1 背景

糖类是人体主要营养来源之一，人体的消耗要以糖类氧化后产生的热能来维持，人体活动所需的能量大约有70%是靠糖类供给的，食糖不仅是人类生活的必需品，同时也是饮料、糖果、制药等相关行业中不可或缺的原料。我国作为重要的食糖生产国与消费国，糖料种植在农业经济中占有重要地位，仅次于粮食、油料、棉花，居第四位。

在食糖生产方面我国制糖业目前人力资源消耗极高，但日榨制糖量却远远低于制糖强国，传统的生产方式消耗大量的人力资源，某糖厂日榨1.4万吨，职工880人，还没包括大量的榨季临时工。泰国日榨1.5万吨，仅配备210人左右；澳大利亚日榨1.3万吨，职工人数不到100人。由此可见，传统的生产方式人力成本高、人力资源严重浪费、自动化程度低、不符合现代化生产的要求。随着制糖行业标准日益提高，生产规模不断扩大，人工操作已经难以达到稳定生产与产品指标，影响产品质量，造成资源的严重浪费。再加上信息难以整合，极大拖慢生产节奏，对生产管理带来严重迟滞。因此，建设智能工厂对于制糖行业来说势在必行。

当前，中国制造企业正在加快智能工厂的建设步伐，南宁糖业股份有限公司作为目前国内制糖行业最大的国有控股上市公司，中国轻工业制糖行业十强企业，开启了“自动化、智能化、数字化”的现代化智慧工厂建设道路。

甘蔗制糖工序包括压榨→沉清（也作澄清、清净）→蒸发→上浮→煮糖→分蜜→干燥→筛分→包装，另外生产中产生的蔗渣不仅可作为锅炉燃料，发电供汽，为整个工厂提供动力，部分蔗渣还可施肥、造纸等。

图1 蔗糖生产产业链

图2 几种甘蔗制糖工艺步骤简介

2 项目目标

此项目是针对南宁糖业明阳糖厂的全自动化全信息化改建，改建项目不同于新建项目，实施难度比较大，现场有大量的独立控制单元，除了1万多点的物理点外，还要将二十几台不同类型的单元控制器进行通讯整合，实现中央控制室的总体调度。整体网络架构共包含三层：分别是控制网络（控制器与I/O站之间的现场总线通讯网络）、系统网络（人机界面计算机HMI与控制站之间的实时数据传输的工业以太网）、主控室监控网络（主控室服务器与现场操作站的实时数据传输的光纤环网），通过光纤环网连接各分控室的操作站，实现全厂数据的完全整合管理。并配置大屏幕显示（拼接）屏，可显示全厂生产关键工序的监控画面，掌握全厂的生产动态，调度指挥生产。为提高数据传输的可靠性，所有网络均采用冗余结构。

按生产工序设置5个DCS分控室，甘蔗预处理压榨分控室（控制站*3）、澄清蒸发分控室（控制站*3）、成糖分蜜干燥分控室（控制站*4）、热电站锅炉汽机控制室（控制站*5），该控制室通过通讯的方式连接2个PLC控制室，分别是压榨翻板机除杂系统分控室、热电中水/污水系统分控室。分控室主要作用是就近布置系统控制站、I/O柜、现场检测、执行单元配电等，以减少工程电缆的长度。分控室布置操作站，提供本地监控。通过布置光纤网络，将分控室操作站集中到中央调度控制室，实现全厂集中生产操作管理。

图3 整体网络架构

3 项目实施与应用

项目采用优稳公司自主研发的UW600DCS控制系统，对南宁糖业明阳糖厂进行全厂自动化改造，成功设计并实现了：压榨车间自动喂蔗系统，国内首套DCS自动化煮糖系统，并针对动力车间多种开关型调节阀自主设计伺服控制算法，成功解决了此种阀门开度不稳定、无法进行自动调节的问题。另外，对现场16台分蜜机采用Profibus、ModBus等工业总线通讯进行集中控制，成功实现了分密系统的集中化生产管理。此自动化生产控制系统能够很好的满足制糖业各工段的生产需求，实现生产管理的自动化、信息化、智能化。

（1）压榨提汁

压榨提汁生产线按逆物料启动、顺物料停车来运作。即启动时，为了避免设备同时启动而造成负载的陡增，同时也为了防止蔗料在生产线上的堵塞，采用先启动后级设备，延时后再启动前一级的设备的逆向延时启动方式；停机时，为了使在生产线上残余的物料能完成其剩余的工艺流程，采用先停止前一级设备，延时后再停止后一级设备的顺向延时停机方式。另外当设备有故障发生时，控制系统能及时报警并能显示出故障，同时使输送机1和输送机2能立即互锁停机，以免造成严重事故。

压榨车间是蔗糖生产的第一步，其大型设备多，要求高响应高精度的同时，必须保证操作安全及产品质量。压榨系统主要可分为进蔗系统与泵浦系统，进蔗系统主要包括：一、二级带转速控制、提升机转速控制、榨机转速控制以及耙齿机转速联锁控制；泵浦系统主要包括：稀汁桶液位控制、渗透水流量控制以及混合汁流量控制。具体描述如下：

一级带转速控制：一级带相当于入蔗量的预处理控制，此时带速采用串级PID进行自动控制，主调节为二级带料位，其料位值可进行设定，副调为一级带料位，协同主调及时准确调整一级带转速，使二级带料位槽不空槽不涨槽，这样才能保证二级带的均衡进蔗。

图4 压榨一线泵浦界面

二级带转速控制：主要根据核子称传至DCS的实时榨量调整二级带转速的大小，保证其进入榨机的“纤维量”恒定，从而保证榨机的负荷稳定。

榨机转速控制：通过五级料位开关控制，设定好基准转速后，若一级料位开关动作则增加设定转速1，二级料位开关动作则增加设定转速2，三级料位开关动作则增加设定转速3，四级料位开关动作则增加设定转速4，五级料位开关动作则增加设定转速5，同时，相近两个料位开关进行互锁。即用每座高位槽的料位点信号指示本座压榨机调速,保证高位槽料位的稳定高度，从而使通过各压榨机的蔗层厚度均匀，人辘压力均匀、达到高榨、高抽出、低负荷的目的。

耙齿机转速联锁联锁控制：整条生产线只降速度不停机，以保证能够及时顺利开机，稳定生产。各榨机停止对应的耙齿机也停止，另外，一线6#榨机转速降至额定转速10%时，5#耙齿机转速（归0）；锅炉1#皮带停止时，5#耙齿机转速归0；并按5#耙——4#耙——3#耙——2#耙——1#耙——提升机——二级带——一级带的顺序，停止滑差电机的输出转速（调速器归0）。

稀汁桶液位控制：采用智能PID调节器，在均衡压榨的同时，对各个稀汁桶设定合理的液位值，使各个榨机对应的稀汁桶液位做到不空不溢，这样才能保证混合汁液位的稳定。

渗透水控制：首先，进入渗透水箱的冷热水管各有一个开关阀传至DCS，通过控制这两个阀门来调节渗透水箱的温度及液位；然后，通过调节渗透水泵的出口调节阀，来调节进入榨机的渗透水流量。

混合汁流量控制：混合汁的调节首先需要保证其流量的稳定性，而混合汁箱则可以看成压榨车间至制炼车间的一个“缓冲器”，在保证流量的同时，也不允许其抽空或者溢出，本项目中采用智能化数学建模与PID结合进行控制，在液位与流量中引入榨量变化，榨量增加则混合汁流量也进行缓慢增加，同样榨量减小其也逐渐减小，这样自动调节去制炼车间的混合汁流量，保证制炼车间原料正常。

（2）沉清上浮

压榨出来的蔗汁还含有很多杂质，沉清工段通过去除非糖分以提高糖汁的纯度，并降低其粘度和色值，为煮糖结晶提供优质的原料糖浆。

沉清上浮工艺作为贯穿制糖过程的关键操作，直接影响着糖的质量和产量，而时间、温度、pH值则是沉清工段的重要指标。而此次沉清的主要控制难点在于对糖汁一次加热和二次加热温度的控制，也就是对中和反应的控制。

由于蔗汁蒸发受高温影响，将会导致其消耗时间过长，进而使蔗汁的pH值受到时间影响降低，糖汁偏酸，加快转化速度，令温度升高，最后导致时间进一步延长，降低收回率。为避免这种现象的发生，我们通过优稳特有的智能PID对一次加热、二次加热汁汽阀进行控制，精确控制加热温度在100℃左右，使现场实现了自动化控温生产，既减少了人为干扰，又实现了温度的精确控制，保证了生产质量。

图5 沉清控制界面

本次上浮工段通过最小二乘法进行数学建模，精确控制絮凝剂以及磷酸加入量、打泡流量和糖浆流量，与设定值误差达到2.5%以内。从而更好的控制工艺参数，使气泡与絮凝剂充分混合，进入上浮器后更好的捕捉色素物质与胶体颗粒，迅速浮升与清汁分离。为获得低色值、低粘度、低浊度和低含硫的良好糖浆打下了基础。

（3）五效蒸发

蒸发系统是制糖生产过程中的心脏，需将清净后的低锤度稀糖汁通过蒸发，除去大量水份，浓缩成较高锤度65°BX左右的糖浆，供结晶煮糖。

本项目用六个蒸发罐来实现五效蒸发，总会有一个蒸发罐处于备用状态。四效汁汽会从四号蒸发罐或五号蒸发罐出来，然后经过热水平衡箱至上浮器，经过浮清处理后再进入五号或六号蒸发罐，也就是最终的五效汁汽从五号或六号蒸发罐出来，然后经过浓缩罐至沉清糖浆箱，得到清糖浆以用于煮糖。

图6 蒸发DCS界面

由于蒸发系统的六个蒸发罐是连在一起的，上级蒸发罐的汁汽直接进入下级蒸发罐，所以各个蒸发罐的液位也是相互影响的。我们主要控制各个蒸发罐联通管道上的调节阀，通过调节各个蒸发罐的进汁汽量来调节其液位的高低。在此之前，首先需做到稳定初始加热蒸汽压力，这样才能在大环境稳定的前提下对各个蒸发罐的液位进行自动调整。同时还需注意各个蒸发罐的压力，由于蒸发系统采用的是真空差压式蒸发，靠微差压来进行汁汽的有效流转，一效蒸发压力约在0.25MPa左右，逐级递减，所以对各个蒸发罐的真空度控制尤为重要。

我们通过智能化串级PID控制原理，主调节参数为各蒸发罐压力，副调节为反应较为灵敏的蒸发罐液位，实时监测，实时响应。在保证各蒸发罐真空度的前提下，将各蒸发罐的液位维持在量程的三分之一左右，确保为下级煮糖提供优质的糖浆。另外，控制用汽量与五效真空罐的温度，通过不同的压力对应的不同饱和蒸汽温度，对温度设定值进行实时跟踪与调整。这样在保证蒸汽用量处于最佳状态的同时，使用汽效率最大化，将糖分回收率增加，并降低能耗。

（4）煮糖与结晶

在煮糖过程中，真空度、蒸汽压力、入料浓度和温度这四个技术条件，自始至终都是相互影响，相互联系的。在整个煮炼过程中，需要稳定控制好真空度、蒸汽压力、入料浓度与温度，使水分蒸发与蔗糖沉积的速率平衡。

在本项目中，间歇煮糖主要针对甲糖糕的煮制，实现了国内第一套DCS控制的自动化煮糖系统。其控制流程主要分为入种阶段与煮糖阶段。入种阶段为煮糖做准备，针对现场设备进行自动化顺序控制，为煮糖阶段做准备。煮糖阶段为自动控制的核心阶段，优稳系统针对糖厂煮糖工艺过程进行合理建模，将其主要分为：一阶煮水阶段、甲洗阶段、二阶煮水阶段、浓缩放糖、结束洗罐等步骤。

图7 甲糖煮糖DCS操作界面

其中一阶煮水与甲洗阶段可根据工况选择是否投入。煮糖的整个过程主要根据所设定的15段煮糖曲线法来进行自动煮糖，自动调节阀根据煮糖曲线对煮糖罐的液位与锤度进行自动追踪与调节，对入料调节阀及热水调节阀进行自动控制，使锤度与现场液位按预先设置好的经验曲线运行，系统在安装调试好以后无须人工操作和干预，人为因素对系统影响几乎为零，此外操作人员还可以通过人工设置参数来优化调整曲线，例如第一阶段煮水与第二阶段煮水，均可根据现场情况调节相应参数，使系统达到最好的自动化煮糖效果。

自动放糖时，控制系统对搅拌电流与垂度进行双判断，有任意条件达到即可放糖，从而达到精确、顺利放糖的目的。

（5）助晶分蜜

煮糖的过程中，助晶过程是糖糕中晶体继续长大的过程。在煮糖的后期，各种糖糕均有浓度高、粘度大、对流缓慢的特点。这种糖糕不宜在结晶罐中继续煮制。但母液中仍含有大量糖分，若不使其尽量结晶出来，会增加糖分损失。

助晶阶段主要控制助晶时间，一般甲糖为2~4小时，乙糖为4~6小时，丙糖24小时左右。另外控制母液浓度，通过适量加水来控制糖膏浓度，控制结晶体长大所需要的过饱和度，有利于分蜜的顺利进行。

助晶后的各种糖膏仍然是晶体和糖蜜的混合物，必须经过分蜜才能将其中的晶体分离出来。由于糖膏的性质不同，其对分蜜操作与设备的要求也各不相同。甲、乙、丙糖膏的的晶液比、纯度、流动性等依次减小，而含蜜量、粘度等则依次增大，因而分蜜也逐渐困难。

本项目中将现场所有分蜜采用DP、ModBus通讯方式传至DCS，在国内首次实现了远程监控、操作分蜜机的目的，更加有利于分蜜工段的调整与改进。

（6）锅炉汽机锅炉部分主要功能有：汽包水位调节系统，过热汽温调节系统，给水阀前母管压力给水泵调节系统。

汽机部分主要功能有：减温减压器温度调节系统，除氧水箱水位调节系统。

本项目DCS系统主要运用智能PID控制算法，并对过程量PV值进行二选一处理，以保证控制的精确性。另外，汽包水位调节系统采用单冲量与三冲量相结合的方式，当锅炉负荷大于30%时，自动切换至三冲量调节控制。除氧器方面可进行控温或控压的选择，以更好的适应各种现场情况。另外各主要联锁保护，如对空排汽、紧急放水，锅炉主燃料跳闸系统（MFT），汽机ETS系统，实现锅炉的安全生产。

在燃烧控制方面，由于蔗渣含水过高、颗粒度偏大、热值偏低，造成锅炉烟气量增加，Nox排放增加，排烟温度偏高，增加锅炉的排烟损失，影响锅炉热效率。因此配有烘干喷燃系统，具体控制方式如下：

系统设备有刮板机——喂料器-烘干机——破碎机——送料风机，使用过程中下级设备如突然跳停，上级所有设备紧急停机。另设有堵料联锁判断，判断堵料后退出刮板机。调节控制：（1）喂料系统可根据锅炉蒸汽负荷及压力来，通过调整喂料机的转速来调整锅炉喂料量；（2）喂料系统烘干机温度，根据设定的温度值调节热风风门，以满足烘干要求。

本项目不仅实现了汽包水位、减温水、除氧水、喂料器、锅炉点火等自动控制，且优化完善了紧急放空放水、紧急设备停机、皮带之间联锁停机、打包分组及自动排污等控制方式。另外，锅炉、打包进行集中控制，减少车间两个工序因独立操作信息不通畅，有利于锅炉燃烧均衡和安全生产。同时，为了提高车间设备信息化和自动化控制水平，通过升级/改造设备，使基础设备的可靠性、稳定性有所提高，为自动控制提供良好的基础平台。

4 实施效果

（1）设置17个控制室，相互独立又紧密联系，在任一控制室均能实现全场监控，信息共享，又能通过权限分配机制，明确操作权限。控制站繁多，站间通讯量大，由于以前大多是人为手动操作，因此各个岗位交杂繁多。为使现场人员能够尽快的适应DCS操作，并能够及时的处理现场问题，本项目共设计了17个控制室，共计38台电脑，系统网络错综复杂，各个站点间的控制测点依靠系统的强大通讯带载能力，不依靠硬接线相连，互相引用，遍布全厂各个角落。且操作权限分至各个工段，每台电脑均可查看全厂各个车间的生产情况，但仅能对本岗位所负责的设备进行操作，在加强管理的同时，也促进了生产。

（2）强大的通讯能力，整合了厂内原有的所有独立单元控制设备，建立全局数据库，实现全自动控制的同时，为上层的信息化建设打下基础。第三方通讯设备多，通讯量大，通讯方式多样，UW600系列控制系统具有内外部通讯强大的功能。为了给现场操作人员带来更多方便，也为了节省项目资金，加快项目进度，本项目与第三方通讯多达20余个，且大多为第三方PLC控制系统，包括：欧姆龙、西门子200、西门子300、西门子1200等，总通讯点数达到2000多个，而经过这一个榨季的考验，充分体现出了UW600系统的稳定与可靠。

（3）通过编写DCS算法解决老旧阀门不可用问题。由于现场老旧开关阀太多，阀门定位器调节不可靠，遂通过编写DCS内部算法跳过阀门定位器直接对部分开关阀进行控制。解决了包括锅炉减温水、糖浆流量、上浮打泡等阀门的自动控制，不但节约了成本，更方便了现场人员的使用。

（4）液位可控、精准放糖：由于现场设备老旧，锤度计、液位计不准确，在甲糖自动控制算法中，无法按照传感器液位进行煮糖，也无法按照传感器锤度放糖。在现场施工人员、明阳煮糖师傅的配合下，通过将液位传感器与实际液位校对的方法，重新在DCS端进行液位校准，实现了自动煮糖中的液位可控；另外，在放糖时候采用电流放糖法，成功实现了最后的准确放糖。

（5）取消电铃联系，DCS命令传达速度更快、更稳定。以往各个岗位之间发生紧急事故时，需要通过电铃进行联系，不仅反应慢，而且会由于电路老化等原因造成联系失败。现在全厂改造完毕后，以UW600控制系统为基础，各个车间可通过DCS系统互相发送，开榨、停榨、减榨、增榨等指令，不仅加快了反应速度，而且通过DCS系统发出指令也更加稳定。

（6）DCS联锁代替现场硬联锁，更加可靠。由于现场以前所用硬联锁电路时间过长，接触器触点及电路老化严重，现场设备出现问题时往往联锁未能起作用。现将所有关键联锁都用DCS投入，DCS系统强大的运算能力及可靠性，使现场出现生产问题时及时停机，避免造成更大的生产事故。

综上所述，DCS系统在此次改造过程中，既解决了许多老旧设备的控制问题，又方便了现场人员的操作。同时，也使得人工控制不了的设备在DCS端得到了稳定控制，建立实施全局完整实时数据库系统，实现与主要生产装置、设施的控制系统（DCS、PLC等）集成，工厂生产信息实现共享，生产信息实现可视化，达到优化生产，节约能源的目的，最终也赢得了现场的认可。

5 效益分析

该项目成功助力南宁糖业股份有限公司“三化”项目顺利投产，投入运行后效益显著提升，其中，压榨抽出率完成97.27%，较上一榨季提升0.19%；废蜜产率降低0.09%；废蜜重力纯度减低1.38%；三项指标优化共增加产糖1362吨，用工总量减少385人，减少人员得到合理安置；共产生经济效益3255.8万元。

摘自《自动化博览》2020年4月刊