制糖工业自动化技术

制糖工业自动化技术编写：赖庚音石家庄市乐开糖醇技术开发有限企业两个观点：1、制糖工业生产线朝自动化方向发展趋势确立，不受人主观意志所左右。伴随自控装置元器件价格逐步下降，用人成本逐年升高，经过提升自动化水平来降低操作人员所取得经济效应越来越显著。以现在国内技术水平，一条15万吨/年一水结晶葡萄糖生产线，采取自动化生产线后，按四班三运转计算，操作人员可由手工操作生产线150人左右降到80人以内。而这么自动化生产线比手工操作生产线投资只增加约300万元。自动化生产线工艺参数控制稳定、产品品质均匀和产品收率高，间接经济效益非常突出。2、生产线自动化装置是否合理和自控运行情况好坏主要取决于工艺专业，而不是取决于自动化专业。大部分制糖企业技术主管都是工艺专业出身，本身对推进自己企业生产线自动化水平意愿很强，但在实践中因对自动化知识了解不够总是碰到挫折，而认为原因是自己自动化专业人员水平不足。这种现象在制糖工业企业尤其是蔗糖工业企业普遍存在，笔者认为这是妨碍制糖工业自动化水平提升主要原因之一。笔者希望经过本文介绍，制糖企业技术主管能对自动化基础知识有一定了解，能够指导自动化专业人员顺利实现自控装置有效运行。以多效真空蒸发系统末效真空度自动控制系统为例，要想将末效真空度控制在0.12Bar绝对压力，能够经过以下几个方法（俗称控制方案）：a、调整抽往冷凝器二次蒸汽量；b、调整真空泵抽走不凝气体量；c、调整经过冷凝器循环冷却水量；d、调整真空泵抽气管道上破空漏气量。那么到底采取那种方法来实施，显然自动化专业人员是无法作主，只有靠工艺专业人员来决定。一旦决定选取某种方法，工艺专业人员还要通知自动化专业人员介质种类（如二次蒸汽）、介质流量、介质温度、介质压力、介质比重和介质经过调整阀时允许压力损失等参数，自动化专业人员才能对该真空度自动控制系统进行详细配置和实施。采取以上四种控制方法所需投资和对工艺运行情况影响是不一样：a方法最省蒸汽、b方法最省电、c方法最省循环冷却水、d方法投资最低。当然，自动化专业人员能够分别计算出四种情况下所需调整阀口径供工艺人员专业人员参考。工艺人员专业人员向自动化专业人员提供自动控制系统详细控制方案和介质参数，叫做提自动化条件，包含P&I图（ProcessandInstrumentsDiagram，带自控点工艺流程形象示意图）、自动控制说明和介质参数表。只有在工艺人员专业人员统筹安排和自动化专业人员充分配合下，才能实现自控装置合理和有效运行。二、制糖工业自动化控制原理：自动化控制系统实际上是模拟操作人员操作调整过程，任何自动化控制系统都包含三个主要组成部分：变送器、控制器和执行器，俗称自动化系统三大件。操作人员在岗位上要调控一个工艺参数，其过程主要可分解成三个部分：1、经过眼睛观察实际情况或显示仪表；2、经过大脑判断实际情况或仪表显示参数与工艺需要参数是否相符合，偏大还是偏小；3、经过手来调整阀门大小或相关设备运行参数来干预，使实际情况或参数与工艺需要参数相一致。自动化系统三大件中变送器、控制器和执行器分别负担操作人员眼睛、大脑和手功效，经过适宜设置和组合来模拟操作人员对工艺参数调控过程。变送器将感知到工艺参数转化成对应电信号（测量值），送到控制器与工艺需要参数（设定值）进行比较后作出判断，假如（测量值）与（设定值）不一致，控制器就会发出改变电信号命令（输出值）来控制执行器开大一些还是开小一些。执行器动作后，工艺参数受到干预，直到测量值与设定值相一致，此时实际工艺参数稳定在工艺需求参数上。三、制糖工业惯用变送器：要想实现对工艺参数自动控制，首先要能够测量出该参数仪表。能够连续实时感测工艺参数并将其转变成对应电信号仪器即为变送器。变送器包含敏感元件和转换元件。其中敏感元件是指传感器中能够直接感受或响应被测量工艺参数部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应被测量工艺参数转换成适于传输或测量电信号部分，称为转换器。没有对应变送器，自动控制是无法实现。比如淀粉乳液化时，因没有能够测量DE值变送器，所以淀粉乳液化DE值就无法实现自动控制；生产结晶葡萄糖时因没有能够测量DX值变送器，所以回套母液时也无法自动控制混合液DX值。变送器通常是将工艺参数转化成对应4～20mA直流电流信号，俗称模拟信号以区分数字信号。模拟信号大小在量程范围内与工艺参数相对应。比如一个测量范围为0～8m3/h流量变送器，当流量为0时，输出为4mA（4mA＋16mA×0m3/h÷8m3/h）；当流量为8m3/h时，输出为20mA（4mA＋16mA×8m3/h÷8m3/h）；当流量为4m3/h时，输出为12mA（4mA＋16mA×4m3/h÷8m3/h）。在P&I图中变送器惯用其英文Transmitter首字母大写T来表示。现在大多数变送器均为二线制变送器，其供电电源、负载电阻和变送器是串联，即二根导线同时传送变送器所需电源（24V直流电源）和输出电流信号（4～20mA直流电流）。制糖工业惯用变送器有：1、温度变送器TT(TemperatureTransmitter)：温度变送器敏感元件为铠装铂热电阻或热电偶。铠装铂热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料和不锈钢套管组合而成坚实体，适合测量－200℃～＋600℃温度，在制糖工业中被大量采取；铠装热电偶则最高可测2800℃高温，但在制糖工业中极少使用。铠装铂热电阻或热电偶感受不一样温度后，其输出电阻或电位对应改变，转换元件采取集成电路，将热电阻或热电偶信号放大，并转换成4-20mA输出电流。铠装变送器能够直接测量气体或液体温度尤其适适用于低温范围测量，克服了冷凝水对测温所带来影响。2、压力变送器PT(PressureTransmitter)：PT通常有压力变送器、差压变送器和负压变送器三种。差压变送器被测介质两种压力通入高、低两压力室，压力变送器低压室压力采取大气压，负压变送器低压室压力采取绝对真空。两种压力作用在δ元件(即敏感元件)两侧隔离膜片上，经过隔离片和元件内填充液（硅油）传送到测量膜片两侧。压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上电极各组成一个电容器。当两侧压力不一致时，致使测量膜片产生位移，其位移量和压力差成正比，故两侧电容量就不等，经过振荡和解调步骤，转换成与压力成正比信号。3、液位变送器LT(LevelTransmitter)：液位变送器是对压力变送器技术延伸和发展，依照不一样比重液体在不一样高度所产生压力成线性关系原理，实现对液体体积、液高、重量准确测量和传送。我们都知道差压△P＝ρgH，当比重ρ不变送时，△P与液位高度H成正比，所以经过测量差压也就能够测出液位。当比重ρ不固定时，这种方法测出液位就有偏差，不过假如这种偏差允许，也就能够用了。测常压容器内液位，因为大气压是固定，可采取单法兰压力变送器来测液位；若要测真空或压力容器内液位，则需采取双法兰法兰差压变送器来测，因容器顶部上法兰测压点压力是波动。4、浓度变送器DT(DensityTransmitter)：浓度变送器也是压力变送器技术延伸和发展，对我们制糖行业来说，糖液浓度（总糖质量）与比重成正百分比关系，测量出糖液比重就测出了糖液浓度。一样道理，因为△P＝ρgH，当糖液全部淹没差压双法兰变送器上下两个法兰测压点时，糖液测压高度H是固定不变，此时△P与糖液比重ρ成正比，也即△P与糖液浓度成正比。5、流量变送器FT(FlowTransmitter)：制糖工业惯用流量变送器有电磁流量计、涡街流量计和金属转子流量计（又称管式流量计）三种，电磁流量计用来测量糖液或其它液体流量，涡街流量计用于蒸汽流量测量，金属转子流量计则可用于测量电导率极低高纯度糖液流量。电磁流量计测量原理：依照法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体两端即产生感生电势e，其方向由右手定则确定，其大小与磁场磁感应强度B，导体在磁场内长度L及导体运动速度u成正比，假如B，L，u三者相互垂直，则e＝Blu与此相仿．在磁感应强度为B均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径为D不导磁管道，当导电液体在管道中以流速u流动时，导电流体就切割磁力线．假如在管道截面上垂直于磁场直径两端安装一对电极(图3—17)则能够证实，只要管道内流速分布为轴对称分布，两电极之间也特产生感生电动势：e＝BD式中，为管道截面上平均流速．由此可得管道体积流量为：Qv＝πDUˉ由上式可见，体积流量Qv与感应电动势e和测量管内径D成线性关系，与磁场磁感应强度B成反比，与其它物理参数无关．这就是电磁流量计测量原理．需要说明是，要使式Qv＝πDUˉ严格成立，必须使测量条件满足以下假定：①磁场是均匀分布恒定磁场；②被测流体流速轴对称分布；③被测液体是非磁性；④被测液体电导率均匀且各向同性。要产生一个均匀恒定磁场，就需要选择一个适宜励磁方式（励磁方式即产生磁场方式）。现在，通常有三种励磁方式，即直流励磁、交流励磁和低频方波励磁。工业上使用电磁流量计，大都采取工频(50Hz)电源交流励磁方式，即它磁场是由正弦交变电流产生，所以产生磁场也是一个交变磁场。交变磁场变送器主要优点是消除了电极表面极化于扰。另外，因为磁场是交变，所以输出信号也是交变信号，放大和转换低电平交流信号要比直流信号轻易得多。涡街流量计测量原理：把一个非流线型阻流体（Bluff

Body）垂直插入管道中，伴随流体绕过阻流体流动，产生附面层分离现象，形成有规则旋涡列，左右两侧旋涡旋转方向相反。这种旋涡称为卡门涡街。依照卡门研究，这些涡列多数是不稳定，只有形成相互交替内旋两排涡列，且涡列宽度h与同列相邻两旋涡间距l之比

=0.281（对圆柱形旋涡发生体）时，这么涡列才是稳定。生产旋涡分离阻流体称为旋涡发生体。涡街流量计是依照旋涡脱离旋涡发生体频率与流量之间关系来测量流量仪表。

金属转子流量计测量原理：金属转子流量计,是变面积式流量计一个,在一根由下向上扩大垂直锥管中,圆形横截面浮子重力是由液体动力承受,浮子能够在锥管内自由地上升和下降。在流速和浮力作用下上下运动，与浮子重量平衡后，经过磁耦合传到智能化微处理器转换成4～20mA电流信号。6、PH计QT(PHTransmitter)：PH计敏感元件是PH电极，PH电极是用来测电极电位装置。电位分析所用电极被称为原电池。原电池是一个系统，它作用是使化学反应能量转成为电能。此电池电压被称为电动势（EMF）。此电动势（EMF）由二个半电池组成。其中一个半电池称作测量电极，它电位与特定离子活度关于；另一个半电池为参比半电池，通常称作参比电极，它通常是与测量溶液相通，而且与测量仪表相连。最熟悉也是最惯用PH指示电极是玻璃电极。它是一支端部吹制上对于PH敏感玻璃膜玻璃管。管内充填有含饱和AgCl3mol/lKCl缓冲溶液，其PH值为7。存在于玻璃膜内外两面反应PH值电位差用Ag/AgCl传导系统导出。PH电极最著名品牌是梅特勒。除上述六类变送器外，制糖工业有时也用到微波锤度计、电导率变送器、电流变送器、电压变送器和功率变送器等，本文不予详述。选取变送器时还应该考虑耐腐蚀、耐温度和耐压要求，只有选择合理材质，变送器才能适合于各种使用场所。四、制糖工业惯用控制器：制糖工业惯用控制器有单板控制器、可编程控制器（PLC）和DCS系统。单板控制器适合于生产线中局部单个工艺参数控制，尤其是现成手工生产局部自动化改造。在PLC和DCS系统还没有大量使用时，很多企业曾经采取大量单板控制器组装在控制柜（俗称模拟盘）上，用于整条生产线自动控制；PLC适合于生产线某个工序自动化操作，尤其适合将繁琐重复间歇操作过程变成PLC程序控制下自动程序操作。PLC还能提供一定量控制回路，用于在程控操作中阶段性控制某个工艺参数；DCS系统则适合整条生产线或整个工厂集中自动化控制和监管。即使伴随大型新型号PLC出现，PLC控制功效愈加强大，但在控制整条生产线上，PLC在编程简易、反应速度和操控性能上依然无法与DCS系统媲美。以下对三种制糖工业惯用控制器做简单介绍：1、单板控制器为包含微电子集成电路和简易显示器简单控制器，通常一个单板控制器能够提供一个调整回路或两个互为串接调整回路。除此以外，单板控制器还能够提供低负荷24V电源和高低限两个报警输出。单板控制器通常采取220V两相电源供电，操作时应尤其注意防止触电。220V电源电压波动过大很轻易造成单板控制器烧毁，所以最好配置稳压电源。单板控制器主要品牌有霍尼维尔、Foxboro和百特工控等。2、可编程控制器(ProgrammableController)是计算机家族中一员，是为工业控制应用而设计制造。早期可编程控制器称作可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController)，简称PLC，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。伴随技术发展，这种装置功效已经大大超出了逻辑控制范围，所以，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。不过为了防止与个人计算机(PersonalComputer)简称混同，所以依然将可编程控制器简称为PLC。PLC主要品牌有西门子、三菱、欧姆龙、松下、台达、富士、施耐德和ABB等。当PLC投入运行后，其工作过程通常分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLCCPU以一定扫描速度重复执行上述三个阶段。(1)输入采样阶段在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入全部输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中对应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生改变，I/O映象区中对应单元状态和数据也不会改变。所以，假如输入是脉冲信号，则该脉冲信号宽度必须大于一个扫描周期，才能确保在任何情况下，该输入均能被读入。(2)用户程序执行阶段在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下次序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边由各触点组成控制线路，并按先左后右、先上后下次序对由触点组成控制线路进行逻辑运算，然后依照逻辑运算结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存放区中对应位状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位状态；或者确定是否要执行该梯形图所要求特殊功效指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内状态和数据不会发生改变，而其余输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存放区内状态和数据都有可能发生改变，而且排在上面梯形图，其程序执行结果会对排在下面凡是用到这些线圈或数据梯形图起作用；相反，排在下面梯形图，其被刷新逻辑线圈状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面程序起作用。在程序执行过程中假如使用立刻I/O指令则能够直接存取I/O点。即使用I/O指令话，输入过程影像存放器值不会被更新，程序直接从I/O模块取值，输出过程影像存放器会被立刻更新，这跟立刻输入有些区分。(3)输出刷新阶段当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应状态和数据刷新全部输出锁存电路，再经输出电路驱动对应外设。这时，才是PLC真正输出。3、DCS系统是分散控制系统(DistributedControlSystem)简称，国内通常习惯称为集散控制系统。它是一个由过程控制级和过程监控级组成以通信网络为纽带多级计算机系统，综合了计算机(Computer)、通讯(Communication)、显示(CRT)和控制(Control)等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。DCS系统控制功效齐全控制算法丰富，集连续控制、次序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需特殊控制算法。DCS组成方式十分灵活，可由专用管理计算机站、操作员站、工程师站、统计站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用服务器、工业控制计算机和可编程控制器组成。处于底层过程控制级通常由分散现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并经过数据通信网络传送到生产监控级计算机。生产监控级对来自过程控制级数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊疗、显示报警等。DCS系统主要品牌有霍尼维尔、Foxboro、西门子、和利时和浙大中控等。五、制糖工业惯用执行器：执行器由执行机构和调整机构两部分组成。调整机构经过执行元件直接改变生产过程参数，使生产过程满足预定要求。执行机构则接收来自控制器控制信息把它转换为驱动调整机构输出（如角位移或直线位移输出）。它也采取适当执行元件，但要求与调整机构不一样。执行器直接安装在生产现场，有时工作条件严苛。能否保持正常工作直接影响自动调整系统安全性和可靠性。制糖工业惯用执行器有调整阀、变频设备、气动开关阀、电动设备、电磁阀和气缸等。其中调整阀和变频设备接收控制器4～20mA直流电流信号，依照接收电流信号大小自动调整阀门对应开度或对应运行速度。比如12mA对应开度或运行速度50％，16mA对应开度或运行速度75％，20mA对应开度或运行速度100％。气动开关阀、电动设备和电磁阀等则接收控制器直流24V电压信号，依照是否接收到控制器直流24V电压信号来自动开关或启停。最惯用执行器是调整阀，调整阀有气动调整阀和电动调整阀。气动调整阀调整精度和对信号灵敏度都比电动调整阀好，当一条生产线大量使用调整阀或有现成压缩空气源时，最好选取气动调整阀。只有在调整阀用量极少，又不想投资仪表用压缩空气系统时才会考虑电动调整阀。气动调整阀、气动开关阀和气缸等气动设备用压缩空气，必须先经过过滤和除湿，不然轻易造成其中气动元件故障或损坏。气动调整阀和气动开关阀都有一个气开阀和气关阀问题，通俗地讲，假如压缩空气源缺失，气开阀处于关闭状态；反之，气关阀处于开启状态。这一点对保障自动化装置故障状态下工艺安全很主要。选取执行器与选取变送器一样，也应该考虑耐腐蚀、耐温度和耐压要求，需要选择合理材质和耐压耐温等级。六、制糖工业自动化应用实例：制糖工业自动化应用实例有生产线运行情况显示、工艺参数自动调整、程序控制、连锁保护、远传控制、报警等。只有充分了解并组合自动化系统各种应用功效，才能取得一条高自动化程度而且管理方便生产线。1、生产线运行情况显示：生产线P&I图上所标示全部内容，都能够在DCS系统工作站电脑流程画面上显现出来：包含设备、主物料管线、辅助物料管线、阀门管件、控制回路和仪表。全部测量值（温度、液位、密度、流量、压力、PH和电导率等）数值和单位都能够显示在流程画面上对应变送器位置处。全部液位测量值还能以蓝色阴影型式，形象地显示在对应设备图块上。全部运行设备可制作成中心带报警指示小圆圈可激活图块，当设备处于运行状态时，报警指示小圆圈显示流程画面底色；当设备处于停顿状态时，对应报警指示小圆圈显示闪烁黄色，即交替显示黄色1秒钟和流程画面底色0.5秒钟。设备处于运行状态时，其对应可激活图块显示绿色；设备处于停顿状态时，其对应可激活图块显示红色。对于调整回路，可成可激活图块，当点击调整系统可激活图块时，对应调整系统画面出现在流程画面上，很方便进行操控。气动开关阀和电磁阀也能够作成可激活图块，当点击气动开关阀可激活图块时，对应气动开关阀或电磁阀开启画面出现在流程画面上。气动开关阀处于运行状态时，其对应可激活图块显示绿色；气动开关阀处于停顿状态时，其对应可激活图块显示红色。2、工艺参数自动调整：任何控制器都能够提供一个或多个控制回路用于工艺参数自动调整。每个控制回路都有输入端，能够接收从测量工艺参数变送器来4～20mA模拟信号（测量值），经控制器转换成数字信号后与设定值进行比较和计算，得到输出数字信号再经控制器转换成4～20mA模拟信号。控制回路输出端输出4～20mA模拟信号，就能够控制执行器开度或运行速度了。利用一个控制回路来实现一个工艺参数自动调整，控制回路有正、反两个作用方向可供选择。执行器开度增大，有利于测量值变小为正作用控制回路；反之，执行器开度增大，有利于测量值变大为反作用控制回路。控制回路作用方向设定要依照工艺控制方案来确定。打个比喻说，要控制一个贮罐液位，能够调整这个贮罐入料量，也能够调整这个贮罐出料量。采取调整贮罐出料量控制方案时，执行器开度增大，出料量增加，有利于液位变小，控制回路需设定为正作用；当采取调整贮罐入料量控制方案时，执行器开度增大，入料量增加，有利于液位变大，控制回路需设定为反作用。一个控制回路在投入运行时，还要对其PID参数进行整定。打个比喻说，要控制管道内流动糖液温度，能够直接通入蒸汽加热，也能够往换热器通蒸汽间壁换热，这两种方案都能够经过调整加热蒸汽通入量来控制糖液温度。但这两种方案是有区分，直接通入蒸汽加热时，温度随加热蒸汽通人量快速改变；而往换热器通蒸汽间壁换热时，温度随加热蒸汽通人量改变要慢多。所以控制回路需要对执行器调整速度依照实际情况进行变通，变通方法就是对控制回路PID参数进行整定。P指百分比控制，百分比控制是一个最简单控制方式。其控制器输出与输入误差信号成百分比关系。当仅有百分比控制时系统输出存在稳态误差；I指积分控制，积分控制中，控制器输出与输入误差信号积分成正比关系。对一个自动控制系统，假如在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间积分，伴随时间增加，积分项会增大。这么，即便误差很小，积分项也会伴随时间增加而加大，它推进控制器输出增大使稳态误差深入减小，直到等于零。所以，百分比+积分（PI）控制器，能够使系统在进入稳态后无稳态误差；D指微分控制，在微分控制中，控制器输出与输入误差信号微分（即误差改变率）成正比关系。自动控制系统在克服误差调整过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是因为存在有较大惯性组件（步骤）或有滞后（delay）组件，具备抑制误差作用，其改变总是落后于误差改变。处理方法是使抑制误差作用改变“超前”，即在误差靠近零时，抑制误差作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“百分比”项往往是不够，百分比项作用仅是放大误差幅值，而现在需要增加是“微分项”，它能预测误差改变趋势，这么，具备百分比+微分控制器，就能够提前使抑制误差控制作用等于零，甚至为负值，从而防止了被控量严重超调。所以对有较大惯性或滞后被控对象，百分比+微分（PD）控制器能改进系统在调整过程中动态特征。制糖工业中，比如多效真空蒸发浓度控制，采取简单控制回路来调整，PID参数整定得很好也难以让浓度控制很好。主要是因为从调整加热蒸汽通入量到浓度发生改变需要时间较长，也即调控滞后较大。而在这滞后过程中，蒸汽压力也在波动，阀门开大蒸汽压力不一定升高，阀门关小蒸汽压力也不一定降低。所以蒸发浓度极难调平稳。此时假如我们采取串接调整回路来控制，这个问题就处理了。串接调整回路相当于增加了一个回路，第一个回路（主回路）调浓度，浓度偏高时，发出调低头效加热室蒸汽压力指令，而不是发出关小蒸汽阀门指令；第二个回路（从回路）调头效加热室蒸汽压力，依照主回路指令来调蒸汽压力，至于调低压力是应该开大还是关小阀门，则由从回路来判定。卧式降温结晶