甘蔗糖廠高位槽自動(dòng)化控制系統(tǒng)的構(gòu)建與研發(fā)

朱延光，李可成，侯殿志，相萍萍，馬學(xué)工，陶瑞華，陳 山*

（1廣西大學(xué)糖業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣西南寧530004；2廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西南寧530004；3廣西石化高級(jí)技工學(xué)校，廣西南寧530031；4廣西農(nóng)墾糖業(yè)集團(tuán)金光制糖有限公司，廣西南寧530042）

甘蔗糖廠高位槽自動(dòng)化控制系統(tǒng)的構(gòu)建與研發(fā)

朱延光1,2，李可成3，侯殿志1,2，相萍萍1,2，馬學(xué)工4，陶瑞華4，陳 山1,2*

（1廣西大學(xué)糖業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣西南寧530004；2廣西大學(xué)輕工與食品工程學(xué)院，廣西南寧530004；3廣西石化高級(jí)技工學(xué)校，廣西南寧530031；4廣西農(nóng)墾糖業(yè)集團(tuán)金光制糖有限公司，廣西南寧530042）

糖廠壓榨工段的高位槽部分普遍存在著工人對(duì)料位觀察不準(zhǔn)確，人工調(diào)整延遲，整體控制難等問題。為解決以上問題，根據(jù)糖廠實(shí)際壓榨工藝，給出了以DCS控制系統(tǒng)為核心，用傳感器監(jiān)測(cè)高位槽料位高度，通過控制榨機(jī)轉(zhuǎn)速來控制料位高度的高位槽自動(dòng)控制系統(tǒng)。對(duì)于整個(gè)壓榨工段而言，在高位槽部分實(shí)現(xiàn)了均衡進(jìn)料，解決了榨機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大的問題，使壓榨過程更加平緩，同時(shí)降低了生產(chǎn)能耗，提高了抽出率，降低了蔗渣水分，為產(chǎn)業(yè)升級(jí)提供了方向。

DCS控制系統(tǒng)；高位槽；自動(dòng)控制；均衡進(jìn)料

0 前言

壓榨工段作為甘蔗糖廠第1個(gè)操作單元，其效能的發(fā)揮直接影響全廠均衡生產(chǎn)，原料蔗的供應(yīng)及“高糖高榨”的要求會(huì)不可避免地造成榨量的波動(dòng)。目前，糖廠普遍存在著耗能高、穩(wěn)定性差和對(duì)榨量波動(dòng)適應(yīng)性弱的問題。榨機(jī)組存在的問題有：①壓榨機(jī)負(fù)荷重、耗能高且運(yùn)行不穩(wěn)定，為了滿足榨量，電機(jī)轉(zhuǎn)速有時(shí)需要在1000 r/min以上，工作電流常達(dá)1000 A或更高，因電機(jī)發(fā)熱導(dǎo)致跳閘現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，壓榨過程的穩(wěn)定性和安全性較差；②過榨不順

利，榨量難以按時(shí)完成，蔗渣水分高，影響鍋爐燃燒，導(dǎo)致鍋爐氣壓低，供氣不足；③壓榨負(fù)荷波動(dòng)大，自動(dòng)控制難以投入及實(shí)施；④蔗渣轉(zhuǎn)光度高，蔗糖損失嚴(yán)重等。

為解決以上問題，提高壓榨效率，減少壓榨能耗，我們構(gòu)建并研發(fā)了甘蔗壓榨優(yōu)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括均衡進(jìn)料、高位槽自動(dòng)控制和滲透水自動(dòng)控制。均衡進(jìn)料是利用核子秤實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)榨量并反饋調(diào)節(jié)傳送帶速度實(shí)現(xiàn)的，而高位槽的自動(dòng)控制是首先利用傳感器對(duì)高位槽內(nèi)的料位進(jìn)行檢測(cè)，然后根據(jù)檢測(cè)信息對(duì)榨機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。二者控制原理雖有不同，但它們發(fā)揮協(xié)同作用，共同實(shí)現(xiàn)均衡生產(chǎn)。本文將重點(diǎn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中高位槽的自動(dòng)控制部分展開論述。

高位槽作為壓榨工段一個(gè)重要的組成單元對(duì)生產(chǎn)有重要作用，主要體現(xiàn)在：一是在壓榨機(jī)設(shè)備固定、進(jìn)榨量和滲透水量一定時(shí)，壓榨高位槽的料位是否均衡，影響著甘蔗壓榨的抽出率，若壓榨機(jī)抽出率提高1%，則糖分總收回率提高0.88%～0.92%；二是壓榨高位槽的料位直接影響蔗渣水分和轉(zhuǎn)光度，蔗渣作為鍋爐燃料，蔗渣水分影響鍋爐的燃燒；三是壓榨電動(dòng)機(jī)的總?cè)萘空继菑S全廠裝機(jī)容量的一半以上，控制壓榨機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)高位槽料位均衡能夠大量節(jié)約電能[1]。DCS(Distributed control system)，集散控制系統(tǒng)，是相對(duì)于集中式控制系統(tǒng)而言的一種較新型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，由過程控制級(jí)和過程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制[2]。

我們將高位槽的自動(dòng)化控制系統(tǒng)納入整個(gè)DCS控制系統(tǒng)，通過對(duì)蔗料高度、榨機(jī)電流以及榨機(jī)軸瓦溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)來及時(shí)有效地控制榨機(jī)轉(zhuǎn)速，防止底梳通道堵塞，保證高位槽內(nèi)存料穩(wěn)定，解決了人工對(duì)料位觀察不準(zhǔn)確以及調(diào)整遲緩等問題，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化與信息化的高度融合，對(duì)糖廠的安全生產(chǎn)、減少運(yùn)行故障率、提高產(chǎn)糖率、減少能耗、完成榨量等方面有重要意義。

1 高位槽自動(dòng)化控制原理與實(shí)施

高位槽的自動(dòng)化控制是基于DCS控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的，我們對(duì)每一個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)都進(jìn)行了編程控制，并將所有程序集中于一臺(tái)主控計(jì)算機(jī)內(nèi)—DCS控制中心，從而能夠?qū)崿F(xiàn)集中、快速處理。其主要過程可以概括為：監(jiān)測(cè)—反饋—處理—控制，即安裝在高位槽上的傳感器首先探測(cè)壓榨信號(hào)（料位高度和電流大小），然后將信號(hào)反饋到DCS控制中心，控制中心將收到的信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，若信號(hào)值高于設(shè)定值，則向榨機(jī)發(fā)出指令提高榨機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定的提速值,若信號(hào)值低于設(shè)定值，則向榨機(jī)發(fā)出指令降低榨機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定的減速值，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)壓榨。

1.1 高位槽料位檢測(cè)

搜集高位槽的壓榨信號(hào)是實(shí)現(xiàn)高位槽智能控制的第一步，高位槽的壓榨信號(hào)主要包括高位槽內(nèi)的料位信號(hào)和壓榨機(jī)的電流信號(hào)，監(jiān)測(cè)器將搜集到的2種信號(hào)反饋給DCS控制中心進(jìn)行處理。

為了準(zhǔn)確檢測(cè)高位槽內(nèi)料位，我們首先在每座高位槽側(cè)面安裝了玻璃窗口，在玻璃窗口外根據(jù)高低順序依次安裝了6個(gè)蔗渣傳感器——電容式接近開關(guān)。電容式接近開關(guān)是一種具有開關(guān)量輸出與被檢測(cè)體無機(jī)械接觸的傳感器。它的開關(guān)工作面與被檢測(cè)目標(biāo)物構(gòu)成一個(gè)電容器，并接在震蕩回路中，參與震蕩回路工作。當(dāng)被檢測(cè)物體靠近接近開關(guān)工作面時(shí)，回路的電容量發(fā)生變化，由此產(chǎn)生開與關(guān)的作用，從而檢測(cè)物體的有或無。當(dāng)某個(gè)傳感器發(fā)生感應(yīng)時(shí)，表明高位槽內(nèi)的物料高度已經(jīng)達(dá)到該傳感器所表示的高度。每個(gè)傳感器與DCS系統(tǒng)連接，這樣每個(gè)傳感器都會(huì)將高度信號(hào)傳到DCS控制中心，從而實(shí)現(xiàn)高位槽料位高度的檢測(cè)。此外，對(duì)壓榨機(jī)電流的檢測(cè)也是我們對(duì)高位槽料位檢測(cè)的一部分，DCS控制中心實(shí)時(shí)讀取壓榨電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電流信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過計(jì)算對(duì)比后，再給壓榨電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào)，達(dá)到控制榨機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

1.2 DCS系統(tǒng)對(duì)高位槽料位控制

DCS系統(tǒng)對(duì)高位槽料位的控制主要是通過對(duì)榨機(jī)轉(zhuǎn)速的控制實(shí)現(xiàn)。DCS系統(tǒng)對(duì)高位槽料位、榨機(jī)電流以及軸瓦溫度等3個(gè)關(guān)鍵控制點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，并實(shí)時(shí)收集3個(gè)控制點(diǎn)的信號(hào)。DCS控制中心將接收的信號(hào)運(yùn)算值處理后再與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)各自的比較結(jié)果而發(fā)出相應(yīng)的指令控制榨機(jī)轉(zhuǎn)速。

1.2.1 DCS通過料位對(duì)榨機(jī)轉(zhuǎn)速的控制

對(duì)每座高位槽的每個(gè)監(jiān)控傳感器都進(jìn)行編程控制，并集中于DCS控制中心。DCS控制中心接收到每個(gè)高位槽的料位信息后，進(jìn)行對(duì)比分析，若接收

數(shù)值高于第1個(gè)傳感器時(shí)，DCS控制中心發(fā)出指令適當(dāng)提高相應(yīng)榨機(jī)的轉(zhuǎn)速，使高位槽內(nèi)的料位下降；若接收到的數(shù)值低于第2個(gè)傳感器時(shí)，DCS控制中心則發(fā)出指令適當(dāng)降低榨機(jī)速度，使料位升高，從而使料位穩(wěn)定在第1個(gè)和第2個(gè)傳感器之間。高位槽部分監(jiān)控程序如圖1所示。

1.2.2 DCS通過電流對(duì)榨機(jī)的控制

DCS控制系統(tǒng)除了根據(jù)高位槽調(diào)節(jié)壓榨機(jī)轉(zhuǎn)速外，還對(duì)壓榨電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過判斷電流值的大小對(duì)進(jìn)行壓榨機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。當(dāng)DCS控制中心讀取的壓榨電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電流信號(hào)大于設(shè)定值時(shí)（表明壓榨機(jī)轉(zhuǎn)速高于正常值），控制中心發(fā)出指令適當(dāng)降低壓榨機(jī)轉(zhuǎn)速；當(dāng)DCS控制中心接收到的壓榨機(jī)的電流值小于設(shè)定值時(shí)（表明壓榨機(jī)轉(zhuǎn)速低于正常值），控制中心發(fā)出指令適當(dāng)提高壓榨機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖1 高位槽監(jiān)控部分程序圖

綜上所述，高位槽的自動(dòng)化控制是通過DCS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，而關(guān)鍵控制點(diǎn)傳感器、監(jiān)控程序、控制計(jì)算機(jī)以及操作終端（壓榨機(jī)）等構(gòu)成了完整的閉環(huán)DCS控制系統(tǒng)。同時(shí)，該系統(tǒng)還具有良好的人機(jī)交互界面，操作人員根據(jù)生產(chǎn)需求可以隨時(shí)輸入目標(biāo)值，使高位槽料位的控制達(dá)到了分散控制、集中操作、分級(jí)管理的要求，有效提高了高位槽在壓榨工段的作用，使壓榨實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化升級(jí)。

2 應(yīng)用效果

本項(xiàng)目在2013～2015年先后在廣西石別糖廠和廣西金光糖廠進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在壓榨量、耗電量、蔗渣水分、蔗渣轉(zhuǎn)光度、壓榨抽出率以及榨機(jī)故障率等方面取得了良好的效果，顯著增加了糖廠的經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 廣西博慶食品有限公司石別糖廠應(yīng)用情況

2013/14年榨季該系統(tǒng)首先在廣西博慶食品有限公司石別糖廠進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試，取得了預(yù)期的效果。測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 改造前后壓榨數(shù)據(jù)對(duì)比（2013.11～2015.3年報(bào)表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）

由表1可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降明顯，從改造前的550 r/min下降到了400 r/min，但是榨量卻并沒有下降，而是從原來不到310 t/h提升到了340 t/h，提高約為10%，由此在保證榨量的同時(shí)減少了電耗；蔗渣轉(zhuǎn)光度均在1.6%～1.8%之間，比改造前降低了0.5%～0.7%百分?jǐn)?shù)，蔗渣水分降低了1.5%百分?jǐn)?shù)，抽出率達(dá)97.0%，比上個(gè)榨季提高0.8%左右百分?jǐn)?shù)。對(duì)于整體生產(chǎn)情況，改造前常出現(xiàn)過榨不順利，榨量難以提高，榨量波動(dòng)引起指標(biāo)波動(dòng)較大的情況，而在改造后過榨順利，負(fù)荷低，且榨量波動(dòng)不會(huì)引起指標(biāo)波動(dòng)。

2.2 廣西金光制糖有限公司金光糖廠應(yīng)用情況

2014/15年榨季在廣西金光糖廠進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試，取得了預(yù)期的效果，節(jié)省了大量的人力（操作工人由原先的20人減少到2人），主控界面及操作室如圖2、圖3，測(cè)試結(jié)果見表2。

圖2 壓榨生產(chǎn)線主控界面圖

圖3 操作室圖

表2 改造前后壓榨數(shù)據(jù)對(duì)比（2013.11～2015.3年報(bào)表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）

由表2可看出，2014/15年榨季投入高位槽自動(dòng)化控制系統(tǒng)后，榨機(jī)電流比2013/14年榨季降低100 A左右；單座榨機(jī)能耗均值為1.4左右，比2013/14年榨季降低0.3 KW?h；蔗渣轉(zhuǎn)光度比2013/14年榨季降低了0.2%；壓榨抽出率提高0.3%。過榨順利，設(shè)備運(yùn)行安全，負(fù)荷低。

綜上所述，在2家糖廠的應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壓榨過程高位槽控制的自動(dòng)化，有效降低了糖廠能耗，提高了壓榨抽出率，降低了蔗渣轉(zhuǎn)光度以及水分，同時(shí)，有效減少了現(xiàn)場(chǎng)操作工人的數(shù)量，在節(jié)省人力成本的同時(shí)也增加了生產(chǎn)安全系數(shù)。該系統(tǒng)在糖廠的成功應(yīng)用可為糖廠自動(dòng)化生產(chǎn)升級(jí)改造提供一定的參考，可進(jìn)行應(yīng)用推廣。

3 結(jié)語

在糖廠的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高位槽料位的均衡自動(dòng)控制，不僅提高了壓榨量和抽出率，達(dá)到節(jié)能的目的，而且實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化與壓榨工藝的良好融合，解決了壓榨過程高位槽及壓榨機(jī)工作狀態(tài)波動(dòng)大，一致性、重復(fù)性差，故障率高等問題，從而使壓榨工段生產(chǎn)平穩(wěn)，減少了工人數(shù)量和減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 秦健南，葉權(quán)圣，黃爽，等. 甘蔗糖廠壓榨高位槽料位自動(dòng)控制的研究[J]. 輕工科技，2012(8)：55-56.

[2] 秦會(huì)敏，李浩洋，陳俊佳，等. 壓榨DCS在甘蔗糖廠生產(chǎn)過程的應(yīng)用[J]. 甘蔗糖業(yè)，2014(5)：34-38.

(本篇責(zé)任編校：朱滌荃)

Construction and Development: an Automatic Control System in Cane Mills

ZHU Yan-guang1,2, LI Ke-cheng3, HOU Dian-zhi1,2, XIANG Ping-ping1,2, MA Xue-gong4, TAO Rui-hua4,
CHEN Shan1,2
(1Center for Sugar Engineering and Technology Research, Guangxi University, Nanning 530004;2College of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004;3Guangxi Senior Petrochemical Mechanic School, Nanning 530031;4Guangxi Nongken Sugar Group Jinguang Sugar Co. Ltd. Nanning 530042)

In order to minimize the energy consumption, to reduce the optical rotation of sugar and moisture content in bagasse, to make the mills more stable and to improve the environment for workers, we have constructed and developed the DCS (Distributed Control System) automatic control system for squeezing extraction. It consists of automatic control of balanced feeding of sugarcane, automatic control of header tank, automatic control of maceration water and monitoring of sugar mill roll temperature. This system has been applied in two sugar factories and the results show that it has effects in the aspects of completing squeeze quantity, saving energy consumption, improving the degree of extraction and reducing moisture in bagasse. And we will popularize it to more sugar factories in the future.

DCS control system; Header tank; Automatic control; Balanced feeding

TS243+.8

B

1005-9695(2015)05-0063-05

2015-07-10；

2015-09-08

甘蔗壓榨優(yōu)化控制系統(tǒng)的構(gòu)建與研發(fā)（科技攻關(guān)20131077）；甘蔗壓榨優(yōu)化控制系統(tǒng)的構(gòu)建與研發(fā)（桂科重14122003-1）

朱延光(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：糖品深加工

*通訊作者：陳山(1968-)，男，廣西大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師；E-mail: chen-shan@foxmail.com

朱延光，李可成，侯殿志，等. 糖廠高位槽自動(dòng)化控制系統(tǒng)的構(gòu)建與研發(fā)[J]. 甘蔗糖業(yè)，2015(5)：63-67.