制糖过程控制技术实训中心

摘要

本发明提供了一种制糖过程控制技术实训中心，包括糖厂制糖设备模型、糖厂工况模拟系统、糖厂生产全过程自动控制系统、中心控制室，其中糖厂制糖设备模型根据糖厂实际生产设备外形等比例缩小制作，按实际工艺流程进行布置和连接，同时还作为现场仪表安装载体；糖厂工况模拟系统模拟糖厂的实际工况；糖厂生产全过程自动控制系统根据工况模拟信号及各生产车间现场仪表的信号，对糖厂生产的全过程实施自动控制；中心控制室对糖厂各车间各工段的控制系统数据进行集中管理和监控，实现远程生产管理和调度指挥。通过实训中心的训练，可以培养学生较强的实际动手能力，为日后从事糖业或者其他自动化领域相关工作打下坚实基础。

说明书

技术领域

本发明涉及一套实训中心，尤其是一整套面向甘蔗制糖厂制糖过程控制技术的实训教学中心，覆盖制糖工艺过程设备模型、制糖工业自动化仪表、糖厂制糖全过程DCS控制系统、糖厂生产调度指挥系统，属于制糖自动化、信息化实训教学领域。

背景技术

在以往的高等职业教育课程中，工业自动化专业的实训教学主要是学生动手对一些通用类别的现场仪表（如弹簧压力表、压力变送器、温度传感器等）进行简单拆装及调校，并未实现针对某个特定行业的工艺过程进行系统化的动态联机调试。同时，当前的职业教育需要注重实用性和应用性，侧重岗位技能的熟练培养，以满足企业对岗位人员可立即上岗的要求， 实现人才培养与就业岗位“零距离”。

对于广西重要的甘蔗制糖产业而言，目前还没有一整套完备的职业教育课程体系来提供制糖过程控制技术培训服务，造成糖厂已实施的大量自动化系统，大部分缺乏合格技能的岗位人员进行操作和维护。

发明内容

为了解决上述问题，针对广西糖业自动化从业人员技能培训体系缺失，业界必须建立一套基于当前糖厂工艺流程，并且可以多层次、大跨度开展制糖过程控制技术培训的实训系统，包括符合全糖厂工艺流程形态的制糖设备模型，符合当前糖厂现场应用的主流仪表，全厂化的制糖生产全过程DCS系统，符合全厂级信息化要求的生产调度指挥系统。

本发明以按糖厂实际生产设备等比例缩小的设备模型为载体，采用专门应用于糖厂现场的国际主流品牌仪表，利用OPC、MODBUS、PROFIBUS、FTE等现代工业通讯技术，构建以现场总线为主干的高速控制数据网络，采用适应全厂流程控制的高级控制算法模型库，构建全厂级别的糖厂生产全过程DCS系统，形成整套实训教学中心的基础平台，在此平台基础上，采用模拟工况系统完全再现生产流程，为受训人员提供完全符合糖厂生产实况的高真度培训环境。利用无线网络技术（WLAN）、现场总线技术（MODBUS、OPC），构建生产调度指挥系统，实现对糖厂全厂生产数据、视频图像等数字信息的有线或无线实时传输和远程监控。

本发明所采取的具体技术方案如下：  

一种制糖过程控制技术实训中心，其特征是：实训中心包括糖厂制糖设备模型、糖厂工况模拟系统、糖厂生产全过程自动控制系统、中心控制室，其中：

糖厂制糖设备模型根据甘蔗制糖厂实际生产设备外形等比例缩小制作，并按照糖厂压榨、制炼、锅炉三个生产车间的实际制糖工艺流程进行布置和连接，同时设备模型还作为现场仪表的安装载体，从而构成现场实训平台；

糖厂工况模拟系统根据模拟现场的测量点（如温度、压力、流量、转速等）及其测量点的变化范围，并结合糖厂生产过程的实际测量点及其测量点的变化范围，构建信号模拟策略（包括正常信号策略和异常信号策略），根据设置条件来模拟产生与实际工况相似的信号输出，作为实训时的控制系统的信号输入，来模拟糖厂的实际工况，其主要包括现场仪表部分、模拟现场生产情况部分和构建信号模拟策略的功能软件部分；

糖厂生产全过程自动控制系统根据糖厂工艺流程制定，其系统设计和控制参数配置以糖厂实际运行的典型自控系统为依据，根据糖厂工况模拟系统传输来的工况模拟信号及各生产车间现场仪表的信号，对糖厂生产的全过程实施自动控制，其主要包括糖厂压榨车间全过程DCS自动控制系统、糖厂澄清蒸发DCS自动控制系统、成糖DCS自动控制系统、糖厂自备电站DCS自动控制系统；

中心控制室通过糖厂生产调度指挥系统，结合电视墙和监控站，对实训中心的糖厂各车间各工段的控制系统数据进行集中管理和监控，实现远程生产管理和调度指挥，其主要包括电视墙和监控站及功能软件，功能软件包含糖厂生产调度指挥系统服务器软件和糖厂生产调度指挥系统客户端软件。

所述糖厂制糖设备模型按糖厂三个生产车间及制糖工艺流程进行排布，各车间的主要设备和工艺流程关系如下：

压榨车间：1#输蔗带→2#输蔗带→5座压榨机组→混合汁箱；

制炼车间：混合汁箱→一次加热器→硫熏中和器→中和汁箱→二次加热器→沉降池→真空吸滤机→清汁箱→三次加热器→五效蒸发罐→煮糖罐→助晶箱→分蜜机；

锅炉车间：锅炉汽包、烟囱。

所述糖厂工况模拟系统的具体构建包括：

1）、现场仪表部分：为糖厂制糖设备模型配置现场仪表、控制器和配套软件，采用目前工业上实际应用的真实产品，可测量实际信号（如温度、液位、流量等），所有电动阀、气动阀可控制。

2）、模拟现场生产情况部分：以现场设备模型为载体,应用相应的现场仪表，检测和控制各控制点的液位、流量、压力、温度、转速数据，在模型连接管路上安装流量计、控制阀、水泵，在各模型贮箱上安装变送器，实现流量、压力和液位的实际测量和控制；同时，为压榨机模型配套工业驱动电机、变频器、调速器，通过测速器模块，测量实际转速，设计好的控制系统可通过调速器控制电机转速。

3）、构建信号模拟策略的功能软件部分：根据模拟现场的测量点（如温度、压力、流量、转速等）及其测量点的变化范围，并结合糖厂生产过程的实际测量点及其测量点的变化范围，构建信号模拟策略（包括正常信号策略和异常信号策略），专门组态成实训专用的控制系统。系统通过触发信号输出单元，实现周期性变化信号、规律性变化信号、随机性变化信号和可人工设定与调节的变化信号的输出。然后接入糖厂生产全过程自动控制系统的输入接口，运行后让学生直观的了解到系统的正常运行时情况和出现故障时的情况，指导学生对常见异常情况的处理方法。

所述糖厂压榨车间全过程DCS自动控制系统包含的子系统有：糖厂均衡进榨计量自动控制系统、糖厂榨机自动控制系统、糖厂蔗渣秤计量系统、糖厂蔗渣水份计量系统、糖厂渗透水自动控制系统、糖厂压出汁自动控制系统、糖厂混合汁均匀泵送自动控制系统、糖厂榨机轴温监控系统、糖厂榨机自动加油系统、糖厂机械连锁自动控制系统、糖厂预灰自动控制系统、糖厂磷酸自动控制系统、磷酸添加量控制与均衡入榨量关联系统、磷酸自动控制参数调试与均衡入榨系统参数调试联调系统、核子秤自动计量系统。

所述糖厂澄清蒸发DCS自动控制系统包含的子系统有：糖厂混合汁均匀泵送自动控制系统、糖厂一二次加热自动控制系统、糖厂中和自动控制系统、糖厂中和汁均匀泵送自动控制系统、糖厂絮凝剂自动控制系统、糖厂沉降池监控系统、糖厂淸汁均匀泵送自动控制系统、糖厂淸汁加热自动控制系统、糖厂蒸发自动控制系统、糖厂减温减压站自动控制系统、糖厂等压排水自动控制系统、糖厂排氨自动控制系统、糖厂糖浆加热自动控制系统、糖厂糖浆均匀泵送自动控制系统、糖厂糖浆锤度自动计量系统。

所述成糖DCS自动控制系统包含的子系统有：糖厂原料箱锤度自动控制系统、间歇煮糖自动控制系统、糖厂立式连续煮糖自动控制系统、糖厂卧式连续煮糖自动控制系统。

所述糖厂自备电站DCS自动控制系统包含的子系统有：锅炉汽包水位自动控制系统、锅炉蒸汽温度自动控制系统、锅炉燃烧过程自动控制系统、锅炉化水间自动控制系统、锅炉加药自动控制系统、锅炉运行实时监控系统、汽轮机安全监控系统、汽轮机危急遮断系统、汽轮机电液调节系统、汽轮机油泵连锁系统、发电机实时监控系统。

所述中心控制室通过糖厂生产调度指挥系统，结合电视墙和监控站，可以实现的功能包括：

1)、实时数据显示：实时显示压榨、制炼、动力车间各工段监控点参数的数据信息，配置大尺寸液晶电视作为流程画面集中显示；

2)、曲线图显示：实时显示生产现场各段监控点的实时趋势图，和可按时间条件查询历史趋势图;

3)、报警提示：对生产全过程中的监控点所产生的报警信息进行实时提示；

4)、数据统计和存储：对产量数据按周期累计，自动存储到数据库，用户可以根据时间条件进行查询历史数据;

5)、工艺流程显示：软件界面以动画或图形方式，模拟显示生产现场实际的工艺流程；

6)、权限控制：对不同的用户实行不同的权限分配机制，使用不同的用户角色能够操作的功能有所不同；

7)、自动升级：软件产品的更新能够自动通过网络更新软件的最新版本；

8)、远程接入：客户端能够在局域网和广域网远程接入服务器，实时了解生产工况信息和查询历史生产信息。

9)、智能终端支持：安装智能终端（智能手机、平板电脑）客户端软件后，智能终端可通过Internet或3G网络，远端接入服务器，实时了解生产工况信息和查询历史生产信息。

10)、断线重连：对于因网络的中断而造成数据中断的情况，系统会在一定时间内网络恢复正常后自动重新建立连接并进行数据传输；

11)、多厂监视：集团总部能够同时对下属多家糖厂的生产情况进行实时监视。

12)、报表的导出和打印：提供生成的报表导出EXCEL文件和打印功能。

13)、日志管理：系统自动记录系统运行状态，操作人员操作过程，方便管理员进行系统使用情况的跟踪检查。

14)、数据转发：通过授权方式，提供MODBUS数据外发支持，根据需要将数据提供给第三方软件使用。

使用本制糖过程控制技术实训中心的有益效果如下：

通过使用本实训中心进行相应实训项目的学习，受训人员可以达到对整个糖厂的工艺概况了如指掌，对糖厂的工艺指标有深入地了解，为日后从事糖业或者其他自动化领域相关工作打下坚实基础。

本实训中心所配置的现场仪表、控制器和配套软件，均是目前工业上实际应用的真实产品，可测量实际信号，电动阀、气动阀、电机、水泵等设备可控制、可动。配套的控制系统软件以糖厂实际测量、控制点为依据，所做的工况模拟系统完全可视为一个真实的工业控制系统。通过实训中心的训练，可以培养学生较强的实际动手能力，独立思考问题能力，团队沟通以及协作能力。学生在毕业后，起点更高，可直接参与自动化系统的设计工作。

另外使用本实训中心还可以开展以下服务：

(1)、技术培训：能够为甘蔗制糖企业提供技术培训，例如，为糖厂的员工提供现场仪表的安装、维护、自动化控制系统的操作和应用、DCS的应用和组态等，可成为甘蔗制糖企业制糖过程自动化控制技术的培训基地。

(2)、技能鉴定：让学生通过现场操作实践达到各项职业技能的考核要求，为学生提供仪表工、组态工程师、DCS工程师等技能鉴定培训。

(3)、技术服务：为糖业企业开展自动化系统技术培训、自动化系统的设计、开发，制糖工艺流程改进，技术诊断，提供技术信息等技术服务。

(4)、技能大赛：实训中心可以举办制糖过程自动化系统设计技能大赛。

附图说明

图1为制糖过程控制技术实训中心构成图。

图2为制糖过程控制技术实训中心现场布置图(南侧)。

图3为制糖过程控制技术实训中心现场布置图(北侧)。

图4为压榨设备开停机联锁保护控制逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

如图1所示，本制糖过程控制技术实训中心包括糖厂制糖设备模型、糖厂工况模拟系统、糖厂生产全过程自动控制系统、中心控制室， 其中糖厂制糖设备模型根据甘蔗制糖厂实际生产设备外形等比例缩小制作，并按照糖厂压榨、制炼、锅炉三个车间的实际制糖工艺流程进行布置和连接，同时还作为现场仪表安装载体；糖厂工况模拟系统对现场设备模型的各个测量点和控制点的现场仪表实施检测和监控，并根据模拟现场的测量点及其测量点的变化范围，并结合糖厂生产过程的实际测量点及其测量点的变化范围，构建信号模拟策略，根据设置条件来模拟产生与实际工况相似的信号输出，作为实训时的控制系统的信号输入，来模拟糖厂的实际工况；糖厂生产全过程自动控制系统根据糖厂工艺流程制定，其系统设计和控制参数配置以糖厂实际运行的典型自控系统为依据，根据糖厂工况模拟系统传输来的工况模拟信号及各生产车间现场仪表的信号，对糖厂生产的全过程实施自动控制；中心控制室通过糖厂生产调度指挥系统，结合电视墙和监控站，对实训中心的糖厂各车间各工段的控制系统数据进行集中管理和监控，实现远程生产管理和调度指挥。

图2和图3为本实训中心的现场布置图，实训中心的糖厂制糖设备模型分南北两侧布置，其中压榨车间位于南侧一层，制炼车间位于南侧二层和北侧一、二两层，锅炉车间位于压榨车间和制炼车间的东侧，三个生产车间按糖厂实际制糖工艺流程进行布置和连接，各车间的主要设备和工艺流程关系如下：

压榨车间：1#输蔗带（上有1#撕解机、2#号撕解机）→2#输蔗带（上有3#撕解机）→5座压榨机组（含高位槽、渗透水箱）→混合汁箱；

制炼车间：混合汁箱→一次加热器→硫熏中和器→中和汁箱→二次加热器→沉降池→真空吸滤机→清汁箱→三次加热器→五效蒸发罐（含等压排水罐）→煮糖罐→助晶箱→分蜜机；

锅炉车间：锅炉汽包、烟囱。

糖厂工况模拟系统和糖厂生产全过程自动控制系统位于三个生产车间的南侧，糖厂工况模拟系统包括现场仪表部分、模拟现场生产情况部分和构建信号模拟策略的功能软件部分，其中现场仪表部分对应安装在三个车间的相应设备模型上；模拟现场生产情况部分连接各个现场仪表并对生产情况进行模拟，构建信号模拟策略的功能软件部分将根据模拟现场生产的境况构建信号模拟策略，并生成相应的输出信号传输至糖厂生产全过程自动控制系统；糖厂生产全过程自动控制系统根据糖厂工艺流程制定，根据糖厂工况模拟系统传送的信号对三个生产车间内的各生产流程实施自动控制。糖厂工况模拟系统和糖厂生产全过程自动控制系统和三个生产车间设备的连接关系在图2和图3未具体画出。

中心控制室位于三个生产车间的一侧，通过糖厂生产调度指挥系统，配合液晶电视构成的电视墙，对实训中心的糖厂各车间各工段的控制系统数据进行集中管理和监控，实现远程生产管理和调度指挥。 

本实训中心相应配套的实训课程项目涵盖了糖厂过程控制技术基础内容，课程中所制定的作业流程均依据当前糖厂运行的各岗位操作规程，完全符合业界岗位操作规范。同时，以各个车间为项目单元设置综合实训项目，该类综合实训以具体实施的工程项目为背景，实训内容具体渗透到项目周期的各个环节，既加深了学生对工程项目运作的宏观理解，又锻炼了学生对项目实施中每个具体细节的实操水平；另外，系统实训中对高级控制技术的运用，让学生掌握部分前沿理论与实践结合的能力，为一部分优秀学生后期进入更高一级院校深造打下基础。

本实训中心可开展的实训项目包括：

1)、均衡进榨计量及自动控制系统调试实训；

2)、压榨车间机械设备联锁控制系统设计、安装、调试实训；

3)、料位传感器安装调试实训；

4)、渗透水箱液位、温度自动控制系统设计、安装、调试实训；

5)、压榨车间自动控制系统综合设计、安装、调试实训；

6)、温度传感器(热电阻)安装、接线 、调试实训；

7)、温度传感器(热电阻)校验、温度变送器参数设置实训；

8)、中和汁加热温度自动控制方案设计实训；

9)、现场变送器安装、接线 、调试实训；

10)、现场变送器校验实训；

11)、变频器参数设置实训；

12)、清汁自动控制方案设计实训；

13)、制炼车间自动控制系统综合设计、安装、调试实训；

14)、锅炉汽包水位现场变送器安装、接线、调试实训；

15)、汽包弹簧管压力表校验、安装实训；

16)、锅炉汽包水位自动控制系统综合设计、安装、调试实训；

17)、锅炉过热蒸汽温度自动控制系统综合设计、安装、调试实训；

18)、锅炉车间自动控制系统综合设计、安装、调试实训。

综合实训：

1）、压榨车间自动控制系统综合设计、安装、调试实训；

2）、制炼车间自动控制系统综合设计、安装、调试实训；

3）、锅炉车间自动控制系统综合设计、安装、调试实训；

4）、现场仪表校验、安装、接线 、调试实训。

下面以实训项目“压榨车间机械设备联锁控制系统设计、安装、调试实训”为例，对本实训中心的应用作进一步说明。

受训人员先通过认知压榨车间的现场工艺模型，充分了解到压榨车间主要工艺流程特点及运行要求，即众多机械设备按照单列式分布，形成一条流水式作业线。为避免因线上某个设备故障或人为开机过失引起甘蔗原料大面积堆堵，需要按照生产流向逆序实现自动开停机联锁保护控制。

根据运行要求，受训人员结合过程控制技术的基本设计原则，作原理性分析与原型化设计，制定具体控制策略及设计原理图，即压榨设备联锁启停逻辑框图，如图4所示。

具体控制策略分为开机与停机联锁保护控制，开机联锁保护控制保证各类机械设备按照运行规程安全启动，停机联锁保护控制对设备序列中的意外故障停机作出及时响应，避免了故障造成的危害扩大。

1．开机联锁保护控制

按照开机原则：先开动转动设备，再开动输送设备，

转动设备开机顺序为：1#—3#撕解机，1#—5#压榨机；

输送设备开机顺序为：输渣带，4#—1#耙齿机，高速带，2#—1#输蔗带。

2．停机联锁保护控制

如其中任一设备故障停机，则故障设备之前的输送设备自动联锁停机。例如，2#压榨机故障停机，则1#耙齿机，高速带，2#—1#输蔗带自动联锁停机，其他设备仍正常运行。

在以上原型化设计基础上，受训人员就可以对控制策略进行程序化实现，即开停机联锁保护控制的上下位机程序设计。完成程序设计及程序下装，都将在糖厂生产全过程自动控制系统平台上的工程师站开展。

完成程序化实现后，受训人员即可对各个可组态控制的设备进行设备联调：人员将按照糖厂设备操作规程，通过糖厂工况模拟系统与现场设备模型对糖厂生产工艺进行动态构建；在糖厂生产全过程自动控制系统上，完成对可组态控制的设备执行控制程序；再由糖厂工况模拟系统模拟停机故障，此时，可观察到现场控制设备是否正确响应，来验证控制程序的正确性。