压榨自动化控制系统在糖厂中的应用 1、项目来源 自中国“入世”以来，制糖行业面临着前所未有的机遇和挑战，糖价持续走低，企业要想扭亏增盈，出路何在？仅靠政府的政策扶持、靠行业结构调整和企业重组并购、靠规模效益等等还远远不够，制糖企业要想走出困境，实现可持续发展的道路，还应该在降低生产成本、提高效率上多下功夫。降低成本和提高效率取决于多方面因素，其中，提升制糖企业的自动化水平和信息化管理无疑是重要的措施之一。 目前，中国制糖企业的自动化水平相当低，生产过程的机械和设备基本是靠人工操作或监控，同等规模的糖厂中国需要每班两百名操作工，而国外自动化程度高的国家仅需几人或十几人。制糖企业的信息化管理则更是一个陌生的名词，不用说与欧美国家相比，就是与国内其它行业比较也已经远远落后。一般来说，糖厂的自动化水平与技术装备是成正相关的，但凡设备精良的糖厂其自动化程度也高，欧洲和东南亚一些新建糖厂正是如此。而美国的情况却不太一样，很多美国的原糖厂设备并不比中国先进，但自动化程度却相当高，也就是说，自动化可以使糖厂的陈旧设备焕发出新的活力。技术装备的更新换代投资巨大，是一个缓慢过程，如果学习美国经验，对中国的糖厂进行自动化方面的改造，挖掘旧装备的潜能，减低人为因素，就会在降低生产成本、减少过程损失、提高劳动生产率等方面发挥重要作用，而且自动化方面的投入相对于设备投入来说，投资少，见效快。 为推动中国制糖企业的自动化进程，2003年广西贵糖（集团）股份有限公司承担了国家经贸委资助广西“糖业结构调整共性技术开发”项目的其中一个子项目，即“糖厂压榨自动化控制系统”。目前，该项目已经在2003/2004榨季投入正常使用，2004年2月通过广西区经贸委项目验收。 2、设计思路 我们在设计之初，根据国家经贸委下达的项目任务书要求，综合考虑工程投资成本、合作方条件、技术和设备先进程度、共性技术的示范作用等多方面因素，力争将压榨自动化控制系统设计成国际先进，国内领先。在考察了国内、泰国、澳大利亚的糖厂之后，我们发现南宁宏智公司的均匀进榨自控系统已为许多中小糖厂采用，反映效果良好，该系统用核子称作为自控过程的基础信号调节输蔗带，达到均匀入榨的目的，其较小的投资适合资金有限的糖厂。而澳大利亚SRI制糖研究所的压榨自控技术除均匀进榨之外，还包括榨机列的调速、扭矩保护和DCS控制方式，是世界上最先进的压榨间全自动控制系统。为了使国家资助的项目能够达到国际进行水平，同时投资又不要过大，利于行业推广，我们决定只引进澳洲的核心技术，包括高位槽设计和相关检测元件。与国内著名工业自动化研发部门－北京和利时系统工程股份有限公司合作，自主开发DCS控制系统。电气部分采用先进可靠的瑞典ABB直流传动设备。贵糖则负责全部机械设备的设计制造和基础实施建设。如果用一个人来比喻自控系统组成的话，SRI元件（相当于人的眼睛），监测系统运行并把信号传送给和利时DCS控制中心（相当于人的大脑），DCS将信号整理再向ABB执行机构（相当于人手）发出调控指令。可见，上述三家公司三位一体，必须有效配合，缺一不可。 为使中国的制糖行业能在企业信息化方面也迈出了坚实的一步，本项目不仅仅着眼于压榨间本身的自动化控制过程，而是将压榨自动化当成是贵糖逐步实现公司“管控一体化”模式的一个子项目。将压榨间的DCS控制系统与公司现有的局域网进行光纤网络连接，通过网络服务器新增的RealMis系统进行实时通讯，监控和分析压榨间的工况参数和自控效果，实现公司的管理者在办公室全面掌握和远程指导生产的目的。尽管这种“管控一体化”构想还只是一个雏形，但它为公司的其它分厂，如热电厂、碱回收、第一、二、三造纸厂的DCS自动控制系统实现网络化和实时监控起了一个良好的开端。一旦各分厂的DCS系统、网络中的RealMis实时系统和公司的管理系统ERP（在建）实现了网络化连接和系统整合，形成完整的管控一体化模式，则贵糖的管理水平必将发生一次质的飞越。而且，贵糖作为制糖行业的排头兵不仅能在某项共性技术上成为全行业的样板，还能在更高层次上，即信息化管理方面树立典范。 3、系统结构 为实现压榨全自动化控制，该系统博采国内外顶尖技术和装置，由四个公司合作完成。 3.1 高位槽设计 像国内大多数糖厂一样，贵糖的榨机列原来只有在第1座压榨机上方装有垂直高位槽，其它5座榨机仅装有敞口斜溜槽。为实现压榨间全自动控制，在澳大利亚SRI公司的技术指导下，贵糖的工程技术人员自行设计加工了其它五座呈10度倾斜角的密闭式垂直高位槽，高度2.3米，厚度0.6米。在高位槽的旁板上安装两条有机玻璃视窗，顺高度方向固定了10个检测料位高度的电子元件。第1和第6座高位槽的后槽板设计成能够自由顶入150mm的活页档板，由电动执行器根据榨机扭矩的保护需要，瞬时减小挡板开度。此时的高位槽有几个作用：1）作为流动物料的缓冲容器，便于自控系统检测元件的工作，以实时料位高度作为榨机自动调速的给定信号；2）一定高度的料位对压榨机的入蔗产生压力，提高了榨机的入蔗能力；3）料位的缓冲作用可避免蔗层厚薄不匀或两端不匀，减少了压榨机的负荷和扭矩的波动；4）在同等负荷甚至较低负荷下，由于蔗层均匀导致了高榨量和高抽出；5）活动挡板在扭矩瞬时增大到限点时被立即顶入，减少入蔗，当扭矩恢复后，立即释放挡板。 3.2 检测单元 压榨自控系统的主要检测元件和装置都是由澳大利亚SRI（Sugar Research International）公司提供，包括高位槽传感器和扭矩监控系统。 3.2.1 高位槽传感器 高位槽传感器通过测量槽壁10个电极的导电性进行工作，当蔗渣自上而下流过这些电极时，就开始测其导电性。该传感器测试每一个电极中的微小电流，并检测此电流是否超过表明电极已被覆盖的临界值。由于电极镶在玻璃板上与槽壁绝缘，当蔗渣中的水分引起电极与槽壁之间通电并超过临界值，说明蔗渣已覆盖在某一电极所处的高度上。将最低到最高电极的覆盖率转换成10－100％的料位高度，再用4－20毫安电流输出模拟信号。 3.2.2 扭矩监控系统 扭矩监控系统是一种短程遥感系统，它采用变形仪监测转动的榨机轴扭矩，该系统可直接安装在现存系统榨机轴上。它主要由四部分组成，主控系统、电磁感应环、发射装置、一对350欧姆变形仪。 主控系统由几个插入式模块组成，包括提供240伏AC电源的供电模块，给电磁感应环提供动力的驱动模块，破译来自电磁感应环的信号并产生与榨机扭矩大小成正比例电流信号的接收器模块，以及将接收器模块的输出信号转换成4－20毫安输出信号的调节器模块。 电磁感应环由内外两个环组成，内环装在榨机轴上随轴转动，外环固定并由主控系统通过屏蔽电缆驱动。 发射装置模块装在内环上，该单元上包括一个变形仪放大器、一个校准桥和遥感元件，从外环接受电磁感应驱动并返回遥感信号。 变形仪焊在榨机轴上，并用导线与发射器相连，两套变形仪分别装在榨机轴相对两面。 扭矩监控系统功能的描述为：在主控系统中，驱动模块提供给电磁感应外环一个交流电源，在内外环之间引发一交流电压，该电压经调节用于驱动变形仪和发射装置。在发射装置内部，变形仪校准桥的输出经变形仪放大器放大，转换成变频遥感信号，该信号穿过电磁感应外环和现场电缆到达主控系统。主控系统里的接收装置将遥感信号转换成交流信号，再经信号调节模块转换成4－20毫安输出信号。 3.3 DCS系统 压榨自动化的核心DCS控制系统由北京和利时系统工程股份有限公司开发并提供。 3.3.1 自动控制系统 自动控制系统将采用以微处理器为基础的分散控制系统，主要有下列特点： (1) 系统设置3台以PC机为基础的操作员站，所有系统运行的参数、设备状态及工艺流程图，将在操作员站的CRT上以不同的画面形式显示。所有设备的启动/停止或开/关操作，也在操作员站上利用键盘完成。只有极少量重要参数或设备控制设有后备仪表与操作开关。各台操作员站可以独立完成各项监控功能，也可起到互为备用的作用。 (2) 系统内设有冗余的通讯速率为100Mbps的高速以太网。操作员站与各控制器，以及控制器之间的信息交换，全由该通讯网络以数据通讯的方式完成。控制系统还可以通过该网络与其他生产车间的控制系统以及公司生产管理部门与领导进行数据通讯，随时收集并提供所需的各项信息。 (3) 系统内设有3台现场控制站（柜）。每台现场控制站内设有冗余配置的主控单元或PLC，各项输入/输出参数将通过各类智能的I/O模块与主控单元连接，实现各项监控功能。现场控制站是用来完成现场信号采集、工程单位变换、控制和联锁控制算法、控制输出、通过系统网络将数据和诊断结果传送到操作员站等功能。 (4) 系统设有工程师站，供系统组态、检查或修改之用，并完成所有的数据下装和增量下装等。 (5) 系统软件平台采用WINDOWS NT。配备各种符合国际标准的组态软件。系统具有很好的开放性，可以与其他控制系统或设备方便地连接。系统在运行过程中，可以在授权范围内在线修改各项组态，不会引起系统扰动。 3.3.2 自动调节系统 为了实现蔗料的平衡输送和均衡压榨，需要自动调节的项目包括： (1) 输蔗带速度调节 根据第1座高位槽的料位高度，自动调节三级输蔗带速度，杜绝空槽或涨槽的现象。各台输蔗带的速度将按随动的原理协调调节，保持进蔗量的均衡。 (2) 压榨机转数自动调节 压榨机列的自动调节是靠保持各高位槽稳定料位来实现，第1座压榨机根据榨量要求保持某一固定 转速