甘蔗糖廠高位槽自動化控制系統(tǒng)的構(gòu)建與研發(fā)

朱延光，李可成，侯殿志，相萍萍，馬學工，陶瑞華，陳 山*

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

甘蔗糖廠高位槽自動化控制系統(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，馬學工4，陶瑞華4，陳 山1,2*

（1廣西大學糖業(yè)工程技術(shù)研究中心，廣西南寧530004；2廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧530004；3廣西石化高級技工學校，廣西南寧530031；4廣西農(nóng)墾糖業(yè)集團金光制糖有限公司，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料位觀察不準確，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)測高位槽料位高度，通過控制榨機轉(zhuǎn)速來控制料位高度的高位槽自動控制系統(tǒng)。對于整個壓榨工段而言，在高位槽部分實現(xiàn)了均衡進料，解決了榨機轉(zhuǎn)速波動大的問題，使壓榨過程更加平緩，同時降低了生產(chǎn)能耗，提高了抽出率，降低了蔗渣水分，為產(chǎn)業(yè)升級提供了方向。

DCS控制系統(tǒng)；高位槽；自動控制；均衡進料

0 前言

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

利，榨量難以按時完成，蔗渣水分高，影響鍋爐燃燒，導致鍋爐氣壓低，供氣不足；③壓榨負荷波動大，自動控制難以投入及實施；④蔗渣轉(zhuǎn)光度高，蔗糖損失嚴重等。

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)主要包括均衡進料、高位槽自動控制和滲透水自動控制。均衡進料是利用核子秤實時統(tǒng)計榨量并反饋調(diào)節(jié)傳送帶速度實現(xiàn)的，而高位槽的自動控制是首先利用傳感器對高位槽內(nèi)的料位進行檢測，然后根據(jù)檢測信息對榨機轉(zhuǎn)速進行控制。二者控制原理雖有不同，但它們發(fā)揮協(xié)同作用，共同實現(xiàn)均衡生產(chǎn)。本文將重點對整個系統(tǒng)中高位槽的自動控制部分展開論述。

高位槽作為壓榨工段一個重要的組成單元對生產(chǎn)有重要作用，主要體現(xiàn)在：一是在壓榨機設備固定、進榨量和滲透水量一定時，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；三是壓榨電動機的總?cè)萘空继菑S全廠裝機容量的一半以上，控制壓榨機轉(zhuǎn)速實現(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)，是相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種較新型的計算機控制系統(tǒng)，由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡為紐帶的多級計算機系統(tǒng)，對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、操作、管理和分散控制[2]。

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

1 高位槽自動化控制原理與實施

高位槽的自動化控制是基于DCS控制平臺實現(xiàn)的，我們對每一個關(guān)鍵控制點都進行了編程控制，并將所有程序集中于一臺主控計算機內(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—反饋—處理—控制，即安裝在高位槽上的傳感器首先探測壓榨信號（料位高度和電流大小），然后將信號反饋到DCS控制中心，控制中心將收到的信號與設定值進行對比，若信號值高于設定值，則向榨機發(fā)出指令提高榨機的轉(zhuǎn)速達到設定的提速值,若信號值低于設定值，則向榨機發(fā)出指令降低榨機轉(zhuǎn)速達到設定的減速值，從而實現(xiàn)平穩(wěn)壓榨。

1.1 高位槽料位檢測

搜集高位槽的壓榨信號是實現(xiàn)高位槽智能控制的第一步，高位槽的壓榨信號主要包括高位槽內(nèi)的料位信號和壓榨機的電流信號，監(jiān)測器將搜集到的2種信號反饋給DCS控制中心進行處理。

為了準確檢測高位槽內(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)量輸出與被檢測體無機械接觸的傳感器。它的開關(guān)工作面與被檢測目標物構(gòu)成一個電容器，并接在震蕩回路中，參與震蕩回路工作。當被檢測物體靠近接近開關(guān)工作面時，回路的電容量發(fā)生變化，由此產(chǎn)生開與關(guān)的作用，從而檢測物體的有或無。當某個傳感器發(fā)生感應時，表明高位槽內(nèi)的物料高度已經(jīng)達到該傳感器所表示的高度。每個傳感器與DCS系統(tǒng)連接，這樣每個傳感器都會將高度信號傳到DCS控制中心，從而實現(xiàn)高位槽料位高度的檢測。此外，對壓榨機電流的檢測也是我們對高位槽料位檢測的一部分，DCS控制中心實時讀取壓榨電動機驅(qū)動器的電流信號，信號經(jīng)過計算對比后，再給壓榨電動機驅(qū)動器發(fā)出控制信號，達到控制榨機轉(zhuǎn)速的目的。

1.2 DCS系統(tǒng)對高位槽料位控制

DCS系統(tǒng)對高位槽料位的控制主要是通過對榨機轉(zhuǎn)速的控制實現(xiàn)。DCS系統(tǒng)對高位槽料位、榨機電流以及軸瓦溫度等3個關(guān)鍵控制點同時進行監(jiān)控，并實時收集3個控制點的信號。DCS控制中心將接收的信號運算值處理后再與設定值進行比較，根據(jù)各自的比較結(jié)果而發(fā)出相應的指令控制榨機轉(zhuǎn)速。

1.2.1 DCS通過料位對榨機轉(zhuǎn)速的控制

對每座高位槽的每個監(jiān)控傳感器都進行編程控制，并集中于DCS控制中心。DCS控制中心接收到每個高位槽的料位信息后，進行對比分析，若接收

數(shù)值高于第1個傳感器時，DCS控制中心發(fā)出指令適當提高相應榨機的轉(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個傳感器時，DCS控制中心則發(fā)出指令適當降低榨機速度，使料位升高，從而使料位穩(wěn)定在第1個和第2個傳感器之間。高位槽部分監(jiān)控程序如圖1所示。

1.2.2 DCS通過電流對榨機的控制

DCS控制系統(tǒng)除了根據(jù)高位槽調(diào)節(jié)壓榨機轉(zhuǎn)速外，還對壓榨電動機驅(qū)動器的電流信號進行實時監(jiān)測，并通過判斷電流值的大小對進行壓榨機的轉(zhuǎn)速進行控制。當DCS控制中心讀取的壓榨電動機驅(qū)動器的電流信號大于設定值時（表明壓榨機轉(zhuǎn)速高于正常值），控制中心發(fā)出指令適當降低壓榨機轉(zhuǎn)速；當DCS控制中心接收到的壓榨機的電流值小于設定值時（表明壓榨機轉(zhuǎn)速低于正常值），控制中心發(fā)出指令適當提高壓榨機轉(zhuǎn)速。

圖1 高位槽監(jiān)控部分程序圖

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

2 應用效果

本項目在2013～2015年先后在廣西石別糖廠和廣西金光糖廠進行了實際應用，經(jīng)統(tǒng)計，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)濟效益。

2.1 廣西博慶食品有限公司石別糖廠應用情況

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行了應用測試，取得了預期的效果。測試結(jié)果如表1。

表1 改造前后壓榨數(shù)據(jù)對比（2013.11～2015.3年報表統(tǒng)計數(shù)據(jù)）

由表1可以看出，電機轉(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%百分數(shù)，蔗渣水分降低了1.5%百分數(shù)，抽出率達97.0%，比上個榨季提高0.8%左右百分數(shù)。對于整體生產(chǎn)情況，改造前常出現(xiàn)過榨不順利，榨量難以提高，榨量波動引起指標波動較大的情況，而在改造后過榨順利，負荷低，且榨量波動不會引起指標波動。

2.2 廣西金光制糖有限公司金光糖廠應用情況

2014/15年榨季在廣西金光糖廠進行了應用測試，取得了預期的效果，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)對比（2013.11～2015.3年報表統(tǒng)計數(shù)據(jù)）

由表2可看出，2014/15年榨季投入高位槽自動化控制系統(tǒng)后，榨機電流比2013/14年榨季降低100 A左右；單座榨機能耗均值為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，設備運行安全，負荷低。

綜上所述，在2家糖廠的應用結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了壓榨過程高位槽控制的自動化，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，有效減少了現(xiàn)場操作工人的數(shù)量，在節(jié)省人力成本的同時也增加了生產(chǎn)安全系數(shù)。該系統(tǒng)在糖廠的成功應用可為糖廠自動化生產(chǎn)升級改造提供一定的參考，可進行應用推廣。

3 結(jié)語

在糖廠的實際應用結(jié)果表明系統(tǒng)實現(xiàn)了高位槽料位的均衡自動控制，不僅提高了壓榨量和抽出率，達到節(jié)能的目的，而且實現(xiàn)了自動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工作狀態(tài)波動大，一致性、重復性差，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)量和減輕工人勞動強度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)量，取得了良好的經(jīng)濟效益。

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

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

(本篇責任編校：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，廣西大學教授，博士生導師；E-mail: chen-shan@foxmail.com

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