自動(dòng)煮糖技術(shù)在糖廠的應(yīng)用及展望

梁賢慧，駱榮貞

（1.廣西工程咨詢集團(tuán)有限公司，廣西 南寧530021；2.廣西糖業(yè)集團(tuán)開泰供應(yīng)鏈管理有限公司，廣西 南寧530022）

0 引言

甘蔗制糖屬于傳統(tǒng)行業(yè)，食糖市場與經(jīng)濟(jì)社會中存在的需求不斷的變化發(fā)展，使制糖工業(yè)中存在的競爭逐漸激烈，也使制糖工業(yè)與其他的行業(yè)看齊，愈發(fā)對科學(xué)化的管理與人力的節(jié)約以及原材料的節(jié)省方面更加重視［1］。因此，自動(dòng)化技術(shù)可以于制糖中被廣泛使用，因?yàn)樗軌驅(qū)ιa(chǎn)情況進(jìn)行反映、能夠替代人工的操作。目前，“一步法”糖廠生產(chǎn)過程中除煮糖工序外的其他工序，如甘蔗壓榨、蔗汁清凈等都已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，而在煮甲糖膏階段，目前多數(shù)糖廠仍處于純手工或半自動(dòng)狀態(tài)，仍依賴人工拉取樣棒抽取物料，在玻璃片上觀察判斷晶種大小、數(shù)量，以及均勻度，并據(jù)此判斷決定下一步的操作，另外，操作人員要根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐過程中物料、汽壓、真空度等的變化，隨時(shí)調(diào)節(jié)閥門來控制煮煉過程。人工煮糖存在操作者水平差異、操作偶然性等不確定因素，因此操作者的經(jīng)驗(yàn)會直接影響糖膏的結(jié)晶率、產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和能耗。而國內(nèi)外技術(shù)先進(jìn)的“二步法”糖廠中，原糖和精制糖的煮糖工段已完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，值得“一步法”糖廠借鑒學(xué)習(xí)。

1 “二步法”自動(dòng)煮糖技術(shù)現(xiàn)狀

自動(dòng)煮糖從原理上說是模仿人工煮糖操作，它通過將人工煮糖的各個(gè)階段的操作進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，形成一套標(biāo)準(zhǔn)化控制流程，由電腦按標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)要求控制煮糖罐各個(gè)閥門進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，在整個(gè)煮糖過程幾乎不再需要人工干預(yù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。

煮糖結(jié)晶是通過控制糖液的過飽和度來進(jìn)行的，但由于糖液過飽和度無法用儀表直接測定，而糖液錘度與糖液的過飽和度有較高的相關(guān)性，因此煮糖的自動(dòng)控制常通過測定和控制糖液錘度來進(jìn)行。在人工煮糖中，通常是采用“逐步濃上”的煮糖操作方法，在自動(dòng)煮糖中仍然是采用這個(gè)方法。我們把投粉點(diǎn)的錘度值作為初始錘度值，把放糖的錘度值看作最終錘度值，可以把煮糖過程看成是一個(gè)錘度值隨料位高度變化的曲線函數(shù)。通過與實(shí)時(shí)錘度檢測信號、罐內(nèi)料位高度信號、入料流量信號和汽凝水流量信號等進(jìn)行模擬運(yùn)算，得到控制信號，用于控制入料閥的開度，實(shí)現(xiàn)煮糖連續(xù)煮上。

在整個(gè)煮糖過程的自動(dòng)控制中，用于罐內(nèi)糖膏錘度監(jiān)測的錘度儀是關(guān)鍵的測量儀表，其測量精度和可靠性要求很高，目前常用的是國外進(jìn)口的微波錘度計(jì)，微波錘度計(jì)的原理是利用微波高頻信號在溶液中傳輸時(shí)被水分子吸收，造成自身的衰減和相移，其變化量與溶液濃度具有很好的對應(yīng)性，可通過運(yùn)算得到溶液濃度。微波錘度計(jì)測量精度高達(dá)0.2%，且可靠性高，具有良好的在線測量性能。因此在糖廠的自動(dòng)化控制中應(yīng)用廣泛。

在國內(nèi)外先進(jìn)的“二步法”制糖中，精糖生產(chǎn)通常采用間歇自動(dòng)煮糖技術(shù)，原糖生產(chǎn)大多采用連續(xù)自動(dòng)煮糖技術(shù)。“二步法”制糖全自動(dòng)煮糖技術(shù)在歐洲、日本、泰國等制糖發(fā)達(dá)的國家應(yīng)用較為普遍，且技術(shù)成熟，穩(wěn)定性好。

1.1 間歇自動(dòng)煮糖技術(shù)

在先進(jìn)的精糖廠中，精糖煮煉采用全自動(dòng)煮糖系統(tǒng)，通常選用間歇煮糖罐實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，自動(dòng)控制對象是間歇罐真空度控制、加熱汽鼓蒸汽壓力、間歇罐液位控制、間歇罐錘度控制、熱水控制、原料箱液位等。間歇煮糖罐的控制界面和參數(shù)設(shè)置界面，如圖1和圖2所示。

通常間歇煮糖罐自動(dòng)煮糖過程的操作步驟如下。

圖1 間歇煮糖罐的控制界面

圖2 間歇煮糖罐的參數(shù)設(shè)置界面

第一，抽真空。煮糖開始，首先打開真空閥，當(dāng)罐內(nèi)真空度到達(dá)設(shè)定數(shù)值時(shí)，則進(jìn)行下一步驟。

第二，進(jìn)底料。自動(dòng)打開進(jìn)料閥抽入底料，進(jìn)底料的量按初始設(shè)置參數(shù)決定，達(dá)到設(shè)置參數(shù)后關(guān)閉進(jìn)料閥。

第三，濃縮。自動(dòng)打開進(jìn)汽閥濃縮底料，此步驟是為接種作準(zhǔn)備，底料濃縮到達(dá)的濃度參數(shù)根據(jù)人工操作的經(jīng)驗(yàn)確定，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，一般在77~80°Bx之間。

第四，抽種。底料濃縮達(dá)到指定濃度后，關(guān)閉進(jìn)汽閥，自動(dòng)打開抽種閥接種，接種量按設(shè)定參數(shù)確定。接種完成關(guān)閉抽種閥。

第五，吸收。接種后，按設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行養(yǎng)晶，養(yǎng)晶時(shí)間一般設(shè)置為幾分鐘。

第六，煮上。自動(dòng)打開進(jìn)汽閥和進(jìn)料閥，開始連續(xù)入料煮上，煮上的速度由進(jìn)汽壓力決定，進(jìn)汽壓力大，蒸發(fā)量就大，入料流量就大，罐內(nèi)料位高度上升就越快。同時(shí)，煮上的糖膏的濃度控制跟隨料位高度升高而升高，由初始的78~80°Bx逐步升高至88~89°Bx。

第七，深度濃縮。此時(shí)煮糖罐料位已達(dá)到設(shè)定高度，關(guān)閉入料閥，關(guān)小進(jìn)汽閥，進(jìn)入深度濃縮階段，糖膏慢慢濃縮到終點(diǎn)濃度即90~91°Bx。

第八，放糖。此時(shí)關(guān)閉進(jìn)汽閥，關(guān)閉抽真空大閥，打開解除真空閥，當(dāng)罐內(nèi)真空下降至設(shè)定數(shù)值后，打開放糖閥，糖膏排入助晶機(jī)。

第九，汽洗。放糖完成后打開蒸汽清洗閥清洗煮糖罐，排除積糖，清洗時(shí)間可以在設(shè)置界面中設(shè)置。清洗結(jié)束后，關(guān)閉清洗閥和放糖閥。

此時(shí)煮糖程序結(jié)束，等待新的指令開始下一罐煮糖操作。

1.2 連續(xù)自動(dòng)煮糖技術(shù)

在國內(nèi)外的原糖廠中通常采用連續(xù)煮糖罐進(jìn)行各段糖膏的煮煉，連續(xù)煮糖罐有臥式和立式兩種，其中臥式在糖廠應(yīng)用較多，臥式連續(xù)煮糖罐配套設(shè)施工藝圖，如圖3所示。

圖3 臥式連續(xù)煮糖罐配套設(shè)施工藝圖

目前常見的臥式連續(xù)煮糖罐內(nèi)部根據(jù)設(shè)計(jì)容量通常被分成10~16個(gè)隔室，每個(gè)隔室中均設(shè)置有錘度探測儀，可以顯示各個(gè)隔室的糖膏實(shí)時(shí)錘度。同理按照逐步濃上的煮糖操作原則設(shè)置抽種隔室、放糖隔室和中間隔室的控制錘度。通過各隔室的實(shí)時(shí)錘度和控制錘度的比較和運(yùn)算，得到控制信號控制各隔室的入料閥，實(shí)現(xiàn)各隔室連續(xù)入料。臥式連續(xù)煮糖罐的放糖管須具備一定的高度，一般是從助晶機(jī)側(cè)面下部插入助晶機(jī)，依靠助晶機(jī)內(nèi)糖膏的密封作用，可以防止真空泄漏，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)放糖。該助晶機(jī)也稱糖膏接收箱，糖膏從上部排出進(jìn)入另一個(gè)助晶機(jī)，然后去向分蜜工序。法國某公司的連續(xù)煮糖罐的控制界面和參數(shù)設(shè)置界面，如圖4和圖5所示。

2 “一步法”自動(dòng)煮糖技術(shù)現(xiàn)狀

近年來，由于國內(nèi)一些“二步法”糖廠或精煉糖廠成功引進(jìn)了自動(dòng)煮糖技術(shù)，國內(nèi)廠家在此基礎(chǔ)上對該技術(shù)進(jìn)行吸收改造，目前國內(nèi)也有多家生產(chǎn)耕地白砂糖的制糖企業(yè)將自動(dòng)煮糖技術(shù)應(yīng)用于糖膏的煮煉，其中臥式連續(xù)煮糖罐用于丙糖膏的煮煉已較為普遍，丙糖膏連續(xù)煮糖技術(shù)同原糖的煮煉。

圖4 法國某公司的連續(xù)煮糖罐的控制界面

圖5 法國某公司的連續(xù)煮糖罐的參數(shù)設(shè)置界面

但由于“一步法”糖廠甲糖膏的煮煉操作與精制糖或原糖差異較大，國外的自動(dòng)煮糖技術(shù)無法直接用于甲糖膏的煮煉，加上近些年來國內(nèi)制糖行業(yè)經(jīng)濟(jì)不景氣，糖廠技術(shù)改造的動(dòng)力不足，因此目前甲糖膏基本上仍處于半自動(dòng)甚至純?nèi)斯ぶ鬅挼碾A段，尚未實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。不過近些年來也有一些研究進(jìn)展，例如由中國輕工業(yè)南寧設(shè)計(jì)工程有限公司研制的自動(dòng)煮糖系統(tǒng)，2017/2018年榨季在廣西糖業(yè)集團(tuán)良圻制糖有限公司投入應(yīng)用，其煮煉所得產(chǎn)品白砂糖各項(xiàng)理化指標(biāo)和感官指標(biāo)穩(wěn)定，并且提高了效率，減少人工成本，煮煉過程節(jié)省了時(shí)間，從而也減少了能耗［2］。由杭州優(yōu)穩(wěn)自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的國內(nèi)首套DCS自動(dòng)化煮糖系統(tǒng)，2018/2019年榨季在南寧糖業(yè)明陽糖廠初步試驗(yàn)成功，結(jié)果表明，糖廠通過自動(dòng)化改造，壓榨抽出率提升0.19%、廢蜜產(chǎn)率降低0.09%、產(chǎn)糖量增加1362噸和總用工減少385人［3］。另外，自動(dòng)煮糖系統(tǒng)在甜菜生產(chǎn)白糖中也運(yùn)用較為成功，博天糖業(yè)有限公司張北分公司利用杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的MACS-S DCS控制系統(tǒng)，使煮糖過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，制糖各項(xiàng)指標(biāo)也較人工煮糖得到提升［4］。

3 展望

目前“二步法”煮糖已基本實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，法國Fives公司臥式連續(xù)煮糖罐，BMA公司立式煮糖罐在“二步法”自動(dòng)煮糖中運(yùn)用較為普遍，但由于國內(nèi)外制糖關(guān)鍵工藝參數(shù)的差異，引進(jìn)的國外自動(dòng)煮糖技術(shù)不一定就能適應(yīng)本國的糖廠，中糧（唐山）糖業(yè)有限公司經(jīng)進(jìn)一步優(yōu)化煮糖罐結(jié)構(gòu)和控制程序，實(shí)現(xiàn)了煮糖結(jié)晶過程的全自動(dòng)控制和信息化管理，達(dá)到了節(jié)能減排增效的目的［5］。

而要實(shí)現(xiàn)“一步法”煮煉甲糖膏全自動(dòng)化，仍需進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)與開發(fā)作為重點(diǎn)環(huán)節(jié)，使其建成的算法與邏輯能夠與人工煮制中檢測與判斷以及調(diào)節(jié)等無限接近。

未來的自動(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)管理和經(jīng)營決策等功能，通過人工智能對生產(chǎn)全過程的不斷自我優(yōu)化，最終形成一個(gè)最為經(jīng)濟(jì)、高效的生產(chǎn)模式。

站在新的起點(diǎn)，只有繼續(xù)進(jìn)行升級改造，將生產(chǎn)自動(dòng)化的水平進(jìn)行提升，才能使糖企降低人工、運(yùn)營維護(hù)和能耗等生產(chǎn)成本，進(jìn)而確保糖企能夠穩(wěn)定、長期的發(fā)展。