計算機煮糖DCS系統(tǒng)的實現(xiàn)

張 恒 陳芳芳 張黎海

（1.昆明電器科學研究所，昆明 650221；2.云南民族大學，昆明 650031）

1 引言

實際上，煮糖的過程是一個將糖液中的蔗糖成分提純的工業(yè)過程，即利用蔗糖的結晶特性將糖液中會結晶的蔗糖分子的結晶不斷長大（養(yǎng)晶），再通過分蜜機將蔗糖和非蔗糖成分分開。眾所周知，只要糖液處于過飽和狀態(tài)， 糖液中的蔗糖晶體都會吸收糖份長大。但是，糖液處于不同的過飽和度區(qū)域、其對生成晶粒的作用則各異。糖濃過飽和度處于介穩(wěn)區(qū)，不能產生晶粒；中間區(qū)，必須有晶粒存在或者在其他因素的刺激下，方可產生晶粒；易變區(qū)，則不論有無晶粒存在均可自然產生晶粒。不言而喻，養(yǎng)晶必須將生產過程的過飽和度控制在介穩(wěn)區(qū)。

微機煮糖過程中的理論依據(jù)是控制煮糖罐內的過飽和度。然而，目前尚未研究開發(fā)出適用于煮糖實際生產的在線式過飽和度測試儀和晶粒大小檢測儀。此問題是目前煮糖自動化最大的難題。本開發(fā)項目的目的就是在目前沒有直接的在線式過飽和度測量儀表、在線式純度測量儀表和晶粒數(shù)量和大小的測量儀表的情況下，用錘度計、電導率計等現(xiàn)有的在線式儀表通過自主創(chuàng)新的工藝制度控制方法，應用當前計算機技術研發(fā)出適用于微機煮糖的自動化系統(tǒng)。

2 相關技術現(xiàn)狀分析

在制糖工業(yè)生產中，煮糖是最后一道生產環(huán)節(jié)，也是極為關鍵而重要的環(huán)節(jié)。經過壓榨、蒸發(fā)和其他化學處理的糖漿，最終要在結晶罐中完成液-固轉換。糖漿處于過飽和度亞穩(wěn)定區(qū)逐步結晶生成成品糖。整個制糖生產造成糖分損失有三大源頭：蔗渣損失、濾泥損失、廢蜜損失。而廢蜜損失與煮糖時提糖率直接相關。有極少數(shù)由外國公司直接投資參股、控股的廠采用了在線檢測手段，由計算機控制煮制（但國外糖廠一般采用連續(xù)煮糖法，與國內的間歇式煮糖大不一樣；且其質量指標也有很大不同，同時設備成本極高。很難照搬其經驗和方法。）國內自行研制開發(fā)的計算機煮糖系統(tǒng)目前正在摸索階段，據(jù)相關報道，總結下來大致有以下三種：

（1）儀表采集過程數(shù)據(jù)（主要是糖液錘度，電導等）到計算機上集中顯示，由煮糖工監(jiān)視數(shù)據(jù)并結合拉取樣棒抽取物料，在玻璃片上觀察判斷晶種大小、母液中含蜜量，判斷能進一步吸收的程度、糖液錘度的高低，并據(jù)此判斷決定下一步的操作。這種方式的代表是英國拉爾拉法公司為廣西播慶糖廠在20世紀90年代初制作的。這種方式的問題是明顯的，即自控儀表采集的數(shù)據(jù)對穩(wěn)定而準確地控制煮糖過程起到了一定的作用，但是由于糖液成分復雜，影響結晶的因素又多，在生產中仍然需要有經驗的煮糖工進行全面的觀察、分析和判斷，并據(jù)此給定各種適宜的工藝參數(shù)，控制水平較低。

（2）以“五一”煮糖法為自控操作基本依據(jù)的以糖液溫度來作為控制煮糖過程的操作方法。這種方法需根據(jù)當時的糖液純度實測起晶點和溶晶點來作為實際操作的依據(jù)。由于糖廠甘蔗變化極大，每隔幾天就需執(zhí)行測罐操作，測罐費時、操作繁鎖，應用極不方便。

（3）以復旦大學，昆明冶研新材料股份有限公司，勐?？h景真糖廠合作研究為代表的運用人工神經元建模，編寫自動控制煮糖程序實現(xiàn)的計算機煮糖方式。這種方式是當前技術水平較高的一種控制方式。但我們實地考察后發(fā)現(xiàn)，由于其采用Bp網絡模型，且煮糖過程中相互影響因素極多，其自學習的過程需要海量現(xiàn)場數(shù)據(jù)。另外，糖廠原料和工藝調整極大。造成煮糖效果時好時壞的現(xiàn)象。

3 項目方案實施

（1）系統(tǒng)框圖及控制流程

計算機煮糖自動化系統(tǒng)的框圖1所示。

（2）數(shù)據(jù)準備

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對控制過程的不利因素：

1）煮糖過程中涉及的甲原蜜，甲洗蜜粘稠度較大，濃度值也較高，基本在86BX以上。經在現(xiàn)場煮糖過程中觀察，本系統(tǒng)中設立的流量計測量數(shù)值不穩(wěn)定，不能完全表征進料量的準確數(shù)量。流量數(shù)據(jù)波動也較大，必須做軟件數(shù)據(jù)修訂才有可能對煮糖過程的控制產生一定的（只能做為眾多輔助參考條件中的一條）參考。

圖1

2）煮糖罐液位計由于氣鼓的影響，裝設位置較高，14m3以下不能測量液位值。當煮糖罐內容積超過14m3以上時，可以測出容積。但是，由于煮糖過程中煮糖罐內真空度為-0.072左右，煮糖母液呈吊糖狀態(tài)；加上煮糖過程中母液的對流對其測量的影響也極大，所以此液位計所測液位不能準確表征罐內容積。只能在某些特定情況下（主要在罐內容積接近30m3左右）參與給出罐內容積的參考值。

3）甲洗和甲原，包括煮糖母液、乙膏、晶體的簡純度數(shù)據(jù)均需通過化驗室采樣后通過化學和物理方法測出，但往往需要時間較長，遠遠滯后于煮糖過程實際（當化驗結果出來時，這些物料可能已經出鍋了）。

針對上述情況，要做好煮糖自動化研發(fā)系統(tǒng)，必須要綜合利用各種可以利用的數(shù)據(jù)并加以處理、甄別，并在煮糖過程控制中分階段按其實際作用分別加以綜合應用，才有可能把本項目做好。具體內容如下：

1）對于流量計的測量數(shù)據(jù)，可以用打開相關閥門的開度的大小，及流量計實時數(shù)據(jù)作相應的處理和比較判別，從而得出一個相對準確的結論和數(shù)值。具體做法是：在相關閥門開度得到指令由0%開度逐步開大時，以1min為周期作濾波處理，以濾出流量計的采集實時數(shù)據(jù)的抖動，得到一條較為平滑的曲線。待相關閥門得到指令又關閉為開度0%為止。在此期間，通過計算該曲線與X軸之間的面積，可大體知道某段時間內某種原料的加入量。相似的，其他儀表測量的不穩(wěn)定實際，儀表過程量采集時也應能進行濾波、加權計算等處理。

2）煮糖過程中可按工藝分為幾個不同的階段，在這些階段中，控制的關鍵、可利用的數(shù)據(jù)，甚至控制策略都會有一些不同。所以，必須在程序中判斷出當前煮糖過程狀態(tài)（包括是煮膏還是煮種），并形成狀態(tài)字（階段戳）。以指導各階段的控制策略?？紤]到控制方法主要采用專家模糊控制方法和工藝制度控制方法，以及項目前期將煮糖專家的操作經驗轉化為控制模型的需要，具體煮糖自動化控制實施后煮糖操作工的使用需要和進一步優(yōu)化程序的需要，應能顯示階段戳并自動采集進入數(shù)據(jù)庫，并有相應操作窗方便的錄入到數(shù)據(jù)庫中。同時，控制程序也能在需要的時候從數(shù)據(jù)庫中調出相關內容參與當前煮糖控制。

3）數(shù)據(jù)、日志記錄應打時間戳與階段戳(當前屬于煮糖何過程),并能方便的查詢、編輯和報表打印，以方便分析各控制階段的關鍵點。

4）對于一些無法測量但又對過程有指導意義的過程量如母液吸收情況、晶粒數(shù)量和大小、煮糖母液純度等高低評價指標應能顯示煮糖工估計值（通過在界面中留人工輸入接口實現(xiàn)）并能記錄入數(shù)據(jù)庫中。以便分析，甄別儀表所采集的過程數(shù)據(jù)。

5）對于蒸汽閥，真空閥、放糖閥等不受控對象或不宜由自控自動操作的對象,在條件滿足時應能發(fā)出明顯的聲光信號提示操作工注意，并在界面上自動彈出相應的操作指導對話框。在操作后通過人工在數(shù)據(jù)庫中完成錄入，以保證煮糖控制數(shù)據(jù)的完整性。

6）考慮到煮糖工藝實際，過程數(shù)據(jù)應能動態(tài)采集（其采集周期可設為2～3min）進入歷史數(shù)據(jù)庫，并能夠查詢、編輯（有相應的授權）、調用及報表打印，以便能分析工藝特點，并能在控制流程中引用相關數(shù)據(jù)。

（3）方案實施的技術關鍵和創(chuàng)新點

1）將煮糖過程中控制母液過飽和度轉化為控制結晶工藝系數(shù)，以彌補沒有在線式過飽和度檢測儀的難題，建立新的控制策略。

項目組經過充分研究，大膽創(chuàng)新。提出了工藝制度控制方法來解決本問題。本項目的技術關鍵是：根據(jù)伏法公式，在大量數(shù)據(jù)、參考現(xiàn)場煮糖生產實踐和工藝專家的長期經驗的基礎上，建立糖液錘度、純度及溫度、罐內真空度關于過飽和度的近似函數(shù)。從而實現(xiàn)計算機煮糖控制。

2）通過測量罐內同一階段下罐內電導率的變化率轉化為吸收系數(shù)來間接表征母液的吸收情況，以決定煮糖下一階段的控制方案和重點。

純蔗糖溶液通常是不導電的，但當糖液中含有電解質時，它將具有導電性。在稀糖液中，電解質隨糖液濃度的增加而增加，糖液的電導率也隨之增強。在濃糖液中，由于糖液粘度大，盡管糖液的電解質隨其濃度的增大而增加，但電解質的遷移率卻降低更快。因而，濃糖液的電導率總體上隨其濃度的增加而降低。

在本項目實際煮糖過程中，其母液錘度均在85BX以上，我們認為可以利用電導率這一特性，采用電導率計和錘度計所測量的過程值的變化率來得到一個中間量（姑且叫它吸收系數(shù)），反映出母液粘稠度高低指標、純度的高低過程指標、母液吸收情況的高低指標。在大多數(shù)情況下，純度系數(shù)越大，說明隨著濃度的增加，則糖液中粘稠度越大的曲線中電導率變小的速度越快，說明母液混合體中糖純度越低，其蔗糖份已大部分被糖晶體所吸收。換句話說，我們可以根據(jù)吸收系數(shù)判斷當前母液吸收情況的好壞。從而間接知道晶體數(shù)量、大小的情況。

3）建立數(shù)據(jù)管道的方法來進行原始數(shù)據(jù)的再處理，使采集的過程數(shù)據(jù)能適應計算機煮糖控制。

電導計和錘度計分別用來測量母液中的電導和錘度。由于儀表價格的原因，其測量其實是采用抽樣的測量方法。即系統(tǒng)某一時刻采樣得到的過程值僅只能代表探頭附近母液的過程參數(shù)，由于母液的粘稠度很大，整個母液實際上不可能完全均勻，必須要數(shù)據(jù)處理。具體如下：

以1s為采樣周期采樣1分鐘過程值，共得到60個采樣數(shù)據(jù)，得到一個數(shù)據(jù)管道。

這60個數(shù)據(jù)按正態(tài)分布，拐點之外的點作為壞點剔除，得到的樣本數(shù)作一階慣性環(huán)節(jié)濾波處理。

（4）方案實施中遇到的問題及解決措施

1）遇到的問題

由前文的“數(shù)據(jù)準備”一節(jié)中可知液位計所測值位不能準確表征罐內容積。加上煮糖過程中母液的對流對其測量的影響也極大，甚至在極端條件下會導致控制程序出現(xiàn)混亂。

對于蒸汽閥，真空閥、放糖閥等不受控對象或不宜由自控自動操作的對象,在條件滿足時應能發(fā)出明顯的聲光信號提示操作工注意，并在界面上自動彈出相應的操作指導對話框。在操作后通過人工在數(shù)據(jù)庫中完成錄入，以保證煮糖控制數(shù)據(jù)的完整性。

2）解決方案

目前適用于煮糖罐內的測量液位的現(xiàn)場儀表極少，我們現(xiàn)已使用了目前能夠接受價格的最好的過程儀表。要想改善液位的測控狀況，用單一的現(xiàn)場儀表已無法滿足使用和控制的需要。因此，我們通過修改程序，利用各煮糖工藝階段的差別及用信號綜合利用技術，采用軟件補償（比如在初階段其錘度不會超過90Bx）的方法使液位信號更利于控制。

4 結論

該項目屬于應用計算機技術、信息技術改造和提升傳統(tǒng)產業(yè)的系統(tǒng)集成領域的創(chuàng)新典型項目。項目經過營盤糖廠兩個軋季的運行檢驗，在成功實現(xiàn)計算機煮糖的前提下，煮糖時間及提糖率均得到提高，得到了用戶的認可。

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