高莉麗，王湘妍，馬志新

（1.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.河南省醫(yī)藥學(xué)校，河南 開封 475000）

0 引言

我國現(xiàn)階段酒精生產(chǎn)企業(yè)的自動化裝置水平參差不齊，有的小酒精廠還停留在幾塊溫度表和幾塊壓力表的階段，全憑操作工人的經(jīng)驗操作；有些酒精廠在液化糖化、發(fā)酵、蒸餾等工序采用了自動顯示和控制工藝；僅有少數(shù)酒精廠在蒸餾工段采用了微機自動控制方案。 本文對酒精生產(chǎn)的糖化工段進行了自動控制方案的設(shè)計。

在進行自動控制方案設(shè)計時，被控變量是希望生產(chǎn)過程中保持在定值的過程參數(shù)[1]。 影響糖化工藝的因素很多，有糖化溫度、糖化時間、pH 值、糖化酶用量、酶的活性、壓力等等。 由于糖化時間對工藝的影響具有不確定性，因此選擇pH 值、糖化酶的添加量和糖化溫度作為被控變量進行設(shè)計。

1 pH值的自動控制方案

1.1 pH值的影響因素

在酒精液糖化工段中，pH 值的影響因素有很多。 如，硫酸或者氨水流量大小的波動，使其用量不均，導(dǎo)致酸堿度偏離實際要求；拌料罐的攪拌，導(dǎo)致拌料罐的溫度上升，影響反應(yīng)速率，也會影響pH 值的偏離；還有攪拌的不均勻，等等。 在這些因素中，攪拌器的攪拌不均勻和攪拌罐的溫度升高是客觀存在的，為不可控因素，只能盡量降低。 硫酸以及氨水的流量為可控因素，可以通過控制系統(tǒng)來進行實時調(diào)節(jié)。

1.2 操縱變量的選擇

操縱變量是指在控制系統(tǒng)中，用來克服干擾因素對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量[1]。 最常見的操縱變量是介質(zhì)的流量。 操縱變量的選擇原則有：（1）操縱變量應(yīng)該是可控的，即工藝上允許調(diào)節(jié)的變量。 （2）操縱變量一般應(yīng)比其他干擾因素對被控變量的影響更加靈敏。 （3）除了從自動化的角度考慮外，還應(yīng)考慮工藝的合理性與生產(chǎn)的經(jīng)濟性。

根據(jù)以上原則，選擇硫酸的流量作為操縱變量。自動控制系統(tǒng)的任務(wù)就是通過調(diào)節(jié)拌料罐入口處硫酸的流量來調(diào)節(jié)pH 值，從而使其保持在所要求的范圍內(nèi)。

1.3 控制規(guī)律的選取

此控制系統(tǒng)采用的是單回路簡單控制系統(tǒng)，主要由被控對象、控制器、執(zhí)行器和測量變送裝置4 大基本部分組成。

目前，工業(yè)上常用的控制器主要有3 種控制規(guī)律：比例控制規(guī)律、比例積分控制規(guī)律和比例積分微分控制規(guī)律，分別記為P、PI 和PID。 控制規(guī)律的選取應(yīng)遵循以下原則：（1）在一般的控制系統(tǒng)中，比例控制是不可少的。 當(dāng)廣義對象控制通道時間常數(shù)較小、負荷變化較小、工藝要求不高時，可選擇單純的比例調(diào)節(jié)規(guī)律，如貯罐液位、不太重要的壓力等參數(shù)的控制等。 （2）當(dāng)廣義對象的控制通道時間常數(shù)較小、負荷變化較小而工藝要求無余差時，可選用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，如管道壓力、流量等參數(shù)的控制。（3）當(dāng)廣義對象控制通道的時間常數(shù)較大或容量滯后較大時，應(yīng)引入微分作用。 如工藝允許有誤差，可選取比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律；如工藝要求無誤差，則選用比例積分微分調(diào)節(jié)規(guī)律，如溫度、成分、pH等參數(shù)的控

制[1]。

鑒于上述原則，我們采用PID 控制方案。

1.4 測量元件的選取

在此控制系統(tǒng)中，需要選取的測量元件是pH 計，用來測量溶液的酸堿度。 目前，pH 計有很多都是集傳感、變送、顯示為一體的。 所以，這里直接選用符合工藝要求且具有顯示功能的儀表。

2 溫度自動控制方案

2.1 溫度的影響因素

在糖化工段中，影響物料溫度的因素隨處可見。一方面，冷卻水的流量變化將導(dǎo)致物料的溫度不穩(wěn)定，產(chǎn)生波動；另一方面，外界環(huán)境的溫度也會使物料的溫度變化。 同時，糖化反應(yīng)放熱也使整個罐體的溫度上升，間接導(dǎo)致溫度變化。 在這些影響因素中，外界的環(huán)境溫度以及由于糖化反應(yīng)而產(chǎn)生的大量熱兩項因素被視為不可控因素。 對于冷卻水的流量，可以通過改變閥門的開度進行控制，從而調(diào)整溫度，所以冷卻水的流量是可控的。

2.2 操縱變量的選擇

通過上述分析，根據(jù)1.2 中操縱變量的選擇原則，選擇冷卻水的流量作為操縱變量。 自動控制系統(tǒng)的任務(wù)就是通過調(diào)節(jié)冷卻水閥門的開度來調(diào)節(jié)冷卻水的流量，達到調(diào)節(jié)物料溫度的目的，從而使其保持在所要求的范圍內(nèi)。

2.3 控制規(guī)律的選取

在溫度控制系統(tǒng)之中，采用的仍然是單回路簡單控制系統(tǒng)。由于被控參數(shù)是溫度，所以根據(jù)1.3 中控制規(guī)律的選用原則，同樣選用PID 控制規(guī)律。

2.4 測量元件的選取

此時的測量元件是測溫元件。 常見的測溫元件按工作原理分為膨脹式溫度計、壓力式溫度計、熱電偶溫度計、熱電阻溫度計和輻射高溫計。 工程中，經(jīng)常使用熱電阻溫度計和熱電偶溫度計來測量溫度。

熱電偶溫度計由感溫元件熱電偶、測量儀表、連接熱電偶和測量儀表的導(dǎo)線3 部分組成，其核心元件是熱電偶。 這類儀表一般適用于測量500℃以上的較高溫度，且價格較貴。 對于在500℃以下的中、低溫工況，不宜采用熱電偶溫度計進行測量。

對于熱電阻溫度計而言，熱電阻是測溫元件，是最主要的部分，是金屬體。 目前，應(yīng)用最為廣泛的熱電阻材料是鉑和銅。 在氧化介質(zhì)中，甚至在高溫下，鉑電阻物理、化學(xué)性質(zhì)都非常的穩(wěn)定，一般作為標(biāo)準(zhǔn)儀表使用。 但在還原介質(zhì)中，特別是在高溫下，很容易被玷污，使鉑絲變脆，并改變其電阻與溫度間的關(guān)系。 因此，應(yīng)特別注意保護。 另外，與銅電阻相比，鉑電阻的價格較高。 所以，鉑電阻一般只用于測量500℃以上的溫度。 而銅電阻易加工提純、價格便宜、電阻溫度系數(shù)很大，且電阻與溫度呈線性關(guān)系。在測溫范圍-50～+150℃內(nèi)，銅電阻具有很好的穩(wěn)定性，但溫度超過150℃后，就容易被氧化，并且氧化后就失去了良好的線性特性。 所以，銅電阻一般用來測量準(zhǔn)確度要求不高、溫度范圍在-50～+150℃之內(nèi)的溫度。

在糖化罐的糖化過程中，糖化溫度應(yīng)按照工藝要求控制在60℃。 所以，本設(shè)計選用銅熱電阻溫度計作為測溫元件。

3 酶用量自動控制方案

3.1 溫度的影響因素

在酒精液糖化工段中，酶用量影響因素也有很多。 酶的活性、酶流量大小的改變會導(dǎo)致酶單位時間用量的變化，從而會使單位質(zhì)量的物料所加酶的量偏離實際要求；外界溫度的影響，使酶的反應(yīng)溫度難達到最佳狀態(tài)，從而導(dǎo)致酶的實際用量與要求有差值。

3.2 操縱變量的選擇

通過上述分析，可以看出，影響酶用量的主要因素就是控制酶的流量。 如果酶多了，那么就將流量閥門開度減小，使酶的流量減小，從而使糖化罐中的酶減少；反之，則應(yīng)將流量閥門開度調(diào)大，使酶的流量增大，繼而使糖化罐中的酶量增多。 所以，根據(jù)1.2 中操縱變量的選擇原則，選擇酶的流量作為操縱變量。

3.3 控制規(guī)律的選取

在酶用量的控制系統(tǒng)之中，仍然采用單回路簡單控制系統(tǒng)。 由于被控參數(shù)是酶的用量，所以根據(jù)2.3 中控制規(guī)律的選用原則，選用PI 控制規(guī)律。

3.4 測量元件的選取

此時的測量元件是測量流量的流量計。 在選用流量計時，首先要考慮流體的性質(zhì)和狀態(tài)，其次要考慮工藝允許的壓力損失、額定流量。 同時，還應(yīng)注意使用場合的特點、測量精度的要求，以及顯示的方式等等。

常見的流量計有壓差式流量計、 轉(zhuǎn)子流量計、電磁式流量計等。 壓差式流量計是基于節(jié)流原理來進行流量測量的，可以測量除固體介質(zhì)以外的任何介質(zhì)的流量。 該流量計已經(jīng)實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化生產(chǎn)，但在使用時，壓力損失比較大。 轉(zhuǎn)子流量計是由一個錐形管和一個可以在錐形管中上下自由運動的轉(zhuǎn)子兩部分組成的，它結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、價格便宜，壓力損失比壓差式流量計小。 但是，這種儀表的性能和準(zhǔn)確度不高，當(dāng)流量大小發(fā)生突變或者垂直度有偏差時，轉(zhuǎn)子容易產(chǎn)生摩擦，甚至被卡死，給測量帶來很大誤差。 因此，轉(zhuǎn)子流量計通常用來測量小流量酶。 電磁式流量計由變送器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成，可以測量導(dǎo)電液體的流量，不受流體物性的影響，測量范圍也比較寬（可以測量兩個不同方向的流量，可測含雜質(zhì)液體，同時還可以測量強酸、強堿以及鹽類等腐蝕性液體）。 在測量時，電磁式流量計受流動狀態(tài)的影響小，測量中沒有壓降，不會對流動造成損失。 但是，由于沒有考慮密度的變化，用起來相對比較復(fù)雜。 當(dāng)測量有雜質(zhì)的黏性流體時，黏性物容易附著在電極上，從而產(chǎn)生測量誤差。 因此，使用時必須注意清洗。 同時，測量時干擾信號比較多。 綜合以上各種因素，電磁式流量計通常用于其他流量計不能使用的場合。

經(jīng)分析，本設(shè)計選擇差壓式流量計，經(jīng)濟適用，雖然有一定的壓力損失，但是對工段的影響不大。

4 結(jié)語

酒精生產(chǎn)過程是一個包含多種變量的復(fù)雜系統(tǒng)，而且在酒精生產(chǎn)的各種影響因素中，有的是可控的，有的屬于不可控的。 因此，自動控制人員和工藝人員必須密切配合，認真地進行分析研究，制訂出一個有效的、切實可行的控制方案。 同時，在線優(yōu)化是酒精生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)取得最佳經(jīng)濟效益的關(guān)鍵所在。 我國現(xiàn)有的酒精生產(chǎn)企業(yè)，應(yīng)從長遠的、戰(zhàn)略的眼光來看問題，將先進過程控制與在線實時優(yōu)化應(yīng)用于酒精生產(chǎn)過程的自動化改造之中，以提高我國酒精行業(yè)整體的自動化控制水平，從而達到挖潛增效、節(jié)能降耗的目標(biāo)。

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