中控WebField 300XP實(shí)現(xiàn)立式連續(xù)結(jié)晶罐自動(dòng)化控制

吳方星，閆現(xiàn)蕾，趙劍峰

(1浙江中控系統(tǒng)工程有限公司，浙江 杭州 310053；2德國(guó)普羅蒙泰克有限公司，德國(guó))

中控WebField 300XP實(shí)現(xiàn)立式連續(xù)結(jié)晶罐自動(dòng)化控制

吳方星1，閆現(xiàn)蕾1，趙劍峰2

(1浙江中控系統(tǒng)工程有限公司，浙江 杭州 310053；2德國(guó)普羅蒙泰克有限公司，德國(guó))

通過WebField 300XP控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精制糖企業(yè)全流程自動(dòng)化控制，企業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率得到了有效提高，與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比，生產(chǎn)操作人員減少了2/3以上。特別是解決了立式連續(xù)結(jié)晶罐這一復(fù)雜非線性系統(tǒng)控制的難題，其加熱蒸汽使用汁汽，與傳統(tǒng)間歇式結(jié)晶罐相比煮糖蒸汽可節(jié)約20%以上，為國(guó)內(nèi)連續(xù)結(jié)晶罐進(jìn)一步推廣使用起到了良好示范作用。

立式連續(xù)結(jié)晶罐；非線性；自動(dòng)控制

0 前言

大型精煉糖項(xiàng)目生產(chǎn)自動(dòng)控制包括間歇結(jié)晶、連續(xù)結(jié)晶等復(fù)雜控制，以及公用工程系統(tǒng)和生產(chǎn)輔助系統(tǒng)的全流程自動(dòng)化項(xiàng)目。針對(duì)精煉糖項(xiàng)目控制涉及范圍廣、工藝復(fù)雜的特點(diǎn)，我們?nèi)嫔钊肓私馍a(chǎn)工藝特點(diǎn)，量身制定控制方案，成功運(yùn)用WebField 300XP實(shí)現(xiàn)精制糖主系統(tǒng)、自備電站等生產(chǎn)配套系統(tǒng)的全面自動(dòng)化控制。本研究綜合自動(dòng)化解決方案以生產(chǎn)控制、管理系統(tǒng)為主，視頻監(jiān)控系統(tǒng)為輔，實(shí)現(xiàn)制糖生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)感知、實(shí)時(shí)信息傳輸與監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析反饋，通過智能診斷、故障分析等的方式，優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)行過程，可方便與產(chǎn)品和原料交割系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)無縫連接，為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)智慧工廠打下良好的基礎(chǔ)。

1 自控系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

100 萬t精煉糖項(xiàng)目工藝控制過程相對(duì)比較復(fù)雜，首先是聯(lián)鎖控制編程量大：主要包括整個(gè)生產(chǎn)流程各類設(shè)備，前后輸送設(shè)備以及輔助生產(chǎn)設(shè)備的聯(lián)鎖，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的順序控制和聯(lián)鎖保護(hù)等功能。例如，蜜洗糖溶解槽液位檢測(cè)與前級(jí)設(shè)備分離機(jī)進(jìn)口的閥門連鎖控制，假設(shè)溶解槽出現(xiàn)液位超高限，則需要關(guān)閉分離機(jī)進(jìn)口閥門，與此同時(shí)系統(tǒng)還要逆向?qū)Ψ蛛x機(jī)前級(jí)的蜜洗糖膏分配槽、蜜洗糖膏停留槽等設(shè)備的液位情況，對(duì)各槽和定量給料機(jī)相應(yīng)做調(diào)節(jié)控制，確保連續(xù)穩(wěn)定給料，各鍋槽不會(huì)出現(xiàn)溢出現(xiàn)象并順利輸送到下一工段。其次順序控制過程也比較復(fù)雜，順序控制涉及到從原料倉備料系統(tǒng)開始的整個(gè)生產(chǎn)流程中各個(gè)設(shè)備物料進(jìn)出的順序控制。第三，上位機(jī)編程工作量較大，程序不但包括精制糖主設(shè)備以及鍋爐汽機(jī)的控制程序，有些設(shè)備自帶單機(jī)控制系統(tǒng)，需要主控制系統(tǒng)與其自帶的第三方單機(jī)設(shè)備通訊，將單機(jī)設(shè)備納入到精制糖自控主系統(tǒng)中[1]。

根據(jù)精制糖生產(chǎn)工藝自動(dòng)控制的復(fù)雜性和特殊性，項(xiàng)目需要采用技術(shù)成熟穩(wěn)定、擴(kuò)展能力強(qiáng)、集中管理、分散控制的高性能WebField DCS系列控制系統(tǒng)。該系列控制系統(tǒng)吸收了近年來快速發(fā)展的通信技術(shù)、微電子技術(shù)，充分應(yīng)用了最新信號(hào)處理技術(shù)、高速網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、可靠的軟件平臺(tái)和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)以及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，采用了高性能的微處理器和成熟的先進(jìn)控制算法，是一套全數(shù)字化、結(jié)構(gòu)靈活、功能完善的開放式集散控制系統(tǒng)[2]。

JX-300XP的基本組成包括工程師站、操作站、控制站和通信網(wǎng)絡(luò)SCnet II。它不僅提供了功能塊圖、梯形圖等直觀的圖形組態(tài)工具，又為用戶提供復(fù)雜高級(jí)控制算法的C類語言編程環(huán)境。系統(tǒng)規(guī)模變換靈活，可以實(shí)現(xiàn)從一個(gè)單元的過程控制，到全廠范圍的自動(dòng)化集成。

通過多功能計(jì)算站和相應(yīng)的應(yīng)用軟件Advantrol-PIMS或OPC接口可實(shí)現(xiàn)與企業(yè)管理計(jì)算機(jī)網(wǎng)的信息交換[3]，實(shí)現(xiàn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)流程查看、實(shí)時(shí)趨勢(shì)瀏覽、報(bào)警記錄與查看、開關(guān)量變位記錄與查看、報(bào)表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史趨勢(shì)存儲(chǔ)與查看、生產(chǎn)過程報(bào)表生成與輸出等功能，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)生產(chǎn)過程的管理，控制全集成綜合自動(dòng)化[4]。該系統(tǒng)適用于大型裝置的自動(dòng)化控制和聯(lián)鎖，適合精制糖生產(chǎn)項(xiàng)目復(fù)雜控制多、連鎖要求高的使用。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

北方糖業(yè)年產(chǎn)100萬t精制糖項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)首套精煉糖全流程使用WebField JX-300XP DCS控制系統(tǒng)的項(xiàng)目，主系統(tǒng)控制是原料糖庫輸送到成品干燥與輸送包裝的全流程自動(dòng)化控制，包括公用裝置如石灰窯系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、冷卻循環(huán)水系統(tǒng)的控制；公用工程自動(dòng)控制包括：電站、循環(huán)床鍋爐、汽輪機(jī)以及全廠低壓配電系統(tǒng)電柜的整體設(shè)計(jì)；其中，壓濾機(jī)、分離機(jī)自帶西門子PLC控制器，與制糖DCS主控制系統(tǒng)通過PROFIBUS-DP通訊；料斗稱、糖包裝機(jī)自帶專用控制器，與制糖DCS主控制系統(tǒng)通過Modbus-RTU通訊。本著先進(jìn)性和可靠性相結(jié)合的原則，分散控制集中調(diào)度管理的思路，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3 VKT連續(xù)結(jié)晶流程及自控實(shí)現(xiàn)

該精制糖項(xiàng)目全廠自動(dòng)化項(xiàng)目中最具有特色的是實(shí)現(xiàn)了連續(xù)結(jié)晶罐全自動(dòng)控制。立式連續(xù)結(jié)晶罐VKT連續(xù)結(jié)晶的液面低，加熱面積與糖膏體積之比恒定，每個(gè)室都有機(jī)械攪拌，提高了對(duì)流能力，熱能使用率高[5]。立式連續(xù)結(jié)晶罐VKT總共由4個(gè)帶攪拌的結(jié)晶室組成，一般以2份精洗蜜為原料與1份種子的比例配比進(jìn)入頂層結(jié)晶室，上一室的料與精原蜜按照比例要求進(jìn)入下一結(jié)晶室，糖膏中結(jié)晶量通過各室間逐漸上升，最下層結(jié)晶室內(nèi)已經(jīng)是結(jié)晶完成的糖膏，VKT糖漿泵均衡的卸料，將糖膏泵入助晶箱進(jìn)行結(jié)晶砂糖助晶與后續(xù)的分離工序。

立式連續(xù)結(jié)晶罐VKT煮糖的自動(dòng)控制關(guān)鍵不但要對(duì)結(jié)晶前段的有效控制，保證穩(wěn)定的進(jìn)料和物料錘度[6]，更需對(duì)連續(xù)結(jié)晶過程壓力、溫度、流量、電流、錘度等信號(hào)進(jìn)行在線檢測(cè)[7]，錘度檢測(cè)選用了德國(guó)proMtec μ-icc2.45系列在線錘度儀，確保了錘度檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。根據(jù)罐內(nèi)壓力檢測(cè)的信號(hào)，按照真空度要求值設(shè)定初始值PID調(diào)節(jié)各室上部的真空閥，對(duì)各室真空度進(jìn)行恒定控制；根據(jù)種子進(jìn)料流量檢測(cè)，連鎖精原蜜、精洗蜜進(jìn)料管道上的進(jìn)料閥，PID調(diào)節(jié)進(jìn)料閥開度，實(shí)現(xiàn)入種與精原蜜、精洗蜜進(jìn)料配比控制[8]；根據(jù)液位檢測(cè)信號(hào)，連鎖精原蜜、精洗蜜進(jìn)料管道上的進(jìn)料閥門的開啟與關(guān)閉，將液位控制維持每個(gè)室在60%左右；當(dāng)液位達(dá)到攪拌啟動(dòng)液位時(shí)，連鎖啟動(dòng)電攪拌控制保持每個(gè)室的糖膏對(duì)流結(jié)晶，與此同時(shí)按照蒸汽壓力要求設(shè)定初始值，蒸汽調(diào)節(jié)閥進(jìn)行全自動(dòng)PID調(diào)節(jié)，對(duì)各室蒸汽壓力恒定控制。通過以上控制參量的控制，各室錘度控制保持物料錘度穩(wěn)定在75oBx左右。

我們針對(duì)煮糖結(jié)晶過程干擾眾多的特點(diǎn)，綜合考慮連續(xù)結(jié)晶罐VKT前后工藝影響因素，以信號(hào)補(bǔ)償、信號(hào)前饋、連鎖控制等方式自適應(yīng)控制物料閥、蒸汽閥等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，保證了罐內(nèi)液位、真空度、錘度平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煮糖過程的最佳自動(dòng)調(diào)整控制，是國(guó)內(nèi)已知的首個(gè)成功實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)連續(xù)結(jié)晶系統(tǒng)的案例。

圖2所示，系統(tǒng)監(jiān)控軟件形象地顯示了整個(gè)生產(chǎn)流程現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的情況和狀態(tài)，同時(shí)連續(xù)結(jié)晶罐的每罐罐體上加裝了視頻監(jiān)控設(shè)備。操作人員在控制室就能了解連續(xù)結(jié)晶罐的生產(chǎn)工況，實(shí)現(xiàn)可視化控制[4]，一線操作人員數(shù)量明顯減少。該立式連續(xù)結(jié)晶罐產(chǎn)量為每班1000 t白砂糖，與間歇結(jié)晶罐相比生產(chǎn)能力明顯提高。

圖2 立式連續(xù)結(jié)晶罐監(jiān)控畫面

4 結(jié)語

WebField JX-300XP DCS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)制糖生產(chǎn)過程的智能化、自動(dòng)化的連續(xù)檢測(cè)與集中控制，在中控室可以對(duì)整個(gè)制糖工藝流程進(jìn)行全程可視化監(jiān)控。一線操作人員數(shù)量明顯減少，與手動(dòng)生產(chǎn)車間每日每班需30個(gè)人工相比，自動(dòng)化控制后只需要9名熟練的員工就可以操作整個(gè)制糖部分的生產(chǎn)。特別是該項(xiàng)目連續(xù)結(jié)晶罐VKT全自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)，在很大程度上降低了生產(chǎn)能耗，與傳統(tǒng)間歇式結(jié)晶罐相比煮糖蒸汽可節(jié)約20%以上[5]，提高了生產(chǎn)效率，不僅降低了勞動(dòng)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高糖廠經(jīng)濟(jì)效益作用明顯，而且為我國(guó)制糖企業(yè)自主創(chuàng)新方面起到良好的示范作用。

[1] 周東生. 制糖工藝生產(chǎn)過程自動(dòng)化[J]. 中國(guó)科技博覽，2013(31)：20-20.

[2] 張恒，陳芳芳，張黎海. 計(jì)算機(jī)煮糖DCS系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J]. 技術(shù)與應(yīng)用，2011(2)：58-60.

[3] 李運(yùn)飛，韋飛燕. WebField GCS-2在制糖結(jié)晶罐的應(yīng)用[J]. 企業(yè)科技與發(fā)展，2010，272(2)：18-20.

[4] 黃爽，陳駿佳，葉權(quán)圣，等. 組態(tài)軟件WinCC 在糖廠監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 甘蔗糖業(yè)，2013(3)：56-60.

[5] 周錫文，梁裕，孫小鵬. 連續(xù)結(jié)晶技術(shù)在甘蔗糖廠的應(yīng)用[J]. 甘蔗糖業(yè)，2014(5)：44-47.

[6] 劉紅艷. 煮糖關(guān)鍵工藝參數(shù)軟測(cè)量[D]．南寧：廣西大學(xué)，2006.

[7] 蒙艷玫，何海平，盧福寧，等. 煮糖過程糖液過飽和度在線軟測(cè)量系統(tǒng)的研究[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，38(2)：241-249.

[8] 蘭紅星，易捷. 甘蔗糖生產(chǎn)自動(dòng)化與信息化[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2013.

(本篇責(zé)任編校：鄧丹丹)

The Automation Control of VKT Realized by Use of SUPCON Webfield 300XP

WU Fang-xing1, YAN Xian-lei1, ZHAO Jian-feng2
(1Zhejiang SUPCON Co. Ltd., Hangzhou, Zhejiang 310053;2Promtec Theisen Gmbh. Deutschland)

The whole process automation control of sugar refinery was realized by use of SUPCON WebField 300XP control system. The labor productivity had been effectively improved, and the operators decreased by more than two-thirds compared with the traditional mode of production. In particular, We had solved the problem of complex nonlinear system for the VKT, it can save more than 20% of steam by use of the juice vapor compared with the traditional batch crystallizer, which played a good role model for further promoting use of VKT in the domestic.

VKT; Nonlinear; Automatic control

TS243+.8

A

1005-9695(2016)06-0029-04

2016-09-22；

2016-12-20

吳方星(1963-)，浙江杭州人，高級(jí)工程師，本科，主要從事食品飲料及自動(dòng)化控制；E-mail：wufangxing@supcon.com

吳方星，閆現(xiàn)蕾，趙劍峰. 中控WebField 300XP實(shí)現(xiàn)立式連續(xù)結(jié)晶罐自動(dòng)化控制[J]. 甘蔗糖業(yè)，2016(6)：29-32.