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摘要：当前，在原糖及白砂糖的大规模生产中，以 DCS 控制系统作为制糖生产线的中控系统，对各生产环节进行集中管理以及分布式冗余控制的方式，无论是在国内还是国外都是一个主流的趋势。因此，本文对制糖生产线的 DCS 控制系统进行研究和分析，同时在此基础上进行设计，最终实现一套切实可行的中控系统，是十分具有实际意义和理论价值的。
关键词： 制糖；DCS；控制系统；设计
DCS 控制系统对于糖厂制糖生产过程的重要性，就好比于神经中枢系统对于人体的重要性一样，处于关键而核心的位置。DCS 控制系统能对生产过程中的输入、输出信息进行监视、控制、显示、报警、记录和存档。操作人员能在控制室中，在少数就地运行人员的配合下，通过 DCS 控制系统，对整个工艺生产过程进行监视和控制。当有异常工况发生时，控制系统会给出报警信息，操作人员在控制室中即可进行紧急事故处理。
1 控制功能概述
制糖生产 DCS 控制系统总体可分为两大功能：模拟量控制以及顺序控制。下面对这两大功能系统分别进行介绍。
1.1模拟量控制系统（MCS）
模拟量控制系统 MCS（Modulation Control System）是指根据模拟量参数进行闭环
控制，使被控模拟量参数值维持在设定范围或按预期目标变化的自动控制系统。
本课题对模拟量控制系统提出如下基本控制要求：
1) 当系统处于自动控制时，控制系统应能处于自动运行的状态，而无需任何形式的人
工干预；
2) 控制系统应有联锁保护功能，当生产设备或生产状况出现故障时，控制系统应有相应的联锁保护动作，起到避免危险发生或抑制危机蔓延的作用。联锁保护系统在生产设备安全工况时，应为维护、试验和校正提供最大的灵活性；
3) 控制系统任何部分运行方式的切换，不论是人为的还是由联锁系统自动的，均应平滑进行，不应引起过程变量的扰动，并且不需运行人员的修正；
4) 控制系统的设计应考虑尽量提高可靠性，采用控制功能充分分散和单个回路完整性的原则，使发生故障时涉及的范围最小，所需处理时间最短；
5) 在使用不冗余变送器测量信号时，如信号丧失或信号超出工艺过程实际可能范围，均应有报警，同时系统受影响部分切换至手动；
6) 控制系统的输出信号应为 4-20mA DC 连续信号，并应有上下限限定，以保证控制系统故障时工艺设备的安全；
7) 控制系统应监视设定值与被控变量之间的偏差和输出信号和控制阀门位置之间的偏差，当偏差超过预定范围时，系统应将控制切换至手动并报警。
1.2 顺序控制系统（SCS）
顺序控制系统SCS（Sequence Control System）是指按照规定的顺序依次完成各种操作的 控制系统。顺序控制是一种按 时间顺序或逻辑顺序进行控制的开环控制方式。本课题对顺序控制系统提出如下基本控制要求：
1) 控制系统应能完成制糖生产线各设备的启停顺序控制；
2) 对于每一个相关设备的状态、启动许可条件、操作顺序和运行方式，均应在显示器上显示出系统画面；
3) 在手动顺序控制方式下，应为操作员提供操作指导，这些操作指导应以图形方式显示在显示器上，即按照顺序进行，可显示下一步应被执行的程序步骤，并根据设备状态变化的反馈信号，在显示器上改变相应设备的颜色；
4) 运行人员通过手动指令，可修改顺序或对执行的顺序跳步，但这种运行方式必须满足安全要求；
5) 顺序控制是按命令逻辑顺序进行的，每步都应有检查，在正常运行时，顺序一旦启动应至结束。在顺序过程中每一步应有指示，在此步完成后自行熄灭，顺序是否完成应有分别的指示；
6) 运行人员应可在显示器/键盘上操作每一个被控对象，手动操作应有许可条件，以防运行人员误动作；
7) 设备的联锁、保护指令应具有最高优先级；手动指令则比自动指令优先。被控设备的“启动”、“停止”或“开”、“关”指令应互相闭锁，且应使被控设备向安全方向动作；
8) 用于保护的接点（过程驱动开关或其它开关接点）应是“动合型”的，以免信号源失电或回路断电时，发生误动作（采用“断电跳闸”的重要保护除外）。
2 制糖生产控制方案
下面将针对制糖过程中的每个工段，给出各工段的模拟量控制系统 MCS 以及顺序控制系统 SCS 的主要控制方案。
2.1 预处理工段控制方案
根据预处理工段的工艺需求，该工段可归纳为以下 3 个主要控制任务：起动停止顺序联锁；故障停机联锁；蔗料重量测量控制甘蔗处理量及渗透工段渗透水流量。
1) 起动停止顺序联锁
虽然预处理工段内设备的起动以及停止都采用人工操作的方式在操作站界面上执行，但起动及停止的顺序均需联锁，以保证人工操作的方式是以安全顺序进行的。设备的起动及停止顺序联锁关系如图 1 所示。
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图 1 预处理工段设备起动停止联锁图
预处理工段设备的启动以及停止必须按上图所示顺序进行，只有箭头前方设备起动或停止后才能起动或停止后续的设备，这样做法目的是为避免物料在设备上发生堵塞的危险。
2) 故障停机联锁
当预处理工段内某一设备发生故障停机时，联锁图中该故障设备起动顺序之后的设备均需联锁停机。
当理平机驱动电机电流、蔗刀机电流、撕解机电流高报警时，主输送机转速降为设定的低速值，并切换至手动状态。
3) 甘蔗处理量控制
主输蔗机采用的是变频调速电机，其转速根据蔗料秤所测得甘蔗处理重量进行调整，使甘蔗处理量能稳定在 292 吨/小时。
4) 渗透工段渗透水流量控制
渗出工段的渗透水泵也采用变频调速电机，其泵出渗透水量由甘蔗半小时内处理的
累加榨量来调控。
主输蔗机及渗透水泵频率控制见图 2 所示。
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图2 主输蔗机及渗透水泵频率控制系统图
2.2 渗出提汁工段控制方案
根据渗出工段的工艺要求，该工段的主要控制任务包括：起动停止顺序联锁；故障停机联锁；烫汁换热器粗汁温度控制；渗透水流量控制；渗出器循环汁锤度控制；渗出器循环汁温度控制；渗透水箱水位及水温控制；烫汁流量控制；渗出器筛前渗出汁液位控制；石灰乳储箱液位控制；渗出器循环汁酸碱度控制。
1) 起动停止顺序联锁
为了避免物料在设备上发生堵塞的危险，渗出提汁工段设备起动和停止联锁顺序需
按图3 所示进行。
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图 3 渗出提汁工段起动停止联锁图
2) 故障停机联锁
当渗出提汁工段内某一设备发生故障停机时，图 3联锁图中该故障设备起动顺序之后的设备均需联锁停机。
3) 烫汁换热器粗汁糖浆温度控制
为了保证粗汁糖浆的流动性，因此渗出器渗出粗汁需经烫汁换热器加热至一定温度，通过调节进入烫汁换热器的蒸汽量，对烫汁换热器粗汁糖浆的温度进行控制。
4) 渗透水流量控制及渗出器循环汁锤度控制
为了保证渗出器能达到最佳渗透比，使蔗丝中的糖分能充分浸出，因此对于注入渗出器中的渗透水量需进行严格的控制，除了在预处理工段需要根据处理蔗料重量调节渗透水泵的频率以外，还需要根据渗透水流量以及渗出器循环汁的锤度，对渗透水量进行控制。
5) 渗出器循环汁温度控制
同样为了保证渗出器能达到最佳渗透比，还需通过对进入渗出器的蒸汽量进行调节，从而保证循环汁温度稳定在最适宜值。
6) 渗透水箱水位及水温控制
由于渗透水对于渗出提汁的效果有着很重要的影响，为了保证渗透水的稳定供应，专门设置了渗透水箱。水箱内需保持一定量的渗透水，因此需对水箱的液位进行调节。同时，由于渗透水是由渗透汁和热水混合而成，为了防止渗透水在箱内温度过高，还需适当向水箱内注入冷水，以控制水箱内渗透水温度。
2.3澄清工段控制
澄清工段所用到的臭氧及硫气，它们的产生装置臭氧发生器及燃硫系统均为成套设备，各自具备配套的 PLC 控制系统对其进行独立的控制，DCS 系统仅需与 PLC 通讯获取各自系统的运行状况及参数即可。
2.4过滤工段控制
根据过滤工段工艺要求，该工段的主要控制任务包括：
1) 滤汁平衡箱液位控制：
抽汁泵采用变频调速电机，其转速频率根据滤汁平衡箱液位进行调节，对滤汁平衡箱液位进行控制；
2) 比例加入絮凝剂控制：
絮凝剂加注泵采用变频电机，其转速频率根据滤汁的流量进行比例调节，实现按比例向滤汁快速沉淀池加入絮凝剂；
3) 滤汁加热箱出口滤汁温度控制：
通过测量滤汁加热箱出口滤汁的温度，控制进入滤汁加热箱的蒸汽量，实现滤汁加热箱出口滤汁温度控制；
4) 滤清汁贮箱液位控制：
滤清汁贮箱的清汁入口处设有气动调节阀，其阀位开度由滤清汁贮箱的液位高度来调节，实现滤清汁贮箱液位控制。当沉淀后的清汁较多时，滤清汁贮箱无法容纳，则回流至澄清工段臭氧接触池，重新经历澄清过程。
2.5蒸发工段控制
蒸发工艺采用五效压力——真空蒸发系统，全面抽取前面各效汁汽供煮糖、加热使用，增加蒸汽的多次使用率，以最大限度利用蒸汽热能，节约能源。汽凝水的排除采用等压排水系统，进一步合理利用热能，操作方便可靠。
一定锤度的清汁泵送入换热器加热至一定温度，再进入五效压力真空蒸发系统进行浓缩，末效出来的糖浆浓度需提升至设定锤度。一至三效分别抽取汁汽，供各级加热器使用，并从一、二效抽取的部分汁汽供煮糖用，以提高热能利用率。从末效蒸发罐出来的糖浆流入平衡箱，泵送至糖浆缓冲箱，然后再泵送去进行上浮澄清处理，控制糖浆酸碱度，经上浮后的糖浆流入糖浆贮箱，泵至成糖车间的糖浆贮箱，供煮糖工段用，上浮后的浮渣回流至澄清工段臭氧接触池与臭氧汁混合重新处理。
2.6糖浆上浮工段控制
根据糖浆上浮工段的工艺要求，该工段的主要控制任务包括：
1) 比例加入磷酸、絮凝剂及糖化钙控制：磷酸计量泵、絮凝剂加注泵及糖化钙计量泵均采用变频电机，其转速频率根据糖浆的流量进行调节，实现按比例加入磷酸、絮凝剂及糖化钙；
2) 糖浆高位箱料位控制：糖浆高位箱出口糖浆调节阀开度根据糖浆高位箱内料位高度调节，实现糖浆高位箱料位控制；
3) 糖浆加热器出口糖浆温度控制：通过调节糖浆加热器的蒸汽进汽量，实现糖浆加热器出口糖浆温度控制；
4) 糖浆贮箱液位控制：糖浆泵采用变频调速电机，其频率转速根据糖浆贮箱液位进行调节，实现糖浆贮箱液位控制；
5) 清糖浆贮箱液位控制：清糖浆泵采用变频调速电机，其频率转速根据清糖浆贮箱液位进行调节，实现清糖浆贮箱液位控制。
2.7干燥工段模拟量控制
根据干燥工段的工艺要求，该工段的主要控制方案包括：
1) 循环水箱液位控制：洗涤水泵出口设有调节阀，其阀位开度根据循环水箱液位高度进行调节，从而实现循环水箱液位控制；
2) 循环水箱甜水锤度控制：循环水箱甜水回流处设有管道锤度计，根据甜水的锤度，调节循环水箱热水进口的 调节阀开度，从而实现循环水箱甜水锤度控制；
3) 空气加热温度控制：空气加热器蒸汽进口处设有调节阀，其阀位开度根据空气加热器出口温度进行调节，从而实现空气加热温度控制。
3结束语
生产工艺环节，针对每个生产环节的工艺特点、工艺需求以及安全生产的需要，逐一工艺环节归纳该工段的控制任务，给出每一工段所需的顺序控制系统图或基于 SAMA 图表达的模拟量控制系统图，最终构成完整的制糖生产控制方案。
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