酒精生產(chǎn)糖化工段自動(dòng)控制方案的設(shè)計(jì)

高莉麗，王湘妍，馬志新

（1.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南省醫(yī)藥學(xué)校，河南 開封 475000）

0 引言

我國(guó)現(xiàn)階段酒精生產(chǎn)企業(yè)的自動(dòng)化裝置水平參差不齊，有的小酒精廠還停留在幾塊溫度表和幾塊壓力表的階段，全憑操作工人的經(jīng)驗(yàn)操作；有些酒精廠在液化糖化、發(fā)酵、蒸餾等工序采用了自動(dòng)顯示和控制工藝；僅有少數(shù)酒精廠在蒸餾工段采用了微機(jī)自動(dòng)控制方案。 本文對(duì)酒精生產(chǎn)的糖化工段進(jìn)行了自動(dòng)控制方案的設(shè)計(jì)。

在進(jìn)行自動(dòng)控制方案設(shè)計(jì)時(shí)，被控變量是希望生產(chǎn)過程中保持在定值的過程參數(shù)[1]。 影響糖化工藝的因素很多，有糖化溫度、糖化時(shí)間、pH 值、糖化酶用量、酶的活性、壓力等等。 由于糖化時(shí)間對(duì)工藝的影響具有不確定性，因此選擇pH 值、糖化酶的添加量和糖化溫度作為被控變量進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 pH值的自動(dòng)控制方案

1.1 pH值的影響因素

在酒精液糖化工段中，pH 值的影響因素有很多。 如，硫酸或者氨水流量大小的波動(dòng)，使其用量不均，導(dǎo)致酸堿度偏離實(shí)際要求；拌料罐的攪拌，導(dǎo)致拌料罐的溫度上升，影響反應(yīng)速率，也會(huì)影響pH 值的偏離；還有攪拌的不均勻，等等。 在這些因素中，攪拌器的攪拌不均勻和攪拌罐的溫度升高是客觀存在的，為不可控因素，只能盡量降低。 硫酸以及氨水的流量為可控因素，可以通過控制系統(tǒng)來進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

1.2 操縱變量的選擇

操縱變量是指在控制系統(tǒng)中，用來克服干擾因素對(duì)被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量[1]。 最常見的操縱變量是介質(zhì)的流量。 操縱變量的選擇原則有：（1）操縱變量應(yīng)該是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。 （2）操縱變量一般應(yīng)比其他干擾因素對(duì)被控變量的影響更加靈敏。 （3）除了從自動(dòng)化的角度考慮外，還應(yīng)考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)以上原則，選擇硫酸的流量作為操縱變量。自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)就是通過調(diào)節(jié)拌料罐入口處硫酸的流量來調(diào)節(jié)pH 值，從而使其保持在所要求的范圍內(nèi)。

1.3 控制規(guī)律的選取

此控制系統(tǒng)采用的是單回路簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，主要由被控對(duì)象、控制器、執(zhí)行器和測(cè)量變送裝置4 大基本部分組成。

目前，工業(yè)上常用的控制器主要有3 種控制規(guī)律：比例控制規(guī)律、比例積分控制規(guī)律和比例積分微分控制規(guī)律，分別記為P、PI 和PID。 控制規(guī)律的選取應(yīng)遵循以下原則：（1）在一般的控制系統(tǒng)中，比例控制是不可少的。 當(dāng)廣義對(duì)象控制通道時(shí)間常數(shù)較小、負(fù)荷變化較小、工藝要求不高時(shí)，可選擇單純的比例調(diào)節(jié)規(guī)律，如貯罐液位、不太重要的壓力等參數(shù)的控制等。 （2）當(dāng)廣義對(duì)象的控制通道時(shí)間常數(shù)較小、負(fù)荷變化較小而工藝要求無余差時(shí)，可選用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，如管道壓力、流量等參數(shù)的控制。（3）當(dāng)廣義對(duì)象控制通道的時(shí)間常數(shù)較大或容量滯后較大時(shí)，應(yīng)引入微分作用。 如工藝允許有誤差，可選取比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律；如工藝要求無誤差，則選用比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律，如溫度、成分、pH等參數(shù)的控

制[1]。

鑒于上述原則，我們采用PID 控制方案。

1.4 測(cè)量元件的選取

在此控制系統(tǒng)中，需要選取的測(cè)量元件是pH 計(jì)，用來測(cè)量溶液的酸堿度。 目前，pH 計(jì)有很多都是集傳感、變送、顯示為一體的。 所以，這里直接選用符合工藝要求且具有顯示功能的儀表。

2 溫度自動(dòng)控制方案

2.1 溫度的影響因素

在糖化工段中，影響物料溫度的因素隨處可見。一方面，冷卻水的流量變化將導(dǎo)致物料的溫度不穩(wěn)定，產(chǎn)生波動(dòng)；另一方面，外界環(huán)境的溫度也會(huì)使物料的溫度變化。 同時(shí)，糖化反應(yīng)放熱也使整個(gè)罐體的溫度上升，間接導(dǎo)致溫度變化。 在這些影響因素中，外界的環(huán)境溫度以及由于糖化反應(yīng)而產(chǎn)生的大量熱兩項(xiàng)因素被視為不可控因素。 對(duì)于冷卻水的流量，可以通過改變閥門的開度進(jìn)行控制，從而調(diào)整溫度，所以冷卻水的流量是可控的。

2.2 操縱變量的選擇

通過上述分析，根據(jù)1.2 中操縱變量的選擇原則，選擇冷卻水的流量作為操縱變量。 自動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)就是通過調(diào)節(jié)冷卻水閥門的開度來調(diào)節(jié)冷卻水的流量，達(dá)到調(diào)節(jié)物料溫度的目的，從而使其保持在所要求的范圍內(nèi)。

2.3 控制規(guī)律的選取

在溫度控制系統(tǒng)之中，采用的仍然是單回路簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。由于被控參數(shù)是溫度，所以根據(jù)1.3 中控制規(guī)律的選用原則，同樣選用PID 控制規(guī)律。

2.4 測(cè)量元件的選取

此時(shí)的測(cè)量元件是測(cè)溫元件。 常見的測(cè)溫元件按工作原理分為膨脹式溫度計(jì)、壓力式溫度計(jì)、熱電偶溫度計(jì)、熱電阻溫度計(jì)和輻射高溫計(jì)。 工程中，經(jīng)常使用熱電阻溫度計(jì)和熱電偶溫度計(jì)來測(cè)量溫度。

熱電偶溫度計(jì)由感溫元件熱電偶、測(cè)量?jī)x表、連接熱電偶和測(cè)量?jī)x表的導(dǎo)線3 部分組成，其核心元件是熱電偶。 這類儀表一般適用于測(cè)量500℃以上的較高溫度，且價(jià)格較貴。 對(duì)于在500℃以下的中、低溫工況，不宜采用熱電偶溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

對(duì)于熱電阻溫度計(jì)而言，熱電阻是測(cè)溫元件，是最主要的部分，是金屬體。 目前，應(yīng)用最為廣泛的熱電阻材料是鉑和銅。 在氧化介質(zhì)中，甚至在高溫下，鉑電阻物理、化學(xué)性質(zhì)都非常的穩(wěn)定，一般作為標(biāo)準(zhǔn)儀表使用。 但在還原介質(zhì)中，特別是在高溫下，很容易被玷污，使鉑絲變脆，并改變其電阻與溫度間的關(guān)系。 因此，應(yīng)特別注意保護(hù)。 另外，與銅電阻相比，鉑電阻的價(jià)格較高。 所以，鉑電阻一般只用于測(cè)量500℃以上的溫度。 而銅電阻易加工提純、價(jià)格便宜、電阻溫度系數(shù)很大，且電阻與溫度呈線性關(guān)系。在測(cè)溫范圍-50～+150℃內(nèi)，銅電阻具有很好的穩(wěn)定性，但溫度超過150℃后，就容易被氧化，并且氧化后就失去了良好的線性特性。 所以，銅電阻一般用來測(cè)量準(zhǔn)確度要求不高、溫度范圍在-50～+150℃之內(nèi)的溫度。

在糖化罐的糖化過程中，糖化溫度應(yīng)按照工藝要求控制在60℃。 所以，本設(shè)計(jì)選用銅熱電阻溫度計(jì)作為測(cè)溫元件。

3 酶用量自動(dòng)控制方案

3.1 溫度的影響因素

在酒精液糖化工段中，酶用量影響因素也有很多。 酶的活性、酶流量大小的改變會(huì)導(dǎo)致酶單位時(shí)間用量的變化，從而會(huì)使單位質(zhì)量的物料所加酶的量偏離實(shí)際要求；外界溫度的影響，使酶的反應(yīng)溫度難達(dá)到最佳狀態(tài)，從而導(dǎo)致酶的實(shí)際用量與要求有差值。

3.2 操縱變量的選擇

通過上述分析，可以看出，影響酶用量的主要因素就是控制酶的流量。 如果酶多了，那么就將流量閥門開度減小，使酶的流量減小，從而使糖化罐中的酶減少；反之，則應(yīng)將流量閥門開度調(diào)大，使酶的流量增大，繼而使糖化罐中的酶量增多。 所以，根據(jù)1.2 中操縱變量的選擇原則，選擇酶的流量作為操縱變量。

3.3 控制規(guī)律的選取

在酶用量的控制系統(tǒng)之中，仍然采用單回路簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。 由于被控參數(shù)是酶的用量，所以根據(jù)2.3 中控制規(guī)律的選用原則，選用PI 控制規(guī)律。

3.4 測(cè)量元件的選取

此時(shí)的測(cè)量元件是測(cè)量流量的流量計(jì)。 在選用流量計(jì)時(shí)，首先要考慮流體的性質(zhì)和狀態(tài)，其次要考慮工藝允許的壓力損失、額定流量。 同時(shí)，還應(yīng)注意使用場(chǎng)合的特點(diǎn)、測(cè)量精度的要求，以及顯示的方式等等。

常見的流量計(jì)有壓差式流量計(jì)、 轉(zhuǎn)子流量計(jì)、電磁式流量計(jì)等。 壓差式流量計(jì)是基于節(jié)流原理來進(jìn)行流量測(cè)量的，可以測(cè)量除固體介質(zhì)以外的任何介質(zhì)的流量。 該流量計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化生產(chǎn)，但在使用時(shí)，壓力損失比較大。 轉(zhuǎn)子流量計(jì)是由一個(gè)錐形管和一個(gè)可以在錐形管中上下自由運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子兩部分組成的，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、價(jià)格便宜，壓力損失比壓差式流量計(jì)小。 但是，這種儀表的性能和準(zhǔn)確度不高，當(dāng)流量大小發(fā)生突變或者垂直度有偏差時(shí)，轉(zhuǎn)子容易產(chǎn)生摩擦，甚至被卡死，給測(cè)量帶來很大誤差。 因此，轉(zhuǎn)子流量計(jì)通常用來測(cè)量小流量酶。 電磁式流量計(jì)由變送器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，可以測(cè)量導(dǎo)電液體的流量，不受流體物性的影響，測(cè)量范圍也比較寬（可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同方向的流量，可測(cè)含雜質(zhì)液體，同時(shí)還可以測(cè)量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿以及鹽類等腐蝕性液體）。 在測(cè)量時(shí)，電磁式流量計(jì)受流動(dòng)狀態(tài)的影響小，測(cè)量中沒有壓降，不會(huì)對(duì)流動(dòng)造成損失。 但是，由于沒有考慮密度的變化，用起來相對(duì)比較復(fù)雜。 當(dāng)測(cè)量有雜質(zhì)的黏性流體時(shí)，黏性物容易附著在電極上，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。 因此，使用時(shí)必須注意清洗。 同時(shí)，測(cè)量時(shí)干擾信號(hào)比較多。 綜合以上各種因素，電磁式流量計(jì)通常用于其他流量計(jì)不能使用的場(chǎng)合。

經(jīng)分析，本設(shè)計(jì)選擇差壓式流量計(jì)，經(jīng)濟(jì)適用，雖然有一定的壓力損失，但是對(duì)工段的影響不大。

4 結(jié)語

酒精生產(chǎn)過程是一個(gè)包含多種變量的復(fù)雜系統(tǒng)，而且在酒精生產(chǎn)的各種影響因素中，有的是可控的，有的屬于不可控的。 因此，自動(dòng)控制人員和工藝人員必須密切配合，認(rèn)真地進(jìn)行分析研究，制訂出一個(gè)有效的、切實(shí)可行的控制方案。 同時(shí)，在線優(yōu)化是酒精生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)取得最佳經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵所在。 我國(guó)現(xiàn)有的酒精生產(chǎn)企業(yè)，應(yīng)從長(zhǎng)遠(yuǎn)的、戰(zhàn)略的眼光來看問題，將先進(jìn)過程控制與在線實(shí)時(shí)優(yōu)化應(yīng)用于酒精生產(chǎn)過程的自動(dòng)化改造之中，以提高我國(guó)酒精行業(yè)整體的自動(dòng)化控制水平，從而達(dá)到挖潛增效、節(jié)能降耗的目標(biāo)。

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