基于DCS的糖厂提汁工段的计算机监控系统设计.docx
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基于DCS的糖厂提汁工段的计算机监控系统设计
摘要
本课题是对糖厂提汁工段做一个基于DCS的计算机监控系统设计，其核心控制装置采用集散控制系统对提汁工段进行监控。
该设计方案基本达到工程设计阶段的要求。
提汁工段是糖厂生产工艺流程的起始工段，它关系到糖厂的物料消耗、生产效率以及产量等。
提汁工段的目的是把甘蔗破碎后将蔗汁提取出来，然后再送去澄清工段进行处理。
本设计根据提汁工段生产工艺要求，提出基于DCS的计算机监控系统设计方案。
包括为该工段渗透水的温度、流量和压榨机的压力等变量选择合适的自动化检测仪表，以及采用单回路简单控制系统。
控制装置则选用北京和利时公司的smartpromacs系统。
对该工段进行硬件配置，并设计了DCS控制室。
此外，本设计用AutoCAD绘制了管道仪表流程图、仪表回路图。
关键词：
糖厂提汁工段工程设计自动化仪表DCS
Abstract
ThearticleismainlyaboutthecomputermonitoringsystemdesignofextractsyrupbasedonDCSinsugarrefinery.Thekernelcontroldeviceisdistributedcontrolsystem（DCS）.Thisdesigncanachievetherequirementsoffoundationengineeringdesign.
Putjuicesectioninsugarproductionprocessisthestartingsteps,itrelatestotheconsumptionofsugarmaterials,productionefficiencyandyield.Thepurposeistoprovidejuicesectioninthesugarcanejuiceisextractedaftercrushing,andthensenttoclarifythesectioninprocessing.
Accordingtotherequirementsofextractsyrupprocesstechnology.Thisdesignschemeisproposed.Includingthesectionininfiltrationofwatertemperature,flowandpressurepressmachineautomaticvariableselectionofsuitabletestinginstruments,andasimplesingleloopcontrolsystem.ControldevicesisSmartPro-macsDCSmadebyHollySysCo.,LtdinBeijing.
,Thesectioninthehardwareconfiguration,anddesignaDCScontrolroom.
Inaddition,thedesignofthepipelineinstrumentationwithAutoCADdrawingflowcharts,instrumentloopdiagram。
Keywords:
SugarrefineryExtractSyrupEngineeringdesign
AutomaticInstrumentSmartPro-macs
前言
食糖是天然甜味剂，是人们日常生活的必需品，同时也是饮料、糖果、制药等含糖食品中不可或缺的原料。
我国目前用于制糖的原料主要有甘蔗和甜菜。
甘蔗制糖多在我国的南方，而甜菜制糖多在我国北方。
就总体来说我国的糖厂规模小、能耗高，自动化水平和劳动生产率低；综合利用规模小、多数技术水平较低、污染严重；制糖过程中大型、高效蒸发和煮糖工段的装备和自控装备的差距更大，有些技术装备仅相当于国外五六十年代水平。
所以我国糖厂有一个非常大的提升空间。
要解决上述问题首先就要提高糖厂的自动化水平。
而要提高自动化水平，在过程控制方面使用DCS已是一个主流。
因此为了扩大企业规模，提高生产效率，减少污染。
对制糖的各个工段选择合适的检测方案和仪表，采用合适控制系统。
为此，运用所学知识设计一个基于DCS的提汁工段的计算机监控系统。
其中包括以下几个方面：
1.：
熟悉提汁工段的生产工艺流程。
2：
制定本工段的自动控制方案，绘制管道仪表流程图。
3：
选择检测仪表，连接系统，绘制仪表回路图。
第一章提汁工段的工艺流程
1.1提汁工段流程
1.1.1压榨法提汁
从甘蔗中提取蔗汁主要有压榨法和渗出法两种方法。
压榨法是对甘蔗通过预处理和压榨设备与渗浸系统相配合提取蔗汁的方法。
渗出法是甘蔗经预处理破碎，通过渗出设备和采用一定的流汁系统，蔗料经水和稀糖汁淋渗，使甘蔗糖分不断被浸沥而洗出的方法。
目前来说，糖厂提汁工段绝大部分都是采用压榨法【1】□。
用木棍或石辊压榨甘蔗来提取蔗汁的方法，在我国已有二千多年的历史，明代宋应星的《天工开物》有详尽的记载。
近代则改用铁棍或多辊压榨，其生产能力已经大大提高。
压榨法提汁又可分为干式压榨和湿式压榨两种。
干式压榨就是在压榨过程中不断加水或稀汁，只用辊子加压将蔗汁压出。
此法提汁效率低，已不再使用。
湿式压榨就是在压榨过程中加入渗透水或稀汁与蔗渣中再进行压榨。
把蔗渣中的残余糖分更多的提取出来。
压榨提汁原理主要是将甘蔗斩切成丝状与片状的蔗料，入压榨机，使充满蔗汁的甘蔗细胞的细胞壁受到压榨机辊和油压的压力而破裂，蔗料被压缩，细胞被压扁的同时排出蔗汁；借助于渗浸系统将从压榨机排出、开始膨胀的蔗渣进行加水或稀汁渗浸，以稀释细胞内的糖分，提取更多的蔗汁。
1.1.2压榨法的生产流程
甘蔗在压榨前预先进行破碎，为下一压榨工序做准备称为预处理。
亦称榨前处理。
其目的是将甘蔗破碎，是甘蔗的组织破坏，纤维散解，细胞破裂，使压榨时能提高压榨量和抽出率。
预处理目前多采用斩切、撕裂、和压碎三种方法【2】。
压榨法一般的生产流程。
甘蔗先是经过预处理后相继通过几座三辊压榨机被多次压榨。
在蔗料进入末座压榨机之前加水渗浸。
加入的水称渗浸水，一般用量为甘蔗量的15～25％。
从末座榨出的汁称末座榨出汁，它随即被泵入前一座压榨机作为渗浸液，渗浸进入该座压榨机的蔗料，所榨出的稀汁再作前一座压榨机的渗浸液，如此直至第二座压榨机，这就是糖厂普遍使用的复式渗浸法。
由第一座及第二座压榨机压出的汁合并成混合汁，送清净处理。
从末座压榨机排出的蔗料称为蔗渣。
蔗渣中水分为45～50％，糖分1～4％，纤维分45～52％，可溶性固体物1.5～6％。
蔗渣送锅炉作燃料，或另作其他工业原料。
衡量提汁方法的提糖效率用糖分抽出率，其定义为从甘蔗中已被提取的蔗糖对甘蔗中蔗糖的质量百分数。
甘蔗糖厂糖分抽出率在92%～97％之间。
图2-1提汁工段的工艺流程
1.2提汁工段的意义及分析
提汁工段操作的目的是在安全运转的基础上达到最高的生产能力和抽出率，而在有计划的生产中，则要求在稳定压榨量的基础上提高抽出率和保证生产安全。
提汁工段是整个糖厂生产的基础，后续工段都是以它为前提的。
提汁工段的生产效能直接影响到整个糖厂的生产。
提汁工段的抽出率是一个很重要的生产指标，抽出率是指通过压榨取得的糖分对甘蔗所含糖分的重量的百分率。
抽出率越高则意味着从甘蔗中抽出了更多的糖分。
而抽出了越多的糖分则意味着可以生产更多的糖。
为了能够在提汁工段有一个高的抽出率，就需要对该工段进行一个分析来确定控制参量并进行检测和控制。
提汁工段的控制系统其实可以分为两个系统：
压榨控制系统和渗透水控制系统。
压榨系统最主要的控制要领就是要均衡。
实现输蔗均匀、机械转速均匀。
因此需要对转速进行检测和控制。
渗透水系统是和压榨系统有关联的，是服务于压榨的，所以也要均衡，实现渗透水的均匀渗透。
为达到目标需要对渗透水的温度、流量和液位进行检测和控制。
1.3提汁工段的技术条件
1.3.1压榨设备
压榨提汁主要设备包括切蔗机、压榨机及其驱动装置、渗浸系统及相应的输送设备。
切蔗机由蔗刀及驱动装置组成。
压榨机由3个辊子及机架构成。
三辊压榨机的辊被装嵌成三角形，视其所处位置分别称为顶辊、前辊和后辊。
顶辊与前、后辊间有一定的间隙。
3个辊的轴端带有传动齿，由原动机如电动机、汽轮机或蒸汽机经减速装置驱动顶辊,从而使3个榨辊以相同的速度转动。
1.3.2压榨设备的组合
压榨工段的目的是要达到计划要求的压榨能力和压榨效率，同时要考虑节省钢材和动力消耗。
压榨设备组合是实现压榨工段目的的重要手段，主要由预处理设备和多重压榨机组成。
预处理设备的作用是要具备一定的破碎能力，使甘蔗通过后达到所要求的破碎度，多重压榨机的作用是使甘蔗多次的压榨和渗透，已保证达到要求的压榨量和抽出率。
但在整套机组间又是互相联系的，如预处理较好，甘蔗的破碎度高，有利于提高压榨效能，则可以考虑减少压榨的次数，即缩减压榨机的台数。
反之，压榨机的台数较多时，甘蔗经多重压榨也提高了甘蔗的破碎度，那就对预处理的设备的要求可适当降低了。
压榨设备的组合可以根据不同情况和要求，定出各种不同的组合系统。
设备的组合并不是固定不变的，它随着各项设备的改进，而出现新的不同的组合，如两辊式压榨机曾经被广泛采用过，而现在已经被三辊式压榨机所取代。
1.3.3选择设备组合系统及原则
在选择一个压榨设备组合的方案前，要充分了解每项设备的类型，性能和优缺点，掌握各项设备的相互关系，应当如何组合起来才能更好的发挥它们的最大效能，并列出各种可行的方案，细致的加以比较，然后确定设备组合。
在进行比较时，要从以下几个方面来考虑。
（1）国家当前的工业建设方针和技术经济政策是选择方案时的首要原则，如方案中设备的多少，设备的类型，精度的要求等均应根据国家当时的技术水平予以充分研究，生产规模的大小，能源的供应等也要考虑。
一个合理的方案是要符合多、快、好、省的建设方针。
（2）在技术方面要达到压榨的质量要求，既能保证甘蔗的压榨量，同时也要取得一定的抽出率。
在设备的制造，安装，操作，维修方面要求简单容易。
（3）在经济方面，要求设备的购置费要廉价，运转时所需的动力费用和管理费用要省。
除从上述三个主要原则来考虑压榨设备组合方案外，同时还应注意发挥人的主观能动性，即在决定设备的同时最好能考虑到使用该组设备的合理操作方法，使该组设备能发挥最大的效能。
第二章控制方案
水运或者陆运到厂的甘蔗，经称重后由卸蔗台倾入甘蔗输送机，经切蔗机斩切，使甘蔗破碎后，送入压榨机组进行压榨和反复渗透。
压榨提汁工段的主要目的是将甘蔗所含的糖分经压榨后提取出来，再送给其他工段进行进一步加工制成我们常见到的糖。
2.1提汁工段的工艺要求
在传统的压榨生产中，下蔗量是靠有经验的操作人员人工控制。
这就很难保证稳定的控制压榨生产过程。
为了保障蔗料的通畅，输送机往往都是全速运行，这也导致甘蔗的抽出率低。
并且渗透水泵没有调速，渗透水的流量和温度等无法检测和控制。
这些都造成了一定程度的浪费，也降低了生产效率。
为了提高生产过程的自动化水平，我们采用DCS系统对其进行升级改造主要实现以下几个控制要求：
（1）实现压榨机的转速自动调节，实行均衡压榨、提高压榨抽出率。
（2）输送机的速度自动控制，实行均衡输蔗，稳定进蔗量。
（3）实现甘蔗进料量和渗透水加入量的自动调节和水温控制，实现高效渗透。
采用高位槽检测技术及相关检测元件检测真实料位，测量精度高、平滑、稳定，响应快，抗干扰能力强。
连续平滑地检测出料位真实高度，根据实际料位高度对榨机进行精确控制。
对输蔗机控制系统采用两台γ射线核子秤，同时检测1#、2#输蔗带上的甘蔗流量，综合考虑1#、2#、3#撕解机和榨机的负荷，主要控制1#、2#输蔗带的运行速度，实现了榨量基本恒定。
2.2控制方案确定
压榨提汁工段主要是要对渗透水的温度、流量、液位进行测控。
现将其相应的测控点列表如下：
表2-1提汁工段测控点一览表
序号
工位号
用途
测量范围
1
FFIC-101
渗透水流量控制
0~400m³/h
2
FFIQ-102
甘蔗料量检测
3
TIC-101
渗透水温度控制
0~100℃
4
LIC-101
渗透水箱液位控制
0~10m
FIC-101渗透水流量控制是通过检测到的甘蔗料量进行控制渗透水的流量，渗透水的流量约为甘蔗料量的20~25%；TIC-101渗透水温度控制系统是通过检测渗透水箱出口的温度然后去调节进水的冷水和热水的比例来控制渗透水的温度；LTC-101渗透水箱液位控制系统则通过检测渗透水的液位来调节进水阀的开度来控制液位。
根据上述要求拟采用比值控制系统对渗透水的流量进行控制，采用简单控制系统对渗透水箱的液位和渗透水的温度进行控制。
2.3所用控制系统简介
一、简单控制系统：
简单控制系统，通常是指由一个测量元件、变送器、一个控制器、一个控制阀和一个对象所构成的单闭环控制系统，因此也称为单回路控制系统。
简单控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少，投资低，操作维护也比较方便，而且在一般情况下，都能满足控制质量的要求。
因此，这种控制系统在工业生产过程中得到了广泛的应用。
据某大型化肥厂统计【3】，简单控制系统约占控制系统总数的85％左右。
它适应与被控对象滞后时间较小，负荷和干扰变化不大，工艺对控制质量要求不高的场合。
现对FIC-101流量控制系统进行简单的一个介绍，如图2-2所示为系统的组成示意图：
（一）系统组成部分
被控对象：
渗透水箱
被控变量：
渗透水箱的液位
操纵变量：
冷热水的流量
现场仪表：
电容物位计，管道的调节阀
控制器：
DCS
（二）调节原理：
当渗透水箱的液位超过最高安全限位或者低于最小安全限位时，液位传感器输出的的信号将减小或增大，该信号与给定值进行比较输送给调节器，经过调节器运算后（PI）送出信号去改变热水调节阀的阀门开度，使液位维持在一个范围内。
因为是以热水流量为主要调控变量。
图2-2渗透水液位控制系统
二、比值控制系统
比值控制系统是控制两个物流流量比值的控制系统，它是按功能命名的复杂控制系统，在比值控制系统中，一个物流流量需要跟随另一物流流量变化。
前者称为从动量，后者称为主动量。
通常，选择的主动量应是主要的物料或关键物流的流量，它们通常是可测不可控，物流不足时可能会影响安全生产的物流流量。
通常，从动量可测且可控，及供应有余，可供调节。
通常，工业生产过程中采用闭环比值控制系统。
为了调节从动量，从动量应组成闭环，因此，根据主动量是否组成闭环，可分别为单闭环比值控制系统和双闭环比值控制系统。
采用DCS或计算机控制系统实施比值控制系统时，由于采用数字运算，因此，不必计算仪表比值系数K，可直接根据工艺所需比值设置。
如图2-3所示的系统，是渗透水流量控制系统FFIC-101和甘蔗流量检测系统组成的单闭环比值控制。
主动量：
甘蔗的流量
从动量：
渗透水的流量
进入压榨机的甘蔗流量经核子称检测变送后，送往乘法器FFY-101，该信号在乘法器中与比值系数K相乘后，输入到从动量控制器FFIC-101，作为其设定值，组成单闭环比值控制系统，使渗透水按甘蔗量的一定比例进行渗透。
图2-3渗透水流量控制系统
第三章仪表选型
仪表索引、仪表数据表等的编制是自控设计中的一个主要的设计文件。
在这些设计文件中，可以反映设计中所使用的仪表等设备的类型、规格、数量及在系统中的位置等，为设计投资的核算、仪表设备的订货等提供依据。
3.1控制装置的选择
控制装置或系统是过程自动化的中枢，其发展经历了以下的几个阶段：
（1）早期的基地式仪表：
一般与检测装置、显示装置一起组装在一个整体之内，同时具有检测、控制与显示的功能，结构简单、价格低廉、使用方便，通用性差，信号不易传递，一般应用于简单控制系统中。
（2）单元组合式仪表：
按各组成环节的不同功能和使用要求，将整套仪表分为若干单元，各单元能独立实现某种功能，使用时可以按生产工艺的不同要求挑选需要的单元加以组合，其特点是应用灵活，通用性强，使用维护方便，特别适用于中、小企业的过程控制系统；
（3）组件组装式仪表：
单元组合仪表的基础上发展起来的一种成套仪表装置，结构上包括控制机柜和显示操作盘两部分，它的主要特点是功能分离，结构组件化，特别适用于要求组成各种复杂控制和集中显示操作的大、中型企业的过程控制系统。
（4）单回路控制器：
一种以微处理器为计算、控制核心，配以相应软件，在外观及使用上类似常规模拟控制器的数字式控制仪表。
（5）可编程控制器（PLC）：
是一种数位运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。
它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
可程式逻辑控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。
（6）集中式计算机控制系统（DDC）：
DDC系统是利用微信号处理器来做执行各种逻辑控制功能，DDC系统的组成通常包括中央控制设备（集中控制电脑、彩色监视器、键盘、打印机、不间断电源、通讯接口等）、现场DDC控制器、通讯网络、以及相应的传感器、执行器、调节阀等元器件。
（7）集散控制系统（DCS）：
是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。
该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。
（8）现场总线控制系统（FCS）：
它是用现场总线这一开放的、具有互操作性的网络将现场各个控制器和仪表及仪表设备互联，构成现场总线控制系统，同时控制功能彻底下放到现场，降低了安装成本和维修费用。
因此，FCS实质上是一种开放的、具有互操作性的、彻底分散的分布式控制系统，有望成为21世纪控制系统的主流产品。
本设计使用的自动控制装置时DCS系统，这是目前最常用的控制装置，其技术最成熟、最可靠。
3.2自动化仪表选型的原则
检测仪表（元件）选型的一般原则如下：
①工艺过程的条件
工艺过程的温度、压力、流量、粘度、腐蚀性、毒性、脉动等因素是决定仪表选型的主要条件，它关系到仪表选用的合理性、仪表的使用寿命及车间的防火、防爆、保安等问题。
②操作上的重要性
各检测点的参数在操作上的重要性是仪表的指示、记录、积算、报警、控制、遥控等功能选定依据。
一般来说，对工艺过程影响不大，但需经常监视的变量，可选指示型；对需要经常了解变化趋势的重要变量，应选记录式；而一些对工艺过程影响较大的，又需随时监控的变量，应设控制；对关系到物料衡算和动力消耗而要求计量或经济核算的变量，宜设积算；一些可能影响生产或安全的变量，宜设报警。
③经济性和统一性
仪表的选型也决定于投资的规模，应在满足工艺和自考的要求前提下，进行必要的经济核算，取得适宜的性能/价格比。
为便于仪表的维修和管理，在选型时也要注意到仪表的统一性。
尽量选用同一系列、同一规格型号、及同一生产厂家的产品。
④仪表的使用和供应情况
选用的仪表应是较为成熟的产品，经现场使用证明性能可靠的；同时要注意到选用的仪表应当是货源供应充沛，不会影响工程的施工进度。
在本设计中需要选定的仪表主要有：
温度、流量、料位、液位等仪表。
3.3温度仪表的选型
一．一般原则
（一）单位及标度（刻度）
温度仪表的标度（刻度）单位，统一采用摄氏温度（℃）。
（二）检出（测）元件插入长度
（1）插入长度的选择应以检出（测）元件插至被测介质温度变化灵敏具有代表性的位置为原则。
但在一般情况下，为了便于互换，往往整个装置统一选择一至二挡长度。
（2）在烟道、炉膛及带绝热材料砌体设备上安装时，应按实际需要选用。
（3）检出（测）元件保护套材质不应低于设备或管道材质。
如定型产品保护套太薄或不耐腐蚀（如铠装热电偶），应另加保护套管。
（4）安装在易燃易爆场所的就地带电接点的温度仪表、温度开关、温度检出（测）元件和变送器等，应选用防爆型。
二．温度仪表的选型
本毕业设计采用的是集散控制系统（DCS系统），因此，对于就地温度仪表，如双金属温度计、压力式温度计、玻璃温度计、温度开关和基地式仪表等不适用于远距离传输、监视和控制用，在此都不选用，应选用的是集中温度仪表，下面就集中温度仪表的选型进行讨论。
（一）检测元件
根据温度仪表的测量方式通常可分为接触式和非接触式两大类。
表3-1接触式和非接触式测温特点比较
测温方式
优点
缺点
接触式
简单、可靠、价廉，
精确度较高
响应时间较长，不能用于极高温测量
非接触式
测温范围宽，
相应时间较快
测量误差大，结构较复杂，价格较昂贵
接触式有：
热膨胀、热电阻、热电偶。
（二）结合设计选现场仪表
1、压榨工段温度测控点只有对渗透水的温度，其测量范围为0~100℃.根据温度仪表选型的一般原则以及化工工艺要求，结合温度测控点选型。
考虑选用接触式仪表：
热电阻或热电偶。
热电阻和热电偶可直接与计算机相连接而不选用温度变送器。
热电阻和热电偶优、缺点比较见下：
表3-2热电阻和热电偶比较
优点
缺点
热电阻
测量精度高；再现性好，可保持多年稳定性、精确度；相应速度快；便于远距离、多点、集中测量和自动控制；不需要冷点温度补偿
价格较热电偶贵；需要外接电源；热惯性较大；避免使用在有机械振动的场合；不能测量高温；由于体积大，测点温度较困难
热电偶
测温范围广；精度高；便于远距离、多点、集中测量和自动控制
需自由端补偿，在低温段测量精度较低
由于所要检测的温度处在低温段0~100℃，考虑使用热电阻。
2.热电阻原理、分类：
热电阻是利用物质在温度变化时自身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。
热电阻按感温元件材料可分为金属导体和半导体两大类。
金属导体材料的热电阻是目前工业上大量采用的，有铂、铜、镍等。
铂热电阻的化学物理性能温度且复现性好，能测量较高的温度，已被广泛应用。
铜热电阻与铂热电阻相比，其优点主要是铜电阻温度系数大，线性好，价格便宜，但测温范围较小，只适用于-50~+100℃。
这两种热电阻都已经是国家的标准产品。
常用的接线盒形式有防溅式、防水式和防爆式。
常见安装固定装置有螺纹安装、法兰安装、焊接安装和无固定安装。
一般情况可选用螺纹连接方式，对下列场合应选用法兰连接方式：
①在设备、衬里管道和有色金属管道上安装；
②结晶、结疤、堵塞和强腐蚀性介质；
③易燃、易爆和剧毒介质。
综上，选用铜热电阻已经能满足各方面的要求，因此选用广州市泛泰自动化设备有限公司生产的WZC-220型热电阻。
3.4流量仪表的选型
一．流量单位
体积流量用m³/h、L/h；
质量流量用kg/h、t/h；
标准状态下气体体积流量用Nm³/h（0℃，0.1013MPa）。
二．流量仪表的选型
压榨提汁工段只需要对渗透水的流量进行测控，其测量范围为0~400m³/h。
三、流量计的种类和工作原理
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