自動煮糖技術(shù)在糖廠的應(yīng)用及展望

梁賢慧，駱榮貞

（1.廣西工程咨詢集團有限公司，廣西 南寧530021；2.廣西糖業(yè)集團開泰供應(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，自動化技術(shù)可以于制糖中被廣泛使用，因為它能夠?qū)ιa(chǎn)情況進行反映、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)基本實現(xiàn)了自動化，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)實踐過程中物料、汽壓、真空度等的變化，隨時調(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)先進的“二步法”糖廠中，原糖和精制糖的煮糖工段已完全實現(xiàn)了自動化，值得“一步法”糖廠借鑒學(xué)習(xí)。

1 “二步法”自動煮糖技術(shù)現(xiàn)狀

自動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階段的操作進行標(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閥門進行相應(yīng)動作，在整個煮糖過程幾乎不再需要人工干預(yù)，從而實現(xiàn)自動化操作。

煮糖結(jié)晶是通過控制糖液的過飽和度來進行的，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，因此煮糖的自動控制常通過測定和控制糖液錘度來進行。在人工煮糖中，通常是采用“逐步濃上”的煮糖操作方法，在自動煮糖中仍然是采用這個方法。我們把投粉點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錘度值隨料位高度變化的曲線函數(shù)。通過與實時錘度檢測信號、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行模擬運算，得到控制信號，用于控制入料閥的開度，實現(xiàn)煮糖連續(xù)煮上。

在整個煮糖過程的自動控制中，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口的微波錘度計，微波錘度計的原理是利用微波高頻信號在溶液中傳輸時被水分子吸收，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，可通過運算得到溶液濃度。微波錘度計測量精度高達0.2%，且可靠性高，具有良好的在線測量性能。因此在糖廠的自動化控制中應(yīng)用廣泛。

在國內(nèi)外先進的“二步法”制糖中，精糖生產(chǎn)通常采用間歇自動煮糖技術(shù)，原糖生產(chǎn)大多采用連續(xù)自動煮糖技術(shù)?！岸椒ā敝铺侨詣又筇羌夹g(shù)在歐洲、日本、泰國等制糖發(fā)達的國家應(yīng)用較為普遍，且技術(shù)成熟，穩(wěn)定性好。

1.1 間歇自動煮糖技術(shù)

在先進的精糖廠中，精糖煮煉采用全自動煮糖系統(tǒng)，通常選用間歇煮糖罐實現(xiàn)自動化，自動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)真空度到達設(shè)定數(shù)值時，則進行下一步驟。

第二，進底料。自動打開進料閥抽入底料，進底料的量按初始設(shè)置參數(shù)決定，達到設(shè)置參數(shù)后關(guān)閉進料閥。

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

第四，抽種。底料濃縮達到指定濃度后，關(guān)閉進汽閥，自動打開抽種閥接種，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)定的時間進行養(yǎng)晶，養(yǎng)晶時間一般設(shè)置為幾分鐘。

第六，煮上。自動打開進汽閥和進料閥，開始連續(xù)入料煮上，煮上的速度由進汽壓力決定，進汽壓力大，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，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。此時煮糖罐料位已達到設(shè)定高度，關(guān)閉入料閥，關(guān)小進汽閥，進入深度濃縮階段，糖膏慢慢濃縮到終點濃度即90~91°Bx。

第八，放糖。此時關(guān)閉進汽閥，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。

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)計容量通常被分成10~16個隔室，每個隔室中均設(shè)置有錘度探測儀，可以顯示各個隔室的糖膏實時錘度。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。通過各隔室的實時錘度和控制錘度的比較和運算，得到控制信號控制各隔室的入料閥，實現(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，一般是從助晶機側(cè)面下部插入助晶機，依靠助晶機內(nèi)糖膏的密封作用，可以防止真空泄漏，從而實現(xiàn)連續(xù)放糖。該助晶機也稱糖膏接收箱，糖膏從上部排出進入另一個助晶機，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了自動煮糖技術(shù)，國內(nèi)廠家在此基礎(chǔ)上對該技術(shù)進行吸收改造，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)濟不景氣，糖廠技術(shù)改造的動力不足，因此目前甲糖膏基本上仍處于半自動甚至純?nèi)斯ぶ鬅挼碾A段，尚未實現(xiàn)全自動化。不過近些年來也有一些研究進展，例如由中國輕工業(yè)南寧設(shè)計工程有限公司研制的自動煮糖系統(tǒng)，2017/2018年榨季在廣西糖業(yè)集團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)省了時間，從而也減少了能耗［2］。由杭州優(yōu)穩(wěn)自動化系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的國內(nèi)首套DCS自動化煮糖系統(tǒng)，2018/2019年榨季在南寧糖業(yè)明陽糖廠初步試驗成功，結(jié)果表明，糖廠通過自動化改造，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，自動煮糖系統(tǒng)在甜菜生產(chǎn)白糖中也運用較為成功，博天糖業(yè)有限公司張北分公司利用杭州和利時自動化有限公司生產(chǎn)的MACS-S DCS控制系統(tǒng)，使煮糖過程實現(xiàn)了自動化，制糖各項指標(biāo)也較人工煮糖得到提升［4］。

3 展望

目前“二步法”煮糖已基本實現(xiàn)全自動化，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”自動煮糖中運用較為普遍，但由于國內(nèi)外制糖關(guān)鍵工藝參數(shù)的差異，引進的國外自動煮糖技術(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)進一步優(yōu)化煮糖罐結(jié)構(gòu)和控制程序，實現(xiàn)了煮糖結(jié)晶過程的全自動控制和信息化管理，達到了節(jié)能減排增效的目的［5］。

而要實現(xiàn)“一步法”煮煉甲糖膏全自動化，仍需進一步通過實驗與開發(fā)作為重點環(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，最終形成一個最為經(jīng)濟、高效的生產(chǎn)模式。

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