近年来，我国人工工资水平大幅上涨，对比过去十年，人工成本翻倍，中国制造业的劳动力优势正在渐渐削弱，而劳动力群体正在发生代际替换，招工难成了日益凸显的劳动力供需矛盾。我们正处在“制造业”向“智造业”跨越式发展的新时期；并且如果甘蔗植物细胞水提取工艺生产线采用人工手动操作，有着加热汽源波动大，汽、水、物料的平衡性差，浓度配比仅靠经验判断、参数控制不稳或停产停机等缺陷，生产效率低，同时易造成甘蔗植物细胞水品质出现波动，不利于对甘蔗植物细胞水生产规模化、均衡生产，也不利于保证甘蔗植物细胞水产品质量和口感。所以甘蔗植物水提取生产线实现自动化是项目成功的必要条件。
本文是研究自动控制系统在甘蔗植物水提取生产过程的应用，开发出一套基于现场总线和工业以太网的分布式自动控制系统，以实现加热用蒸汽汽源参数稳定可控，及恒压恒流输送甘蔗汁、箱体罐体疏水排底、甘蔗植物水定量配比等生产过程的全程自动控制，实现日产40吨水的产业化目标。
甘蔗植物水饮料生产车间共分为六个主要工段，依次为原料提取、一次加热、前置物理过滤、二次加热、膜过滤、甘蔗植物水配兑。这六个工段提出了各自的控制目标，可以归纳为：物料均衡输送，压力、温度、流量动态平衡，精确定量配比。要达成工艺控制目标，本项目需解决以下的问题：
(1）研究甘蔗植物水提取工艺的自动控制过程中关键控制点的算法；
(2）对各工段进行控制硬件配置及组态；
(3）使用开放性通讯网络将各工段衔接为分布式自控系统。
甘蔗植物水提取过程表现出多变量、非线性、时变性的特性，使用传统的反馈控制方式不能满足控制目的，需要研究传统PID与串级控制、模糊控制相结合，实现生产过程精确控制；甘蔗汁配比，人工操作强度大，且不能根据物料浓度变化随时调整配比量来保证精度，研究甘蔗汁配比控制方法，构建精确配比模型，实现定量精确配比。
以串级PID控制方式实现甘蔗汁多级加热灭菌用汽自动调节功能。
列管式多级加热灭菌蒸汽源的压力和温度不稳定，并且受到过汁流量、初始温度的影响，需要频繁调节，人工调节方式难以获得稳定的温压值，影响加热温度进而后续生产。若采用单回路控制，由于原料、蒸汽的流量的扰动导致控制作用不及时，偏差大，控制质量差，往往不能满足生产要求。
本文采用加热器出口温度与蒸汽流量的串级控制，在加热控制流程上串接两个PID控制器构成双闭环控制系统，用温度控制器的输出作为流量控制器的设定值，由流量控制器输出去控制蒸汽加热管道的控制阀。
经过对该工段的分析以及整体工艺考虑，本项目设计的一次加热的控制对象对应如下：
温度控制器：加热器出口温度PID模块；
流量控制器：蒸汽压力PID模块；
控制阀：0.2Mpa蒸汽入口气动调节阀；
流量检测变送器：蒸汽涡街式智能流量计；
温度检测变送器：一次加热出口温度智能变送器。
通过建立串级PID程序，在本项目的一次加热和二次加热工段，物料的温度控制均取得了良好的控制效果。
预处理甘蔗汁输送工段，由于工区涉及糖厂的两个车间（压榨车间和甘蔗水生产车间），输送管路长达几百米，直接采用传统PID控制不容易获得流量、液位以及预处理过滤效果的动态平衡。
本文采用人工规则和PID调节相结合的控制方法，首先根据设备操作流量和员工操作经验制定出一套预处理控制规则，然后设定判定条件，根据判定条件的定义来确定使用哪一阶段的控制手段。当在生产线刚开始启动运行以及出现较大的工况变化时，由于物料的流量波动较大，流经的各级罐体液位都会受到连续的波动，此时为了避免直接引入PID控制产生的震荡或者延时，此时系统会采用经验控制算法，通过对变频器频率以及相关阀门开度进行较大幅度的增减控制，使物料在各级罐体的液位快速向设定目标逼近；当各级罐体液位趋近目标，并且工况相对稳定的时候，满足了系统的第二级判定条件，传统的PID模块投入使用，对液位进行精细化控制，从而满足生产过程中液位不溢流，压力、流量动态关联且保持稳定，能够保持较好的控制效果，实现甘蔗汁动态均衡输送，实现对液位、流量和预处理效果的精确控制，最终达到连续稳定生产的效果。
本文的设计目标是控制器以现场总线方式与现场智能设备通信，多个控制器之间用以太网连接，构成数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，使整个系统具备开放性、集成性和高度分散性。根据预算以及工艺控制要求，确定了采用多个离散式控制器来负责对应的工段控制，每个工段的现场都采用一次仪表，全部仪表的信号采集都使用智能变送器，统一将温度、压力、液位、流量等工艺参数在智能变送器中转化为可读数据，该数据由各自工段的控制器读取后，再由工业以太网进行传播。
根据整条生产线的工艺分段以及控制点数和控制要求进行整体规划，同时考虑在有限预算下要对系统的开放性、扩展性上进行针对性配置，项目采用S7-300系列PLC一组，Smart 200系列PLC四组，作为各工段控制的子系统控制核心。其中膜过滤工段要求最高，采用S7-300系列的CPU315 DP-2作为主站，24块ET200M输入输出模块通过3块IM153-1链路模块，走PROFI-BUS DP协议来形成膜工段的硬件系统，S7-300可以胜任控制阀门密集、传感器繁多的膜设备工段。原料提取、一次加热、前置物理过滤、二次加热以及甘蔗植物水配兑工段，分为四个系统，每个子系统配置一套以S7-200 Smart为核心的控制硬件。
根据控制核心的特点，整套系统采用两路总线协议：膜工段采用了PROFIBUS DP总线网络，一次仪表通过采用隔离器连接到ET200M，由ET200M和IM153-1完成与CPU的数据交互；其余4个S7-200 Smart控制器，通过配置带Modbus协议的智能变送器来连接一次仪表。采用Modbus智能变送器可以解决200 Smart控制器无法进行超额的模拟量输入的问题，同时完成了低端控制器实现现场总线网络读取仪表信息的配置目标。
整个生产系统有3台PC作为中控上位机，在固定的中控岗位进行操作；4台触摸屏作为各个工艺段的现场人机操作界面。其中膜设备作为一个重要工段，单独分配一台中控PC，配置SI-MATIC Win CC组态软件直接与S7 300 PLC进行通讯。其余两台中控上位机，作为能够衔接全厂进行监控，采用了力控组态软件，以较低的成本地解决了不同系列控制器的全局监控功能。触摸屏直接采用标准的Win CC flexible进行界面组态。工段内的各个设备都与对应的控制单元一起配置同一网段的不同IP地址，最终把数据共享到中控配置的力控组态界面，在力控端实现数据交互，数据记录和报表、报警等功能。
本文通过配置MOXA工业以太网交换机以及光电转换器，在现场长距离使用光纤、短距离使用8芯网线，所有上位机和控制核心都采用以太网接口并入同一局域网内，PC上位机，工程师站、PLC和触摸屏都能够进行互相访问，系统具有良好的扩展性。通过采用TCP/IP协议，可以将整个生产线各工段都包括在主控系统内，并且不需要额外的硬件设备，可以使用力控软件的WEB发布功能，通过因特网实现远程操控，达到管理网络和控制网络的数据共享。整个生产系统的能源消耗、物料走向以及最终产品的产量都可以得到良好的管理和控制。
该甘蔗植物水提取工艺现场总线自动控制系统投入运行后，全线的设备产能得到提高，每天产量达到40吨，提升产品质量，提高生产效率，降低生产成本；提高产品质量稳定性，避免人为操作失误引起的生产事故；使用甘蔗植物水提取工艺现场总线自动控制系统，整条生产线只需要8个操作人员，就可以正常运行，达到了高效、节省人工的目标。
