中和CH-52B pH自控系統的開發與應用

陳林延，李進勇，劉 耿

（欽州市創華工控設備有限公司，廣西 欽州 535000）

文章編號：2095-820X（2016）05-06

中和CH-52B pH自控系統的開發與應用

陳林延，李進勇，劉 耿

（欽州市創華工控設備有限公司，廣西 欽州 535000）

中和pH值是糖廠澄清工段的關鍵工藝控制指標，文章介紹了用于中和pH值測控的CH-52B pH自控系統的結構和工作原理。應用結果說明，該系統能精準、穩定控制中和pH值，保證蔗汁澄清效果，為提高糖分回收，提高產品質量提供技術保障。

澄清中和；pH值；自控

0 概述

澄清工段是亞硫酸法制糖工藝中的關鍵工段之一，中和pH值是澄清工段中的關鍵工藝控制指標。中和pH值的控制效果直接影響蔗汁的澄清效果、糖分回收和后續工段設備積垢問題，從而影響食糖生產成本和質量，最終影響糖廠的經濟效益，所以對中和pH值進行精確測量和穩定控制至關重要。

近年來眾多科研單位及制糖企業投入大量人力物力，在澄清工藝特別是在中和pH自動測量控制方面，進行了研究和推廣，獲得一定的效果，目前眾多糖廠已有pH自控系統應用。由于澄清工藝過程存在變量多、非線性、大滯后、積垢嚴重、高溫腐蝕等干擾因素，現有pH自控系統在使用過程中，存在電極清洗不干凈影響測量精度，影響系統控制效果；執行器精度不夠，控制波動大，結構不理想，石灰乳容易滲漏；系統維護量大等問題。更符合現場需求的智能pH自控系統，還要持續的研究和完善。

針對目前pH自控方面存在的問題，我公司發明了“步進自動控制閥門”、“雙電極在線測量系統”、“單電極測量裝置”等核心專利技術，開發了CH-52B pH自控系統，并已在多家糖廠應用，取得較好的成效，下面介紹該系統技術的工作原理及應用情況，探討其在糖廠應用的可行性。

1 CH-52BpH自控系統的原理和構成

1.1 CH-52B pH自控系統的控制原理

CH-52B自控系統采用復合玻璃電極對中和汁進行pH值測量，進行數據采集，系統將采集到的數據送到比較器進行比較，產生的偏差再送入模糊控制器（或者自適應控制器）進行運算，運算結果通過輸出模塊驅動步進執行器動作，改變被控介質石灰乳的加入量。系統連續進行“樣品測量—比較運算—輸出控制”的循環，從而達到精確穩定控制中和pH值的目的。通過控制器指令驅動雙電極測量裝置兩支電極按預設的時間往復運動，實現對電極的測量和清洗除垢交替作業；當生產處于停頓間隔時，系統會自動檢測來料壓力，壓力小于下限報警值，系統發出指令關閉步進執行器，生產恢復后，系統檢測到壓力變化，發出指令開關步進執行機器，整個控制過程無需人工干預。

1.2 CH-52B pH自控系統的控制結構

系統控制結構見圖1。

圖1 CH-52B pH自控系統控制結構如圖

1.3 CH-52B pH自控系統的控制組成

pH自控系統主要由PLC主控部分、中和汁（pH1）雙電極測量和清洗、步進執行器調節石灰乳、澄清汁（pH2）測量和清洗等四大部分組成。系統還預留了中和汁壓力和一、二次溫度加熱檢測和控制功能。CH-52BpH自控系統現場應用示意圖（見圖2）。

圖2 CH-52B pH自控系統現場應用示意圖

1.3.1 系統PLC主控部分

主控部分由信號檢測、控制算法、人機界面等組成。信號檢測采用INA116芯片作為前置信號放大器，實現對玻璃電極微弱電壓信號的采集放大，該芯片是一款具有超低輸入偏置電流的單片儀表放大器，特殊的保護技術使其輸入阻抗達到1×1015Ω，性能穩定可靠。控制算法是系統的關鍵部分，由于中和pH過程具有大滯后，非線性的特點，很難甚至無法采用常規方法對其進行有效的建模和控制，針對這種情況，經過深入研究，系統設計了模糊控制器和自適應控制器兩種算法，并到糖廠現場進行測試，結果表明，這兩種控制算法均具有良好的穩定性和動態性能，相對于常規PID算法效果更顯著。系統控制記錄曲線，見圖3。

圖3 系統控制記錄曲線圖

1.3.2 pH1（中和汁）雙電極測量和清洗

中和汁pH值的測量，為系統提供控制依據，相當于系統的眼睛，pH值測量的準確實時與否，直接影響系統的控制效果。目前，許多在用的系統均采用垂直上下結構的雙電極檢測裝置，電極在電機的作用下降到采樣槽進行測量，一定的時間后，電機反轉帶動電極上升到上方的清洗室進行清洗，輪換另外一支電極進行測量，來回輪換，這樣做的問題在于，清洗液可能會從電極升降的孔往下滲漏，直接污染樣品，改變樣品的pH值，造成系統的誤動作，形成控制波動。從下方噴射電極敏感膜的清洗方式，存在單點清洗不夠干凈的可能，直接造成測量信號的遲緩，影響測量信號的采集，影響控制效果。清洗液的供應和回收則需在旁邊放置一個清洗箱，清洗液通過清洗泵和管路噴射電極后，自流回清洗箱，存在清洗液管路堵塞、脫落污染等諸多不確定因素。

一體化雙電極pH測量裝置，很好的解決上述問題，為CH-52BpH自控系統提供精準可靠的測量信號。裝置由二組電極位移機構分別帶動二支玻璃電極，由程序指令對二組電極進行交替測量、清洗控制，保證測量信號的連續。裝置將電極測量、電極清洗、清洗液回收等部件一體化設計，無需另外配套一個清洗液回收箱，杜絕清洗管路脫落或者堵塞的可能。采用測量和清洗水平位移結構，清洗點和測量點處于水平隔離的前后位置，電極在電機的帶動下，完成旋轉上升移動下降到后面的清洗箱進行清洗，清洗液直接回落清洗箱內，杜絕了上下結構檢測裝置在上升清洗時清洗液滲漏污染樣品的可能。電極清洗通過清洗泵和固定管路，從多個角度多點同時噴射玻璃電極的清洗結構，保證電極的清洗干凈，為pH值實時精準測量提供強有力的保障。雙電極pH測量裝置結構剖視圖，如圖4所示。

圖4 雙電極pH測量裝置結構剖視圖

1.3.3 步進執行器調節加石灰乳

旋轉式步進執行器，是系統的輸出調節部分，相當于CH-52BpH自控系統的手。系統根據測量pH值比對后，經運算輸出調節執行器的開或關，以改變所添加的石灰乳流量，達到控制pH值的目的。執行器的結構合理，調節精密靈敏，對系統的控制起關鍵作用。

糖廠澄清中和用于調節pH值的添加劑是石灰乳，石灰乳粘稠度大、雜質多，傳統的閥門很容易被卡死，不適合使用。目前糖廠使用的執行機構大多是上一代產品，實用新型名稱為《括板式自動控制閥門》，它基本上可以滿足糖廠的生產要求，但也存在如下缺陷：一是刮板與導管之間是以平面相接合，摩擦力較大，容易被損壞，致使密封不好形成滲漏。二是由于刮板上開設的頭大尾小形如彎曲了的蝌蚪或太極圖的渦旋槽孔的長度較短，使液體在一定時間內（即電機控制的步幅內）通過該渦旋槽孔的流量控制得不夠精確。

旋轉式步進執行器，為CH-52B pH自控系統提供一種控制流量更精確、密封效果更好的步進自動控制閥門。執行器由機箱、進出口閥體、主軸、減速齒輪、步進電機、密封導管、開有漸開線通孔筒狀閥芯等部件組成。關鍵在于密封導管的一端為弧形端口，與安裝在主軸上閥芯緊密接合，閥芯上設有漸開線形通孔，電機按指令帶動閥芯旋轉不同的角度，密封導管與漸開線通孔的共有面積大小變化，改變石灰乳通過的流量，從而達到調節pH值的目的。由于漸開線型通孔是沿著圓筒狀閥芯的圓筒壁開設的，該通孔的跨度比較長，在步進電機控制相同步幅條件下，液體通過該通孔就可以劃分得更細，因此，大大提高了液體流量控制的精確度；而且由于密封導管與圓筒狀閥芯是以圓筒面相接合的，摩擦力較小，不易被損壞，密封效果更好，故障率也就更低。

步進執行器的驅動由混合式步進電機和脈沖細分驅動器組成，實現執行器的精確定位，并可做到步進電機驅動電流和細分步數可調，最大驅動電流可達6A，最大細分步數可達60000R/S。為CH-52B pH自控系統的輸出調節提供精確、靈敏可靠的執行保障。步進執行器結構，如圖5所示。

1.3.4 澄清汁（pH2）測量和清洗

澄清中和的控制結果，在沉淀池得到體現，設置用于沉淀池的澄清汁pH測量和顯示裝置，方便崗位實時在線的、直觀的了解澄清結果，為中和pH控制提供參考。由于沉淀池的pH值不會頻繁的波動，經過沉淀后的糖汁也很干凈，不用頻繁清洗，設置單電極pH裝置，配套可獨立工作也可與系統控制主機聯網的pH測量儀，設置定時的清洗即可。

單電極測量裝置像一個會自動清洗的眼睛，結構與雙電極測量裝置類同，負責測量出沉淀池糖汁的pH值，并由玻璃電極將信號轉成電信號，通過電纜輸送給pH測量儀，測量儀將電信號換算為直觀的pH值顯示出來，可用于同步傳輸到CH-52B pH自控系統的控制主機上顯示，也可單獨配套用于糖漿、污水、環保等液體介質的測量顯示。單電極測量裝置的結構，如圖6所示。

圖5 步進執行器結構圖

圖6 單電極測量裝置結構圖

2 CH-52B pH自控系統的性能特點

CH-52B自控系統的研發成功，實現了糖廠中和pH值的自動化控制，解決了上一代產品故障率高，維護量大的難題。該系統具有如下特點。

一是采用西門子PLC作控制器，各功能單元模塊化設計，結構更加簡單可靠，大大降低了系統的維護量，并根據現場生產工藝的特點，采用模糊控制和自適應控制兩種算法，使控制效果適合各種苛刻的環境要求。

二是采用混合式步進電機結合細驅動器，驅動圓筒狀漸開線閥芯，驅動更有力、平穩、精確，解決運轉卡死、失步等現象；同時，控制線同比加長50%，精度提高10倍。

三是雙電極pH測量裝置、單電極pH測量裝置均采用電極測量、電極清洗及清洗液回收一體化結構設計，兩組電極在程序控制下自動交替測量和清洗，機械部件均為防腐材料制造，結構簡單可靠；電極測量和電極清洗位置水平隔離，解決同類產品電極垂直上升清洗時，清洗液向下滲漏污染采樣汁，影響電極測量的現象；電極清洗采用多噴嘴、多角度同時噴射設計，使電極清洗更干凈，信號更準確。

四是系統采用10寸工業液晶觸摸屏，質量可靠，壽命長，利用組態軟件開發的動態監控畫面，直觀明了，內置存儲器，可記錄、查詢整個榨季的生產數據和曲線；系統所有操作均在主控制器觸摸屏上完成，人界機面友好，操作簡便，只需經過短時的培訓，崗位工人即可熟練操作。主機的主控界面，如圖7所示。

圖7 主機的主控界面圖

五是系統設置了各種運行狀態指示、故障報警提示、故障分析幫助等齊全的輔助功能，使設備的使用、維護更加方便，簡單。

六是主控制器體積小，運算速度高、每條指令執行時間0.2uS，保證系統的實時性；采用高精度A/D模塊對信號進行采集，保證信號的準確性；具有良好的擴展性和強大的指令系統，設有RS485、以太網和GRM無線通信接口，方便與其它系統掛接。

3 CH-52BpH自控系統主要技術參數

3.1 測量范圍：0～14pH

3.2 靜態誤差：≤±0.1pH

3.3 動態誤差：≤±0.1pH

3.4 輸入阻抗：1×1015Ω

3.5 電機清洗泵工作電壓：110VAC50Hz

3.6 系統工作電壓：220VAC50Hz

4 應用情況

2015年3月，欽州市華馭糖業有限公司（亞硫酸法生產工藝，產能5000噸/天）對CH-52B pH自控系統的技術性能指標內容進行現場查定，查定結果見表1。

表1 自控系統的技術性能指標查定數據

產品CH-52BpH自控系統滿足制糖企業澄清中和工段各個關鍵工藝指標多點自動化測控需求，實現澄清中和工序關鍵工藝指標多參數自動化測控，可廣泛地應用于亞硫酸法糖廠，對提高產品質量及糖分回收提供技術保障。本技術推廣應用到廣大制糖企業中，以一個榨蔗50萬噸產糖率12%的中型糖廠為例，如果澄清工藝指標控制不好，糖分回收率降低了0.1個百分點，將意味著一個榨季損失白糖約500噸，價值三百多萬元；同樣如果澄清工藝指標控制不好，白糖質量不好，增加了二級白糖或者不及格糖的比例，也會白白損失幾十萬甚至幾百萬元。

目前，已有30多套CH-52BpH自控系統在廣西、云南、廣東等地區的英茂糖業、永鑫華糖、力量生物、恒福糖業、隴川糖廠、田林糖廠、合山糖廠等20多家糖廠在線應用。系統以測量準確、控制穩定、操作簡單、直觀明了、維護量小獲得用戶的好評，發揮著不可替代的作用。

5 結束語

CH-52BpH自控系統是在總結多年的現場經驗基礎上，針對現有設備存在的問題，解決存在問題而開發出來的，能夠精確、穩定地實現澄清中和pH值自動控制，現場應用效果較好，可以節省制糖企業運行成本，節約糖廠設備維護及人工費用，提高產品質量及企業科技含量，可進一步提升我國制糖工業自動化水平。

［1］ 陳維鈞，許斯欣.甘蔗制糖原理與技術.中國輕工業出版社，2001.

［2］ 陳林延，陳奕璋，劉耿，李進勇.雙電極液體參數在線測量裝置［p］．中國專利：ZL2010 1 0187386.3，2010．

［3］ 陳林延，陳奕璋，李進勇，劉耿.步進自動控制閥門［p］．中國專利：ZL2010 1 0181983.5，2010．

［4］ 陳林延，陳奕璋，李進勇，劉耿.液體參數在線測量裝置［p］．中國專利：ZL2010 2 0209440.5，2010．

文章編號：2095-820X（2016）05-06

TS243.2

B

2095-820X（2016）05-07

2016-09-20

陳林延（1981-），男，廣西合浦人，工程師，研究方向：工業自動化。

簡介：李進勇（1976-），男，廣東茂名人，工程師，研究方向：自動化。