中和CH-52B pH自控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

陳林延，李進(jìn)勇，劉 耿

（欽州市創(chuàng)華工控設(shè)備有限公司，廣西 欽州 535000）

文章編號(hào)：2095-820X（2016）05-06

中和CH-52B pH自控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

陳林延，李進(jìn)勇，劉 耿

（欽州市創(chuàng)華工控設(shè)備有限公司，廣西 欽州 535000）

中和pH值是糖廠澄清工段的關(guān)鍵工藝控制指標(biāo)，文章介紹了用于中和pH值測(cè)控的CH-52B pH自控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。應(yīng)用結(jié)果說(shuō)明，該系統(tǒng)能精準(zhǔn)、穩(wěn)定控制中和pH值，保證蔗汁澄清效果，為提高糖分回收，提高產(chǎn)品質(zhì)量提供技術(shù)保障。

澄清中和；pH值；自控

0 概述

澄清工段是亞硫酸法制糖工藝中的關(guān)鍵工段之一，中和pH值是澄清工段中的關(guān)鍵工藝控制指標(biāo)。中和pH值的控制效果直接影響蔗汁的澄清效果、糖分回收和后續(xù)工段設(shè)備積垢問(wèn)題，從而影響食糖生產(chǎn)成本和質(zhì)量，最終影響糖廠的經(jīng)濟(jì)效益，所以對(duì)中和pH值進(jìn)行精確測(cè)量和穩(wěn)定控制至關(guān)重要。

近年來(lái)眾多科研單位及制糖企業(yè)投入大量人力物力，在澄清工藝特別是在中和pH自動(dòng)測(cè)量控制方面，進(jìn)行了研究和推廣，獲得一定的效果，目前眾多糖廠已有pH自控系統(tǒng)應(yīng)用。由于澄清工藝過(guò)程存在變量多、非線性、大滯后、積垢嚴(yán)重、高溫腐蝕等干擾因素，現(xiàn)有pH自控系統(tǒng)在使用過(guò)程中，存在電極清洗不干凈影響測(cè)量精度，影響系統(tǒng)控制效果；執(zhí)行器精度不夠，控制波動(dòng)大，結(jié)構(gòu)不理想，石灰乳容易滲漏；系統(tǒng)維護(hù)量大等問(wèn)題。更符合現(xiàn)場(chǎng)需求的智能pH自控系統(tǒng)，還要持續(xù)的研究和完善。

針對(duì)目前pH自控方面存在的問(wèn)題，我公司發(fā)明了“步進(jìn)自動(dòng)控制閥門(mén)”、“雙電極在線測(cè)量系統(tǒng)”、“單電極測(cè)量裝置”等核心專利技術(shù)，開(kāi)發(fā)了CH-52B pH自控系統(tǒng)，并已在多家糖廠應(yīng)用，取得較好的成效，下面介紹該系統(tǒng)技術(shù)的工作原理及應(yīng)用情況，探討其在糖廠應(yīng)用的可行性。

1 CH-52BpH自控系統(tǒng)的原理和構(gòu)成

1.1 CH-52B pH自控系統(tǒng)的控制原理

CH-52B自控系統(tǒng)采用復(fù)合玻璃電極對(duì)中和汁進(jìn)行pH值測(cè)量，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)送到比較器進(jìn)行比較，產(chǎn)生的偏差再送入模糊控制器（或者自適應(yīng)控制器）進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果通過(guò)輸出模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)執(zhí)行器動(dòng)作，改變被控介質(zhì)石灰乳的加入量。系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行“樣品測(cè)量—比較運(yùn)算—輸出控制”的循環(huán)，從而達(dá)到精確穩(wěn)定控制中和pH值的目的。通過(guò)控制器指令驅(qū)動(dòng)雙電極測(cè)量裝置兩支電極按預(yù)設(shè)的時(shí)間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電極的測(cè)量和清洗除垢交替作業(yè)；當(dāng)生產(chǎn)處于停頓間隔時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)來(lái)料壓力，壓力小于下限報(bào)警值，系統(tǒng)發(fā)出指令關(guān)閉步進(jìn)執(zhí)行器，生產(chǎn)恢復(fù)后，系統(tǒng)檢測(cè)到壓力變化，發(fā)出指令開(kāi)關(guān)步進(jìn)執(zhí)行機(jī)器，整個(gè)控制過(guò)程無(wú)需人工干預(yù)。

1.2 CH-52B pH自控系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 CH-52B pH自控系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖

1.3 CH-52B pH自控系統(tǒng)的控制組成

pH自控系統(tǒng)主要由PLC主控部分、中和汁（pH1）雙電極測(cè)量和清洗、步進(jìn)執(zhí)行器調(diào)節(jié)石灰乳、澄清汁（pH2）測(cè)量和清洗等四大部分組成。系統(tǒng)還預(yù)留了中和汁壓力和一、二次溫度加熱檢測(cè)和控制功能。CH-52BpH自控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用示意圖（見(jiàn)圖2）。

圖2 CH-52B pH自控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用示意圖

1.3.1 系統(tǒng)PLC主控部分

主控部分由信號(hào)檢測(cè)、控制算法、人機(jī)界面等組成。信號(hào)檢測(cè)采用INA116芯片作為前置信號(hào)放大器，實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃電極微弱電壓信號(hào)的采集放大，該芯片是一款具有超低輸入偏置電流的單片儀表放大器，特殊的保護(hù)技術(shù)使其輸入阻抗達(dá)到1×1015Ω，性能穩(wěn)定可靠?？刂扑惴ㄊ窍到y(tǒng)的關(guān)鍵部分，由于中和pH過(guò)程具有大滯后，非線性的特點(diǎn)，很難甚至無(wú)法采用常規(guī)方法對(duì)其進(jìn)行有效的建模和控制，針對(duì)這種情況，經(jīng)過(guò)深入研究，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了模糊控制器和自適應(yīng)控制器兩種算法，并到糖廠現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，這兩種控制算法均具有良好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能，相對(duì)于常規(guī)PID算法效果更顯著。系統(tǒng)控制記錄曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 系統(tǒng)控制記錄曲線圖

1.3.2 pH1（中和汁）雙電極測(cè)量和清洗

中和汁pH值的測(cè)量，為系統(tǒng)提供控制依據(jù)，相當(dāng)于系統(tǒng)的眼睛，pH值測(cè)量的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)與否，直接影響系統(tǒng)的控制效果。目前，許多在用的系統(tǒng)均采用垂直上下結(jié)構(gòu)的雙電極檢測(cè)裝置，電極在電機(jī)的作用下降到采樣槽進(jìn)行測(cè)量，一定的時(shí)間后，電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)電極上升到上方的清洗室進(jìn)行清洗，輪換另外一支電極進(jìn)行測(cè)量，來(lái)回輪換，這樣做的問(wèn)題在于，清洗液可能會(huì)從電極升降的孔往下滲漏，直接污染樣品，改變樣品的pH值，造成系統(tǒng)的誤動(dòng)作，形成控制波動(dòng)。從下方噴射電極敏感膜的清洗方式，存在單點(diǎn)清洗不夠干凈的可能，直接造成測(cè)量信號(hào)的遲緩，影響測(cè)量信號(hào)的采集，影響控制效果。清洗液的供應(yīng)和回收則需在旁邊放置一個(gè)清洗箱，清洗液通過(guò)清洗泵和管路噴射電極后，自流回清洗箱，存在清洗液管路堵塞、脫落污染等諸多不確定因素。

一體化雙電極pH測(cè)量裝置，很好的解決上述問(wèn)題，為CH-52BpH自控系統(tǒng)提供精準(zhǔn)可靠的測(cè)量信號(hào)。裝置由二組電極位移機(jī)構(gòu)分別帶動(dòng)二支玻璃電極，由程序指令對(duì)二組電極進(jìn)行交替測(cè)量、清洗控制，保證測(cè)量信號(hào)的連續(xù)。裝置將電極測(cè)量、電極清洗、清洗液回收等部件一體化設(shè)計(jì)，無(wú)需另外配套一個(gè)清洗液回收箱，杜絕清洗管路脫落或者堵塞的可能。采用測(cè)量和清洗水平位移結(jié)構(gòu)，清洗點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)處于水平隔離的前后位置，電極在電機(jī)的帶動(dòng)下，完成旋轉(zhuǎn)上升移動(dòng)下降到后面的清洗箱進(jìn)行清洗，清洗液直接回落清洗箱內(nèi)，杜絕了上下結(jié)構(gòu)檢測(cè)裝置在上升清洗時(shí)清洗液滲漏污染樣品的可能。電極清洗通過(guò)清洗泵和固定管路，從多個(gè)角度多點(diǎn)同時(shí)噴射玻璃電極的清洗結(jié)構(gòu)，保證電極的清洗干凈，為pH值實(shí)時(shí)精準(zhǔn)測(cè)量提供強(qiáng)有力的保障。雙電極pH測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)剖視圖，如圖4所示。

圖4 雙電極pH測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)剖視圖

1.3.3 步進(jìn)執(zhí)行器調(diào)節(jié)加石灰乳

旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)執(zhí)行器，是系統(tǒng)的輸出調(diào)節(jié)部分，相當(dāng)于CH-52BpH自控系統(tǒng)的手。系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量pH值比對(duì)后，經(jīng)運(yùn)算輸出調(diào)節(jié)執(zhí)行器的開(kāi)或關(guān)，以改變所添加的石灰乳流量，達(dá)到控制pH值的目的。執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)合理，調(diào)節(jié)精密靈敏，對(duì)系統(tǒng)的控制起關(guān)鍵作用。

糖廠澄清中和用于調(diào)節(jié)pH值的添加劑是石灰乳，石灰乳粘稠度大、雜質(zhì)多，傳統(tǒng)的閥門(mén)很容易被卡死，不適合使用。目前糖廠使用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)大多是上一代產(chǎn)品，實(shí)用新型名稱為《括板式自動(dòng)控制閥門(mén)》，它基本上可以滿足糖廠的生產(chǎn)要求，但也存在如下缺陷：一是刮板與導(dǎo)管之間是以平面相接合，摩擦力較大，容易被損壞，致使密封不好形成滲漏。二是由于刮板上開(kāi)設(shè)的頭大尾小形如彎曲了的蝌蚪或太極圖的渦旋槽孔的長(zhǎng)度較短，使液體在一定時(shí)間內(nèi)（即電機(jī)控制的步幅內(nèi)）通過(guò)該渦旋槽孔的流量控制得不夠精確。

旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)執(zhí)行器，為CH-52B pH自控系統(tǒng)提供一種控制流量更精確、密封效果更好的步進(jìn)自動(dòng)控制閥門(mén)。執(zhí)行器由機(jī)箱、進(jìn)出口閥體、主軸、減速齒輪、步進(jìn)電機(jī)、密封導(dǎo)管、開(kāi)有漸開(kāi)線通孔筒狀閥芯等部件組成。關(guān)鍵在于密封導(dǎo)管的一端為弧形端口，與安裝在主軸上閥芯緊密接合，閥芯上設(shè)有漸開(kāi)線形通孔，電機(jī)按指令帶動(dòng)閥芯旋轉(zhuǎn)不同的角度，密封導(dǎo)管與漸開(kāi)線通孔的共有面積大小變化，改變石灰乳通過(guò)的流量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)pH值的目的。由于漸開(kāi)線型通孔是沿著圓筒狀閥芯的圓筒壁開(kāi)設(shè)的，該通孔的跨度比較長(zhǎng)，在步進(jìn)電機(jī)控制相同步幅條件下，液體通過(guò)該通孔就可以劃分得更細(xì)，因此，大大提高了液體流量控制的精確度；而且由于密封導(dǎo)管與圓筒狀閥芯是以圓筒面相接合的，摩擦力較小，不易被損壞，密封效果更好，故障率也就更低。

步進(jìn)執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)由混合式步進(jìn)電機(jī)和脈沖細(xì)分驅(qū)動(dòng)器組成，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的精確定位，并可做到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流和細(xì)分步數(shù)可調(diào)，最大驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)6A，最大細(xì)分步數(shù)可達(dá)60000R/S。為CH-52B pH自控系統(tǒng)的輸出調(diào)節(jié)提供精確、靈敏可靠的執(zhí)行保障。步進(jìn)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

1.3.4 澄清汁（pH2）測(cè)量和清洗

澄清中和的控制結(jié)果，在沉淀池得到體現(xiàn)，設(shè)置用于沉淀池的澄清汁pH測(cè)量和顯示裝置，方便崗位實(shí)時(shí)在線的、直觀的了解澄清結(jié)果，為中和pH控制提供參考。由于沉淀池的pH值不會(huì)頻繁的波動(dòng)，經(jīng)過(guò)沉淀后的糖汁也很干凈，不用頻繁清洗，設(shè)置單電極pH裝置，配套可獨(dú)立工作也可與系統(tǒng)控制主機(jī)聯(lián)網(wǎng)的pH測(cè)量?jī)x，設(shè)置定時(shí)的清洗即可。

單電極測(cè)量裝置像一個(gè)會(huì)自動(dòng)清洗的眼睛，結(jié)構(gòu)與雙電極測(cè)量裝置類同，負(fù)責(zé)測(cè)量出沉淀池糖汁的pH值，并由玻璃電極將信號(hào)轉(zhuǎn)成電信號(hào)，通過(guò)電纜輸送給pH測(cè)量?jī)x，測(cè)量?jī)x將電信號(hào)換算為直觀的pH值顯示出來(lái)，可用于同步傳輸?shù)紺H-52B pH自控系統(tǒng)的控制主機(jī)上顯示，也可單獨(dú)配套用于糖漿、污水、環(huán)保等液體介質(zhì)的測(cè)量顯示。單電極測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖5 步進(jìn)執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖

圖6 單電極測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖

2 CH-52B pH自控系統(tǒng)的性能特點(diǎn)

CH-52B自控系統(tǒng)的研發(fā)成功，實(shí)現(xiàn)了糖廠中和pH值的自動(dòng)化控制，解決了上一代產(chǎn)品故障率高，維護(hù)量大的難題。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。

一是采用西門(mén)子PLC作控制器，各功能單元模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單可靠，大大降低了系統(tǒng)的維護(hù)量，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝的特點(diǎn)，采用模糊控制和自適應(yīng)控制兩種算法，使控制效果適合各種苛刻的環(huán)境要求。

二是采用混合式步進(jìn)電機(jī)結(jié)合細(xì)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)圓筒狀漸開(kāi)線閥芯，驅(qū)動(dòng)更有力、平穩(wěn)、精確，解決運(yùn)轉(zhuǎn)卡死、失步等現(xiàn)象；同時(shí)，控制線同比加長(zhǎng)50%，精度提高10倍。

三是雙電極pH測(cè)量裝置、單電極pH測(cè)量裝置均采用電極測(cè)量、電極清洗及清洗液回收一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兩組電極在程序控制下自動(dòng)交替測(cè)量和清洗，機(jī)械部件均為防腐材料制造，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠；電極測(cè)量和電極清洗位置水平隔離，解決同類產(chǎn)品電極垂直上升清洗時(shí)，清洗液向下滲漏污染采樣汁，影響電極測(cè)量的現(xiàn)象；電極清洗采用多噴嘴、多角度同時(shí)噴射設(shè)計(jì)，使電極清洗更干凈，信號(hào)更準(zhǔn)確。

四是系統(tǒng)采用10寸工業(yè)液晶觸摸屏，質(zhì)量可靠，壽命長(zhǎng)，利用組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控畫(huà)面，直觀明了，內(nèi)置存儲(chǔ)器，可記錄、查詢整個(gè)榨季的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和曲線；系統(tǒng)所有操作均在主控制器觸摸屏上完成，人界機(jī)面友好，操作簡(jiǎn)便，只需經(jīng)過(guò)短時(shí)的培訓(xùn)，崗位工人即可熟練操作。主機(jī)的主控界面，如圖7所示。

圖7 主機(jī)的主控界面圖

五是系統(tǒng)設(shè)置了各種運(yùn)行狀態(tài)指示、故障報(bào)警提示、故障分析幫助等齊全的輔助功能，使設(shè)備的使用、維護(hù)更加方便，簡(jiǎn)單。

六是主控制器體積小，運(yùn)算速度高、每條指令執(zhí)行時(shí)間0.2uS，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；采用高精度A/D模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，保證信號(hào)的準(zhǔn)確性；具有良好的擴(kuò)展性和強(qiáng)大的指令系統(tǒng)，設(shè)有RS485、以太網(wǎng)和GRM無(wú)線通信接口，方便與其它系統(tǒng)掛接。

3 CH-52BpH自控系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

3.1 測(cè)量范圍：0～14pH

3.2 靜態(tài)誤差：≤±0.1pH

3.3 動(dòng)態(tài)誤差：≤±0.1pH

3.4 輸入阻抗：1×1015Ω

3.5 電機(jī)清洗泵工作電壓：110VAC50Hz

3.6 系統(tǒng)工作電壓：220VAC50Hz

4 應(yīng)用情況

2015年3月，欽州市華馭糖業(yè)有限公司（亞硫酸法生產(chǎn)工藝，產(chǎn)能5000噸/天）對(duì)CH-52B pH自控系統(tǒng)的技術(shù)性能指標(biāo)內(nèi)容進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查定，查定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 自控系統(tǒng)的技術(shù)性能指標(biāo)查定數(shù)據(jù)

產(chǎn)品CH-52BpH自控系統(tǒng)滿足制糖企業(yè)澄清中和工段各個(gè)關(guān)鍵工藝指標(biāo)多點(diǎn)自動(dòng)化測(cè)控需求，實(shí)現(xiàn)澄清中和工序關(guān)鍵工藝指標(biāo)多參數(shù)自動(dòng)化測(cè)控，可廣泛地應(yīng)用于亞硫酸法糖廠，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量及糖分回收提供技術(shù)保障。本技術(shù)推廣應(yīng)用到廣大制糖企業(yè)中，以一個(gè)榨蔗50萬(wàn)噸產(chǎn)糖率12%的中型糖廠為例，如果澄清工藝指標(biāo)控制不好，糖分回收率降低了0.1個(gè)百分點(diǎn)，將意味著一個(gè)榨季損失白糖約500噸，價(jià)值三百多萬(wàn)元；同樣如果澄清工藝指標(biāo)控制不好，白糖質(zhì)量不好，增加了二級(jí)白糖或者不及格糖的比例，也會(huì)白白損失幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)元。

目前，已有30多套CH-52BpH自控系統(tǒng)在廣西、云南、廣東等地區(qū)的英茂糖業(yè)、永鑫華糖、力量生物、恒福糖業(yè)、隴川糖廠、田林糖廠、合山糖廠等20多家糖廠在線應(yīng)用。系統(tǒng)以測(cè)量準(zhǔn)確、控制穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單、直觀明了、維護(hù)量小獲得用戶的好評(píng)，發(fā)揮著不可替代的作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

CH-52BpH自控系統(tǒng)是在總結(jié)多年的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有設(shè)備存在的問(wèn)題，解決存在問(wèn)題而開(kāi)發(fā)出來(lái)的，能夠精確、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)澄清中和pH值自動(dòng)控制，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好，可以節(jié)省制糖企業(yè)運(yùn)行成本，節(jié)約糖廠設(shè)備維護(hù)及人工費(fèi)用，提高產(chǎn)品質(zhì)量及企業(yè)科技含量，可進(jìn)一步提升我國(guó)制糖工業(yè)自動(dòng)化水平。

［1］ 陳維鈞，許斯欣.甘蔗制糖原理與技術(shù).中國(guó)輕工業(yè)出版社，2001.

［2］ 陳林延，陳奕璋，劉耿，李進(jìn)勇.雙電極液體參數(shù)在線測(cè)量裝置［p］．中國(guó)專利：ZL2010 1 0187386.3，2010．

［3］ 陳林延，陳奕璋，李進(jìn)勇，劉耿.步進(jìn)自動(dòng)控制閥門(mén)［p］．中國(guó)專利：ZL2010 1 0181983.5，2010．

［4］ 陳林延，陳奕璋，李進(jìn)勇，劉耿.液體參數(shù)在線測(cè)量裝置［p］．中國(guó)專利：ZL2010 2 0209440.5，2010．

文章編號(hào)：2095-820X（2016）05-06

TS243.2

B

2095-820X（2016）05-07

2016-09-20

陳林延（1981-），男，廣西合浦人，工程師，研究方向：工業(yè)自動(dòng)化。

簡(jiǎn)介：李進(jìn)勇（1976-），男，廣東茂名人，工程師，研究方向：自動(dòng)化。