)全面解決方案，即total solution的層次。只有從這個角度上提出問題并解決問題，才能使計算機自動化真正起到其應(yīng)有的作用。進入九十年代以后，計算機技術(shù)突飛猛進，更多新的技術(shù)被應(yīng)用到了DCS之中。PLC是一種針對順序邏輯控制發(fā)展起來的電子設(shè)備，它主要用于代替不靈活而且笨重的繼電器邏輯。現(xiàn)場總線技術(shù)

8、在進入九十年代中期以后發(fā)展十分迅猛，以至于有些人已做出預(yù)測：基于現(xiàn)場總線的FCS將取代DCS成為控制系統(tǒng)的主角。三、集散系統(tǒng)的應(yīng)用1、基于集散系統(tǒng)的諸多優(yōu)勢，葡萄糖生產(chǎn)的控制中，我們采用了它。并設(shè)計出以下系統(tǒng)架構(gòu)：系統(tǒng)由輸入輸出端子。I/O控制卡，UOC1UOC5（單元控制中心），工程師站及操作臺構(gòu)成。I/O控制卡起到現(xiàn)場與UOC信號互傳的作用，根據(jù)不同的工段，分別由相對獨立的UOC進行控制，如UOC1控制液化、糖化段，不同的UOC間通過同軸電纜，由軟件控制實現(xiàn)信息交流，因UOC4控制的工段為核心工段，若出現(xiàn)故障會造成嚴重事故。系統(tǒng)在此采用雙冗余方式及由兩個內(nèi)裝軟件相同的UOC4、UOC5互為

9、備份，處于熱冗余狀態(tài)，一個出故障另一個會自動投入行使控制功能。系統(tǒng)的管理核心在于工程師工作站，采用工業(yè)小型計算機負責系統(tǒng)軟件組態(tài)、故障診斷、控制畫面編輯，軟件下裝功能。操作臺則作為系統(tǒng)操作接口，為操作員顯示工藝畫面及狀態(tài)，并接受操作員對工藝控制的改變。由上可見系統(tǒng)充分體現(xiàn)了集散系統(tǒng)“控制相對集中，危險相對分散”的特點。2、系統(tǒng)硬件組成及軟件包（1）硬件簡介系統(tǒng)輸入輸出端子板采用的集散控制系統(tǒng)專用端子板，采用了光電隔高技術(shù)具有較高的可靠性，結(jié)合相應(yīng)的輸入輸出模塊適用于各III型以上儀表及器。I/O控制卡的作用是將端子信號轉(zhuǎn)換成標準數(shù)據(jù)信號（采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器），同時，也將控制指令信號傳遞給端子板。同

10、樣根據(jù)不同的故障等級，IO卡也根據(jù)一定的比例作冗余設(shè)計。UOC單元包括幾個組成部分即：A：MPU（MICROPROCESS UNIT 微處理器）實現(xiàn)軟件運行，數(shù)據(jù)處理，PID控制等功能。B:CIA(COMMUNCATIN INTERFACE ASSEMBLG)通信接口，完成UOC與通訊數(shù)據(jù)總線的信息交換。C：IO DRIVE CARD （輸入輸出驅(qū)動卡，控制輸入輸出信號傳遞，工程師操作站測驗操作臺硬件類同于計算機。（2）系統(tǒng)軟件包系統(tǒng)軟件包括控制組態(tài)軟件、歷史數(shù)據(jù)庫、圖形組態(tài)軟件趨勢軟件，專家控制系統(tǒng)軟件上們機與系統(tǒng)接口的軟件包（CHIP）等?？刂平M態(tài)軟件采用的是FISHER標準指令集及語言可

11、實現(xiàn)PID控制、直接邏輯控制、順序控制、批處理、專家智能控制等。FISHER控制器，指令豐富，為用戶提供了一個廣闊的應(yīng)用天地，可根據(jù)實際工藝流程選用適當?shù)慕M態(tài)軟件，系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫軟件為保留記錄工藝參數(shù)提供極好的手段，經(jīng)過組態(tài)后系統(tǒng)可自動記錄選定的工藝數(shù)值，最長可保留一年時間，真正實現(xiàn)“無紙記錄”（根據(jù)需要，記錄數(shù)據(jù)可打印輸出），同樣，系統(tǒng)還是提供了趨勢圖功能軟件，用戶可針對關(guān)鍵工藝參數(shù)或臨時參數(shù)建立趨勢圖表進行圖表分析（趨勢圖同樣適用于離散量如：閥門、開關(guān)），這可以幫助操作員查找，判斷工藝事故原因；圖形組態(tài)軟件，則可以建立動態(tài)模擬工藝畫面，對全部工藝流程進行監(jiān)控。專家控制系統(tǒng)主要由以下幾個部

12、分組成：專家程序庫、數(shù)據(jù)庫和工作存儲器、推理機制和人機接口。專家程序庫中存放著產(chǎn)生式規(guī)則程序，它是專家控制系統(tǒng)的知識庫。規(guī)則程序由領(lǐng)域?qū)＜业闹R和操作人員的經(jīng)驗總結(jié)歸納而來。規(guī)則程序在程序庫內(nèi)按規(guī)則程序序號有序存放。數(shù)據(jù)庫存放有關(guān)結(jié)晶工段和晶種補料的參數(shù)，有關(guān)溫充控制過程的數(shù)據(jù)操作的界限、報警閥值等。工作存儲器不需要長期保存的動態(tài)數(shù)據(jù)和中間結(jié)果等。推理機制主要是控制規(guī)則程序庫中的規(guī)則程序的選擇和使用，根據(jù)當前的和歷史的數(shù)據(jù)匹配規(guī)則程序庫中的規(guī)則程序，從而得出當前的補料量和溫度變化。人機接口有兩類功能，一是支持系統(tǒng)擴展，包括規(guī)則程序的編輯及數(shù)據(jù)庫的修改等；另一功能為運行用戶接口、用戶監(jiān)視系統(tǒng)，輸

13、入離線分析的過程狀態(tài)數(shù)據(jù)等。四、應(yīng)用簡介正如前所述，葡萄糖生產(chǎn)不僅是個連續(xù)化的化學(xué)過程，同時包含了一定的批量概念（如每批料要放置糖化40小時才進入下一流程），同時，某些工藝卻是物理過程（如蒸發(fā)、過濾）對控制系統(tǒng)要求控制功能廣泛，而DCS正迎合了這種需求。一些常用功能，如PID反饋控制，開環(huán)控制等。1、DCS在離子交換工段的應(yīng)用離交工段是葡萄糖生產(chǎn)的一個關(guān)鍵工段，經(jīng)過液化、糖化的葡萄糖溶液在此進行離子交換，去除其中的無機物離子，其效果如何直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時該過程也是個間歇過程。一批母液進行離子交換柱后要經(jīng)過 “上甜水”、“正洗”、“反洗”、“再生”等階段，停留若干時間以達到一定的電導(dǎo)率，再進

14、入陰柱去除陰離子，為保證產(chǎn)量，采用了四套離子交換器，即同一時間四套離子交換器分別進行不同的操作，而每一步驟需同時開、關(guān)上百個閥門，最多一秒內(nèi)有幾十個閥門動作，這些閥門開、關(guān)是遵守一定的規(guī)則，有序的進行，可以想像這樣的操作是人工無法達到的，系統(tǒng)通過程序控制電磁閥，實現(xiàn)了這一控制，軟件融入了順序控制、批處理、邏輯控制，通過順序控制實現(xiàn)不同離子交換器的分配，通過批處理同時操作若干閥門協(xié)同，通過邏輯控制實現(xiàn)整個離交工段的邏輯聯(lián)鎖。2、結(jié)晶工段的應(yīng)用結(jié)晶工藝也是葡萄糖生產(chǎn)的核心，晶型的好壞，降溫時間都直接決定成晶質(zhì)量，從工藝角度講結(jié)晶過程也是一個較緩慢，較難控制的過程，尤其是無水葡萄糖的生產(chǎn)結(jié)晶過程要求每小時降低1，本系統(tǒng)完善的PID控制功能保證了溫度控制的精確，同時引入了專家智能控制系統(tǒng)軟件，預(yù)先編制好的軟件適用于每一個結(jié)晶器，而對每一個結(jié)晶器，操作員可以根據(jù)需要選擇人工自動、降溫或是閑置，自動控制下系統(tǒng)將根據(jù)操作臺上輸入的降溫輻度，自行計算出降溫間隔進行程序降溫。3、容錯特性值得一提的是DCS的容錯特性特別有利于葡萄糖生產(chǎn)，葡萄糖生產(chǎn)過程中如遇