優(yōu)化煮糖罐結(jié)構(gòu)和控制程序全面實現(xiàn)全自動煮糖

程玉娥，吳麗金，蔡惠勇

(中糧(唐山)糖業(yè)有限公司，河北唐山063210)

0 引言

中糧(唐山)糖業(yè)有限公司是中糧糖業(yè)在河北唐山曹妃甸新建加工100萬t/年精煉糖企業(yè)，2015年正式投產(chǎn)，現(xiàn)日處理原糖量1500 t，年產(chǎn)白砂糖30萬t左右，產(chǎn)品一級品率100%。我們通過對制糖行業(yè)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，美國、德國、澳大利亞、日本、韓國等發(fā)達國家的糖廠基本上實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)，生產(chǎn)的效率、能耗及產(chǎn)品質(zhì)量都遠遠優(yōu)于我國，可見實現(xiàn)制糖工業(yè)的自動化控制越發(fā)顯得重要。因此，公司在建廠初期便選用了西門子冗余控制器410-5H配合西門子DCS軟件、PCS7自動化集中控制系統(tǒng)。

在制糖工業(yè)生產(chǎn)中，煮糖工序是關鍵而重要的環(huán)節(jié)。經(jīng)過澄清、蒸發(fā)處理的糖漿，最終在煮糖罐內(nèi)結(jié)晶成糖，這一道工序的控制好壞直接影響著蔗糖的產(chǎn)量和質(zhì)量，從而決定著糖廠的經(jīng)濟效益。煮糖工段由于蔗糖結(jié)晶機理復雜、關鍵工藝參數(shù)無法在線測量、生產(chǎn)過程中受到的干擾因素較多等原因，國內(nèi)很多糖廠還主要是依靠人工煮糖或是半自動化，自動化水平遠遠低于發(fā)達國家，自動控制方案目前還大多處于探索階段。根據(jù)煮糖結(jié)晶工藝，經(jīng)過多方對比，公司選用了西門子 NAHMAT全自動煮糖控制系統(tǒng)，并通過結(jié)合生產(chǎn)實踐對此自控程序和相關設備進行優(yōu)化改造，用以實現(xiàn)煮糖結(jié)晶過程的全自動控制和信息化管理，從而全面實現(xiàn)全自動煮糖。

1 煮糖工藝簡介及煮糖罐結(jié)構(gòu)

1.1 煮糖工藝簡介

圖1 煮糖罐外觀

圖2 煮糖罐內(nèi)部

煮糖實際上就是把糖漿(或糖蜜)濃縮到一定飽和度，析出符合要求的蔗糖晶體和將晶體養(yǎng)大的過程，結(jié)晶過程中，蔗糖晶體的生長依靠母液的過飽和度作為推動力。煮好一罐糖的關鍵就是在煮煉糖膏的過程中控制好母液的過飽和度，使之與糖分沉積的速度相平衡，而這種平衡受到多種因素的影響，例如，物料純度、濃度、溫度、蒸汽壓力、糖膏對流強度以及煮糖罐真空度等，各因素之間環(huán)環(huán)相扣、息息相關，彼此影響，任何一個因素控制不好，都會影響到其他因素，甚至造成聯(lián)鎖反應，使這種平衡遭到破壞。如果處理不好，會對整罐糖膏的質(zhì)量及糖分的回收造成致命的影響，且增加水、電、汽的消耗。由此可見，煮糖工序的主要任務就是以最短的時間、最簡單的流程、最大限度地把糖漿中的糖分煮煉成合格的產(chǎn)品糖，以達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的目的。

1.2 煮糖罐結(jié)構(gòu)

以A糖膏結(jié)晶罐為例，A糖煮糖罐設計公稱容積75 m3，為平鼓式結(jié)構(gòu)、錐形底、帶有機械強制攪拌對流裝置，如下圖1(外觀)，圖2(內(nèi)部)：

2 自控煮糖系統(tǒng)及煮糖罐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

公司選用的西門子 NAHMAT全自動煮糖控制系統(tǒng)以及配備的煮糖設備雖然算是目前國內(nèi)比較先進的，但是，自2015年12月底投產(chǎn)試運行，經(jīng)過一段時間生產(chǎn)實踐，發(fā)現(xiàn)原設計自動煮糖程序、煮糖罐的結(jié)構(gòu)以及測量儀器還存在一些不足之處。因此，結(jié)合生產(chǎn)實際，我們對此套自控煮糖系統(tǒng)及煮糖罐結(jié)構(gòu)陸續(xù)進行了優(yōu)化改造。

2.1 優(yōu)化改造之前存在的問題

第一，煮糖罐內(nèi)攪拌器安裝高度偏高，糖膏對流不理想，影響糖膏的煮制以及錘度計檢測數(shù)據(jù)的準確性。

第二，錘度計安裝位置不合理，該位置糖膏局部對流不良，導致錘度計檢測值滯后或波動較大，自動煮糖程序難于正常運行。

第三，煮糖罐內(nèi)洗罐環(huán)管安裝位置太高，且只有一套環(huán)管，洗罐效果差，罐內(nèi)殘留的砂糖晶粒較多，帶入下一罐糖膏中，這些殘留的砂糖晶粒經(jīng)再次煮制后顆粒比較大且顯黃色，造成產(chǎn)品中黃糖粒較多，影響到產(chǎn)品質(zhì)量。如果是放糖后再進糖漿煮雙A種，需由自動轉(zhuǎn)換為手動，進熱水開稀溶掉殘留的砂糖，這樣會延長罐時并增加耗水耗汽量。

第四，自動煮糖程序需要完善，原A糖自動煮制程序設計為罐罐單A糖膏煮制，而實際生產(chǎn)中大多是先煮制雙A種，然后通過分割操作到單A煮制，但程序中沒有這個模塊。

2.2 技術改造方案及實施

2.2.1 改善煮糖罐內(nèi)糖膏對流狀態(tài)

煮糖罐攪拌器安裝位置改造，將原來的攪拌軸加長400 mm，使攪拌葉降低400 mm高度，攪拌葉底部至下管板位置。這樣改善了糖膏的對流狀態(tài)，避免糖膏對流不良沉積形成死角。安裝位置的改變前后如圖3所示：

圖3 攪拌器位置改造

2.2.2 保障煮糖罐內(nèi)錘度精準反饋

煮糖罐內(nèi)錘度的真實準確反饋是實現(xiàn)全自動煮糖的數(shù)據(jù)基礎，對錘度計安裝位置改造，原來錘度計安裝的位置為糖膏對流的死角，糖膏對流狀態(tài)差，錘度計檢測值滯后或波動較大，無法準確檢測罐內(nèi)糖膏的錘度，成為自動煮糖程序正常運行的最大障礙。改造后錘度計安裝位置移至采樣器下面，此處有一個上下貫通汽鼓的糖膏對流通道，糖膏對流狀態(tài)良好，錘度計能比較準確地檢測出罐內(nèi)糖膏真實錘度。錘度計改造前后的安裝位置如圖4所示：

圖4 錘度計位置改造

2.2.3 提高煮糖罐清洗效果

煮糖罐罐內(nèi)洗罐環(huán)管改造，原設計煮糖罐罐內(nèi)只有一套洗罐環(huán)管，而且安裝位置太高，離上管板高度5100 mm，洗罐效果差，罐內(nèi)殘留的糖膏比較多。改造的情況是：在原洗罐環(huán)管位置降低2000 mm處再增加一套洗罐環(huán)管；同時在煮糖罐底部的進料環(huán)管上加裝一條 DN50的進汽管，并將安裝的氣動閥的控制編入自動煮糖程序中，這樣可利用罐內(nèi)均勻分布的進料分配管對罐內(nèi)底部進行打汽(每根分配管上均勻分布著許多小孔)。在A糖膏放糖后程序自動打開兩套洗罐環(huán)管的蒸汽閥，以及進料環(huán)管上的蒸汽閥，三管齊下對煮糖罐打汽洗罐，能夠在較短時間內(nèi)將罐內(nèi)殘留的糖膏洗干凈。改造情況如圖5所示：

圖5 洗罐環(huán)管改造

2.2.4 A糖自動煮糖系統(tǒng)的完善

2.2.4.1 完善后的軟件設計流程

在原西門子 NAHMAT自動煮糖程序中編入煮種養(yǎng)雙A再分割兩罐單A煮制糖膏的操作程序。這種全自動分割方法，通過DCS操作界面一鍵控制多個閥門的聯(lián)鎖操作，大大降低分割的操作強度，實現(xiàn)雙A到單A的自動切換，這點對比于國內(nèi)其他糖廠是相對領先的。完善后的A糖自動煮糖系統(tǒng)的工藝控制流程見圖6：

2.2.4.2 具體操作控制實施過程

自動煮糖系統(tǒng)的基本原理是總結(jié)蔗糖的結(jié)晶過程原理、建立數(shù)學模型，根據(jù)經(jīng)驗預先設置好煮糖相關參數(shù)的工藝曲線，根據(jù)各相關參數(shù)采集點反饋回來的信息按設定曲線自動調(diào)節(jié)相關物料，自動控制強制循環(huán)裝置、液位、真空度、蒸汽壓力和糖膏錘度等。

具體實施就是，首先由煮糖操作工先進行一段時間手動操作，工藝工程師確定所需的關鍵參數(shù)，再由自控工程師結(jié)合參數(shù)編輯煮糖工序各個階段的控制程序，涉及到的主要參數(shù)為：液位，錘度，蒸汽壓力，真空度，溫度，閥門開度以及攪拌器電機電流等。同時根據(jù)實際操作情況，在DCS系統(tǒng)上編輯簡單明了、易于操作的程序控制點，需要輸入常調(diào)整的參數(shù)及手動點鼠標確認。具體操作步驟如下：

(1)自動煮糖控制界面(圖7)，分為煮種、煮糖、投粉3種模式。選擇畫面上的煮種按鈕，等待煮種按鈕變綠。

(2)查看參數(shù)設置界面(圖 8)，確認本次煮種、煮糖、投粉的參數(shù)是否正確，比如裝罐液位，抽種(或投粉)點錘度，養(yǎng)晶液位和錘度，放罐錘度，攪拌器電流，洗罐溫度等。

(3)選擇自動按鈕，打開圖9對話框，選擇投粉或抽種按鈕，然后點擊啟動即可。

圖6 自動煮糖系統(tǒng)工藝控制流程圖

圖7 自動煮糖控制界面

圖8 自動煮糖參數(shù)設置界面

圖9 投粉（接種）操作界面

(4)當錘度達到抽種(或投粉)錘度，則會提示是否抽種(或投粉)，如果確認則會自動打開抽種(投粉)閥，如果不確認則煮水保持錘度。抽種開始后達到設定抽種液位，或者操作工點擊確認按鈕，則結(jié)束抽種。

(5)自動煮種養(yǎng)晶階段，如果需要手動介入洗砂，則將相關閥門打成手動進行操作，操作完畢請務必切回自動。當液位達到 100%則會自動保持錘度，等待分割。

(6)若煮種為雙A，煮種結(jié)束后則進行分割操作。點擊煮糖總界面上的選擇按鈕，從雙A罐中下拉選擇母罐，單A罐選擇子罐，選擇完畢后，啟動分割按鈕將亮起，此時可點擊啟動分割，則自動開啟、關閉2個煮糖罐的相關聯(lián)鎖閥門，進行全自動分割操作，中間無需人工介入。如果緊急情況需要取消分割，則點擊取消分割按鈕(圖10)。

(7)一罐煮種雙A分割為兩罐單A后，兩罐單A則進入自動煮糖養(yǎng)晶階段，選擇DCS控制板面上的養(yǎng)晶按鈕(圖 11)，然后點擊自動按鈕，則進入全自動養(yǎng)晶階段。如果先前煮種為單A，則無分割步驟，煮種養(yǎng)晶結(jié)束后直接進入自動放糖、洗罐程序。

圖10 雙A分割操作界面

圖11 養(yǎng)晶操作界面

(8)當煮糖養(yǎng)晶結(jié)束，收濃階段會出現(xiàn)確認放罐按鈕，若操作工確認助晶箱能夠允許放糖，則點擊確認按鈕。系統(tǒng)會自動收濃到參數(shù)設定的放罐錘度(或電機電流)進行放糖，然后自動洗罐，洗罐結(jié)束系統(tǒng)會自動關閉所有閥門，直到操作工再次點擊啟動按鈕。

3 A糖自控煮糖系統(tǒng)優(yōu)化改進后的效果

3.1 系統(tǒng)性能提高

通過對攪拌葉安裝位置的改進，改善了糖膏的對流狀態(tài)，加速了糖膏的對流；通過對錘度計安裝位置的改進(改裝在糖膏對流狀態(tài)良好的位置)，避開對流的死角，改變了原來錘度計檢測值滯后或波動較大的狀態(tài)，使重新安裝的錘度計能夠準確地檢測出罐內(nèi)糖膏的錘度，達到了工藝要求；通過對煮糖罐清洗系統(tǒng)的改造，能夠在較短時間內(nèi)將罐內(nèi)殘留的糖膏洗干凈，避免成品黃粒產(chǎn)生，提升產(chǎn)量質(zhì)量；通過對自動煮糖軟件設計增加雙A煮制分割等模塊，取得顯著的效果，既實現(xiàn)嚴格的煮糖過飽和曲線控制結(jié)晶，又可以柔性化地按需設定修改參數(shù)，完善優(yōu)化了自動煮糖工藝控制，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。圖12為自動煮糖的控制曲線：藍色曲線為罐內(nèi)物料錘度，綠色曲線為罐內(nèi)物料液位，紅色曲線為進罐蒸汽壓力，黑色曲線為罐內(nèi)真空度，褐色曲線為攪拌器電流，紫色曲線為罐內(nèi)溫度。

圖12 自動煮糖控制曲線圖

3.2 經(jīng)濟效益提升

一是，自控程序的完善使用使得糖膏煮制的各個階段銜接更加緊湊，優(yōu)化起晶工藝控制減少偽晶出現(xiàn)，減少了洗砂操作，節(jié)省了整晶的時間。另外，煮糖罐罐內(nèi)洗罐環(huán)管的改造，使得洗罐更加徹底，在煮制雙A種時不需要由自動狀態(tài)轉(zhuǎn)換為手動來進熱水開稀溶掉殘留的砂糖晶粒，從而縮短了煮糖罐時，使生產(chǎn)產(chǎn)能提高，大大降低了生產(chǎn)消耗。表 1為選取其他條件基本等同情況下，A糖自動煮糖系統(tǒng)優(yōu)化改造前后的煮糖水耗、罐時及產(chǎn)品產(chǎn)量情況比較。

二是，由于自控煮糖系統(tǒng)智能化、自動化水平提高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，極大地減輕了人工強度，降低了人工成本，從而提高了企業(yè)生產(chǎn)管理能力，增加了企業(yè)的經(jīng)濟收益。

3.3 產(chǎn)品質(zhì)量提高

一是，通過增加一套洗罐環(huán)管打汽洗罐，以及增加從罐底均勻分布的進料管進行打汽洗罐，洗罐溫度可達到 110℃，可以洗凈罐內(nèi)殘留的糖膏。避免了因殘留的砂糖晶粒經(jīng)再次煮制后生成大顆粒黃色糖，而造成產(chǎn)品中黃糖粒多，從而提高了產(chǎn)品的感官質(zhì)量。

二是，自動煮糖程序的完善使用，優(yōu)化了起晶過程，減少了偽晶出現(xiàn)的幾率，提高了產(chǎn)品的晶粒均勻度，同時，由于晶粒整齊，分蜜機糖膏分離更容易控制，可不同程度降低產(chǎn)品的色值，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

表2為選取其他條件基本等同情況下，A糖自控煮糖系統(tǒng)優(yōu)化改進前后的產(chǎn)品粒度、黃粒及色值 情況比較。

表2 優(yōu)化前后產(chǎn)品粒度、黃粒、色值對比

4 B、C、D糖膏煮制的自動控制

與A糖煮糖罐一樣，對B、C、D糖煮糖罐的對流、錘度監(jiān)測、清洗系統(tǒng)等設備進行改造，對煮糖DCS自動控制系統(tǒng)的優(yōu)化，分別采用接種、投粉等控制方式的選擇，從而實現(xiàn)了全自動煮糖控制和信息化管理。

5 小結(jié)

本文以A糖膏的煮制為例，通過對自動煮糖系統(tǒng)及煮糖罐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改造應用后，系統(tǒng)控制穩(wěn)定，實現(xiàn)了煮糖結(jié)晶過程的全自動控制和信息化管理，同等條件下縮短了煮糖時間，減少了人工，提高了企業(yè)的競爭力；達到了節(jié)能降耗，提高產(chǎn)量，穩(wěn)定質(zhì)量的目的；減輕了煮糖操作的勞動強度，實現(xiàn)了節(jié)能減排增效的目標，取得較好的社會效益，得到糖業(yè)界的廣泛認可。