梁賢慧,駱榮貞
(1.廣西工程咨詢(xún)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧530021;2.廣西糖業(yè)集團(tuán)開(kāi)泰供應(yīng)鏈管理有限公司,廣西 南寧530022)
甘蔗制糖屬于傳統(tǒng)行業(yè),食糖市場(chǎng)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)中存在的需求不斷的變化發(fā)展,使制糖工業(yè)中存在的競(jìng)爭(zhēng)逐漸激烈,也使制糖工業(yè)與其他的行業(yè)看齊,愈發(fā)對(duì)科學(xué)化的管理與人力的節(jié)約以及原材料的節(jié)省方面更加重視[1]。因此,自動(dòng)化技術(shù)可以于制糖中被廣泛使用,因?yàn)樗軌驅(qū)ιa(chǎn)情況進(jìn)行反映、能夠替代人工的操作。目前,“一步法”糖廠生產(chǎn)過(guò)程中除煮糖工序外的其他工序,如甘蔗壓榨、蔗汁清凈等都已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化,而在煮甲糖膏階段,目前多數(shù)糖廠仍處于純手工或半自動(dòng)狀態(tài),仍依賴(lài)人工拉取樣棒抽取物料,在玻璃片上觀察判斷晶種大小、數(shù)量,以及均勻度,并據(jù)此判斷決定下一步的操作,另外,操作人員要根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中物料、汽壓、真空度等的變化,隨時(shí)調(diào)節(jié)閥門(mén)來(lái)控制煮煉過(guò)程。人工煮糖存在操作者水平差異、操作偶然性等不確定因素,因此操作者的經(jīng)驗(yàn)會(huì)直接影響糖膏的結(jié)晶率、產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和能耗。而國(guó)內(nèi)外技術(shù)先進(jìn)的“二步法”糖廠中,原糖和精制糖的煮糖工段已完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化,值得“一步法”糖廠借鑒學(xué)習(xí)。
自動(dòng)煮糖從原理上說(shuō)是模仿人工煮糖操作,它通過(guò)將人工煮糖的各個(gè)階段的操作進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,形成一套標(biāo)準(zhǔn)化控制流程,由電腦按標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)要求控制煮糖罐各個(gè)閥門(mén)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作,在整個(gè)煮糖過(guò)程幾乎不再需要人工干預(yù),從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。
煮糖結(jié)晶是通過(guò)控制糖液的過(guò)飽和度來(lái)進(jìn)行的,但由于糖液過(guò)飽和度無(wú)法用儀表直接測(cè)定,而糖液錘度與糖液的過(guò)飽和度有較高的相關(guān)性,因此煮糖的自動(dòng)控制常通過(guò)測(cè)定和控制糖液錘度來(lái)進(jìn)行。在人工煮糖中,通常是采用“逐步濃上”的煮糖操作方法,在自動(dòng)煮糖中仍然是采用這個(gè)方法。我們把投粉點(diǎn)的錘度值作為初始錘度值,把放糖的錘度值看作最終錘度值,可以把煮糖過(guò)程看成是一個(gè)錘度值隨料位高度變化的曲線函數(shù)。通過(guò)與實(shí)時(shí)錘度檢測(cè)信號(hào)、罐內(nèi)料位高度信號(hào)、入料流量信號(hào)和汽凝水流量信號(hào)等進(jìn)行模擬運(yùn)算,得到控制信號(hào),用于控制入料閥的開(kāi)度,實(shí)現(xiàn)煮糖連續(xù)煮上。
在整個(gè)煮糖過(guò)程的自動(dòng)控制中,用于罐內(nèi)糖膏錘度監(jiān)測(cè)的錘度儀是關(guān)鍵的測(cè)量?jī)x表,其測(cè)量精度和可靠性要求很高,目前常用的是國(guó)外進(jìn)口的微波錘度計(jì),微波錘度計(jì)的原理是利用微波高頻信號(hào)在溶液中傳輸時(shí)被水分子吸收,造成自身的衰減和相移,其變化量與溶液濃度具有很好的對(duì)應(yīng)性,可通過(guò)運(yùn)算得到溶液濃度。微波錘度計(jì)測(cè)量精度高達(dá)0.2%,且可靠性高,具有良好的在線測(cè)量性能。因此在糖廠的自動(dòng)化控制中應(yīng)用廣泛。
在國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的“二步法”制糖中,精糖生產(chǎn)通常采用間歇自動(dòng)煮糖技術(shù),原糖生產(chǎn)大多采用連續(xù)自動(dòng)煮糖技術(shù)。“二步法”制糖全自動(dòng)煮糖技術(shù)在歐洲、日本、泰國(guó)等制糖發(fā)達(dá)的國(guó)家應(yīng)用較為普遍,且技術(shù)成熟,穩(wěn)定性好。
在先進(jìn)的精糖廠中,精糖煮煉采用全自動(dòng)煮糖系統(tǒng),通常選用間歇煮糖罐實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,自動(dòng)控制對(duì)象是間歇罐真空度控制、加熱汽鼓蒸汽壓力、間歇罐液位控制、間歇罐錘度控制、熱水控制、原料箱液位等。間歇煮糖罐的控制界面和參數(shù)設(shè)置界面,如圖1和圖2所示。
通常間歇煮糖罐自動(dòng)煮糖過(guò)程的操作步驟如下。
圖1 間歇煮糖罐的控制界面
圖2 間歇煮糖罐的參數(shù)設(shè)置界面
第一,抽真空。煮糖開(kāi)始,首先打開(kāi)真空閥,當(dāng)罐內(nèi)真空度到達(dá)設(shè)定數(shù)值時(shí),則進(jìn)行下一步驟。
第二,進(jìn)底料。自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)料閥抽入底料,進(jìn)底料的量按初始設(shè)置參數(shù)決定,達(dá)到設(shè)置參數(shù)后關(guān)閉進(jìn)料閥。
第三,濃縮。自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)汽閥濃縮底料,此步驟是為接種作準(zhǔn)備,底料濃縮到達(dá)的濃度參數(shù)根據(jù)人工操作的經(jīng)驗(yàn)確定,并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整,一般在77~80°Bx之間。
第四,抽種。底料濃縮達(dá)到指定濃度后,關(guān)閉進(jìn)汽閥,自動(dòng)打開(kāi)抽種閥接種,接種量按設(shè)定參數(shù)確定。接種完成關(guān)閉抽種閥。
第五,吸收。接種后,按設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行養(yǎng)晶,養(yǎng)晶時(shí)間一般設(shè)置為幾分鐘。
第六,煮上。自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)汽閥和進(jìn)料閥,開(kāi)始連續(xù)入料煮上,煮上的速度由進(jìn)汽壓力決定,進(jìn)汽壓力大,蒸發(fā)量就大,入料流量就大,罐內(nèi)料位高度上升就越快。同時(shí),煮上的糖膏的濃度控制跟隨料位高度升高而升高,由初始的78~80°Bx逐步升高至88~89°Bx。
第七,深度濃縮。此時(shí)煮糖罐料位已達(dá)到設(shè)定高度,關(guān)閉入料閥,關(guān)小進(jìn)汽閥,進(jìn)入深度濃縮階段,糖膏慢慢濃縮到終點(diǎn)濃度即90~91°Bx。
第八,放糖。此時(shí)關(guān)閉進(jìn)汽閥,關(guān)閉抽真空大閥,打開(kāi)解除真空閥,當(dāng)罐內(nèi)真空下降至設(shè)定數(shù)值后,打開(kāi)放糖閥,糖膏排入助晶機(jī)。
第九,汽洗。放糖完成后打開(kāi)蒸汽清洗閥清洗煮糖罐,排除積糖,清洗時(shí)間可以在設(shè)置界面中設(shè)置。清洗結(jié)束后,關(guān)閉清洗閥和放糖閥。
此時(shí)煮糖程序結(jié)束,等待新的指令開(kāi)始下一罐煮糖操作。
在國(guó)內(nèi)外的原糖廠中通常采用連續(xù)煮糖罐進(jìn)行各段糖膏的煮煉,連續(xù)煮糖罐有臥式和立式兩種,其中臥式在糖廠應(yīng)用較多,臥式連續(xù)煮糖罐配套設(shè)施工藝圖,如圖3所示。
圖3 臥式連續(xù)煮糖罐配套設(shè)施工藝圖
目前常見(jiàn)的臥式連續(xù)煮糖罐內(nèi)部根據(jù)設(shè)計(jì)容量通常被分成10~16個(gè)隔室,每個(gè)隔室中均設(shè)置有錘度探測(cè)儀,可以顯示各個(gè)隔室的糖膏實(shí)時(shí)錘度。同理按照逐步濃上的煮糖操作原則設(shè)置抽種隔室、放糖隔室和中間隔室的控制錘度。通過(guò)各隔室的實(shí)時(shí)錘度和控制錘度的比較和運(yùn)算,得到控制信號(hào)控制各隔室的入料閥,實(shí)現(xiàn)各隔室連續(xù)入料。臥式連續(xù)煮糖罐的放糖管須具備一定的高度,一般是從助晶機(jī)側(cè)面下部插入助晶機(jī),依靠助晶機(jī)內(nèi)糖膏的密封作用,可以防止真空泄漏,從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)放糖。該助晶機(jī)也稱(chēng)糖膏接收箱,糖膏從上部排出進(jìn)入另一個(gè)助晶機(jī),然后去向分蜜工序。法國(guó)某公司的連續(xù)煮糖罐的控制界面和參數(shù)設(shè)置界面,如圖4和圖5所示。
近年來(lái),由于國(guó)內(nèi)一些“二步法”糖廠或精煉糖廠成功引進(jìn)了自動(dòng)煮糖技術(shù),國(guó)內(nèi)廠家在此基礎(chǔ)上對(duì)該技術(shù)進(jìn)行吸收改造,目前國(guó)內(nèi)也有多家生產(chǎn)耕地白砂糖的制糖企業(yè)將自動(dòng)煮糖技術(shù)應(yīng)用于糖膏的煮煉,其中臥式連續(xù)煮糖罐用于丙糖膏的煮煉已較為普遍,丙糖膏連續(xù)煮糖技術(shù)同原糖的煮煉。
圖4 法國(guó)某公司的連續(xù)煮糖罐的控制界面
圖5 法國(guó)某公司的連續(xù)煮糖罐的參數(shù)設(shè)置界面
但由于“一步法”糖廠甲糖膏的煮煉操作與精制糖或原糖差異較大,國(guó)外的自動(dòng)煮糖技術(shù)無(wú)法直接用于甲糖膏的煮煉,加上近些年來(lái)國(guó)內(nèi)制糖行業(yè)經(jīng)濟(jì)不景氣,糖廠技術(shù)改造的動(dòng)力不足,因此目前甲糖膏基本上仍處于半自動(dòng)甚至純?nèi)斯ぶ鬅挼碾A段,尚未實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。不過(guò)近些年來(lái)也有一些研究進(jìn)展,例如由中國(guó)輕工業(yè)南寧設(shè)計(jì)工程有限公司研制的自動(dòng)煮糖系統(tǒng),2017/2018年榨季在廣西糖業(yè)集團(tuán)良圻制糖有限公司投入應(yīng)用,其煮煉所得產(chǎn)品白砂糖各項(xiàng)理化指標(biāo)和感官指標(biāo)穩(wěn)定,并且提高了效率,減少人工成本,煮煉過(guò)程節(jié)省了時(shí)間,從而也減少了能耗[2]。由杭州優(yōu)穩(wěn)自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)的國(guó)內(nèi)首套DCS自動(dòng)化煮糖系統(tǒng),2018/2019年榨季在南寧糖業(yè)明陽(yáng)糖廠初步試驗(yàn)成功,結(jié)果表明,糖廠通過(guò)自動(dòng)化改造,壓榨抽出率提升0.19%、廢蜜產(chǎn)率降低0.09%、產(chǎn)糖量增加1362噸和總用工減少385人[3]。另外,自動(dòng)煮糖系統(tǒng)在甜菜生產(chǎn)白糖中也運(yùn)用較為成功,博天糖業(yè)有限公司張北分公司利用杭州和利時(shí)自動(dòng)化有限公司生產(chǎn)的MACS-S DCS控制系統(tǒng),使煮糖過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化,制糖各項(xiàng)指標(biāo)也較人工煮糖得到提升[4]。
目前“二步法”煮糖已基本實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化,法國(guó)Fives公司臥式連續(xù)煮糖罐,BMA公司立式煮糖罐在“二步法”自動(dòng)煮糖中運(yùn)用較為普遍,但由于國(guó)內(nèi)外制糖關(guān)鍵工藝參數(shù)的差異,引進(jìn)的國(guó)外自動(dòng)煮糖技術(shù)不一定就能適應(yīng)本國(guó)的糖廠,中糧(唐山)糖業(yè)有限公司經(jīng)進(jìn)一步優(yōu)化煮糖罐結(jié)構(gòu)和控制程序,實(shí)現(xiàn)了煮糖結(jié)晶過(guò)程的全自動(dòng)控制和信息化管理,達(dá)到了節(jié)能減排增效的目的[5]。
而要實(shí)現(xiàn)“一步法”煮煉甲糖膏全自動(dòng)化,仍需進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)與開(kāi)發(fā)作為重點(diǎn)環(huán)節(jié),使其建成的算法與邏輯能夠與人工煮制中檢測(cè)與判斷以及調(diào)節(jié)等無(wú)限接近。
未來(lái)的自動(dòng)化正向人工智能系統(tǒng)發(fā)展,將帶有智能芯片和5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能生產(chǎn)設(shè)備同人工智能管理技術(shù)相結(jié)合,有效地集成監(jiān)督控制、在線優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度、企業(yè)管理和經(jīng)營(yíng)決策等功能,通過(guò)人工智能對(duì)生產(chǎn)全過(guò)程的不斷自我優(yōu)化,最終形成一個(gè)最為經(jīng)濟(jì)、高效的生產(chǎn)模式。
站在新的起點(diǎn),只有繼續(xù)進(jìn)行升級(jí)改造,將生產(chǎn)自動(dòng)化的水平進(jìn)行提升,才能使糖企降低人工、運(yùn)營(yíng)維護(hù)和能耗等生產(chǎn)成本,進(jìn)而確保糖企能夠穩(wěn)定、長(zhǎng)期的發(fā)展。