陳樹人
彭建明
高春光
（浙江中控技術股份有限公司，杭州，310053）
1 引言
目前，國際蔗糖生產過程中除煮糖工序外的其它工序，如甘蔗壓榨、蔗汁清凈等都已經基本實現了自動化，而煮糖結晶過程的控制操作多數是憑經驗操作，由經驗豐富的操作工人根據個人操作技巧和煮糖經驗來控制煮糖過程，技術只可意會不可言傳。所以，操作技術因人而異，先進的操作經驗和控制方法很難鞏固推廣，產品產量和質量也很不穩定。
出現這種情況的原因，一是由于蔗糖結晶機理的復雜性，煮糖過程的關鍵工藝參數無法在線測量；二是實際生產過程匯總受干擾因素較多，如糖漿的錘度、糖漿雜質、真空度以及溫度的變化都會影響蔗糖結晶過程。下面，我們以浙江中控技術股份有限公司在廣西某糖廠實施項目的成功經驗為基礎，介紹國產GCS-2控制系統在該類裝置上的應用情況。
2 煮糖工藝特點
蔗糖的生產過程主要由甘蔗壓榨、蔗汁清凈、蒸發、煮煉等工序組成。其中煮糖工序的作用是使糖分從糖漿中結晶析出，目的其一是獲得粒度均一的蔗糖晶體，其二是使糖漿中的糖分盡可能地充分析出。
糖漿結晶的生長條件，受多種因素的影響，歸納起來主要有以下4條：
（1）真空度
真空度越大，絕對壓力就越小。糖膏沸騰時，起沸點溫度與蒸發空間的壓力成正比。較低的糖膏溫度對縮短煮糖時間、節省煮糖用蒸汽、提高傳熱效能大有好處。穩定而較高的真空度對獲得糖膏的良好對流、過飽和率的穩定。晶體的均勻與整齊等都有密切的關系。
（2） 糖液錘度
糖溶液的固容物百分比含量稱為錘度，簡寫為BX。錘度的高低直接影響煮糖時間的長短。糖液中晶核的形成和成長速度主要取決于糖液的錘度。錘度作為結晶的品質指標有著重要的意義。
（3）溫度
蔗糖的結晶速度與溫度成正比，溫度每提高10℃，則結晶速度增加約一倍。但溫度過高，如超過80℃會增加糖液的色素及引起蔗糖轉化。煮糖溫度宜控制在60~65℃為宜。
（4）煮糖罐液位
煮糖罐中的液面高，靜壓力就大，糖膏向上流動的阻力大，對流就差。糖膏煮到高體積時都要提高氣壓，以增加溫差幫助對流。
經過壓榨、蒸發和其他化學處理的糖漿，就是在上述多種因素的相互影響下，以合理的參數，最終在結晶罐中完成液——固轉換，使糖漿從處于過飽和度亞穩定區逐步結晶生成成品糖。
3控制系統結構設計
該項目控制對象為煮糖罐。根據控制要求，設計系統由一個控制站和一個工程師站/操作站組成。由于只有一個煮糖罐，測點較少，所有我們采用小機柜。控制站和操作站之間通過工業以太網通訊方式組成一個整體。控制系統配置圖如圖1所示。在硬件設計上，對煮糖罐中信號采集、操作執行所涉及的I/O卡、輸出繼電器、電源等進行了隔離，確保操作中各信號互不影響。
根據系統特點我們選用浙江中控技術股份有限公司WebField GCS-2多功能控制系統。GCS-2控制系統提供符合IEC61131-3標準的組態工具FBD、LD、SFC、ST等，使DCS和PLC的功能得到統一，而且系統兼顧模擬量和數字量控制，實現局部控制區域內信息共享。該系統配置靈活、維護簡便、性能價格比高。控制器如圖2所示：
GCS-2控制系統主要由控制站、操作站（工程師站）、通信網絡構成。控制站由電源模塊、CPU模塊、I/O機架和各種I/O模塊構成。CPU模塊與I/O模塊之間采用并行總線，具有快速邏輯控制功能以及強大的模擬量處理能力。一個CPU機架可以容納一個CPU模塊、一個電源模塊，并提供8個I/O槽位。系統操作站分為就地操作屏和一般操作站兩種。
GCS-2控制系統的軟件是AdvanTrol-Pro軟件包，基于Windows2000操作系統的自動控制應用軟件平臺，在SUPCON WebField系列集散控制系統中完成系統組態、數據服務和實時監控功能。可采用本地或遠程I/O擴展機架，方便實現集中式和分布式控制結構；系統完全兼容ModBUS、TCP/IP協議，并支持自定義通訊協議以實現智能系統間的互聯。
4 控制方案設計
入罐糖漿濃度的不穩定性，決定了控制偏差無法平穩。但由于系統基本參數的非突變特性，所以仍然是可控的；入罐糖漿濃度波動范圍基本在10BX內，根據長期現場操作的經驗數據，可把閥門開度的上下限定在一個范圍，同時適當的調節蒸汽壓力，把入料量和蒸發度結合起來保證錘度的按規律變化。
該方案除了煮糖，同時還兼顧煮種。在程序設置上，充分利用工序的相似性，只在有區別的長晶步驟分支出來，保證生產功能并優化了控制程序。
安全方面，糖種分割是與其它煮糖罐密切聯系在一起的，所以在操作上增加幾個確認按鈕，避免出現串罐現象，更加人性化控制。
另外，考慮到入罐糖漿的不連續性，在沒有糖漿的情況下需要煮水代替。程序上，設置進料分糖漿和水的兩種選擇，避免糖膏煮硬并保證錘度的穩定。
整個煮糖和煮種工藝采用順序控制，提高了工程組態效率，簡化了操作步驟，從開始到結束一氣呵成。現場操作流程圖和控制分組畫面分別如圖3、圖4所示：
4.1 控制參數設置
參數取值遵循以下原則：參數設定符合工藝要求，如真空度、料位和錘度系數符合各階段的工藝關系；數據處理的準確性，減小對系統滯后的影響；檢測量的連續性，避免出現大幅波動造成調節震蕩。具體參數設置如圖5所示：
4.2 控制曲線法
煮糖過程工藝復雜，對不同階段的溫度、真空度、攪拌、料位和糖漿濃度有不同的要求。
溫度，整個結晶過程中維持在一個狹小的范圍內。真空度類似地，從起始抽真空開始直到分割前，均保持在一定的值。攪拌，先低速運行3分鐘接著轉高速，然后在結晶過程中一直保持勻速運轉。料位，作為產量因數，在濃縮前呈上升狀態，濃縮后微量的下降。罐內糖漿濃度，變化曲線復雜，常態下從入種到整理先升后降，保持一段時間后在長晶段緩慢的穩步上升，最后在濃縮段快速上升直到達到卸糖濃度。真空度、溫度、料位和糖漿濃度，自始至終都是相互聯系、相互影響，在整個煮煉過程中，得到穩定控制，維持水份蒸發與蔗糖沉積兩個速度的平衡。
4.3 專家預測控制法
我們所用的專家預測控制是一個智能計算機程序系統，其內部含有大量的煮糖領域專家水平的知識與經驗，能夠利用這些知識進行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，進行正確地控制。長晶步驟是糖罐結晶中關鍵的一步，在這里要形成尺寸大小基本一致、形狀規則的晶體，這只能在過飽和度的亞穩定區才能形成。因此。為了保證過飽和度的穩定條件，長晶階段要求有效地調整它的輸入量。結合糖廠豐富的現場專家經驗，我們采用控制型方式，設計了罐內糖漿濃度、蒸汽壓力、料位、汽閥和料閥相關聯的專家預測控制程序，很好地控制了糖漿的輸入率和加熱蒸汽的流率，保證了輸入糖漿和蒸發水之間的平衡。這樣，通過調節加料和蒸汽量可方便控制所需的過飽和度，方便地進行起晶、養晶操作。
5 結束語
本文總結了廣西某糖廠糖罐結晶過程的控制系統成功經驗，重點闡述了煮糖工藝特點、針對這些特點的控制系統結構設計方法，以及具體的控制方案設計方法。系統投運以來，從整體效果看，大大減輕了工人的勞動強度，節約了能耗，縮短了煮糖時間35%~45%，煮出的糖膏質量好，晶粒均勻。現場運行結果表明國產GCS-2控制系統完全能滿足目前國內結晶罐裝置的安全與控制要求，形成的方案易于推廣應用，對于國內同類企業實現煮糖自動化、提高產品產量和質量、減輕工人的勞動強度、提高生產效率和經濟效益具有普遍的參考意義。
