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1 背景

糖類是人體主要營養來源之一，人體的消耗要以糖類氧化后產生的熱能來維持，人體活動所需的能量大約有70%是靠糖類供給的，食糖不僅是人類生活的必需品，同時也是飲料、糖果、制藥等相關行業中不可或缺的原料。我國作為重要的食糖生產國與消費國，糖料種植在農業經濟中占有重要地位，僅次于糧食、油料、棉花，居第四位。

在食糖生產方面我國制糖業目前人力資源消耗極高，但日榨制糖量卻遠遠低于制糖強國，傳統的生產方式消耗大量的人力資源，某糖廠日榨1.4萬噸，職工880人，還沒包括大量的榨季臨時工。泰國日榨1.5萬噸，僅配備210人左右；澳大利亞日榨1.3萬噸，職工人數不到100人。由此可見，傳統的生產方式人力成本高、人力資源嚴重浪費、自動化程度低、不符合現代化生產的要求。隨著制糖行業標準日益提高，生產規模不斷擴大，人工操作已經難以達到穩定生產與產品指標，影響產品質量，造成資源的嚴重浪費。再加上信息難以整合，極大拖慢生產節奏，對生產管理帶來嚴重遲滯。因此，建設智能工廠對于制糖行業來說勢在必行。

當前，中國制造企業正在加快智能工廠的建設步伐，南寧糖業股份有限公司作為目前國內制糖行業最大的國有控股上市公司，中國輕工業制糖行業十強企業，開啟了“自動化、智能化、數字化”的現代化智慧工廠建設道路。

甘蔗制糖工序包括壓榨→沉清（也作澄清、清凈）→蒸發→上浮→煮糖→分蜜→干燥→篩分→包裝，另外生產中產生的蔗渣不僅可作為鍋爐燃料，發電供汽，為整個工廠提供動力，部分蔗渣還可施肥、造紙等。

圖1 蔗糖生產產業鏈

圖2 幾種甘蔗制糖工藝步驟簡介

2 項目目標

此項目是針對南寧糖業明陽糖廠的全自動化全信息化改建，改建項目不同于新建項目，實施難度比較大，現場有大量的獨立控制單元，除了1萬多點的物理點外，還要將二十幾臺不同類型的單元控制器進行通訊整合，實現中央控制室的總體調度。整體網絡架構共包含三層：分別是控制網絡（控制器與I/O站之間的現場總線通訊網絡）、系統網絡（人機界面計算機HMI與控制站之間的實時數據傳輸的工業以太網）、主控室監控網絡（主控室服務器與現場操作站的實時數據傳輸的光纖環網），通過光纖環網連接各分控室的操作站，實現全廠數據的完全整合管理。并配置大屏幕顯示（拼接）屏，可顯示全廠生產關鍵工序的監控畫面，掌握全廠的生產動態，調度指揮生產。為提高數據傳輸的可靠性，所有網絡均采用冗余結構。

按生產工序設置5個DCS分控室，甘蔗預處理壓榨分控室（控制站*3）、澄清蒸發分控室（控制站*3）、成糖分蜜干燥分控室（控制站*4）、熱電站鍋爐汽機控制室（控制站*5），該控制室通過通訊的方式連接2個PLC控制室，分別是壓榨翻板機除雜系統分控室、熱電中水/污水系統分控室。分控室主要作用是就近布置系統控制站、I/O柜、現場檢測、執行單元配電等，以減少工程電纜的長度。分控室布置操作站，提供本地監控。通過布置光纖網絡，將分控室操作站集中到中央調度控制室，實現全廠集中生產操作管理。

圖3 整體網絡架構

3 項目實施與應用

項目采用優穩公司自主研發的UW600DCS控制系統，對南寧糖業明陽糖廠進行全廠自動化改造，成功設計并實現了：壓榨車間自動喂蔗系統，國內首套DCS自動化煮糖系統，并針對動力車間多種開關型調節閥自主設計伺服控制算法，成功解決了此種閥門開度不穩定、無法進行自動調節的問題。另外，對現場16臺分蜜機采用Profibus、ModBus等工業總線通訊進行集中控制，成功實現了分密系統的集中化生產管理。此自動化生產控制系統能夠很好的滿足制糖業各工段的生產需求，實現生產管理的自動化、信息化、智能化。

（1）壓榨提汁

壓榨提汁生產線按逆物料啟動、順物料停車來運作。即啟動時，為了避免設備同時啟動而造成負載的陡增，同時也為了防止蔗料在生產線上的堵塞，采用先啟動后級設備，延時后再啟動前一級的設備的逆向延時啟動方式；停機時，為了使在生產線上殘余的物料能完成其剩余的工藝流程，采用先停止前一級設備，延時后再停止后一級設備的順向延時停機方式。另外當設備有故障發生時，控制系統能及時報警并能顯示出故障，同時使輸送機1和輸送機2能立即互鎖停機，以免造成嚴重事故。

壓榨車間是蔗糖生產的第一步，其大型設備多，要求高響應高精度的同時，必須保證操作安全及產品質量。壓榨系統主要可分為進蔗系統與泵浦系統，進蔗系統主要包括：一、二級帶轉速控制、提升機轉速控制、榨機轉速控制以及耙齒機轉速聯鎖控制；泵浦系統主要包括：稀汁桶液位控制、滲透水流量控制以及混合汁流量控制。具體描述如下：

一級帶轉速控制：一級帶相當于入蔗量的預處理控制，此時帶速采用串級PID進行自動控制，主調節為二級帶料位，其料位值可進行設定，副調為一級帶料位，協同主調及時準確調整一級帶轉速，使二級帶料位槽不空槽不漲槽，這樣才能保證二級帶的均衡進蔗。

圖4 壓榨一線泵浦界面

二級帶轉速控制：主要根據核子稱傳至DCS的實時榨量調整二級帶轉速的大小，保證其進入榨機的“纖維量”恒定，從而保證榨機的負荷穩定。

榨機轉速控制：通過五級料位開關控制，設定好基準轉速后，若一級料位開關動作則增加設定轉速1，二級料位開關動作則增加設定轉速2，三級料位開關動作則增加設定轉速3，四級料位開關動作則增加設定轉速4，五級料位開關動作則增加設定轉速5，同時，相近兩個料位開關進行互鎖。即用每座高位槽的料位點信號指示本座壓榨機調速,保證高位槽料位的穩定高度，從而使通過各壓榨機的蔗層厚度均勻，人轆壓力均勻、達到高榨、高抽出、低負荷的目的。

耙齒機轉速聯鎖聯鎖控制：整條生產線只降速度不停機，以保證能夠及時順利開機，穩定生產。各榨機停止對應的耙齒機也停止，另外，一線6#榨機轉速降至額定轉速10%時，5#耙齒機轉速（歸0）；鍋爐1#皮帶停止時，5#耙齒機轉速歸0；并按5#耙——4#耙——3#耙——2#耙——1#耙——提升機——二級帶——一級帶的順序，停止滑差電機的輸出轉速（調速器歸0）。

稀汁桶液位控制：采用智能PID調節器，在均衡壓榨的同時，對各個稀汁桶設定合理的液位值，使各個榨機對應的稀汁桶液位做到不空不溢，這樣才能保證混合汁液位的穩定。

滲透水控制：首先，進入滲透水箱的冷熱水管各有一個開關閥傳至DCS，通過控制這兩個閥門來調節滲透水箱的溫度及液位；然后，通過調節滲透水泵的出口調節閥，來調節進入榨機的滲透水流量。

混合汁流量控制：混合汁的調節首先需要保證其流量的穩定性，而混合汁箱則可以看成壓榨車間至制煉車間的一個“緩沖器”，在保證流量的同時，也不允許其抽空或者溢出，本項目中采用智能化數學建模與PID結合進行控制，在液位與流量中引入榨量變化，榨量增加則混合汁流量也進行緩慢增加，同樣榨量減小其也逐漸減小，這樣自動調節去制煉車間的混合汁流量，保證制煉車間原料正常。

（2）沉清上浮

壓榨出來的蔗汁還含有很多雜質，沉清工段通過去除非糖分以提高糖汁的純度，并降低其粘度和色值，為煮糖結晶提供優質的原料糖漿。

沉清上浮工藝作為貫穿制糖過程的關鍵操作，直接影響著糖的質量和產量，而時間、溫度、pH值則是沉清工段的重要指標。而此次沉清的主要控制難點在于對糖汁一次加熱和二次加熱溫度的控制，也就是對中和反應的控制。

由于蔗汁蒸發受高溫影響，將會導致其消耗時間過長，進而使蔗汁的pH值受到時間影響降低，糖汁偏酸，加快轉化速度，令溫度升高，最后導致時間進一步延長，降低收回率。為避免這種現象的發生，我們通過優穩特有的智能PID對一次加熱、二次加熱汁汽閥進行控制，精確控制加熱溫度在100℃左右，使現場實現了自動化控溫生產，既減少了人為干擾，又實現了溫度的精確控制，保證了生產質量。

圖5 沉清控制界面

本次上浮工段通過最小二乘法進行數學建模，精確控制絮凝劑以及磷酸加入量、打泡流量和糖漿流量，與設定值誤差達到2.5%以內。從而更好的控制工藝參數，使氣泡與絮凝劑充分混合，進入上浮器后更好的捕捉色素物質與膠體顆粒，迅速浮升與清汁分離。為獲得低色值、低粘度、低濁度和低含硫的良好糖漿打下了基礎。

（3）五效蒸發

蒸發系統是制糖生產過程中的心臟，需將清凈后的低錘度稀糖汁通過蒸發，除去大量水份，濃縮成較高錘度65°BX左右的糖漿，供結晶煮糖。

本項目用六個蒸發罐來實現五效蒸發，總會有一個蒸發罐處于備用狀態。四效汁汽會從四號蒸發罐或五號蒸發罐出來，然后經過熱水平衡箱至上浮器，經過浮清處理后再進入五號或六號蒸發罐，也就是最終的五效汁汽從五號或六號蒸發罐出來，然后經過濃縮罐至沉清糖漿箱，得到清糖漿以用于煮糖。

圖6 蒸發DCS界面

由于蒸發系統的六個蒸發罐是連在一起的，上級蒸發罐的汁汽直接進入下級蒸發罐，所以各個蒸發罐的液位也是相互影響的。我們主要控制各個蒸發罐聯通管道上的調節閥，通過調節各個蒸發罐的進汁汽量來調節其液位的高低。在此之前，首先需做到穩定初始加熱蒸汽壓力，這樣才能在大環境穩定的前提下對各個蒸發罐的液位進行自動調整。同時還需注意各個蒸發罐的壓力，由于蒸發系統采用的是真空差壓式蒸發，靠微差壓來進行汁汽的有效流轉，一效蒸發壓力約在0.25MPa左右，逐級遞減，所以對各個蒸發罐的真空度控制尤為重要。

我們通過智能化串級PID控制原理，主調節參數為各蒸發罐壓力，副調節為反應較為靈敏的蒸發罐液位，實時監測，實時響應。在保證各蒸發罐真空度的前提下，將各蒸發罐的液位維持在量程的三分之一左右，確保為下級煮糖提供優質的糖漿。另外，控制用汽量與五效真空罐的溫度，通過不同的壓力對應的不同飽和蒸汽溫度，對溫度設定值進行實時跟蹤與調整。這樣在保證蒸汽用量處于最佳狀態的同時，使用汽效率最大化，將糖分回收率增加，并降低能耗。

（4）煮糖與結晶

在煮糖過程中，真空度、蒸汽壓力、入料濃度和溫度這四個技術條件，自始至終都是相互影響，相互聯系的。在整個煮煉過程中，需要穩定控制好真空度、蒸汽壓力、入料濃度與溫度，使水分蒸發與蔗糖沉積的速率平衡。

在本項目中，間歇煮糖主要針對甲糖糕的煮制，實現了國內第一套DCS控制的自動化煮糖系統。其控制流程主要分為入種階段與煮糖階段。入種階段為煮糖做準備，針對現場設備進行自動化順序控制，為煮糖階段做準備。煮糖階段為自動控制的核心階段，優穩系統針對糖廠煮糖工藝過程進行合理建模，將其主要分為：一階煮水階段、甲洗階段、二階煮水階段、濃縮放糖、結束洗罐等步驟。

圖7 甲糖煮糖DCS操作界面

其中一階煮水與甲洗階段可根據工況選擇是否投入。煮糖的整個過程主要根據所設定的15段煮糖曲線法來進行自動煮糖，自動調節閥根據煮糖曲線對煮糖罐的液位與錘度進行自動追蹤與調節，對入料調節閥及熱水調節閥進行自動控制，使錘度與現場液位按預先設置好的經驗曲線運行，系統在安裝調試好以后無須人工操作和干預，人為因素對系統影響幾乎為零，此外操作人員還可以通過人工設置參數來優化調整曲線，例如第一階段煮水與第二階段煮水，均可根據現場情況調節相應參數，使系統達到最好的自動化煮糖效果。

自動放糖時，控制系統對攪拌電流與垂度進行雙判斷，有任意條件達到即可放糖，從而達到精確、順利放糖的目的。

（5）助晶分蜜

煮糖的過程中，助晶過程是糖糕中晶體繼續長大的過程。在煮糖的后期，各種糖糕均有濃度高、粘度大、對流緩慢的特點。這種糖糕不宜在結晶罐中繼續煮制。但母液中仍含有大量糖分，若不使其盡量結晶出來，會增加糖分損失。

助晶階段主要控制助晶時間，一般甲糖為2~4小時，乙糖為4~6小時，丙糖24小時左右。另外控制母液濃度，通過適量加水來控制糖膏濃度，控制結晶體長大所需要的過飽和度，有利于分蜜的順利進行。

助晶后的各種糖膏仍然是晶體和糖蜜的混合物，必須經過分蜜才能將其中的晶體分離出來。由于糖膏的性質不同，其對分蜜操作與設備的要求也各不相同。甲、乙、丙糖膏的的晶液比、純度、流動性等依次減小，而含蜜量、粘度等則依次增大，因而分蜜也逐漸困難。

本項目中將現場所有分蜜采用DP、ModBus通訊方式傳至DCS，在國內首次實現了遠程監控、操作分蜜機的目的，更加有利于分蜜工段的調整與改進。

（6）鍋爐汽機鍋爐部分主要功能有：汽包水位調節系統，過熱汽溫調節系統，給水閥前母管壓力給水泵調節系統。

汽機部分主要功能有：減溫減壓器溫度調節系統，除氧水箱水位調節系統。

本項目DCS系統主要運用智能PID控制算法，并對過程量PV值進行二選一處理，以保證控制的精確性。另外，汽包水位調節系統采用單沖量與三沖量相結合的方式，當鍋爐負荷大于30%時，自動切換至三沖量調節控制。除氧器方面可進行控溫或控壓的選擇，以更好的適應各種現場情況。另外各主要聯鎖保護，如對空排汽、緊急放水，鍋爐主燃料跳閘系統（MFT），汽機ETS系統，實現鍋爐的安全生產。

在燃燒控制方面，由于蔗渣含水過高、顆粒度偏大、熱值偏低，造成鍋爐煙氣量增加，Nox排放增加，排煙溫度偏高，增加鍋爐的排煙損失，影響鍋爐熱效率。因此配有烘干噴燃系統，具體控制方式如下：

系統設備有刮板機——喂料器-烘干機——破碎機——送料風機，使用過程中下級設備如突然跳停，上級所有設備緊急停機。另設有堵料聯鎖判斷，判斷堵料后退出刮板機。調節控制：（1）喂料系統可根據鍋爐蒸汽負荷及壓力來，通過調整喂料機的轉速來調整鍋爐喂料量；（2）喂料系統烘干機溫度，根據設定的溫度值調節熱風風門，以滿足烘干要求。

本項目不僅實現了汽包水位、減溫水、除氧水、喂料器、鍋爐點火等自動控制，且優化完善了緊急放空放水、緊急設備停機、皮帶之間聯鎖停機、打包分組及自動排污等控制方式。另外，鍋爐、打包進行集中控制，減少車間兩個工序因獨立操作信息不通暢，有利于鍋爐燃燒均衡和安全生產。同時，為了提高車間設備信息化和自動化控制水平，通過升級/改造設備，使基礎設備的可靠性、穩定性有所提高，為自動控制提供良好的基礎平臺。

4 實施效果

（1）設置17個控制室，相互獨立又緊密聯系，在任一控制室均能實現全場監控，信息共享，又能通過權限分配機制，明確操作權限。控制站繁多，站間通訊量大，由于以前大多是人為手動操作，因此各個崗位交雜繁多。為使現場人員能夠盡快的適應DCS操作，并能夠及時的處理現場問題，本項目共設計了17個控制室，共計38臺電腦，系統網絡錯綜復雜，各個站點間的控制測點依靠系統的強大通訊帶載能力，不依靠硬接線相連，互相引用，遍布全廠各個角落。且操作權限分至各個工段，每臺電腦均可查看全廠各個車間的生產情況，但僅能對本崗位所負責的設備進行操作，在加強管理的同時，也促進了生產。

（2）強大的通訊能力，整合了廠內原有的所有獨立單元控制設備，建立全局數據庫，實現全自動控制的同時，為上層的信息化建設打下基礎。第三方通訊設備多，通訊量大，通訊方式多樣，UW600系列控制系統具有內外部通訊強大的功能。為了給現場操作人員帶來更多方便，也為了節省項目資金，加快項目進度，本項目與第三方通訊多達20余個，且大多為第三方PLC控制系統，包括：歐姆龍、西門子200、西門子300、西門子1200等，總通訊點數達到2000多個，而經過這一個榨季的考驗，充分體現出了UW600系統的穩定與可靠。

（3）通過編寫DCS算法解決老舊閥門不可用問題。由于現場老舊開關閥太多，閥門定位器調節不可靠，遂通過編寫DCS內部算法跳過閥門定位器直接對部分開關閥進行控制。解決了包括鍋爐減溫水、糖漿流量、上浮打泡等閥門的自動控制，不但節約了成本，更方便了現場人員的使用。

（4）液位可控、精準放糖：由于現場設備老舊，錘度計、液位計不準確，在甲糖自動控制算法中，無法按照傳感器液位進行煮糖，也無法按照傳感器錘度放糖。在現場施工人員、明陽煮糖師傅的配合下，通過將液位傳感器與實際液位校對的方法，重新在DCS端進行液位校準，實現了自動煮糖中的液位可控；另外，在放糖時候采用電流放糖法，成功實現了最后的準確放糖。

（5）取消電鈴聯系，DCS命令傳達速度更快、更穩定。以往各個崗位之間發生緊急事故時，需要通過電鈴進行聯系，不僅反應慢，而且會由于電路老化等原因造成聯系失敗。現在全廠改造完畢后，以UW600控制系統為基礎，各個車間可通過DCS系統互相發送，開榨、停榨、減榨、增榨等指令，不僅加快了反應速度，而且通過DCS系統發出指令也更加穩定。

（6）DCS聯鎖代替現場硬聯鎖，更加可靠。由于現場以前所用硬聯鎖電路時間過長，接觸器觸點及電路老化嚴重，現場設備出現問題時往往聯鎖未能起作用。現將所有關鍵聯鎖都用DCS投入，DCS系統強大的運算能力及可靠性，使現場出現生產問題時及時停機，避免造成更大的生產事故。

綜上所述，DCS系統在此次改造過程中，既解決了許多老舊設備的控制問題，又方便了現場人員的操作。同時，也使得人工控制不了的設備在DCS端得到了穩定控制，建立實施全局完整實時數據庫系統，實現與主要生產裝置、設施的控制系統（DCS、PLC等）集成，工廠生產信息實現共享，生產信息實現可視化，達到優化生產，節約能源的目的，最終也贏得了現場的認可。

5 效益分析

該項目成功助力南寧糖業股份有限公司“三化”項目順利投產，投入運行后效益顯著提升，其中，壓榨抽出率完成97.27%，較上一榨季提升0.19%；廢蜜產率降低0.09%；廢蜜重力純度減低1.38%；三項指標優化共增加產糖1362噸，用工總量減少385人，減少人員得到合理安置；共產生經濟效益3255.8萬元。

摘自《自動化博覽》2020年4月刊