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

梁賢慧，莫柳珍，駱榮貞

（1.廣西工程咨詢集團有限公司，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)集團開泰供應(yīng)鏈管理有限公司，廣西 南寧530022）

1 糖廠實施自動化的意義

“十四五”時期將是我國經(jīng)濟由高速增長向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型的攻堅期，糖業(yè)結(jié)合自身行業(yè)特點，將生產(chǎn)自動化進行升級改造，確保糖廠能夠高質(zhì)量的發(fā)展。目前國內(nèi)制糖業(yè)普遍存在勞動力密集、智能化程度低的狀態(tài)，多數(shù)糖廠的生產(chǎn)過程還處于半自動化狀態(tài)，甚至還存在憑工人經(jīng)驗進行手動操作的情況。

過去，中國勞動力市場價格相對低廉，大部分糖廠的自動化需求并不迫切，但近二十年來，蔗糖的市場價格僅增長2~3倍，而企業(yè)人力成本卻增長了二十多倍，再加上甘蔗種植、砍運人工成本上升導(dǎo)致的原料甘蔗價格增長等因素，企業(yè)生產(chǎn)成本居高不下，導(dǎo)致近年我國制糖業(yè)在國際市場上失去競爭力，制糖企業(yè)大面積虧損。以10000t/d規(guī)模的制糖廠為例，我國傳統(tǒng)糖廠至少需配置400名崗位工人，而在實現(xiàn)自動化生產(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元。糖廠自動化除了能明顯減少人工成本，還可減少人為因素對生產(chǎn)的影響，在提高生產(chǎn)安全率及產(chǎn)糖率、減少過程損失、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，隨著廣西一些大型糖廠相繼進行自動化改造，投資少，見效快，在制糖行業(yè)中起到了示范作用。通過自動化控制實現(xiàn)“安全、均衡、穩(wěn)定、高效”生產(chǎn)，可創(chuàng)造綜合經(jīng)濟效益，壓榨機自動控制系統(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)運行，而且該工段現(xiàn)場環(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，壓榨工段實施全面自動化是至關(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）的簡稱，DCS綜合了計算機、通訊、顯示和控制等4C技術(shù)，靈活對生產(chǎn)過程進行集中監(jiān)視、集中操作、分級管理、分散控制，DCS系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)過程中具有廣泛應(yīng)用。

2.1 壓榨工段DCS系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀

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

一是均衡進榨自控系統(tǒng)：輸送帶自動控制、核子秤計量系統(tǒng)。

二是壓榨機組自動控制：壓榨機組轉(zhuǎn)速控制、壓榨機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)。

五是壓榨車間機械及流程連鎖控制等［1］。

通過對各子系統(tǒng)的有效整合，實現(xiàn)整個壓榨過程DCS控制，實現(xiàn)均衡入榨、復(fù)式滲透過程的自動控制，機械連鎖自動控制、軸承溫度自動檢測等過程管理。

2.1.1 均衡進榨自控系統(tǒng)

均衡進榨自控系統(tǒng)是通過檢測1#壓榨機和1#~3#撕解機的電流情況，通過核子秤計量系統(tǒng)檢測蔗層厚度，自動控制輸送帶速度，穩(wěn)定控制進入壓榨機的蔗料流量，使壓榨機受力均勻，確保提供給制煉年間的混合汁流量均勻。

2.1.2 壓榨機組自動控制

DCS系統(tǒng)通過對電信號進行數(shù)字化處理，調(diào)整各座壓榨機的轉(zhuǎn)速、高位槽擋板開度，自動控制料位高低和壓榨機轉(zhuǎn)速，避免蔗料堵槽故障，保證固定的料位高度和通過壓榨機的蔗層厚度，使壓榨、滲透過程均勻，達到負荷平穩(wěn)、提高抽出率和減少蔗渣水分含量的目的。

壓榨機軸承溫度自動控制系統(tǒng)則是通過在榨輥兩端軸承安裝溫度探測儀，在線監(jiān)測軸承的溫度變化情況，系統(tǒng)自動控制軸輥潤滑系統(tǒng)自動加油潤滑，減少設(shè)備的磨損，及時解決突發(fā)軸輥發(fā)熱問題，保護設(shè)備的安全穩(wěn)定運行［2］。

2.1.3 滲透水自控系統(tǒng)

國內(nèi)一般采用第1座壓榨機轉(zhuǎn)速的設(shè)點所對應(yīng)的榨量來同步設(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)核子秤檢測到的甘蔗入榨量及生產(chǎn)需要的滲透水與蔗比配值，通過實時監(jiān)控滲透水箱液位、溫度以及滲透水流量來控制滲透水的加入。

2.1.4 泵送自控系統(tǒng)

泵送自控系統(tǒng)通過液位變送器連續(xù)監(jiān)測出各座集汁箱的液位，利用變頻技術(shù)，自動調(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 壓榨車間機械及流程連鎖控制

整個壓榨車間各級輸蔗帶、理平機、蔗刀機（撕裂機）、打散機、耙齒機、壓榨機列和蔗渣輸送機設(shè)置聯(lián)鎖關(guān)停和過載保護。當(dāng)生產(chǎn)過程中某臺相關(guān)的電機設(shè)備如壓榨機、中輸機等發(fā)生故障停機時，與其聯(lián)動的設(shè)備立即自動停機進行聯(lián)鎖保護，防止蔗料堵塞和保護設(shè)備。若設(shè)備發(fā)生電流過載，過載保護系統(tǒng)將自動優(yōu)先控制相關(guān)聯(lián)的設(shè)備自動動作，自動調(diào)整電機電流或轉(zhuǎn)速，從而起到快速保護作用［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 糖廠壓榨全過程DCS自動控制系統(tǒng)技術(shù)改造

南寧糖業(yè)股份有限公司明陽糖廠于2018/2019年榨季實施了“糖廠壓榨全過程DCS自動控制系統(tǒng)技術(shù)改造”項目，由原壓榨車間所有設(shè)備需要人工監(jiān)控操作，處于單機、單工序控制的初級階段改造成均衡進榨控制系統(tǒng)，使壓榨工段基本實現(xiàn)全過程DCS自動控制。運行效果表明：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。

第一，蔗帶核子秤計量誤差≤±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)運行安全率≥99.99%［4］。

2.2.2 壓榨雙線使用DCS自動控制系統(tǒng)

廣西糖業(yè)集團昌菱制糖有限公司自2011/2012年榨季開始壓榨雙線使用DCS自動控制系統(tǒng)，近幾年來該系統(tǒng)運行穩(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)濟效益［2］。

2.2.3 均衡進料、高位槽和滲透水的自動控制系統(tǒng)

廣西博慶食品有限公司石別糖廠和廣西糖業(yè)集團金光制糖有限公司于2014/2015年榨季使用均衡進料、高位槽和滲透水的自動控制系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)實現(xiàn)了壓榨過程高位槽控制的自動化，確保了蔗料通過壓榨機順暢，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，同時有效減少了現(xiàn)場操作工人的數(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自動控制圖

3 甘蔗糖廠自動化發(fā)展趨勢

站在新的歷史起點，從謀劃中國糖業(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)，實現(xiàn)了該車間的自動控制，但使用過程中仍然存在一些問題。例如：只注重進出料之間的銜接而忽視壓榨機本身的優(yōu)化，并沒有從根本上解決壓榨機受力問題，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)沒能取得應(yīng)有的效果，阻礙了糖廠自動化發(fā)展進程。

因此壓榨車間的自動控制系統(tǒng)仍需進一步研究和完善，使其更符合制糖工藝的特點，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，自動化投入有限，僅能針對單個設(shè)備或局部工序進行自動化改造，多套自動控制系統(tǒng)分布在不同的工段，各個自動化設(shè)備之間不能實現(xiàn)有效連接，無法通信，出現(xiàn)了信息孤島，限制了自動控制水平的發(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，這些推動著自動化技術(shù)的變革。糖廠想要實現(xiàn)全面自動化，應(yīng)該建立一個更加智能化的AI DCS系統(tǒng)。通過運用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)備的智控過程聯(lián)動?，F(xiàn)在的自動化體系結(jié)構(gòu)包含了底層的設(shè)備自動化到頂層的信息管理自動化，結(jié)合成綜合自動化系統(tǒng)。未來的自動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，最終形成一個最為經(jīng)濟、高效的生產(chǎn)模式。這也是制糖工業(yè)自動化未來發(fā)展的趨勢。