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公司一、 两个观点：1、制糖工业生产线朝自动化方向发展的趋势确立，不受人的主观意志所左右。随着自控装置元器件价格逐步下降，用人成本逐年升高，通过提高自动化水平来减少操作人员所获得的经济效应越来越明显。以目前国内的技术水平，一条15万吨/年的一水结晶葡萄糖生产线，采用自动化生产线后，按四班三运转计算，操作人员可由手工操作生产线的150人左右降到80人以内。而这样的自动化生产线比手工操作生产线的投资只增加约300万元。自动化生产线的工艺参数控制稳定、产品品质均匀和产品收率高，间接经济效益非常突出。2、生产线的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。大部分制糖企业的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的意愿很强，但在实践中因对自动化知识了解不够总是遇到挫折，而认为原因是自己的自动化专业人员水平不足。这种现象在制糖工业企业特别是蔗糖工业企业普遍存在，笔者认为这是阻碍制糖工业自动化水平提高的主要原因之一。笔者希望通过本文的介绍，制糖企业的技术主管能对自动化的基础知识有一定的了解，能够指导自动化专业人员顺利实现自控装置的有效运行。以多效真空蒸发系统的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，可以通过以下几种方法（俗称控制方案）：a、调节抽往冷凝器的二次蒸汽量；b、调节真空泵抽走的不凝气体量；c、调节通过冷凝器的循环冷却水量；d、调节真空泵抽气管道上的破空漏气量。那么究竟采用那种方法来实施，显然自动化专业人员是无法作主的，只有靠工艺专业人员来决定。一旦决定选用某种方法，工艺专业人员还要告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、介质比重和介质通过调节阀时允许的压力损失等参数，自动化专业人员才能对该真空度自动控制系统进行具体配置和实施。采用以上四种控制方法所需投资和对工艺的运行状况的影响是不一样的：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，自动化专业人员可以分别计算出四种情况下所需调节阀的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具体控制方案和介质参数，叫做提自动化条件，包括P&I图（Process and Instruments Diagram，带自控点的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的统筹安排和自动化专业人员的充分配合下，才能实现自控装置的合理和有效运行。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的操作调节过程，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、通过眼睛观测实际情况或显示仪表；2、通过大脑判断实际情况或仪表显示参数与工艺需要的参数是否相符合，偏大还是偏小；3、通过手来调节阀门大小或相关设备的运行参数来干预，使实际情况或参数与工艺需要的参数相一致。自动化系统三大件中的变送器、控制器和执行器分别承担操作人员的眼睛、大脑和手的功能，通过合适的设置和组合来模拟操作人员对工艺参数的调控过程。变送器将感知到的工艺参数转化成相应的电信号（测量值），送到控制器与工艺需要的参数（设定值）进行比较后作出判断，如果（测量值）与（设定值）不一致，控制器就会发出变化的电信号命令（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的参数上。三、制糖工业常用变送器：要想实现对工艺参数的自动控制，首先要能够测量出该参数的仪表。能够连续实时感测工艺参数并将其转变成对应电信号的仪器即为变送器。变送器包括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的部分；转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量工艺参数转换成适于传输或测量的电信号部分，称为转换器。没有相应的变送器，自动控制是无法实现的。比如淀粉乳液化时，因没有能够测量DE值的变送器，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值的变送器，所以回套母液时也无法自动控制混合液的DX值。变送器一般是将工艺参数转化成对应的420mA直流电流信号，俗称模拟信号以区别数字信号。模拟信号的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08m3/h的流量变送器，当流量为0时，输出为4mA（4 mA16 mA0m3/h8m3/h）；当流量为8m3/h时，输出为20mA（4 mA16 mA8m3/h8m3/h）；当流量为4m3/h时，输出为12mA（4 mA16 mA4m3/h8m3/h）。在P&I图中变送器常用其英文Transmitter的首字母大写T来表示。目前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的，即二根导线同时传送变送器所需的电源（24V直流电源）和输出电流信号（420mA直流电流）。制糖工业常用的变送器有：1、温度变送器TT (Temperature Transmitter)：温度变送器的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的坚实体，适合测量200600温度，在制糖工业中被大量采用；铠装热电偶则最高可测2800的高温，但在制糖工业中很少使用。铠装铂热电阻或热电偶感受不同的温度后，其输出电阻或电位相应变化，转换元件采用集成电路，将热电阻或热电偶的信号放大，并转换成4-20mA的输出电流。铠装变送器可以直接测量气体或液体的温度特别适用于低温范围测量，克服了冷凝水对测温所带来的影响。2、压力变送器PT (Pressure Transmitter)：PT一般有压力变送器、差压变送器和负压变送器三种。差压变送器被测介质的两种压力通入高、低两压力室，压力变送器的低压室压力采用大气压，负压变送器的低压室压力采用绝对真空。两种压力作用在元件(即敏感元件)的两侧隔离膜片上，通过隔离片和元件内的填充液（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的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，通过振荡和解调环节，转换成与压力成正比的信号。3、液位变送器LT (Level Transmitter)：液位变送器是对压力变送器技术的延伸和发展，根据不同比重的液体在不同高度所产生压力成线性关系的原理，实现对液体的体积、液高、重量的准确测量和传送。我们都知道差压Pg H，当比重不变送时，P与液位高度H成正比，所以通过测量差压也就可以测出液位。当比重不固定时，这种方法测出的液位就有偏差，不过如果这种偏差允许，也就可以用了。测常压容器内的液位，由于大气压是固定的，可采用单法兰压力变送器来测液位；若要测真空或压力容器内的液位，则需采用双法兰法兰差压变送器来测，因容器顶部上法兰的测压点压力是波动的。4、浓度变送器DT (Density Transmitter)：浓度变送器也是压力变送器技术的延伸和发展，对我们制糖行业来说，糖液的浓度（总糖质量）与比重成正比例关系，测量出糖液的比重就测出了糖液的浓度。同样道理，因为Pg H，当糖液全部淹没差压双法兰变送器上下两个法兰的测压点时，糖液测压高度H是固定不变的，此时P与糖液的比重成正比，也即P与糖液的浓度成正比。5、流量变送器FT (Flow Transmitter)：制糖工业常用的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的流量，涡街流量计用于蒸汽流量的测量，金属转子流量计则可用于测量电导率极低的高纯度糖液流量。（1） 电磁流量计的测量原理：根据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，在导体的两端即产生感生电势e，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的磁感应强度B，导体在磁场内的长度L及导体的运动速度u成正比，如果B， L，u三者互相垂直，则eB l u 与此相仿在磁感应强度为B的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道，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如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极(图317)则可以证明，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：eBD 式中， 为管道截面上的平均流速由此可得管道的体积流量为：Q v D U 由上式可见，体积流量Q v与感应电动势e和测量管内径D成线性关系，与磁场的磁感应强度B成反比，与其它物理参数无关这就是电磁流量计的测量原理需要说明的是，要使式Q v D U严格成立，必须使测量条件满足下列假定：磁场是均匀分布的恒定磁场；被测流体的流速轴对称分布；被测液体是非磁性的；被测液体的电导率均匀且各向同性。要产生一个均匀恒定的磁场，就需要选择一种合适的励磁方式（励磁方式即产生磁场的方式）。目前，一般有三种励磁方式，即直流励磁、交流励磁和低频方波励磁。工业上使用的电磁流量计，大都采用工频(50Hz)电源交流励磁方式，即它的磁场是由正弦交变电流产生的，所以产生的磁场也是一个交变磁场。交变磁场变送器的主要优点是消除了电极表面的极化于扰。另外，由于磁场是交变的，所以输出信号也是交变信号，放大和转换低电平的交流信号要比直流信号容易得多。（2） 涡街流量计的测量原理：把一个非流线型阻流体（BluffBody）垂直插入管道中，随着流体绕过阻流体流动，产生附面层分离现象，形成有规则的旋涡列，左右两侧旋涡的旋转方向相反。这种旋涡称为卡门涡街。根据卡门的研究，这些涡列多数是不稳定的，只有形成相互交替的内旋的两排涡列，且涡列宽度h与同列相邻的两旋涡的间距l之比=0.281（对圆柱形旋涡发生体）时，这样的涡列才是稳定的。生产旋涡分离的阻流体称为旋涡发生体。涡街流量计是根据旋涡脱离旋涡发生体的频率与流量之间的关系来测量流量的仪表。（3） 金属转子流量计的测量原理：金属转子流量计,是变面积式流量计的一种 , 在一根由下向上扩大的垂直锥管中 , 圆形横截面的浮子的重力是由液体动力承受的 , 浮子可以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，通过磁耦合传到智能化微处理器转换成420mA电流信号。6、PH计QT (PH Transmitter)：PH计的敏感元件是PH电极，PH电极是用来测电极电位的装置。电位分析所用的电极被称为原电池。原电池是一个系统，它的作用是使化学反应能量转成为电能。此电池的电压被称为电动势（EMF）。此电动势（EMF）由二个半电池构成。其中一个半电池称作测量电极，它的电位与特定的离子活度有关；另一个半电池为参比半电池，通常称作参比电极，它一般是与测量溶液相通，并且与测量仪表相连。最熟悉也是最常用的PH指示电极是玻璃电极。它是一支端部吹制上对于PH敏感的玻璃膜的玻璃管。管内充填有含饱和AgCl的3 mol/l KCl缓冲溶液，其PH值为7。存在于玻璃膜内外两面的反映 PH 值的电位差用Ag/AgCl传导系统导出。PH电极最著名的品牌是梅特勒。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。选用变送器时还应该考虑耐腐蚀、耐温度和耐压的要求，只有选择合理的材质，变送器才能适合于各种使用场合。四、制糖工业常用控制器：