優化煮糖罐結構和控制程序全面實現全自動煮糖

程玉娥，吳麗金，蔡惠勇

(中糧(唐山)糖業有限公司，河北唐山063210)

0 引言

中糧(唐山)糖業有限公司是中糧糖業在河北唐山曹妃甸新建加工100萬t/年精煉糖企業，2015年正式投產，現日處理原糖量1500 t，年產白砂糖30萬t左右，產品一級品率100%。我們通過對制糖行業的調查發現，美國、德國、澳大利亞、日本、韓國等發達國家的糖廠基本上實現了自動化生產，生產的效率、能耗及產品質量都遠遠優于我國，可見實現制糖工業的自動化控制越發顯得重要。因此，公司在建廠初期便選用了西門子冗余控制器410-5H配合西門子DCS軟件、PCS7自動化集中控制系統。

在制糖工業生產中，煮糖工序是關鍵而重要的環節。經過澄清、蒸發處理的糖漿，最終在煮糖罐內結晶成糖，這一道工序的控制好壞直接影響著蔗糖的產量和質量，從而決定著糖廠的經濟效益。煮糖工段由于蔗糖結晶機理復雜、關鍵工藝參數無法在線測量、生產過程中受到的干擾因素較多等原因，國內很多糖廠還主要是依靠人工煮糖或是半自動化，自動化水平遠遠低于發達國家，自動控制方案目前還大多處于探索階段。根據煮糖結晶工藝，經過多方對比，公司選用了西門子 NAHMAT全自動煮糖控制系統，并通過結合生產實踐對此自控程序和相關設備進行優化改造，用以實現煮糖結晶過程的全自動控制和信息化管理，從而全面實現全自動煮糖。

1 煮糖工藝簡介及煮糖罐結構

1.1 煮糖工藝簡介

圖1 煮糖罐外觀

圖2 煮糖罐內部

煮糖實際上就是把糖漿(或糖蜜)濃縮到一定飽和度，析出符合要求的蔗糖晶體和將晶體養大的過程，結晶過程中，蔗糖晶體的生長依靠母液的過飽和度作為推動力。煮好一罐糖的關鍵就是在煮煉糖膏的過程中控制好母液的過飽和度，使之與糖分沉積的速度相平衡，而這種平衡受到多種因素的影響，例如，物料純度、濃度、溫度、蒸汽壓力、糖膏對流強度以及煮糖罐真空度等，各因素之間環環相扣、息息相關，彼此影響，任何一個因素控制不好，都會影響到其他因素，甚至造成聯鎖反應，使這種平衡遭到破壞。如果處理不好，會對整罐糖膏的質量及糖分的回收造成致命的影響，且增加水、電、汽的消耗。由此可見，煮糖工序的主要任務就是以最短的時間、最簡單的流程、最大限度地把糖漿中的糖分煮煉成合格的產品糖，以達到優質、高產、低耗的目的。

1.2 煮糖罐結構

以A糖膏結晶罐為例，A糖煮糖罐設計公稱容積75 m3，為平鼓式結構、錐形底、帶有機械強制攪拌對流裝置，如下圖1(外觀)，圖2(內部)：

2 自控煮糖系統及煮糖罐結構的優化

公司選用的西門子 NAHMAT全自動煮糖控制系統以及配備的煮糖設備雖然算是目前國內比較先進的，但是，自2015年12月底投產試運行，經過一段時間生產實踐，發現原設計自動煮糖程序、煮糖罐的結構以及測量儀器還存在一些不足之處。因此，結合生產實際，我們對此套自控煮糖系統及煮糖罐結構陸續進行了優化改造。

2.1 優化改造之前存在的問題

第一，煮糖罐內攪拌器安裝高度偏高，糖膏對流不理想，影響糖膏的煮制以及錘度計檢測數據的準確性。

第二，錘度計安裝位置不合理，該位置糖膏局部對流不良，導致錘度計檢測值滯后或波動較大，自動煮糖程序難于正常運行。

第三，煮糖罐內洗罐環管安裝位置太高，且只有一套環管，洗罐效果差，罐內殘留的砂糖晶粒較多，帶入下一罐糖膏中，這些殘留的砂糖晶粒經再次煮制后顆粒比較大且顯黃色，造成產品中黃糖粒較多，影響到產品質量。如果是放糖后再進糖漿煮雙A種，需由自動轉換為手動，進熱水開稀溶掉殘留的砂糖，這樣會延長罐時并增加耗水耗汽量。

第四，自動煮糖程序需要完善，原A糖自動煮制程序設計為罐罐單A糖膏煮制，而實際生產中大多是先煮制雙A種，然后通過分割操作到單A煮制，但程序中沒有這個模塊。

2.2 技術改造方案及實施

2.2.1 改善煮糖罐內糖膏對流狀態

煮糖罐攪拌器安裝位置改造，將原來的攪拌軸加長400 mm，使攪拌葉降低400 mm高度，攪拌葉底部至下管板位置。這樣改善了糖膏的對流狀態，避免糖膏對流不良沉積形成死角。安裝位置的改變前后如圖3所示：

圖3 攪拌器位置改造

2.2.2 保障煮糖罐內錘度精準反饋

煮糖罐內錘度的真實準確反饋是實現全自動煮糖的數據基礎，對錘度計安裝位置改造，原來錘度計安裝的位置為糖膏對流的死角，糖膏對流狀態差，錘度計檢測值滯后或波動較大，無法準確檢測罐內糖膏的錘度，成為自動煮糖程序正常運行的最大障礙。改造后錘度計安裝位置移至采樣器下面，此處有一個上下貫通汽鼓的糖膏對流通道，糖膏對流狀態良好，錘度計能比較準確地檢測出罐內糖膏真實錘度。錘度計改造前后的安裝位置如圖4所示：

圖4 錘度計位置改造

2.2.3 提高煮糖罐清洗效果

煮糖罐罐內洗罐環管改造，原設計煮糖罐罐內只有一套洗罐環管，而且安裝位置太高，離上管板高度5100 mm，洗罐效果差，罐內殘留的糖膏比較多。改造的情況是：在原洗罐環管位置降低2000 mm處再增加一套洗罐環管；同時在煮糖罐底部的進料環管上加裝一條 DN50的進汽管，并將安裝的氣動閥的控制編入自動煮糖程序中，這樣可利用罐內均勻分布的進料分配管對罐內底部進行打汽(每根分配管上均勻分布著許多小孔)。在A糖膏放糖后程序自動打開兩套洗罐環管的蒸汽閥，以及進料環管上的蒸汽閥，三管齊下對煮糖罐打汽洗罐，能夠在較短時間內將罐內殘留的糖膏洗干凈。改造情況如圖5所示：

圖5 洗罐環管改造

2.2.4 A糖自動煮糖系統的完善

2.2.4.1 完善后的軟件設計流程

在原西門子 NAHMAT自動煮糖程序中編入煮種養雙A再分割兩罐單A煮制糖膏的操作程序。這種全自動分割方法，通過DCS操作界面一鍵控制多個閥門的聯鎖操作，大大降低分割的操作強度，實現雙A到單A的自動切換，這點對比于國內其他糖廠是相對領先的。完善后的A糖自動煮糖系統的工藝控制流程見圖6：

2.2.4.2 具體操作控制實施過程

自動煮糖系統的基本原理是總結蔗糖的結晶過程原理、建立數學模型，根據經驗預先設置好煮糖相關參數的工藝曲線，根據各相關參數采集點反饋回來的信息按設定曲線自動調節相關物料，自動控制強制循環裝置、液位、真空度、蒸汽壓力和糖膏錘度等。

具體實施就是，首先由煮糖操作工先進行一段時間手動操作，工藝工程師確定所需的關鍵參數，再由自控工程師結合參數編輯煮糖工序各個階段的控制程序，涉及到的主要參數為：液位，錘度，蒸汽壓力，真空度，溫度，閥門開度以及攪拌器電機電流等。同時根據實際操作情況，在DCS系統上編輯簡單明了、易于操作的程序控制點，需要輸入常調整的參數及手動點鼠標確認。具體操作步驟如下：

(1)自動煮糖控制界面(圖7)，分為煮種、煮糖、投粉3種模式。選擇畫面上的煮種按鈕，等待煮種按鈕變綠。

(2)查看參數設置界面(圖 8)，確認本次煮種、煮糖、投粉的參數是否正確，比如裝罐液位，抽種(或投粉)點錘度，養晶液位和錘度，放罐錘度，攪拌器電流，洗罐溫度等。

(3)選擇自動按鈕，打開圖9對話框，選擇投粉或抽種按鈕，然后點擊啟動即可。

圖6 自動煮糖系統工藝控制流程圖

圖7 自動煮糖控制界面

圖8 自動煮糖參數設置界面

圖9 投粉（接種）操作界面

(4)當錘度達到抽種(或投粉)錘度，則會提示是否抽種(或投粉)，如果確認則會自動打開抽種(投粉)閥，如果不確認則煮水保持錘度。抽種開始后達到設定抽種液位，或者操作工點擊確認按鈕，則結束抽種。

(5)自動煮種養晶階段，如果需要手動介入洗砂，則將相關閥門打成手動進行操作，操作完畢請務必切回自動。當液位達到 100%則會自動保持錘度，等待分割。

(6)若煮種為雙A，煮種結束后則進行分割操作。點擊煮糖總界面上的選擇按鈕，從雙A罐中下拉選擇母罐，單A罐選擇子罐，選擇完畢后，啟動分割按鈕將亮起，此時可點擊啟動分割，則自動開啟、關閉2個煮糖罐的相關聯鎖閥門，進行全自動分割操作，中間無需人工介入。如果緊急情況需要取消分割，則點擊取消分割按鈕(圖10)。

(7)一罐煮種雙A分割為兩罐單A后，兩罐單A則進入自動煮糖養晶階段，選擇DCS控制板面上的養晶按鈕(圖 11)，然后點擊自動按鈕，則進入全自動養晶階段。如果先前煮種為單A，則無分割步驟，煮種養晶結束后直接進入自動放糖、洗罐程序。

圖10 雙A分割操作界面

圖11 養晶操作界面

(8)當煮糖養晶結束，收濃階段會出現確認放罐按鈕，若操作工確認助晶箱能夠允許放糖，則點擊確認按鈕。系統會自動收濃到參數設定的放罐錘度(或電機電流)進行放糖，然后自動洗罐，洗罐結束系統會自動關閉所有閥門，直到操作工再次點擊啟動按鈕。

3 A糖自控煮糖系統優化改進后的效果

3.1 系統性能提高

通過對攪拌葉安裝位置的改進，改善了糖膏的對流狀態，加速了糖膏的對流；通過對錘度計安裝位置的改進(改裝在糖膏對流狀態良好的位置)，避開對流的死角，改變了原來錘度計檢測值滯后或波動較大的狀態，使重新安裝的錘度計能夠準確地檢測出罐內糖膏的錘度，達到了工藝要求；通過對煮糖罐清洗系統的改造，能夠在較短時間內將罐內殘留的糖膏洗干凈，避免成品黃粒產生，提升產量質量；通過對自動煮糖軟件設計增加雙A煮制分割等模塊，取得顯著的效果，既實現嚴格的煮糖過飽和曲線控制結晶，又可以柔性化地按需設定修改參數，完善優化了自動煮糖工藝控制，系統運行穩定。圖12為自動煮糖的控制曲線：藍色曲線為罐內物料錘度，綠色曲線為罐內物料液位，紅色曲線為進罐蒸汽壓力，黑色曲線為罐內真空度，褐色曲線為攪拌器電流，紫色曲線為罐內溫度。

圖12 自動煮糖控制曲線圖

3.2 經濟效益提升

一是，自控程序的完善使用使得糖膏煮制的各個階段銜接更加緊湊，優化起晶工藝控制減少偽晶出現，減少了洗砂操作，節省了整晶的時間。另外，煮糖罐罐內洗罐環管的改造，使得洗罐更加徹底，在煮制雙A種時不需要由自動狀態轉換為手動來進熱水開稀溶掉殘留的砂糖晶粒，從而縮短了煮糖罐時，使生產產能提高，大大降低了生產消耗。表 1為選取其他條件基本等同情況下，A糖自動煮糖系統優化改造前后的煮糖水耗、罐時及產品產量情況比較。

二是，由于自控煮糖系統智能化、自動化水平提高，系統運行穩定，極大地減輕了人工強度，降低了人工成本，從而提高了企業生產管理能力，增加了企業的經濟收益。

3.3 產品質量提高

一是，通過增加一套洗罐環管打汽洗罐，以及增加從罐底均勻分布的進料管進行打汽洗罐，洗罐溫度可達到 110℃，可以洗凈罐內殘留的糖膏。避免了因殘留的砂糖晶粒經再次煮制后生成大顆粒黃色糖，而造成產品中黃糖粒多，從而提高了產品的感官質量。

二是，自動煮糖程序的完善使用，優化了起晶過程，減少了偽晶出現的幾率，提高了產品的晶粒均勻度，同時，由于晶粒整齊，分蜜機糖膏分離更容易控制，可不同程度降低產品的色值，提高產品質量。

表2為選取其他條件基本等同情況下，A糖自控煮糖系統優化改進前后的產品粒度、黃粒及色值 情況比較。

表2 優化前后產品粒度、黃粒、色值對比

4 B、C、D糖膏煮制的自動控制

與A糖煮糖罐一樣，對B、C、D糖煮糖罐的對流、錘度監測、清洗系統等設備進行改造，對煮糖DCS自動控制系統的優化，分別采用接種、投粉等控制方式的選擇，從而實現了全自動煮糖控制和信息化管理。

5 小結

本文以A糖膏的煮制為例，通過對自動煮糖系統及煮糖罐結構的優化改造應用后，系統控制穩定，實現了煮糖結晶過程的全自動控制和信息化管理，同等條件下縮短了煮糖時間，減少了人工，提高了企業的競爭力；達到了節能降耗，提高產量，穩定質量的目的；減輕了煮糖操作的勞動強度，實現了節能減排增效的目標，取得較好的社會效益，得到糖業界的廣泛認可。