【正文】 020 年 6 月 摘 要 目前， 果 糖生產(chǎn)過程中除 結(jié)晶工序外的其它工序，如壓榨、清凈等都己經(jīng)基本實現(xiàn)了自動化。由制糖工藝學(xué)可知 ，煮糖工藝關(guān)鍵就是控制糖液的 溫度 ，使其保持在適當(dāng)?shù)姆秶?，使晶粒能均勻、整齊地生長。并根據(jù)實際情況研究蔗糖結(jié)晶過程控制算法的更有效方法，利用符合煮搪實際過程的模糊PID 調(diào)節(jié)器，以提高果 糖結(jié)晶的速度、縮短煮糖時間、節(jié)約能源和提高產(chǎn)品質(zhì)量。 研究內(nèi)容 本論文采取冷卻結(jié)合溶析的方法制備結(jié)晶果糖，意在解決果糖結(jié)晶工藝中存在的產(chǎn)率低、產(chǎn)品質(zhì)量差等問題，得到一條較優(yōu)的果糖冷卻結(jié)晶工藝。S7200 的 PID 指令引用一個包含回路參數(shù)的回路表 ， 此表起初的長度為 36 個字節(jié)。 （ 3） 實驗子程序（ SBR_2） 該部分是 根據(jù)實驗選擇變量的值決定執(zhí)行的算法，讀取測量值，刷新輸出緩沖區(qū)，等待定時中斷的發(fā)生。給系統(tǒng)一個 10%的階躍信號，細(xì)心觀察過渡過程，最后再根據(jù)此過程曲線加以修正，直到過渡過程達到滿意為止。s? 39。這種方法就是數(shù)字濾波。在一定溫度下攪拌 8h，再靜置 12h 使果糖晶體充分沉降，以 45μ m 纖維濾膜過濾上清液以除去微晶的干擾，以阿貝折射儀測定上清濾液的可溶性固形物含量。 (6)添加晶種：緩慢均勻添加晶種，盡量使晶種在糖漿中分散均勻。自發(fā)成核產(chǎn)生的極小的晶 體可以透過濾布，因此提糖率除了可以指示結(jié)晶的產(chǎn)率外，還可以在一定程度上間接反映自發(fā)成核的嚴(yán)重程度，即結(jié)晶質(zhì)量的好壞。 在 AB 與 CD 線之間 稱為介穩(wěn)區(qū)，在這個區(qū)域中，不會自發(fā)地產(chǎn)生晶核，但如果溶液中已加了晶種，這些晶種就會長大。乙醇的加入大大降低了粘 度，這對結(jié)晶操作是有利的。因為溶液不致進入不穩(wěn)區(qū)，所以不會發(fā)生初級成核現(xiàn)象。 WinCC是一種按照價格和性能分級， 能高效控制自動化過程的過程可視化系統(tǒng) ,它集成了數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng) SCADA（ Supervisory Control and Data Acqu isition）、組態(tài)、腳本（ Script）語言和 OPC(OLE for Process Control)等先進技術(shù)，為用戶提供了 在 Windows操作系統(tǒng)環(huán)境下使用各種通用軟件的功能。要求完全靈活性， 可將任何事情包括在一個腳本（操作）內(nèi)。 天津工程師范學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 24 WinCC 與西門子可編程邏輯器 S7200 之間的通訊 設(shè)計 WinCC 的 OPC 協(xié)議和通訊診斷 技術(shù)術(shù)語 OPC(OLE for Process Contro1)是指嵌入式過程控制標(biāo)準(zhǔn)，是用于服務(wù)器／客戶端鏈接的統(tǒng)一而開放的接口標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范。采用 OPC標(biāo)準(zhǔn)后，由硬件開發(fā)商提供統(tǒng)一的 OPC接口程序，從而避免了開發(fā)重復(fù)性，使開發(fā)費用大大降低。 天津工程師范學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 26 4） WinCC 的設(shè)置 在 WinCC變量管理器中添加一個新的驅(qū)動程序，新的驅(qū)動程序選擇 。按照向?qū)е械恼f明寫入歸檔名稱和類型，選擇歸檔要歸檔的變量。 ，實驗室制備的結(jié)晶果糖的純度超過了 購自某公司的結(jié)晶果糖，但粒徑特征較差，平均粒徑偏小，為 m，粒徑分布較寬。 （ 1）打開變量記錄編輯器。在 Access Point of the Application 中選擇Micro/ WIN PC/PPI Cable。 因而， 0PC為自動化層的典型現(xiàn)場設(shè)備連接工業(yè)應(yīng)用程序和生產(chǎn)管理程序提供了一個理想的方法。如果希望一群對象有相同的屬性，可以將其編組，通過設(shè)置組的屬性來實現(xiàn)。應(yīng)用范圍廣泛的圖形對象（它在幾個工具選項板上提供），您可以方便和快 速地建立復(fù)雜的過程畫面。 圖 36 加乙醇前降溫速率對提糖率的影響曲線 降溫速率越快，結(jié)晶過程中糖漿的過飽和度就越大，結(jié)晶推動力就越大，超過介穩(wěn)區(qū)而進入不穩(wěn)區(qū)的風(fēng)險也越高。溶液的狀態(tài)一旦越過溶解度曲線，晶種便開始長大，而由于溶質(zhì)結(jié)晶出來，在介穩(wěn)區(qū)溶液中的質(zhì)量濃度有所下降。如此高的粘度主要是由果糖在水中極高的溶解度導(dǎo)致的，而果糖在乙醇等有機溶劑中的溶解度則低得多，這使得通過添加乙醇等有機溶劑來降低果糖漿粘度成為可能。將一系列不同溫度的飽和果糖漿以 1℃ /h 的速率等速降溫，同時以肉眼觀察果糖漿，當(dāng)果糖漿由澄清突變?yōu)闇啙釙r認(rèn)為達到了極限過飽和度。 實驗中發(fā)現(xiàn)兩種方法的結(jié)果差別不大，而旋光法操作簡單，故采用旋光法測定果糖 成品的純度。 (3)過濾去除活 性炭：以硅藻土作為助濾劑去除活性炭。因此找到使結(jié)晶操作相對良好的平衡點就是果糖結(jié)晶工藝研究的關(guān)鍵。 ：這種接法不僅增加了 A/D 采樣補償線，還加了一條 A/D 對地的補償線，這樣可以近一步的減小測量誤差，可以用于測溫距離較遠(yuǎn)的場合。s? PI 39。 天津工程師范學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 8 2）在干擾作用下，逐步將調(diào)節(jié)器比例度減小，每次改變比例度，都要通過改變設(shè)定值來施加 10%的階躍干擾，細(xì)心觀察被控變量的變化情況。 根據(jù)流程圖所示，整個 PID 程序分為主程序（ main）、參數(shù)初始化子程序（ SBR_1）、實驗子程序（ SBR_2） 、輸入模擬量的 數(shù)值轉(zhuǎn)換子程序（ SCALE）、輸出模擬量的數(shù)值天津工程師范學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 6 轉(zhuǎn)換子程序（ UNSCALE）和定時中斷子程序（ INT_0）等六大部分。 PID 算法 為了在數(shù)字計算機中運行該控制函數(shù)，必須將連續(xù)函數(shù)量化為偏差 值的定期樣本，并隨后計算輸出。 人們根據(jù)蔗糖結(jié)晶理論，在原有煮搪方法的基礎(chǔ)上，采用了一種科學(xué)的煮糖法一“五一”煮糖法。相比之下，國外的制糖自動化技術(shù)較為成熟，而且與之配套的設(shè)備完善。 實驗設(shè)定設(shè)計 ............................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 本系統(tǒng) 測定了果糖在不同體積分?jǐn)?shù)的乙醇溶液中的粘度，并測 定了果糖在水中和在 20%的乙醇溶液中的介穩(wěn)區(qū)寬度， 通過計算機控制實現(xiàn)了在果糖結(jié)晶過程中結(jié)晶罐的溫度控制，從而實現(xiàn)果糖結(jié)晶的自動控制。對于一個人口大國，我國年人均糖消費量不及世界平均水平。德國某糖廠采用自動煮糖系統(tǒng)后， 2個人可操作 13臺煮糖罐。上位機也可對相應(yīng)的地址進行賦值，來設(shè)定相關(guān)參數(shù)。 12 c? 雙字 實數(shù) 輸入 增益（比例系數(shù)）可為正數(shù)或負(fù)數(shù)。 （ 6）定時中斷子程序（ INT_0） 完成輸入 /輸出模擬量的數(shù)值轉(zhuǎn)換，更新輸入 /輸出，根據(jù)手自動控制位，決定執(zhí)行方式，發(fā)起新一次的 PID 計算，并保持手動 /自動無擾切換。 3） 當(dāng) 采用 4： 1 衰減比時，讀取振蕩周期時間 s? 和比例度 s? ，按表 33計算參數(shù)。當(dāng)溫度 變化的時候， Pt100 的電阻也隨之變化，通過以上電阻 溫度表達式便可以計算出相對應(yīng)的溫度。 調(diào)節(jié)閥 V2100 表 26 調(diào)節(jié)閥 V2100 系列軟密封 V型球閥 V2100系列的球芯呈閉時 V型缺口與閥座產(chǎn)生楔形剪切作用，可防止特殊球扇形，閥關(guān)球芯卡死，適宜控制紙漿、料漿類粘性介質(zhì)和含有纖維性的微小固體懸濁介 質(zhì)。為消除可能存在的晶核的影響，冷卻結(jié)晶從高于其飽和溫度 5℃開始。 (11)離心分蜜：以三足式離心機對洗蜜后的糖膏進行離心，將晶體與母液分離。通常需要結(jié)晶五六十個小時以上才能得到品質(zhì)良好的結(jié)晶果糖產(chǎn)品。 天津工程師范學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 18 圖 32 果糖水溶液介穩(wěn)區(qū)寬度 由圖 32可看出，與其它糖類相似，果糖形成過飽和溶液的能力較強，可以在低于飽和溫度以下十多度的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定而不發(fā)生自發(fā)成核。 冷卻速率及加晶種對結(jié)晶操作的影響結(jié)果見圖 34。晶種對抑制自發(fā)成核具 有顯著的 作用，晶種可以為溶質(zhì)的沉積提供位點，而溶質(zhì)沉積排列于已有晶核表面的自由能要遠(yuǎn)低于重新凝結(jié)成晶核的自由能，溶質(zhì)沉積在晶核表面的宏觀表現(xiàn)就是晶體的生長現(xiàn)象，而溶質(zhì)凝結(jié)成為晶核就表現(xiàn)為自發(fā)成核。它也是一個IT及商務(wù)集成的平臺。智能向?qū)еС肿詣由沙Ｓ玫膭討B(tài)并將其分配給對象。今天， OPC應(yīng)當(dāng)被稱為用作進程控制的 COM(元件對象模型 )。因此， WinCC 可以 利用自身 OPC 服務(wù)器或客戶端的驅(qū)動， 通過 OPC 方式訪問 S7200 OPC Server 軟件 ， 與 S7200 系列 PLC 實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換 。變量的 Item Name與 S7200系列 PLC中用于監(jiān)控的變量名對應(yīng)。 在“對象選項板”中選擇“控件 ”的“ WinCC Online Trend Control”。 天津工程師范學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 27 控制系統(tǒng)的監(jiān)控圖像 自動控制系統(tǒng)的監(jiān)控圖像如圖 43 所示： 圖 43自動控制系統(tǒng)的監(jiān)控圖像 圖 43 自動控制系統(tǒng)的監(jiān)控圖像 天津工程師范學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 28 結(jié) 論 ，說明了果糖的研究 的 內(nèi)容、目的以及 研究意義。缺點：通信速度比較慢、需要 OPC 軟件及相應(yīng)授權(quán)、系統(tǒng)擴展不方便。 天津工程師范學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 25 圖 41 數(shù)據(jù)傳輸示意圖 1） 軟硬件要求如下： ① S7200系列 PLC。通過使用 COM， OPC服務(wù)器成為與部分 Windows操作系統(tǒng)相似的成分，因此與文件名稱、存儲位置和版本無關(guān)。 下面說明一下具體步驟。其性能特點如下： 1） 使用了 Microsoft SQL Server作為其組態(tài)數(shù)據(jù)和歸檔數(shù)據(jù)的存儲數(shù)據(jù)庫， 多語言支持，全球通用 ， 適合所有工業(yè)領(lǐng)域的解決方案 ； 2）提供所有西門子 PLC系統(tǒng)的通訊通道； 3） 可靈活組合，由簡單任務(wù)擴展到復(fù)雜任務(wù)； 4） 眾多的選件和附加件擴展了基本功能； 5）采用開放性標(biāo)準(zhǔn)， 提供了 OLE， DDE， ActiveX,OPC服務(wù)器和客戶機等標(biāo)準(zhǔn)接口，集成簡便； 6） 集成的 Historian系統(tǒng)作為 IT和商務(wù)集成的平臺 ； 7） 可基于 Web持續(xù)延展； 8） 使用方便的腳本語 言； 9)提供實現(xiàn)“全集成自動化 (Totally Integrated Automation)”的部件。然而過量的晶種也是不可取的，晶種添加量過高時，晶漿的懸浮密度很大，粘度極高，不利于溶質(zhì)擴散，天津工程師范學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 21 且平均分配到每個晶種的溶質(zhì)的量就少了，造成終產(chǎn)品的粒徑偏小。此時溶液的狀態(tài)很快穿過介穩(wěn)區(qū)而達到超溶解度曲線上的一點，出現(xiàn)初級成核現(xiàn)象，溶液中大量微小的晶核驟然產(chǎn) 生，屬于無控制結(jié)晶。況且有文獻 [1]報道，帶有兩個或半個結(jié)晶水的果糖晶體比無水果糖結(jié)晶更易析出，而它們與無水結(jié)晶果糖的介穩(wěn)區(qū)界限模糊，較高的過飽和度可能使操作進入含結(jié)晶水果糖晶體的不穩(wěn)區(qū)而使其大量析出。但是，由于溶劑的加入使得本來就十分復(fù)雜的多相多溶質(zhì)體系變得更為復(fù)雜，對結(jié)晶操作也提出了更加嚴(yán)格的要求。 2800rpm 下離心 20min。 150 目篩對應(yīng)的篩孔直徑為 100μ m， 250 目篩對應(yīng)的篩孔直徑為 63μ m。產(chǎn)率 包括產(chǎn)量和生產(chǎn)時間；產(chǎn)品的質(zhì)量包括產(chǎn)品色澤、純度、粒度特征和流動性等。采用 Pt100 測量溫度一般有兩種方案： Pt100 熱電阻，通過檢測 Pt100 上電壓的變化來換算出溫度； ，電橋的四個電阻中三個是恒定的，另一個用 Pt100 熱電阻，當(dāng) Pt100 電阻值變化時，測試端產(chǎn)生一個電勢差，由此電勢差換算出溫度。s? 和比例度 39。 的 PID 程序見附錄 1 PID 工程整定方法 在外界干擾或設(shè)定的作用下，自控系統(tǒng)出現(xiàn)一種既不 衰減也不發(fā)散的等幅振蕩的過程，叫做臨界狀態(tài)。 20 iT 雙字 實數(shù) 輸入 積分時間 ，單位為分鐘，必須為正數(shù) 。 圖 22 溫度經(jīng)驗曲線 天津工程師范學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 4 果糖結(jié)晶自動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 PID 算法 S7200 CPU提供 PID 回路指令（比例、積分、微分回路），執(zhí)行 PID 計算。煮糖中要控制好起晶、養(yǎng)晶、濃縮操作，就必須充分掌握煮糖罐設(shè)備性能、原料及糖膏的濃度、純度、溫度、真空度等條件。因此實現(xiàn)制糖工業(yè)的自動化控制越發(fā)顯得重要。二 ： 設(shè)計了以工業(yè)計算機為控制平臺，以 S7200 為核 心，配以高性能的檢測儀表，其中測量 溫 度利用先進的Pt100 傳感 器 。 關(guān)鍵詞： 果糖 結(jié)晶 ； 溫度控制 ； PID 控制 目 錄 1 緒論 ...................................................................................................................................................................1 果糖簡介 ......................................