1 引言
目前，國際蔗糖生產(chǎn)過程中除煮糖工序外的其它工序，如甘蔗壓榨、蔗汁清凈等都已經(jīng)基本實現(xiàn)了自動化，而煮糖結(jié)晶過程的控制操作多數(shù)是憑經(jīng)驗操作，由經(jīng)驗豐富的操作工人根據(jù)個人操作技巧和煮糖經(jīng)驗來控制煮糖過程，技術(shù)只可意會不可言傳。所以，操作技術(shù)因人而異，先進(jìn)的操作經(jīng)驗和控制方法很難鞏固推廣，產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量也很不穩(wěn)定。
出現(xiàn)這種情況的原因，一是由于蔗糖結(jié)晶機理的復(fù)雜性，煮糖過程的關(guān)鍵工藝參數(shù)無法在線測量；二是實際生產(chǎn)過程匯總受干擾因素較多，如糖漿的錘度、糖漿雜質(zhì)、真空度以及溫度的變化都會影響蔗糖結(jié)晶過程。下面，我們以浙江中控技術(shù)股份有限公司在廣西某糖廠實施項目的成功經(jīng)驗為基礎(chǔ)，介紹國產(chǎn)GCS-2控制系統(tǒng)在該類裝置上的應(yīng)用情況。
2 煮糖工藝特點
蔗糖的生產(chǎn)過程主要由甘蔗壓榨、蔗汁清凈、蒸發(fā)、煮煉等工序組成。其中煮糖工序的作用是使糖分從糖漿中結(jié)晶析出，目的其一是獲得粒度均一的蔗糖晶體，其二是使糖漿中的糖分盡可能地充分析出。
糖漿結(jié)晶的生長條件，受多種因素的影響，歸納起來主要有以下4條：
（1）真空度
真空度越大，絕對壓力就越小。
糖膏沸騰時，起沸點溫度與蒸發(fā)空間的壓力成正比。較低的糖膏溫度對縮短煮糖時間、節(jié)省煮糖用蒸汽、提高傳熱效能大有好處。穩(wěn)定而較高的真空度對獲得糖膏的良好對流、過飽和率的穩(wěn)定。晶體的均勻與整齊等都有密切的關(guān)系。
（2） 糖液錘度
糖溶液的固容物百分比含量稱為錘度，簡寫為BX。錘度的高低直接影響煮糖時間的長短。糖液中晶核的形成和成長速度主要取決于糖液的錘度。錘度作為結(jié)晶的品質(zhì)指標(biāo)有著重要的意義。
（3）溫度
蔗糖的結(jié)晶速度與溫度成正比，溫度每提高10℃，則結(jié)晶速度增加約一倍。但溫度過高，如超過80℃會增加糖液的色素及引起蔗糖轉(zhuǎn)化。煮糖溫度宜控制在60~65℃為宜。
（4）煮糖罐液位
煮糖罐中的液面高，靜壓力就大，糖膏向上流動的阻力大，對流就差。糖膏煮到高體積時都要提高氣壓，以增加溫差幫助對流。
經(jīng)過壓榨、蒸發(fā)和其他化學(xué)處理的糖漿，就是在上述多種因素的相互影響下，以合理的參數(shù)，最終在結(jié)晶罐中完成液——固轉(zhuǎn)換，使糖漿從處于過飽和度亞穩(wěn)定區(qū)逐步結(jié)晶生成成品糖。
3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
該項目控制對象為煮糖罐。根據(jù)控制要求，設(shè)計系統(tǒng)由一個控制站和一個工程師站/操作站組成。由于只有一個煮糖罐，測點較少，所有我們采用小機柜。控制站和操作站之間通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊方式組成一個整體。控制系統(tǒng)配置圖如圖1所示。在硬件設(shè)計上，對煮糖罐中信號采集、操作執(zhí)行所涉及的I/O卡、輸出繼電器、電源等進(jìn)行了隔離，確保操作中各信號互不影響。
根據(jù)系統(tǒng)特點我們選用浙江中控技術(shù)股份有限公司W(wǎng)ebField GCS-2多功能控制系統(tǒng)。GCS-2控制系統(tǒng)提供符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的組態(tài)工具FBD、LD、SFC、ST等，使DCS和PLC的功能得到統(tǒng)一，而且系統(tǒng)兼顧模擬量和數(shù)字量控制，實現(xiàn)局部控制區(qū)域內(nèi)信息共享。該系統(tǒng)配置靈活、維護(hù)簡便、性能價格比高。控制器如圖2所示：
GCS-2控制系統(tǒng)主要由控制站、操作站（工程師站）、通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。控制站由電源模塊、CPU模塊、I/O機架和各種I/O模塊構(gòu)成。CPU模塊與I/O模塊之間采用并行
總線，具有快速邏輯控制功能以及強大的模擬量處理能力。一個CPU機架可以容納一個CPU模塊、一個電源模塊，并提供8個I/O槽位。系統(tǒng)操作站分為就地操作屏和一般操作站兩種。
GCS-2控制系統(tǒng)的軟件是AdvanTrol-Pro軟件包，基于Windows2000操作系統(tǒng)的自動控制應(yīng)用軟件平臺，在SUPCON WebField系列集散控制系統(tǒng)中完成系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)服務(wù)和實時監(jiān)控功能。可采用本地或遠(yuǎn)程I/O擴展機架，方便實現(xiàn)集中式和分布式控制結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)完全兼容ModBUS、TCP/IP協(xié)議，并支持自定義通訊協(xié)議以實現(xiàn)智能系統(tǒng)間的互聯(lián)。
4 控制方案設(shè)計
入罐糖漿濃度的不穩(wěn)定性，決定了控制偏差無法平穩(wěn)。但由于系統(tǒng)基本參數(shù)的非突變特性，所以仍然是可控的；入罐糖漿濃度波動范圍基本在10BX內(nèi)，根據(jù)長期現(xiàn)場操作的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，可把閥門開度的上下限定在一個范圍，同時適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)蒸汽壓力，把入料量和蒸發(fā)度結(jié)合起來保證錘度的按規(guī)律變化。
該方案除了煮糖，同時還兼顧煮種。在程序設(shè)置上，充分利用工序的相似性，只在有區(qū)別的長晶步驟分支出來，保證生產(chǎn)功能并優(yōu)化了控制程序。
安全方面，糖種分割是與其它煮糖罐密切聯(lián)系在一起的，所以在操作上增加幾個確認(rèn)按鈕，避免出現(xiàn)串罐現(xiàn)象，更加人性化控制。
另外，考慮到入罐糖漿的不連續(xù)性，在沒有糖漿的情況下需要煮水代替。程序上，設(shè)置進(jìn)料分糖漿和水的兩種選擇，避免糖膏煮硬并保證錘度的穩(wěn)定。
整個煮糖和煮種工藝采用順序控制，提高了工程組態(tài)效率，簡化了操作步驟，從開始到結(jié)束一氣呵成。現(xiàn)場操作流程圖和控制分組畫面分別如圖3、圖4所示：
4.1 控制參數(shù)設(shè)置
參數(shù)取值遵循以下原則：參數(shù)設(shè)定符合工藝要求，如真空度、料位和錘度系數(shù)符合各階段的工藝關(guān)系；數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，減小對系統(tǒng)滯后的影響；檢測量的連續(xù)性，避免出現(xiàn)大幅波動造成調(diào)節(jié)震蕩。具體參數(shù)設(shè)置如圖5所示：
4.2 控制曲線法
煮糖過程工藝復(fù)雜，對不同階段的溫度、真空度、攪拌、料位和糖漿濃度有不同的要求。
溫度，整個結(jié)晶過程中維持在一個狹小的范圍內(nèi)。真空度類似地，從起始抽真空開始直到分割前，均保持在一定的值。攪拌，先低速運行3分鐘接著轉(zhuǎn)高速，然后在結(jié)晶過程中一直保持勻速運轉(zhuǎn)。料位，作為產(chǎn)量因數(shù)，在濃縮前呈上升狀態(tài)，濃縮后微量的下降。罐內(nèi)糖漿濃度，變化曲線復(fù)雜，常態(tài)下從入種到整理先升后降，保持一段時間后在長晶段緩慢的穩(wěn)步上升，最后在濃縮段快速上升直到達(dá)到卸糖濃度。真空度、溫度、料位和糖漿濃度，自始至終都是相互聯(lián)系、相互影響，在整個煮煉過程中，得到穩(wěn)定控制，維持水份蒸發(fā)與蔗糖沉積兩個速度的平衡。
4.3 專家預(yù)測控制法
我們所用的專家預(yù)測控制是一個智能計算機程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的煮糖領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R與經(jīng)驗，能夠利用這些知識進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家的決策過程，進(jìn)行正確地控制。長晶步驟是糖罐結(jié)晶中關(guān)鍵的一步，在這里要形成尺寸大小基本一致、形狀規(guī)則的晶體，這只能在過飽和度的亞穩(wěn)定區(qū)才能形成。因此。為了保證過飽和度的穩(wěn)定條件，長晶階段要求有效地調(diào)整它的輸入量。結(jié)合糖廠豐富的現(xiàn)場專家經(jīng)驗，我們采用控制型方式，設(shè)計了罐內(nèi)糖漿濃度、蒸汽壓力、料位、汽閥和料閥相關(guān)聯(lián)的專家預(yù)測控制程序，很好地控制了糖漿的輸入率和加熱蒸汽的流率，保證了輸入糖漿和蒸發(fā)水之間的平衡。這樣，通過調(diào)節(jié)加料和蒸汽量可方便控制所需的過飽和度，方便地進(jìn)行起晶、養(yǎng)晶操作。
5 結(jié)束語
本文總結(jié)了廣西某糖廠糖罐結(jié)晶過程的控制系統(tǒng)成功經(jīng)驗，重點闡述了煮糖工藝特點、針對這些特點的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，以及具體的控制方案設(shè)計方法。系統(tǒng)投運以來，從整體效果看，大大減輕了工人的勞動強度，節(jié)約了能耗，縮短了煮糖時間35%~45%，煮出的糖膏質(zhì)量好，晶粒均勻。現(xiàn)場運行結(jié)果表明國產(chǎn)GCS-2控制系統(tǒng)完全能滿足目前國內(nèi)結(jié)晶罐裝置的安全與控制要求，形成的方案易于推廣應(yīng)用，對于國內(nèi)同類企業(yè)實現(xiàn)煮糖自動化、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量、減輕工人的勞動強度、提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益具有普遍的參考意義。(e
