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，由三级带的调速维持高位槽的料位稳定，保证均衡进榨。2－6座压榨机是靠自身的瞬时调速来稳定各自高位槽的料位，从而保证通过各榨机的蔗层厚度均匀，达到高榨、高抽出、低负荷的目的。

(3) 渗透水比例调节

根据压榨量及合理的渗透比，调节清水泵出口阀门开度，调节清水流量，使渗透水保持在最佳值。

(4) 清水箱、混汁箱水位调节

分别以调节热水阀的开度，保持清水箱水位；调节混汁泵出口流量来保持混汁箱的液位。

(5) 清水箱水温自动调节

调节进入清水箱的冷水阀门开度，调节清水箱内水温，基本保持要求的温度。

(6) 设置完善的连锁保护系统

各级输蔗带、齿耙机、榨机列连锁关停，保证任何一台设备在任何情况下停机时，前面的齿耙机和输蔗带立即随停。
3.3.3 集中监视

压榨系统要实现集中控制，其前提必须是在集中控制室内值班人员能对系统的运转情况进行集中监视。监视的内容主要分为两类：

一类是系统运行的参数，包括：各输蔗带速度(或马达转速)及进蔗量，各压榨机的转速及马达的电流，清水、混汁和送出蔗汁的流量，渗透水温度，压榨机油压，马达轴承温度，压榨机面辊的升降距离等等。另一类是机械设备运转情况，如压榨机高位槽料位、各水和汁储罐液位等。

集控室除了工业电视的监视器与操作员站的crt以外，基本上不装设常规的模拟仪表。对于核子秤这类特殊仪表则将其测量信号输入统一的监控系统，以作为显示、累计、自动调节的原始信号。在集中监视系统中，可以对各项参数如电流等设置报警限值，一旦越限，自动报警。

自动控制系统的记录功能有：报警记录、操作记录、定时制表、事故顺序记录(soe)。各项测量参数可以根据要求作为历史数据保存下来，以备事故追忆查询及榨季后检修设备的依据。
3.4 电气传动

电气部分由abb广州代理，骏信电力自动化设备有限公司整合并提供。
3.4.1 变流器调速

压榨机列采用abb德国公司生产的dcs501b-2500-51-21晶闸管变流器直流传动系统，对原直流电机进行转速调节。该变流器含有丰富的软件功能，包含：磁场控制、电势emf控制、速度控制、传动逻辑、传动控制和转矩控制。传动控制是从外部信号源接收速度或转矩给定，然后通过处理将转矩给定提供电流调节器。转矩控制是控制电枢电流、磁场电流和电势emf。电枢和磁场电流的自动/手动调节功能，可以简化调试过程，并使调试步骤灵活简便。除此之外，还有完善的监视和保护功能，包含电机保护和变流器保护，如：测速反馈丢失、过温、过载、超速、堵转、电枢过流、电枢电流波动、电枢过压、磁场欠磁、磁场过流、主电或辅助电源欠压等。
3.4.2 变频器调速

原压榨间的各类泵体，如送汁泵、混汁泵、渗透泵等都是采用工频运行，根据生产的需要，手动调节管路的阀门，以调节各泵体的输送流量或启/停各泵体的运行。但是，调节阀门开度的方法，会造成电机较大的能量消耗，泵体的频繁启/停也会造成对电网及管网的冲击，影响设备的使用寿命，最主要的是这种泵体控制系统难以实现与dcs系统接口。改造后的泵体采用变频调速运行，以节省泵体运行的能耗和减少对设备的损坏，同时，通过dcs系统可实现对各泵体的集中操控。

变频装置采用烁普sp500-p系列风机和泵类专用变频器，它具有接地、短路、过流、过压、欠压、主器件等保护功能，并有外部故障报警，提高设备运行的可靠性。在生产过程中，变频器根据dcs传来的4-20ma信号自动调节各类泵的转速，需要增/减一台泵时，变频器根据dcs的相应的液位信号自动投入/切除工作。

4、控制原理和优点

1#榨机的控制原理：入榨的蔗料进入高位槽，设定料位的高度在40％左右，1＃榨机衡速运转，当来料不均衡时sri的高位槽感测元件发出电信号给和利时的dcs系统，dcs将电信号数字化处理再向abb调速装置发出指令，abb调整三级输送带的电机转速，从而达到均匀进榨的目的（优点之一）。一旦发生1＃榨机扭矩超出负荷的限点，sri的扭矩监测装置发出信号给dcs，dcs向高位槽挡板的电控执行器系统发出指令，减小挡板的开度，控制入料量，从而对齿轮箱和榨机起到保护作用（优点之二）。

2＃－6＃榨机的控制原理：蔗料由齿耙机分别送入2＃－6＃高位槽，设定料位的高度在40％左右，与1＃榨机不同的是2＃－6＃榨机的转速可调，当来料不均衡时sri的高位槽感测元件发出电信号给dcs，dcs将电信号数字化处理再向abb调速装置发出指令，abb调整本座榨机的转速，保证固定的料位高度和通过榨机的蔗层厚度，使渗透过程均匀，其结果是负荷平稳并提高抽出率和减少蔗渣的水分含量（优点之三）。

均匀渗透和蔗汁泵送原理：dcs系统根据入榨量向abb调速系统发出指令，调节渗透水比例、水温和混合汁液位流量等，其结果是各榨机蔗层均匀渗透并能稳定混合汁锤度和泵送量（优点之四）。

纤维进榨原理：均匀进榨有两种理念，一是像国内普遍采用的基于核子称信号自动或手动控制入蔗带速度，以保证进入第一座榨机的甘蔗重量。由于甘蔗纤维分的瞬时变化导致榨机入蔗能力的变化，在手控的情况下需要榨机经常保持“开快车”状态，在自控的情况下需要调节第一座榨机的转数，两种情况均带来榨机负荷的波动。另一种是国外普遍采用的以高位槽料位调节入蔗带速度，维持第一座榨机转数恒定。此时通过榨机的纤维量不变，入榨的甘蔗重量随纤维分的变化略有波动。我们采用国外这种用纤维量恒定代替甘蔗量恒定的均匀入榨模式，在维持榨机负荷稳定的前提下，提高了榨量（优点之五）。另有其它优点不再赘述。

5、使用效果

本项目于2003年11月21日开榨时投入使用，经过近半个月的系统磨合期，压榨自动化优势凸显，到目前为止，各项指标已达到或超过了设计要求，取得了良好经济效益。与以往榨季相比，压榨抽出率从95.6％提高到96.0％以上；日榨量从最高8640吨提高到9300吨，由于减速箱是20年前4500t/d时配套，属于超载和疲劳作业，为确保安全，榨量经常保持在9000吨左右；压榨机列的运行电流和扭矩在榨量提高的情况下却明显降低并保持平稳，节省了压榨间电耗，也有利于设备安全率的提高。