陈树人
彭建明
高春光
（浙江中控技术股份有限公司，杭州，310053）
1 引言
目前，国际蔗糖生产过程中除煮糖工序外的其它工序，如甘蔗压榨、蔗汁清净等都已经基本实现了自动化，而煮糖结晶过程的控制操作多数是凭经验操作，由经验丰富的操作工人根据个人操作技巧和煮糖经验来控制煮糖过程，技术只可意会不可言传。所以，操作技术因人而异，先进的操作经验和控制方法很难巩固推广，产品产量和质量也很不稳定。
出现这种情况的原因，一是由于蔗糖结晶机理的复杂性，煮糖过程的关键工艺参数无法在线测量；二是实际生产过程汇总受干扰因素较多，如糖浆的锤度、糖浆杂质、真空度以及温度的变化都会影响蔗糖结晶过程。下面，我们以浙江中控技术股份有限公司在广西某糖厂实施项目的成功经验为基础，介绍国产GCS-2控制系统在该类装置上的应用情况。
2 煮糖工艺特点
蔗糖的生产过程主要由甘蔗压榨、蔗汁清净、蒸发、煮炼等工序组成。其中煮糖工序的作用是使糖分从糖浆中结晶析出，目的其一是获得粒度均一的蔗糖晶体，其二是使糖浆中的糖分尽可能地充分析出。
糖浆结晶的生长条件，受多种因素的影响，归纳起来主要有以下4条：
（1）真空度
真空度越大，绝对压力就越小。糖膏沸腾时，起沸点温度与蒸发空间的压力成正比。较低的糖膏温度对缩短煮糖时间、节省煮糖用蒸汽、提高传热效能大有好处。稳定而较高的真空度对获得糖膏的良好对流、过饱和率的稳定。晶体的均匀与整齐等都有密切的关系。
（2） 糖液锤度
糖溶液的固容物百分比含量称为锤度，简写为BX。锤度的高低直接影响煮糖时间的长短。糖液中晶核的形成和成长速度主要取决于糖液的锤度。锤度作为结晶的品质指标有着重要的意义。
（3）温度
蔗糖的结晶速度与温度成正比，温度每提高10℃，则结晶速度增加约一倍。但温度过高，如超过80℃会增加糖液的色素及引起蔗糖转化。煮糖温度宜控制在60~65℃为宜。
（4）煮糖罐液位
煮糖罐中的液面高，静压力就大，糖膏向上流动的阻力大，对流就差。糖膏煮到高体积时都要提高气压，以增加温差帮助对流。
经过压榨、蒸发和其他化学处理的糖浆，就是在上述多种因素的相互影响下，以合理的参数，最终在结晶罐中完成液——固转换，使糖浆从处于过饱和度亚稳定区逐步结晶生成成品糖。
3控制系统结构设计
该项目控制对象为煮糖罐。根据控制要求，设计系统由一个控制站和一个工程师站/操作站组成。由于只有一个煮糖罐，测点较少，所有我们采用小机柜。控制站和操作站之间通过工业以太网通讯方式组成一个整体。控制系统配置图如图1所示。在硬件设计上，对煮糖罐中信号采集、操作执行所涉及的I/O卡、输出继电器、电源等进行了隔离，确保操作中各信号互不影响。
根据系统特点我们选用浙江中控技术股份有限公司WebField GCS-2多功能控制系统。GCS-2控制系统提供符合IEC61131-3标准的组态工具FBD、LD、SFC、ST等，使DCS和PLC的功能得到统一，而且系统兼顾模拟量和数字量控制，实现局部控制区域内信息共享。该系统配置灵活、维护简便、性能价格比高。控制器如图2所示：
GCS-2控制系统主要由控制站、操作站（工程师站）、通信网络构成。控制站由电源模块、CPU模块、I/O机架和各种I/O模块构成。CPU模块与I/O模块之间采用并行总线，具有快速逻辑控制功能以及强大的模拟量处理能力。一个CPU机架可以容纳一个CPU模块、一个电源模块，并提供8个I/O槽位。系统操作站分为就地操作屏和一般操作站两种。
GCS-2控制系统的软件是AdvanTrol-Pro软件包，基于Windows2000操作系统的自动控制应用软件平台，在SUPCON WebField系列集散控制系统中完成系统组态、数据服务和实时监控功能。可采用本地或远程I/O扩展机架，方便实现集中式和分布式控制结构；系统完全兼容ModBUS、TCP/IP协议，并支持自定义通讯协议以实现智能系统间的互联。
4 控制方案设计
入罐糖浆浓度的不稳定性，决定了控制偏差无法平稳。但由于系统基本参数的非突变特性，所以仍然是可控的；入罐糖浆浓度波动范围基本在10BX内，根据长期现场操作的经验数据，可把阀门开度的上下限定在一个范围，同时适当的调节蒸汽压力，把入料量和蒸发度结合起来保证锤度的按规律变化。
该方案除了煮糖，同时还兼顾煮种。在程序设置上，充分利用工序的相似性，只在有区别的长晶步骤分支出来，保证生产功能并优化了控制程序。
安全方面，糖种分割是与其它煮糖罐密切联系在一起的，所以在操作上增加几个确认按钮，避免出现串罐现象，更加人性化控制。
另外，考虑到入罐糖浆的不连续性，在没有糖浆的情况下需要煮水代替。程序上，设置进料分糖浆和水的两种选择，避免糖膏煮硬并保证锤度的稳定。
整个煮糖和煮种工艺采用顺序控制，提高了工程组态效率，简化了操作步骤，从开始到结束一气呵成。现场操作流程图和控制分组画面分别如图3、图4所示：
4.1 控制参数设置
参数取值遵循以下原则：参数设定符合工艺要求，如真空度、料位和锤度系数符合各阶段的工艺关系；数据处理的准确性，减小对系统滞后的影响；检测量的连续性，避免出现大幅波动造成调节震荡。具体参数设置如图5所示：
4.2 控制曲线法
煮糖过程工艺复杂，对不同阶段的温度、真空度、搅拌、料位和糖浆浓度有不同的要求。
温度，整个结晶过程中维持在一个狭小的范围内。真空度类似地，从起始抽真空开始直到分割前，均保持在一定的值。搅拌，先低速运行3分钟接着转高速，然后在结晶过程中一直保持匀速运转。料位，作为产量因数，在浓缩前呈上升状态，浓缩后微量的下降。罐内糖浆浓度，变化曲线复杂，常态下从入种到整理先升后降，保持一段时间后在长晶段缓慢的稳步上升，最后在浓缩段快速上升直到达到卸糖浓度。真空度、温度、料位和糖浆浓度，自始至终都是相互联系、相互影响，在整个煮炼过程中，得到稳定控制，维持水份蒸发与蔗糖沉积两个速度的平衡。
4.3 专家预测控制法
我们所用的专家预测控制是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的煮糖领域专家水平的知识与经验，能够利用这些知识进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，进行正确地控制。长晶步骤是糖罐结晶中关键的一步，在这里要形成尺寸大小基本一致、形状规则的晶体，这只能在过饱和度的亚稳定区才能形成。因此。为了保证过饱和度的稳定条件，长晶阶段要求有效地调整它的输入量。结合糖厂丰富的现场专家经验，我们采用控制型方式，设计了罐内糖浆浓度、蒸汽压力、料位、汽阀和料阀相关联的专家预测控制程序，很好地控制了糖浆的输入率和加热蒸汽的流率，保证了输入糖浆和蒸发水之间的平衡。这样，通过调节加料和蒸汽量可方便控制所需的过饱和度，方便地进行起晶、养晶操作。
5 结束语
本文总结了广西某糖厂糖罐结晶过程的控制系统成功经验，重点阐述了煮糖工艺特点、针对这些特点的控制系统结构设计方法，以及具体的控制方案设计方法。系统投运以来，从整体效果看，大大减轻了工人的劳动强度，节约了能耗，缩短了煮糖时间35%~45%，煮出的糖膏质量好，晶粒均匀。现场运行结果表明国产GCS-2控制系统完全能满足目前国内结晶罐装置的安全与控制要求，形成的方案易于推广应用，对于国内同类企业实现煮糖自动化、提高产品产量和质量、减轻工人的劳动强度、提高生产效率和经济效益具有普遍的参考意义。
