1 引言
目前，國(guó)際蔗糖生產(chǎn)過(guò)程中除煮糖工序外的其它工序，如甘蔗壓榨、蔗汁清凈等都已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，而煮糖結(jié)晶過(guò)程的控制操作多數(shù)是憑經(jīng)驗(yàn)操作，由經(jīng)驗(yàn)豐富的操作工人根據(jù)個(gè)人操作技巧和煮糖經(jīng)驗(yàn)來(lái)控制煮糖過(guò)程，技術(shù)只可意會(huì)不可言傳。所以，操作技術(shù)因人而異，先進(jìn)的操作經(jīng)驗(yàn)和控制方法很難鞏固推廣，產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量也很不穩(wěn)定。
出現(xiàn)這種情況的原因，一是由于蔗糖結(jié)晶機(jī)理的復(fù)雜性，煮糖過(guò)程的關(guān)鍵工藝參數(shù)無(wú)法在線(xiàn)測(cè)量；二是實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程匯總受干擾因素較多，如糖漿的錘度、糖漿雜質(zhì)、真空度以及溫度的變化都會(huì)影響蔗糖結(jié)晶過(guò)程。下面，我們以浙江中控技術(shù)股份有限公司在廣西某糖廠實(shí)施項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，介紹國(guó)產(chǎn)GCS-2控制系統(tǒng)在該類(lèi)裝置上的應(yīng)用情況。
2 煮糖工藝特點(diǎn)
蔗糖的生產(chǎn)過(guò)程主要由甘蔗壓榨、蔗汁清凈、蒸發(fā)、煮煉等工序組成。其中煮糖工序的作用是使糖分從糖漿中結(jié)晶析出，目的其一是獲得粒度均一的蔗糖晶體，其二是使糖漿中的糖分盡可能地充分析出。
糖漿結(jié)晶的生長(zhǎng)條件，受多種因素的影響，歸納起來(lái)主要有以下4條：
（1）真空度
真空度越大，絕對(duì)壓力就越小。
糖膏沸騰時(shí)，起沸點(diǎn)溫度與蒸發(fā)空間的壓力成正比。較低的糖膏溫度對(duì)縮短煮糖時(shí)間、節(jié)省煮糖用蒸汽、提高傳熱效能大有好處。穩(wěn)定而較高的真空度對(duì)獲得糖膏的良好對(duì)流、過(guò)飽和率的穩(wěn)定。晶體的均勻與整齊等都有密切的關(guān)系。
（2） 糖液錘度
糖溶液的固容物百分比含量稱(chēng)為錘度，簡(jiǎn)寫(xiě)為BX。錘度的高低直接影響煮糖時(shí)間的長(zhǎng)短。糖液中晶核的形成和成長(zhǎng)速度主要取決于糖液的錘度。錘度作為結(jié)晶的品質(zhì)指標(biāo)有著重要的意義。
（3）溫度
蔗糖的結(jié)晶速度與溫度成正比，溫度每提高10℃，則結(jié)晶速度增加約一倍。但溫度過(guò)高，如超過(guò)80℃會(huì)增加糖液的色素及引起蔗糖轉(zhuǎn)化。煮糖溫度宜控制在60~65℃為宜。
（4）煮糖罐液位
煮糖罐中的液面高，靜壓力就大，糖膏向上流動(dòng)的阻力大，對(duì)流就差。糖膏煮到高體積時(shí)都要提高氣壓，以增加溫差幫助對(duì)流。
經(jīng)過(guò)壓榨、蒸發(fā)和其他化學(xué)處理的糖漿，就是在上述多種因素的相互影響下，以合理的參數(shù)，最終在結(jié)晶罐中完成液——固轉(zhuǎn)換，使糖漿從處于過(guò)飽和度亞穩(wěn)定區(qū)逐步結(jié)晶生成成品糖。
3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該項(xiàng)目控制對(duì)象為煮糖罐。根據(jù)控制要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)由一個(gè)控制站和一個(gè)工程師站/操作站組成。由于只有一個(gè)煮糖罐，測(cè)點(diǎn)較少，所有我們采用小機(jī)柜?？刂普竞筒僮髡局g通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式組成一個(gè)整體。控制系統(tǒng)配置圖如圖1所示。在硬件設(shè)計(jì)上，對(duì)煮糖罐中信號(hào)采集、操作執(zhí)行所涉及的I/O卡、輸出繼電器、電源等進(jìn)行了隔離，確保操作中各信號(hào)互不影響。
根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)我們選用浙江中控技術(shù)股份有限公司W(wǎng)ebField GCS-2多功能控制系統(tǒng)。GCS-2控制系統(tǒng)提供符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)工具FBD、LD、SFC、ST等，使DCS和PLC的功能得到統(tǒng)一，而且系統(tǒng)兼顧模擬量和數(shù)字量控制，實(shí)現(xiàn)局部控制區(qū)域內(nèi)信息共享。該系統(tǒng)配置靈活、維護(hù)簡(jiǎn)便、性能價(jià)格比高。控制器如圖2所示：
GCS-2控制系統(tǒng)主要由控制站、操作站（工程師站）、通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。控制站由電源模塊、CPU模塊、I/O機(jī)架和各種I/O模塊構(gòu)成。CPU模塊與I/O模塊之間采用并行
總線(xiàn)，具有快速邏輯控制功能以及強(qiáng)大的模擬量處理能力。一個(gè)CPU機(jī)架可以容納一個(gè)CPU模塊、一個(gè)電源模塊，并提供8個(gè)I/O槽位。系統(tǒng)操作站分為就地操作屏和一般操作站兩種。
GCS-2控制系統(tǒng)的軟件是AdvanTrol-Pro軟件包，基于Windows2000操作系統(tǒng)的自動(dòng)控制應(yīng)用軟件平臺(tái)，在SUPCON WebField系列集散控制系統(tǒng)中完成系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)服務(wù)和實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。可采用本地或遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展機(jī)架，方便實(shí)現(xiàn)集中式和分布式控制結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)完全兼容ModBUS、TCP/IP協(xié)議，并支持自定義通訊協(xié)議以實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)間的互聯(lián)。
4 控制方案設(shè)計(jì)
入罐糖漿濃度的不穩(wěn)定性，決定了控制偏差無(wú)法平穩(wěn)。但由于系統(tǒng)基本參數(shù)的非突變特性，所以仍然是可控的；入罐糖漿濃度波動(dòng)范圍基本在10BX內(nèi)，根據(jù)長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)操作的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可把閥門(mén)開(kāi)度的上下限定在一個(gè)范圍，同時(shí)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)蒸汽壓力，把入料量和蒸發(fā)度結(jié)合起來(lái)保證錘度的按規(guī)律變化。
該方案除了煮糖，同時(shí)還兼顧煮種。在程序設(shè)置上，充分利用工序的相似性，只在有區(qū)別的長(zhǎng)晶步驟分支出來(lái)，保證生產(chǎn)功能并優(yōu)化了控制程序。
安全方面，糖種分割是與其它煮糖罐密切聯(lián)系在一起的，所以在操作上增加幾個(gè)確認(rèn)按鈕，避免出現(xiàn)串罐現(xiàn)象，更加人性化控制。
另外，考慮到入罐糖漿的不連續(xù)性，在沒(méi)有糖漿的情況下需要煮水代替。程序上，設(shè)置進(jìn)料分糖漿和水的兩種選擇，避免糖膏煮硬并保證錘度的穩(wěn)定。
整個(gè)煮糖和煮種工藝采用順序控制，提高了工程組態(tài)效率，簡(jiǎn)化了操作步驟，從開(kāi)始到結(jié)束一氣呵成?，F(xiàn)場(chǎng)操作流程圖和控制分組畫(huà)面分別如圖3、圖4所示：
4.1 控制參數(shù)設(shè)置
參數(shù)取值遵循以下原則：參數(shù)設(shè)定符合工藝要求，如真空度、料位和錘度系數(shù)符合各階段的工藝關(guān)系；數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，減小對(duì)系統(tǒng)滯后的影響；檢測(cè)量的連續(xù)性，避免出現(xiàn)大幅波動(dòng)造成調(diào)節(jié)震蕩。具體參數(shù)設(shè)置如圖5所示：
4.2 控制曲線(xiàn)法
煮糖過(guò)程工藝復(fù)雜，對(duì)不同階段的溫度、真空度、攪拌、料位和糖漿濃度有不同的要求。
溫度，整個(gè)結(jié)晶過(guò)程中維持在一個(gè)狹小的范圍內(nèi)。真空度類(lèi)似地，從起始抽真空開(kāi)始直到分割前，均保持在一定的值。攪拌，先低速運(yùn)行3分鐘接著轉(zhuǎn)高速，然后在結(jié)晶過(guò)程中一直保持勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。料位，作為產(chǎn)量因數(shù)，在濃縮前呈上升狀態(tài)，濃縮后微量的下降。罐內(nèi)糖漿濃度，變化曲線(xiàn)復(fù)雜，常態(tài)下從入種到整理先升后降，保持一段時(shí)間后在長(zhǎng)晶段緩慢的穩(wěn)步上升，最后在濃縮段快速上升直到達(dá)到卸糖濃度。真空度、溫度、料位和糖漿濃度，自始至終都是相互聯(lián)系、相互影響，在整個(gè)煮煉過(guò)程中，得到穩(wěn)定控制，維持水份蒸發(fā)與蔗糖沉積兩個(gè)速度的平衡。
4.3 專(zhuān)家預(yù)測(cè)控制法
我們所用的專(zhuān)家預(yù)測(cè)控制是一個(gè)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的煮糖領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)與經(jīng)驗(yàn)，能夠利用這些知識(shí)進(jìn)行推理和判斷，模擬人類(lèi)專(zhuān)家的決策過(guò)程，進(jìn)行正確地控制。長(zhǎng)晶步驟是糖罐結(jié)晶中關(guān)鍵的一步，在這里要形成尺寸大小基本一致、形狀規(guī)則的晶體，這只能在過(guò)飽和度的亞穩(wěn)定區(qū)才能形成。因此。為了保證過(guò)飽和度的穩(wěn)定條件，長(zhǎng)晶階段要求有效地調(diào)整它的輸入量。結(jié)合糖廠豐富的現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，我們采用控制型方式，設(shè)計(jì)了罐內(nèi)糖漿濃度、蒸汽壓力、料位、汽閥和料閥相關(guān)聯(lián)的專(zhuān)家預(yù)測(cè)控制程序，很好地控制了糖漿的輸入率和加熱蒸汽的流率，保證了輸入糖漿和蒸發(fā)水之間的平衡。這樣，通過(guò)調(diào)節(jié)加料和蒸汽量可方便控制所需的過(guò)飽和度，方便地進(jìn)行起晶、養(yǎng)晶操作。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文總結(jié)了廣西某糖廠糖罐結(jié)晶過(guò)程的控制系統(tǒng)成功經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)闡述了煮糖工藝特點(diǎn)、針對(duì)這些特點(diǎn)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，以及具體的控制方案設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)，從整體效果看，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了能耗，縮短了煮糖時(shí)間35%~45%，煮出的糖膏質(zhì)量好，晶粒均勻?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明國(guó)產(chǎn)GCS-2控制系統(tǒng)完全能滿(mǎn)足目前國(guó)內(nèi)結(jié)晶罐裝置的安全與控制要求，形成的方案易于推廣應(yīng)用，對(duì)于國(guó)內(nèi)同類(lèi)企業(yè)實(shí)現(xiàn)煮糖自動(dòng)化、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益具有普遍的參考意義。(e
