計(jì)算機(jī)煮糖DCS系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

張 恒 陳芳芳 張黎海

（1.昆明電器科學(xué)研究所，昆明 650221；2.云南民族大學(xué)，昆明 650031）

1 引言

實(shí)際上，煮糖的過(guò)程是一個(gè)將糖液中的蔗糖成分提純的工業(yè)過(guò)程，即利用蔗糖的結(jié)晶特性將糖液中會(huì)結(jié)晶的蔗糖分子的結(jié)晶不斷長(zhǎng)大（養(yǎng)晶），再通過(guò)分蜜機(jī)將蔗糖和非蔗糖成分分開(kāi)。眾所周知，只要糖液處于過(guò)飽和狀態(tài)， 糖液中的蔗糖晶體都會(huì)吸收糖份長(zhǎng)大。但是，糖液處于不同的過(guò)飽和度區(qū)域、其對(duì)生成晶粒的作用則各異。糖濃過(guò)飽和度處于介穩(wěn)區(qū)，不能產(chǎn)生晶粒；中間區(qū)，必須有晶粒存在或者在其他因素的刺激下，方可產(chǎn)生晶粒；易變區(qū)，則不論有無(wú)晶粒存在均可自然產(chǎn)生晶粒。不言而喻，養(yǎng)晶必須將生產(chǎn)過(guò)程的過(guò)飽和度控制在介穩(wěn)區(qū)。

微機(jī)煮糖過(guò)程中的理論依據(jù)是控制煮糖罐內(nèi)的過(guò)飽和度。然而，目前尚未研究開(kāi)發(fā)出適用于煮糖實(shí)際生產(chǎn)的在線式過(guò)飽和度測(cè)試儀和晶粒大小檢測(cè)儀。此問(wèn)題是目前煮糖自動(dòng)化最大的難題。本開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的目的就是在目前沒(méi)有直接的在線式過(guò)飽和度測(cè)量?jī)x表、在線式純度測(cè)量?jī)x表和晶粒數(shù)量和大小的測(cè)量?jī)x表的情況下，用錘度計(jì)、電導(dǎo)率計(jì)等現(xiàn)有的在線式儀表通過(guò)自主創(chuàng)新的工藝制度控制方法，應(yīng)用當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)研發(fā)出適用于微機(jī)煮糖的自動(dòng)化系統(tǒng)。

2 相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀分析

在制糖工業(yè)生產(chǎn)中，煮糖是最后一道生產(chǎn)環(huán)節(jié)，也是極為關(guān)鍵而重要的環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)壓榨、蒸發(fā)和其他化學(xué)處理的糖漿，最終要在結(jié)晶罐中完成液-固轉(zhuǎn)換。糖漿處于過(guò)飽和度亞穩(wěn)定區(qū)逐步結(jié)晶生成成品糖。整個(gè)制糖生產(chǎn)造成糖分損失有三大源頭：蔗渣損失、濾泥損失、廢蜜損失。而廢蜜損失與煮糖時(shí)提糖率直接相關(guān)。有極少數(shù)由外國(guó)公司直接投資參股、控股的廠采用了在線檢測(cè)手段，由計(jì)算機(jī)控制煮制（但國(guó)外糖廠一般采用連續(xù)煮糖法，與國(guó)內(nèi)的間歇式煮糖大不一樣；且其質(zhì)量指標(biāo)也有很大不同，同時(shí)設(shè)備成本極高。很難照搬其經(jīng)驗(yàn)和方法。）國(guó)內(nèi)自行研制開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)煮糖系統(tǒng)目前正在摸索階段，據(jù)相關(guān)報(bào)道，總結(jié)下來(lái)大致有以下三種：

（1）儀表采集過(guò)程數(shù)據(jù)（主要是糖液錘度，電導(dǎo)等）到計(jì)算機(jī)上集中顯示，由煮糖工監(jiān)視數(shù)據(jù)并結(jié)合拉取樣棒抽取物料，在玻璃片上觀察判斷晶種大小、母液中含蜜量，判斷能進(jìn)一步吸收的程度、糖液錘度的高低，并據(jù)此判斷決定下一步的操作。這種方式的代表是英國(guó)拉爾拉法公司為廣西播慶糖廠在20世紀(jì)90年代初制作的。這種方式的問(wèn)題是明顯的，即自控儀表采集的數(shù)據(jù)對(duì)穩(wěn)定而準(zhǔn)確地控制煮糖過(guò)程起到了一定的作用，但是由于糖液成分復(fù)雜，影響結(jié)晶的因素又多，在生產(chǎn)中仍然需要有經(jīng)驗(yàn)的煮糖工進(jìn)行全面的觀察、分析和判斷，并據(jù)此給定各種適宜的工藝參數(shù)，控制水平較低。

（2）以“五一”煮糖法為自控操作基本依據(jù)的以糖液溫度來(lái)作為控制煮糖過(guò)程的操作方法。這種方法需根據(jù)當(dāng)時(shí)的糖液純度實(shí)測(cè)起晶點(diǎn)和溶晶點(diǎn)來(lái)作為實(shí)際操作的依據(jù)。由于糖廠甘蔗變化極大，每隔幾天就需執(zhí)行測(cè)罐操作，測(cè)罐費(fèi)時(shí)、操作繁鎖，應(yīng)用極不方便。

（3）以復(fù)旦大學(xué)，昆明冶研新材料股份有限公司，勐海縣景真糖廠合作研究為代表的運(yùn)用人工神經(jīng)元建模，編寫(xiě)自動(dòng)控制煮糖程序?qū)崿F(xiàn)的計(jì)算機(jī)煮糖方式。這種方式是當(dāng)前技術(shù)水平較高的一種控制方式。但我們實(shí)地考察后發(fā)現(xiàn)，由于其采用Bp網(wǎng)絡(luò)模型，且煮糖過(guò)程中相互影響因素極多，其自學(xué)習(xí)的過(guò)程需要海量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。另外，糖廠原料和工藝調(diào)整極大。造成煮糖效果時(shí)好時(shí)壞的現(xiàn)象。

3 項(xiàng)目方案實(shí)施

（1）系統(tǒng)框圖及控制流程

計(jì)算機(jī)煮糖自動(dòng)化系統(tǒng)的框圖1所示。

（2）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)控制過(guò)程的不利因素：

1）煮糖過(guò)程中涉及的甲原蜜，甲洗蜜粘稠度較大，濃度值也較高，基本在86BX以上。經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)煮糖過(guò)程中觀察，本系統(tǒng)中設(shè)立的流量計(jì)測(cè)量數(shù)值不穩(wěn)定，不能完全表征進(jìn)料量的準(zhǔn)確數(shù)量。流量數(shù)據(jù)波動(dòng)也較大，必須做軟件數(shù)據(jù)修訂才有可能對(duì)煮糖過(guò)程的控制產(chǎn)生一定的（只能做為眾多輔助參考條件中的一條）參考。

圖1

2）煮糖罐液位計(jì)由于氣鼓的影響，裝設(shè)位置較高，14m3以下不能測(cè)量液位值。當(dāng)煮糖罐內(nèi)容積超過(guò)14m3以上時(shí)，可以測(cè)出容積。但是，由于煮糖過(guò)程中煮糖罐內(nèi)真空度為-0.072左右，煮糖母液呈吊糖狀態(tài)；加上煮糖過(guò)程中母液的對(duì)流對(duì)其測(cè)量的影響也極大，所以此液位計(jì)所測(cè)液位不能準(zhǔn)確表征罐內(nèi)容積。只能在某些特定情況下（主要在罐內(nèi)容積接近30m3左右）參與給出罐內(nèi)容積的參考值。

3）甲洗和甲原，包括煮糖母液、乙膏、晶體的簡(jiǎn)純度數(shù)據(jù)均需通過(guò)化驗(yàn)室采樣后通過(guò)化學(xué)和物理方法測(cè)出，但往往需要時(shí)間較長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于煮糖過(guò)程實(shí)際（當(dāng)化驗(yàn)結(jié)果出來(lái)時(shí)，這些物料可能已經(jīng)出鍋了）。

針對(duì)上述情況，要做好煮糖自動(dòng)化研發(fā)系統(tǒng)，必須要綜合利用各種可以利用的數(shù)據(jù)并加以處理、甄別，并在煮糖過(guò)程控制中分階段按其實(shí)際作用分別加以綜合應(yīng)用，才有可能把本項(xiàng)目做好。具體內(nèi)容如下：

1）對(duì)于流量計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)，可以用打開(kāi)相關(guān)閥門(mén)的開(kāi)度的大小，及流量計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作相應(yīng)的處理和比較判別，從而得出一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)論和數(shù)值。具體做法是：在相關(guān)閥門(mén)開(kāi)度得到指令由0%開(kāi)度逐步開(kāi)大時(shí)，以1min為周期作濾波處理，以濾出流量計(jì)的采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的抖動(dòng)，得到一條較為平滑的曲線。待相關(guān)閥門(mén)得到指令又關(guān)閉為開(kāi)度0%為止。在此期間，通過(guò)計(jì)算該曲線與X軸之間的面積，可大體知道某段時(shí)間內(nèi)某種原料的加入量。相似的，其他儀表測(cè)量的不穩(wěn)定實(shí)際，儀表過(guò)程量采集時(shí)也應(yīng)能進(jìn)行濾波、加權(quán)計(jì)算等處理。

2）煮糖過(guò)程中可按工藝分為幾個(gè)不同的階段，在這些階段中，控制的關(guān)鍵、可利用的數(shù)據(jù)，甚至控制策略都會(huì)有一些不同。所以，必須在程序中判斷出當(dāng)前煮糖過(guò)程狀態(tài)（包括是煮膏還是煮種），并形成狀態(tài)字（階段戳）。以指導(dǎo)各階段的控制策略。考慮到控制方法主要采用專家模糊控制方法和工藝制度控制方法，以及項(xiàng)目前期將煮糖專家的操作經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為控制模型的需要，具體煮糖自動(dòng)化控制實(shí)施后煮糖操作工的使用需要和進(jìn)一步優(yōu)化程序的需要，應(yīng)能顯示階段戳并自動(dòng)采集進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，并有相應(yīng)操作窗方便的錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)，控制程序也能在需要的時(shí)候從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出相關(guān)內(nèi)容參與當(dāng)前煮糖控制。

3）數(shù)據(jù)、日志記錄應(yīng)打時(shí)間戳與階段戳(當(dāng)前屬于煮糖何過(guò)程),并能方便的查詢、編輯和報(bào)表打印，以方便分析各控制階段的關(guān)鍵點(diǎn)。

4）對(duì)于一些無(wú)法測(cè)量但又對(duì)過(guò)程有指導(dǎo)意義的過(guò)程量如母液吸收情況、晶粒數(shù)量和大小、煮糖母液純度等高低評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)能顯示煮糖工估計(jì)值（通過(guò)在界面中留人工輸入接口實(shí)現(xiàn)）并能記錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中。以便分析，甄別儀表所采集的過(guò)程數(shù)據(jù)。

5）對(duì)于蒸汽閥，真空閥、放糖閥等不受控對(duì)象或不宜由自控自動(dòng)操作的對(duì)象,在條件滿足時(shí)應(yīng)能發(fā)出明顯的聲光信號(hào)提示操作工注意，并在界面上自動(dòng)彈出相應(yīng)的操作指導(dǎo)對(duì)話框。在操作后通過(guò)人工在數(shù)據(jù)庫(kù)中完成錄入，以保證煮糖控制數(shù)據(jù)的完整性。

6）考慮到煮糖工藝實(shí)際，過(guò)程數(shù)據(jù)應(yīng)能動(dòng)態(tài)采集（其采集周期可設(shè)為2～3min）進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，并能夠查詢、編輯（有相應(yīng)的授權(quán)）、調(diào)用及報(bào)表打印，以便能分析工藝特點(diǎn)，并能在控制流程中引用相關(guān)數(shù)據(jù)。

（3）方案實(shí)施的技術(shù)關(guān)鍵和創(chuàng)新點(diǎn)

1）將煮糖過(guò)程中控制母液過(guò)飽和度轉(zhuǎn)化為控制結(jié)晶工藝系數(shù)，以彌補(bǔ)沒(méi)有在線式過(guò)飽和度檢測(cè)儀的難題，建立新的控制策略。

項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)充分研究，大膽創(chuàng)新。提出了工藝制度控制方法來(lái)解決本問(wèn)題。本項(xiàng)目的技術(shù)關(guān)鍵是：根據(jù)伏法公式，在大量數(shù)據(jù)、參考現(xiàn)場(chǎng)煮糖生產(chǎn)實(shí)踐和工藝專家的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立糖液錘度、純度及溫度、罐內(nèi)真空度關(guān)于過(guò)飽和度的近似函數(shù)。從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)煮糖控制。

2）通過(guò)測(cè)量罐內(nèi)同一階段下罐內(nèi)電導(dǎo)率的變化率轉(zhuǎn)化為吸收系數(shù)來(lái)間接表征母液的吸收情況，以決定煮糖下一階段的控制方案和重點(diǎn)。

純蔗糖溶液通常是不導(dǎo)電的，但當(dāng)糖液中含有電解質(zhì)時(shí)，它將具有導(dǎo)電性。在稀糖液中，電解質(zhì)隨糖液濃度的增加而增加，糖液的電導(dǎo)率也隨之增強(qiáng)。在濃糖液中，由于糖液粘度大，盡管糖液的電解質(zhì)隨其濃度的增大而增加，但電解質(zhì)的遷移率卻降低更快。因而，濃糖液的電導(dǎo)率總體上隨其濃度的增加而降低。

在本項(xiàng)目實(shí)際煮糖過(guò)程中，其母液錘度均在85BX以上，我們認(rèn)為可以利用電導(dǎo)率這一特性，采用電導(dǎo)率計(jì)和錘度計(jì)所測(cè)量的過(guò)程值的變化率來(lái)得到一個(gè)中間量（姑且叫它吸收系數(shù)），反映出母液粘稠度高低指標(biāo)、純度的高低過(guò)程指標(biāo)、母液吸收情況的高低指標(biāo)。在大多數(shù)情況下，純度系數(shù)越大，說(shuō)明隨著濃度的增加，則糖液中粘稠度越大的曲線中電導(dǎo)率變小的速度越快，說(shuō)明母液混合體中糖純度越低，其蔗糖份已大部分被糖晶體所吸收。換句話說(shuō)，我們可以根據(jù)吸收系數(shù)判斷當(dāng)前母液吸收情況的好壞。從而間接知道晶體數(shù)量、大小的情況。

3）建立數(shù)據(jù)管道的方法來(lái)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)的再處理，使采集的過(guò)程數(shù)據(jù)能適應(yīng)計(jì)算機(jī)煮糖控制。

電導(dǎo)計(jì)和錘度計(jì)分別用來(lái)測(cè)量母液中的電導(dǎo)和錘度。由于儀表價(jià)格的原因，其測(cè)量其實(shí)是采用抽樣的測(cè)量方法。即系統(tǒng)某一時(shí)刻采樣得到的過(guò)程值僅只能代表探頭附近母液的過(guò)程參數(shù)，由于母液的粘稠度很大，整個(gè)母液實(shí)際上不可能完全均勻，必須要數(shù)據(jù)處理。具體如下：

以1s為采樣周期采樣1分鐘過(guò)程值，共得到60個(gè)采樣數(shù)據(jù)，得到一個(gè)數(shù)據(jù)管道。

這60個(gè)數(shù)據(jù)按正態(tài)分布，拐點(diǎn)之外的點(diǎn)作為壞點(diǎn)剔除，得到的樣本數(shù)作一階慣性環(huán)節(jié)濾波處理。

（4）方案實(shí)施中遇到的問(wèn)題及解決措施

1）遇到的問(wèn)題

由前文的“數(shù)據(jù)準(zhǔn)備”一節(jié)中可知液位計(jì)所測(cè)值位不能準(zhǔn)確表征罐內(nèi)容積。加上煮糖過(guò)程中母液的對(duì)流對(duì)其測(cè)量的影響也極大，甚至在極端條件下會(huì)導(dǎo)致控制程序出現(xiàn)混亂。

對(duì)于蒸汽閥，真空閥、放糖閥等不受控對(duì)象或不宜由自控自動(dòng)操作的對(duì)象,在條件滿足時(shí)應(yīng)能發(fā)出明顯的聲光信號(hào)提示操作工注意，并在界面上自動(dòng)彈出相應(yīng)的操作指導(dǎo)對(duì)話框。在操作后通過(guò)人工在數(shù)據(jù)庫(kù)中完成錄入，以保證煮糖控制數(shù)據(jù)的完整性。

2）解決方案

目前適用于煮糖罐內(nèi)的測(cè)量液位的現(xiàn)場(chǎng)儀表極少，我們現(xiàn)已使用了目前能夠接受價(jià)格的最好的過(guò)程儀表。要想改善液位的測(cè)控狀況，用單一的現(xiàn)場(chǎng)儀表已無(wú)法滿足使用和控制的需要。因此，我們通過(guò)修改程序，利用各煮糖工藝階段的差別及用信號(hào)綜合利用技術(shù)，采用軟件補(bǔ)償（比如在初階段其錘度不會(huì)超過(guò)90Bx）的方法使液位信號(hào)更利于控制。

4 結(jié)論

該項(xiàng)目屬于應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的系統(tǒng)集成領(lǐng)域的創(chuàng)新典型項(xiàng)目。項(xiàng)目經(jīng)過(guò)營(yíng)盤(pán)糖廠兩個(gè)軋季的運(yùn)行檢驗(yàn)，在成功實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)煮糖的前提下，煮糖時(shí)間及提糖率均得到提高，得到了用戶的認(rèn)可。

[1] 黃廣盛,李揚(yáng)訓(xùn),莫慧平.甘蔗制糖工藝學(xué)[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社.北京.1995.10.

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[3] 黃世揚(yáng).甘蔗糖液在結(jié)晶過(guò)程中的過(guò)飽和度[J].四川制糖發(fā)酵,1990(1).

[4] D.L.Machintosk國(guó)際際糖業(yè)工程師學(xué)會(huì)第44屆年會(huì)論文集.