1 บทนำ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ระดับค่าจ้างแรงงานในจีนเพิ่มขึ้นอย่างมาก เมื่อเทียบกับทศวรรษก่อน ต้นทุนแรงงานเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า และความได้เปรียบด้านแรงงานของอุตสาหกรรมการผลิตจีนกำลังค่อยๆ อ่อนลง กลุ่มแรงงานกำลังเผชิญการเปลี่ยนผ่านระหว่างรุ่น ทำให้ความยากในการสรรหาบุคลากรกลายเป็นความขัดแย้งระหว่างอุปสงค์และอุปทานแรงงานที่เด่นชัดขึ้นเรื่อยๆ เรากำลังก้าวเข้าสู่ยุคใหม่ของการพัฒนาแบบก้าวกระโดดจาก “การผลิต” ไปสู่ “การผลิตอัจฉริยะ” และหากสายการผลิตการสกัดน้ำเซลล์พืชอ้อยยังคงดำเนินการด้วยแรงงานคน จะมีข้อบกพร่อง เช่น แหล่งไอน้ำให้ความร้อนมีความผันผวนสูง สมดุลระหว่างไอน้ำ น้ำ และวัตถุดิบไม่ดี อัตราการเข้มข้นอาศัยการตัดสินจากประสบการณ์เพียงอย่างเดียว การควบคุมพารามิเตอร์ไม่เสถียร หรือถึงขั้นหยุดเครื่อง ประสิทธิภาพการผลิตต่ำ และง่ายต่อการทำให้คุณภาพของน้ำเซลล์พืชอ้อยผันผวน ซึ่งไม่เอื้อต่อการผลิตน้ำเซลล์พืชอ้อยในระดับขนาดใหญ่และสมดุล อีกทั้งยังไม่เอื้อต่อการรับประกันคุณภาพและรสชาติของผลิตภัณฑ์น้ำอ้อย ดังนั้น การทำให้สายการผลิตการสกัดน้ำอ้อยเป็นระบบอัตโนมัติจึงเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นต่อความสำเร็จของโครงการ

บทความนี้มุ่งศึกษาการประยุกต์ใช้ระบบควบคุมอัตโนมัติในกระบวนการผลิตการสกัดน้ำอ้อย และพัฒนาระบบควบคุมอัตโนมัติแบบกระจายที่อาศัย fieldbus และ Industrial Ethernet เพื่อให้ได้การควบคุมพารามิเตอร์ของแหล่งไอน้ำสำหรับให้ความร้อนที่มีความเสถียรและควบคุมได้ รวมถึงการควบคุมอัตโนมัติทั้งกระบวนการของการขนส่งน้ำอ้อยด้วยแรงดันและอัตราการไหลคงที่ การระบายน้ำและการระบายก้นถัง และการผสมอัตราส่วนเชิงปริมาณของน้ำอ้อย เพื่อบรรลุเป้าหมายการผลิตเชิงอุตสาหกรรมที่ 40 ตันต่อวัน

2. การออกแบบเป้าหมายการควบคุมโดยรวม

เวิร์กช็อปการผลิตเครื่องดื่มน้ำอ้อยแบ่งออกเป็น 6 ส่วนหลัก ได้แก่ การสกัดวัตถุดิบ การให้ความร้อนขั้นต้น การกรองทางกายภาพเบื้องต้น การให้ความร้อนขั้นที่สอง การกรองด้วยเมมเบรน และการผสมน้ำอ้อย ทั้ง 6 ส่วนนี้กำหนดเป้าหมายการควบคุมของแต่ละส่วน ซึ่งสรุปได้เป็น การขนส่งวัตถุดิบอย่างสมดุล สมดุลแบบไดนามิกของความดัน อุณหภูมิ และอัตราการไหล และสัดส่วนเชิงปริมาณที่แม่นยำ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายการควบคุมกระบวนการ โครงการนี้จำเป็นต้องแก้ไขประเด็นต่อไปนี้:

(1) วิจัยอัลกอริทึมสำหรับจุดควบคุมสำคัญในกระบวนการควบคุมอัตโนมัติของกระบวนการสกัดน้ำอ้อย;
(2) กำหนดค่าและติดตั้งฮาร์ดแวร์ควบคุมสำหรับแต่ละส่วน;

(3) ใช้เครือข่ายการสื่อสารแบบเปิดเชื่อมต่อแต่ละส่วนให้เป็นระบบอัตโนมัติแบบกระจาย

การวิจัยอัลกอริทึมจุดควบคุมสำคัญสำหรับกระบวนการ 3 ขั้นตอน

กระบวนการสกัดน้ำอ้อยมีลักษณะเป็นหลายตัวแปร ไม่เป็นเชิงเส้น และแปรผันตามเวลา การใช้วิธีควบคุมแบบป้อนกลับดั้งเดิมไม่สามารถตอบสนองเป้าหมายการควบคุมได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องศึกษาการผสมผสานระหว่าง PID แบบดั้งเดิม การควบคุมแบบคาสเคด และการควบคุมแบบฟัซซี เพื่อให้บรรลุการควบคุมกระบวนการผลิตอย่างแม่นยำ; การผสมสัดส่วนน้ำอ้อยใช้แรงงานมาก และไม่สามารถปรับสัดส่วนได้ทุกเมื่อให้สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงของความเข้มข้นของวัตถุดิบเพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำ จึงควรศึกษาวิธีควบคุมสัดส่วนน้ำอ้อย สร้างแบบจำลองสัดส่วนที่แม่นยำ และบรรลุการผสมสัดส่วนที่เป็นเชิงปริมาณและแม่นยำ

3.1 การวิจัยการควบคุมอุณหภูมิแบบคาสเคดของเครื่องทำความร้อนแบบท่อ
ใช้โหมดควบคุม PID แบบคาสเคดเพื่อให้เกิดฟังก์ชันปรับอัตโนมัติสำหรับไอน้ำที่ใช้ให้ความร้อนและฆ่าเชื้อแบบหลายขั้นตอนของน้ำอ้อย
ความดันและอุณหภูมิของแหล่งไอน้ำสำหรับให้ความร้อนและฆ่าเชื้อแบบหลายขั้นตอนของเครื่องทำความร้อนแบบท่อมีความไม่เสถียร และได้รับผลกระทบจากอัตราการไหลของน้ำอ้อยและอุณหภูมิเริ่มต้น จึงต้องปรับบ่อยครั้ง การปรับด้วยมือทำให้ได้ค่าอุณหภูมิและความดันที่เสถียรได้ยาก ส่งผลต่ออุณหภูมิการให้ความร้อนและกระบวนการผลิตถัดไป หากใช้การควบคุมแบบลูปเดี่ยว การรบกวนจากวัตถุดิบและการไหลของไอน้ำจะทำให้ผลการควบคุมล่าช้า มีความคลาดเคลื่อนสูง คุณภาพการควบคุมต่ำ และมักไม่สามารถตอบสนองความต้องการการผลิตได้
บทความนี้ใช้การควบคุมแบบคาสเคดระหว่างอุณหภูมิขาออกของเครื่องทำความร้อนและอัตราการไหลของไอน้ำ ในกระบวนการควบคุมการให้ความร้อน จะเชื่อมต่อคอนโทรลเลอร์ PID สองตัวแบบอนุกรมเพื่อสร้างระบบควบคุมแบบวงปิดสองชั้น เอาต์พุตของตัวควบคุมอุณหภูมิจะถูกใช้เป็นค่าตั้งของตัวควบคุมอัตราการไหล และตัวควบคุมอัตราการไหลจะส่งสัญญาณไปควบคุมวาล์วควบคุมของท่อส่งไอน้ำสำหรับให้ความร้อน
หลังจากวิเคราะห์แต่ละส่วนและพิจารณากระบวนการโดยรวมแล้ว วัตถุควบคุมสำหรับการให้ความร้อนขั้นต้นที่ออกแบบในโครงการนี้สอดคล้องกับรายการต่อไปนี้:
ตัวควบคุมอุณหภูมิ: โมดูล PID สำหรับอุณหภูมิขาออกของเครื่องทำความร้อน;
ตัวควบคุมอัตราการไหล: โมดูล PID สำหรับความดันไอน้ำ;
วาล์วควบคุม: วาล์วควบคุมนิวเมติกทางเข้าไอน้ำ 0.2 MPa;
ตัวส่งสัญญาณตรวจวัดอัตราการไหล: มิเตอร์วัดอัตราการไหลอัจฉริยะชนิดวอร์เท็กซ์สำหรับไอน้ำ;
ตัวส่งสัญญาณตรวจวัดอุณหภูมิ: ทรานสมิตเตอร์อัจฉริยะสำหรับอุณหภูมิขาออกของการให้ความร้อนขั้นต้น

ด้วยการจัดทำโปรแกรม PID แบบคาสเคด จึงทำให้ได้ผลการควบคุมที่ดีในการควบคุมอุณหภูมิของวัสดุทั้งในส่วนการให้ความร้อนขั้นต้นและขั้นที่สองของโครงการนี้

3.2 การวิจัยการขนส่งน้ำอ้อยแบบสมดุลไดนามิก
สำหรับส่วนลำเลียงน้ำอ้อยในขั้นตอนเตรียมการเบื้องต้น เนื่องจากพื้นที่ทำงานเกี่ยวข้องกับโรงงานสองแห่งของโรงงานน้ำตาล (โรงงานบีบอ้อยและโรงงานผลิตน้ำอ้อย) ท่อขนส่งมีความยาวหลายร้อยเมตร จึงไม่ง่ายที่จะบรรลุสมดุลแบบไดนามิกของอัตราการไหล ระดับของเหลว และผลการกรองเบื้องต้นด้วยการใช้การควบคุม PID แบบดั้งเดิมโดยตรง

บทความนี้ใช้วิธีควบคุมที่ผสมผสานกฎแบบแมนนวลและการปรับ PID ก่อนอื่นได้พัฒนาชุดกฎควบคุมเบื้องต้นตามขั้นตอนการทำงานของอุปกรณ์และประสบการณ์การปฏิบัติงานของพนักงาน จากนั้นจึงกำหนดเงื่อนไขการตัดสินใจ โดยอาศัยนิยามของเงื่อนไขดังกล่าวเพื่อกำหนดว่าจะใช้วิธีควบคุมขั้นใด เมื่อสายการผลิตเพิ่งเริ่มเดินเครื่องและมีการเปลี่ยนแปลงสภาพการทำงานอย่างมาก เนื่องจากอัตราการไหลของวัตถุดิบผันผวนสูง ระดับของเหลวของถังที่ผ่านจะเกิดความผันผวนต่อเนื่อง เพื่อหลีกเลี่ยงการสั่นหรือความล่าช้าที่เกิดจากการนำ PID มาใช้โดยตรง ระบบจะใช้อัลกอริทึมควบคุมแบบอาศัยประสบการณ์เพื่อเพิ่มหรือลดความถี่ของอินเวอร์เตอร์และการเปิดของวาล์วที่เกี่ยวข้องอย่างมาก เพื่อเข้าใกล้เป้าหมายที่ตั้งไว้ของระดับของเหลวในแต่ละถังอย่างรวดเร็ว เมื่อระดับของเหลวในแต่ละถังเข้าใกล้เป้าหมายและสภาพการทำงานค่อนข้างเสถียร จะถือว่าเข้าเงื่อนไขการตัดสินขั้นที่สองของระบบ จากนั้นจึงนำโมดูล PID แบบดั้งเดิมมาใช้เพื่อควบคุมระดับของเหลวอย่างละเอียด เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดที่ระดับของเหลวไม่ล้นในระหว่างกระบวนการผลิต ความดันและอัตราการไหลมีความสัมพันธ์แบบไดนามิกและคงความเสถียรไว้ได้ ซึ่งช่วยรักษาผลการควบคุมที่ดี บรรลุการส่งผ่านน้ำอ้อยแบบสมดุลไดนามิก และบรรลุการควบคุมระดับของเหลว อัตราการไหล และผลการเตรียมการล่วงหน้าอย่างแม่นยำ เป้าหมายสูงสุดคือการผลิตอย่างต่อเนื่องและเสถียร

4. การกำหนดค่าโครงการระบบควบคุมอัตโนมัติแบบกระจาย

เป้าหมายการออกแบบของบทความนี้คือให้คอนโทรลเลอร์สื่อสารกับอุปกรณ์อัจฉริยะภาคสนามผ่าน fieldbus และเชื่อมต่อคอนโทรลเลอร์หลายตัวผ่าน Ethernet เพื่อสร้างเครือข่ายการสื่อสารแบบดิจิทัล การส่งข้อมูลสองทิศทาง และหลายสาขา ทำให้ระบบทั้งหมดมีความเปิดกว้าง บูรณาการ และกระจายศูนย์ในระดับสูง ตามงบประมาณและข้อกำหนดการควบคุมกระบวนการ จึงกำหนดให้ใช้คอนโทรลเลอร์แบบแยกหลายชุดเพื่อดูแลการควบคุมของแต่ละส่วน แต่ละส่วนใช้อุปกรณ์วัดหลักในหน้างาน และเครื่องมือทั้งหมดใช้ทรานสมิตเตอร์อัจฉริยะในการเก็บสัญญาณ พารามิเตอร์กระบวนการ เช่น อุณหภูมิ ความดัน ระดับของเหลว และอัตราการไหล จะถูกแปลงเป็นข้อมูลที่อ่านได้อย่างสม่ำเสมอในทรานสมิตเตอร์อัจฉริยะ จากนั้นข้อมูลจะถูกอ่านโดยคอนโทรลเลอร์ของแต่ละส่วนและส่งต่อผ่าน Industrial Ethernet

4.1 การกำหนดค่าฮาร์ดแวร์แกนกลางของการควบคุม
ตามการแบ่งส่วนกระบวนการ จุดควบคุม และข้อกำหนดการควบคุมของทั้งสายการผลิต มีการวางแผนโดยรวม พร้อมทั้งพิจารณาการกำหนดค่าที่สอดคล้องกับความเปิดกว้างและความสามารถในการขยายของระบบภายใต้งบประมาณที่จำกัด โครงการนี้ใช้ PLC ซีรีส์ S7-300 จำนวน 1 ชุด และ PLC ซีรีส์ Smart 200 จำนวน 4 ชุด เป็นแกนกลางควบคุมของแต่ละส่วน ส่วนกรองด้วยเมมเบรนมีข้อกำหนดสูงที่สุด โดยใช้ CPU315 DP-2 ของซีรีส์ S7-300 เป็นสถานีหลัก โมดูลอินพุตและเอาต์พุต ET200M 24 ชุดผ่านโมดูลเชื่อมต่อ IM153-1 จำนวน 3 ชุด และใช้โปรโตคอล PROFI-BUS DP เพื่อสร้างระบบฮาร์ดแวร์ของส่วนเมมเบรน S7-300 สามารถรับผิดชอบการควบคุมส่วนอุปกรณ์เมมเบรนที่มีวาล์วจำนวนมากและเซนเซอร์จำนวนมากได้ ส่วนการสกัดวัตถุดิบ การให้ความร้อนขั้นต้น การกรองทางกายภาพเบื้องต้น การให้ความร้อนขั้นที่สอง และการผสมน้ำอ้อยถูกแบ่งเป็น 4 ระบบ โดยแต่ละระบบย่อยติดตั้งฮาร์ดแวร์ควบคุมชุดหนึ่งที่มี S7-200 Smart เป็นศูนย์กลาง

ตามลักษณะของแกนกลางการควบคุม ทั้งระบบใช้โปรโตคอลบัส 2 แบบ ได้แก่ ส่วนเมมเบรนใช้เครือข่ายบัส PROFIBUS DP และเครื่องมือหลักเชื่อมต่อกับ ET200M ผ่านตัวแยกสัญญาณ ET200M และ IM153-1 ทำการแลกเปลี่ยนข้อมูลกับ CPU ให้เสร็จสมบูรณ์; คอนโทรลเลอร์ S7-200 Smart อีก 4 ชุดที่เหลือเชื่อมต่อกับเครื่องมือหลักโดยการกำหนดค่าทรานสมิตเตอร์อัจฉริยะที่ใช้โปรโตคอล Modbus การใช้ทรานสมิตเตอร์อัจฉริยะ Modbus สามารถแก้ปัญหาที่คอนโทรลเลอร์ 200 Smart ไม่สามารถรับอินพุตแอนะล็อกได้มากเกินไป พร้อมทั้งบรรลุเป้าหมายการกำหนดค่าที่ให้คอนโทรลเลอร์ระดับล่างอ่านข้อมูลเครื่องมือผ่านเครือข่าย fieldbus ได้

4.2 การกำหนดค่าซอฟต์แวร์ควบคุม

ระบบการผลิตทั้งหมดมีพีซี 3 เครื่องเป็นคอมพิวเตอร์ควบคุมส่วนกลางที่ทำงานในตำแหน่งควบคุมกลางแบบคงที่; หน้าจอสัมผัส 4 เครื่องทำหน้าที่เป็นอินเทอร์เฟซการปฏิบัติงานระหว่างคนกับเครื่องในสถานที่สำหรับแต่ละส่วนของกระบวนการ สำหรับส่วนสำคัญของอุปกรณ์เมมเบรน ได้จัดพีซีควบคุมส่วนกลางแยกต่างหาก และกำหนดค่าซอฟต์แวร์ WinCC ของ SI-MATIC เพื่อสื่อสารโดยตรงกับ PLC S7 300 พีซีควบคุมส่วนกลางอีกสองเครื่องที่สามารถเชื่อมต่อทั้งโรงงานเพื่อการมอนิเตอร์ ใช้ซอฟต์แวร์กำหนดค่า Force Control เพื่อแก้ปัญหาฟังก์ชันการมอนิเตอร์ทั่วทั้งระบบของคอนโทรลเลอร์หลายซีรีส์ด้วยต้นทุนที่ต่ำกว่า หน้าจอสัมผัสใช้ WinCC flexible มาตรฐานสำหรับการกำหนดค่าอินเทอร์เฟซโดยตรง อุปกรณ์แต่ละชิ้นในโรงงานถูกกำหนดค่าให้มี IP Address ต่างกันภายในช่วงเครือข่ายเดียวกันพร้อมกับหน่วยควบคุมที่เกี่ยวข้อง และข้อมูลจะถูกแชร์ในท้ายที่สุดกับอินเทอร์เฟซการกำหนดค่า Force Control ที่ศูนย์ควบคุม ที่ฝั่ง Force Control จะมีการทำงานด้านการแลกเปลี่ยนข้อมูล การบันทึกและรายงานข้อมูล การแจ้งเตือน และฟังก์ชันอื่นๆ

4.3 โทโพโลยีเครือข่ายการควบคุม

ในบทความนี้ ได้กำหนดค่าให้สวิตช์อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรม MOXA และตัวแปลงโฟโตอิเล็กทริกใช้งาน โดยใช้ใยแก้วนำแสงสำหรับระยะไกล และสายเครือข่าย 8 แกนสำหรับระยะใกล้ ณ หน้างาน คอมพิวเตอร์หลักและแกนควบคุมทั้งหมดถูกรวมเข้าเป็น LAN เดียวกันผ่านอินเทอร์เฟซอีเธอร์เน็ต คอมพิวเตอร์หลักฝั่ง PC, สถานีวิศวกร, PLC และหน้าจอสัมผัสสามารถเข้าถึงกันได้ และระบบมีความสามารถในการขยายตัวที่ดี ด้วยการใช้โปรโตคอล TCP/IP ทั้งสายการผลิตและแต่ละส่วนสามารถรวมเข้าในระบบควบคุมหลักได้โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์ฮาร์ดแวร์เพิ่มเติม ฟังก์ชันการเผยแพร่เว็บของซอฟต์แวร์ควบคุมแรงสามารถใช้เพื่อควบคุมจากระยะไกลผ่านอินเทอร์เน็ต ทำให้สามารถแชร์ข้อมูลระหว่างเครือข่ายบริหารจัดการและเครือข่ายควบคุมได้ พลังงานที่ใช้ การไหลของวัสดุ และผลผลิตสุดท้ายของระบบการผลิตทั้งหมดสามารถบริหารจัดการและควบคุมได้อย่างมีประสิทธิภาพ

5 สรุป
หลังจากนำระบบควบคุมอัตโนมัติแบบบัสภาคสนามของกระบวนการสกัดน้ำอ้อยด้วยต้นอ้อยมาใช้งาน กำลังการผลิตของทั้งสายการผลิตเพิ่มขึ้น โดยมียอดผลิตต่อวันถึง 40 ตัน ช่วยปรับปรุงคุณภาพผลิตภัณฑ์ เพิ่มประสิทธิภาพการผลิต และลดต้นทุนการผลิต; เพิ่มเสถียรภาพของคุณภาพผลิตภัณฑ์และหลีกเลี่ยงอุบัติเหตุในการผลิตที่เกิดจากความผิดพลาดของการทำงานของมนุษย์; การใช้ระบบควบคุมอัตโนมัติแบบบัสภาคสนามสำหรับกระบวนการสกัดน้ำอ้อยด้วยต้นอ้อย ทำให้สายการผลิตทั้งหมดสามารถเดินเครื่องได้ตามปกติโดยใช้เพียงผู้ปฏิบัติงาน 8 คน บรรลุเป้าหมายด้านประสิทธิภาพสูงและประหยัดแรงงาน