糖廠壓榨工段DCS系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

梁賢慧，莫柳珍，駱榮貞

（1.廣西工程咨詢集團(tuán)有限公司，廣西 南寧530021；2.廣東省科學(xué)院生物工程研究所，廣東 廣州510316；3.廣西糖業(yè)集團(tuán)開(kāi)泰供應(yīng)鏈管理有限公司，廣西 南寧530022）

1 糖廠實(shí)施自動(dòng)化的意義

“十四五”時(shí)期將是我國(guó)經(jīng)濟(jì)由高速增長(zhǎng)向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型的攻堅(jiān)期，糖業(yè)結(jié)合自身行業(yè)特點(diǎn)，將生產(chǎn)自動(dòng)化進(jìn)行升級(jí)改造，確保糖廠能夠高質(zhì)量的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)制糖業(yè)普遍存在勞動(dòng)力密集、智能化程度低的狀態(tài)，多數(shù)糖廠的生產(chǎn)過(guò)程還處于半自動(dòng)化狀態(tài)，甚至還存在憑工人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手動(dòng)操作的情況。

過(guò)去，中國(guó)勞動(dòng)力市場(chǎng)價(jià)格相對(duì)低廉，大部分糖廠的自動(dòng)化需求并不迫切，但近二十年來(lái)，蔗糖的市場(chǎng)價(jià)格僅增長(zhǎng)2~3倍，而企業(yè)人力成本卻增長(zhǎng)了二十多倍，再加上甘蔗種植、砍運(yùn)人工成本上升導(dǎo)致的原料甘蔗價(jià)格增長(zhǎng)等因素，企業(yè)生產(chǎn)成本居高不下，導(dǎo)致近年我國(guó)制糖業(yè)在國(guó)際市場(chǎng)上失去競(jìng)爭(zhēng)力，制糖企業(yè)大面積虧損。以10000t/d規(guī)模的制糖廠為例，我國(guó)傳統(tǒng)糖廠至少需配置400名崗位工人，而在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的同規(guī)模糖廠中，崗位工人數(shù)量不到100人，年度人工成本可減少約兩千萬(wàn)元。糖廠自動(dòng)化除了能明顯減少人工成本，還可減少人為因素對(duì)生產(chǎn)的影響，在提高生產(chǎn)安全率及產(chǎn)糖率、減少過(guò)程損失、提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低能耗等方面發(fā)揮重要作用。

近些年來(lái)，隨著廣西一些大型糖廠相繼進(jìn)行自動(dòng)化改造，投資少，見(jiàn)效快，在制糖行業(yè)中起到了示范作用。通過(guò)自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)“安全、均衡、穩(wěn)定、高效”生產(chǎn)，可創(chuàng)造綜合經(jīng)濟(jì)效益，壓榨機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)就是較好的改造方案之一。

壓榨工段是甘蔗制糖流程的首要工序，用電占糖廠用電量的一半以上，進(jìn)榨是否均衡直接影響糖廠的能耗、壓榨抽出率和后續(xù)工段的平穩(wěn)運(yùn)行，而且該工段現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較差，大型設(shè)備眾多，噪聲很大，粉塵多，也影響品控。因此，壓榨工段實(shí)施全面自動(dòng)化是至關(guān)重要的。

2 壓榨工段DCS系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀及案例

DCS是分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System）的簡(jiǎn)稱，DCS綜合了計(jì)算機(jī)、通訊、顯示和控制等4C技術(shù)，靈活對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行集中監(jiān)視、集中操作、分級(jí)管理、分散控制，DCS系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中具有廣泛應(yīng)用。

2.1 壓榨工段DCS系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

壓榨車間全面自動(dòng)化的DCS系統(tǒng)主要由五大應(yīng)用模塊及模塊下的十多個(gè)子系統(tǒng)組成，分別有如下。

一是均衡進(jìn)榨自控系統(tǒng)：輸送帶自動(dòng)控制、核子秤計(jì)量系統(tǒng)。

二是壓榨機(jī)組自動(dòng)控制：壓榨機(jī)組轉(zhuǎn)速控制、壓榨機(jī)軸承溫度控制以及高位槽料位控制等。

三是滲透水自控系統(tǒng)：滲透水流量、水溫度、液位自控系統(tǒng)。

四是泵送自控系統(tǒng)：壓出汁、混合汁泵送自控系統(tǒng)。

五是壓榨車間機(jī)械及流程連鎖控制等［1］。

通過(guò)對(duì)各子系統(tǒng)的有效整合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)壓榨過(guò)程DCS控制，實(shí)現(xiàn)均衡入榨、復(fù)式滲透過(guò)程的自動(dòng)控制，機(jī)械連鎖自動(dòng)控制、軸承溫度自動(dòng)檢測(cè)等過(guò)程管理。

2.1.1 均衡進(jìn)榨自控系統(tǒng)

均衡進(jìn)榨自控系統(tǒng)是通過(guò)檢測(cè)1#壓榨機(jī)和1#~3#撕解機(jī)的電流情況，通過(guò)核子秤計(jì)量系統(tǒng)檢測(cè)蔗層厚度，自動(dòng)控制輸送帶速度，穩(wěn)定控制進(jìn)入壓榨機(jī)的蔗料流量，使壓榨機(jī)受力均勻，確保提供給制煉年間的混合汁流量均勻。

2.1.2 壓榨機(jī)組自動(dòng)控制

DCS系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，調(diào)整各座壓榨機(jī)的轉(zhuǎn)速、高位槽擋板開(kāi)度，自動(dòng)控制料位高低和壓榨機(jī)轉(zhuǎn)速，避免蔗料堵槽故障，保證固定的料位高度和通過(guò)壓榨機(jī)的蔗層厚度，使壓榨、滲透過(guò)程均勻，達(dá)到負(fù)荷平穩(wěn)、提高抽出率和減少蔗渣水分含量的目的。

壓榨機(jī)軸承溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)則是通過(guò)在榨輥兩端軸承安裝溫度探測(cè)儀，在線監(jiān)測(cè)軸承的溫度變化情況，系統(tǒng)自動(dòng)控制軸輥潤(rùn)滑系統(tǒng)自動(dòng)加油潤(rùn)滑，減少設(shè)備的磨損，及時(shí)解決突發(fā)軸輥發(fā)熱問(wèn)題，保護(hù)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行［2］。

2.1.3 滲透水自控系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)一般采用第1座壓榨機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的榨量來(lái)同步設(shè)定滲透水用量。滲透水量與節(jié)能和提糖率有重要的關(guān)系，因此，滲透水自控系統(tǒng)一般根據(jù)核子秤檢測(cè)到的甘蔗入榨量及生產(chǎn)需要的滲透水與蔗比配值，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控滲透水箱液位、溫度以及滲透水流量來(lái)控制滲透水的加入。

2.1.4 泵送自控系統(tǒng)

泵送自控系統(tǒng)通過(guò)液位變送器連續(xù)監(jiān)測(cè)出各座集汁箱的液位，利用變頻技術(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸送泵的流量，防止抽空或冒箱，減少人工操作出現(xiàn)的跑、冒、滴、漏現(xiàn)象。

2.1.5 壓榨車間機(jī)械及流程連鎖控制

整個(gè)壓榨車間各級(jí)輸蔗帶、理平機(jī)、蔗刀機(jī)（撕裂機(jī)）、打散機(jī)、耙齒機(jī)、壓榨機(jī)列和蔗渣輸送機(jī)設(shè)置聯(lián)鎖關(guān)停和過(guò)載保護(hù)。當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中某臺(tái)相關(guān)的電機(jī)設(shè)備如壓榨機(jī)、中輸機(jī)等發(fā)生故障停機(jī)時(shí)，與其聯(lián)動(dòng)的設(shè)備立即自動(dòng)停機(jī)進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)，防止蔗料堵塞和保護(hù)設(shè)備。若設(shè)備發(fā)生電流過(guò)載，過(guò)載保護(hù)系統(tǒng)將自動(dòng)優(yōu)先控制相關(guān)聯(lián)的設(shè)備自動(dòng)動(dòng)作，自動(dòng)調(diào)整電機(jī)電流或轉(zhuǎn)速，從而起到快速保護(hù)作用［3］。

2.2 壓榨工段DCS系統(tǒng)應(yīng)用案例

甘蔗糖廠壓榨工段DCS自動(dòng)控制圖，如圖1所示。其系統(tǒng)技術(shù)改造成功案例如下。

2.2.1 糖廠壓榨全過(guò)程DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)改造

南寧糖業(yè)股份有限公司明陽(yáng)糖廠于2018/2019年榨季實(shí)施了“糖廠壓榨全過(guò)程DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)改造”項(xiàng)目，由原壓榨車間所有設(shè)備需要人工監(jiān)控操作，處于單機(jī)、單工序控制的初級(jí)階段改造成均衡進(jìn)榨控制系統(tǒng)，使壓榨工段基本實(shí)現(xiàn)全過(guò)程DCS自動(dòng)控制。運(yùn)行效果表明：在生產(chǎn)正常情況下，系統(tǒng)控制較人工操作控制更加穩(wěn)定和高效，并完成以下指標(biāo)。

第一，蔗帶核子秤計(jì)量誤差≤±1.5%。

第二，混合汁箱、滲透汁箱和滲透水箱液位控制達(dá)到不抽空和不滿溢。

第三，流量控制誤差≤±3%。

第四，控制系統(tǒng)運(yùn)行安全率≥99.99%［4］。

2.2.2 壓榨雙線使用DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)

廣西糖業(yè)集團(tuán)昌菱制糖有限公司自2011/2012年榨季開(kāi)始?jí)赫ルp線使用DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)，近幾年來(lái)該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，使用后壓榨工段的生產(chǎn)安全率、壓榨抽出率等指標(biāo)明顯提高，蔗渣轉(zhuǎn)光度和水分明顯降低，極大提高壓榨工段的經(jīng)濟(jì)效益［2］。

2.2.3 均衡進(jìn)料、高位槽和滲透水的自動(dòng)控制系統(tǒng)

廣西博慶食品有限公司石別糖廠和廣西糖業(yè)集團(tuán)金光制糖有限公司于2014/2015年榨季使用均衡進(jìn)料、高位槽和滲透水的自動(dòng)控制系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壓榨過(guò)程高位槽控制的自動(dòng)化，確保了蔗料通過(guò)壓榨機(jī)順暢，有效保證生產(chǎn)安全率，降低能耗，降低了蔗渣轉(zhuǎn)光度以及水分，提高了壓榨抽出率，同時(shí)有效減少了現(xiàn)場(chǎng)操作工人的數(shù)量，在減員增效、節(jié)能減排、降本增效方面效果明顯［5］。

圖1 壓榨車間DCS自動(dòng)控制圖

3 甘蔗糖廠自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)

站在新的歷史起點(diǎn)，從謀劃中國(guó)糖業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略高度看，雖然部分甘蔗糖廠在壓榨車間使用了DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了該車間的自動(dòng)控制，但使用過(guò)程中仍然存在一些問(wèn)題。例如：只注重進(jìn)出料之間的銜接而忽視壓榨機(jī)本身的優(yōu)化，并沒(méi)有從根本上解決壓榨機(jī)受力問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)控制混亂、料位控制系統(tǒng)失靈等現(xiàn)象［6］；壓榨1#和2#輸送機(jī)速度調(diào)節(jié)控制要求反應(yīng)速度快的設(shè)備適應(yīng)性不夠等等。多方面因素影響使得自控系統(tǒng)沒(méi)能取得應(yīng)有的效果，阻礙了糖廠自動(dòng)化發(fā)展進(jìn)程。

因此壓榨車間的自動(dòng)控制系統(tǒng)仍需進(jìn)一步研究和完善，使其更符合制糖工藝的特點(diǎn)，使生產(chǎn)更穩(wěn)定、壓榨抽出率更高、節(jié)能效果更好等，發(fā)揮自控應(yīng)有的效果。

另外，目前大多數(shù)糖廠由于設(shè)備陳舊，自動(dòng)化投入有限，僅能針對(duì)單個(gè)設(shè)備或局部工序進(jìn)行自動(dòng)化改造，多套自動(dòng)控制系統(tǒng)分布在不同的工段，各個(gè)自動(dòng)化設(shè)備之間不能實(shí)現(xiàn)有效連接，無(wú)法通信，出現(xiàn)了信息孤島，限制了自動(dòng)控制水平的發(fā)揮［7］。

新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用及蓬勃發(fā)展，智能芯片集成制造的發(fā)展，這些推動(dòng)著自動(dòng)化技術(shù)的變革。糖廠想要實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化，應(yīng)該建立一個(gè)更加智能化的AI DCS系統(tǒng)。通過(guò)運(yùn)用5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、智能芯片技術(shù)及人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全生產(chǎn)流程的智控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和設(shè)備的智控過(guò)程聯(lián)動(dòng)。現(xiàn)在的自動(dòng)化體系結(jié)構(gòu)包含了底層的設(shè)備自動(dòng)化到頂層的信息管理自動(dòng)化，結(jié)合成綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。未來(lái)的自動(dòng)化正向人工智能系統(tǒng)發(fā)展，將帶有智能芯片和5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能生產(chǎn)設(shè)備同人工智能管理技術(shù)相結(jié)合，有效地集成監(jiān)督控制、在線優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度、企業(yè)管理、經(jīng)營(yíng)決策等功能，通過(guò)人工智能對(duì)生產(chǎn)全過(guò)程的不斷自我優(yōu)化，最終形成一個(gè)最為經(jīng)濟(jì)、高效的生產(chǎn)模式。這也是制糖工業(yè)自動(dòng)化未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。