陳林延，李進勇，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：2095-820X（2016）05-06

中和CH-52B pH自控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

陳林延，李進勇，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)濟效益，所以對中和pH值進行精確測量和穩(wěn)定控制至關(guān)重要。

近年來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自動測量控制方面，進行了研究和推廣，獲得一定的效果，目前眾多糖廠已有pH自控系統(tǒng)應(yīng)用。由于澄清工藝過程存在變量多、非線性、大滯后、積垢嚴重、高溫腐蝕等干擾因素，現(xiàn)有pH自控系統(tǒng)在使用過程中，存在電極清洗不干凈影響測量精度，影響系統(tǒng)控制效果；執(zhí)行器精度不夠，控制波動大，結(jié)構(gòu)不理想，石灰乳容易滲漏；系統(tǒng)維護量大等問題。更符合現(xiàn)場需求的智能pH自控系統(tǒng)，還要持續(xù)的研究和完善。

針對目前pH自控方面存在的問題，我公司發(fā)明了“步進自動控制閥門”、“雙電極在線測量系統(tǒng)”、“單電極測量裝置”等核心專利技術(shù)，開發(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)合玻璃電極對中和汁進行pH值測量，進行數(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）進行運算，運算結(jié)果通過輸出模塊驅(qū)動步進執(zhí)行器動作，改變被控介質(zhì)石灰乳的加入量。系統(tǒng)連續(xù)進行“樣品測量—比較運算—輸出控制”的循環(huán)，從而達到精確穩(wěn)定控制中和pH值的目的。通過控制器指令驅(qū)動雙電極測量裝置兩支電極按預(yù)設(shè)的時間往復(fù)運動，實現(xiàn)對電極的測量和清洗除垢交替作業(yè)；當(dāng)生產(chǎn)處于停頓間隔時，系統(tǒng)會自動檢測來料壓力，壓力小于下限報警值，系統(tǒng)發(fā)出指令關(guān)閉步進執(zhí)行器，生產(chǎn)恢復(fù)后，系統(tǒng)檢測到壓力變化，發(fā)出指令開關(guān)步進執(zhí)行機器，整個控制過程無需人工干預(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）雙電極測量和清洗、步進執(zhí)行器調(diào)節(jié)石灰乳、澄清汁（pH2）測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、二次溫度加熱檢測和控制功能。CH-52BpH自控系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用示意圖（見圖2）。

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

1.3.1 系統(tǒng)PLC主控部分

主控部分由信號檢測、控制算法、人機界面等組成。信號檢測采用INA116芯片作為前置信號放大器，實現(xiàn)對玻璃電極微弱電壓信號的采集放大，該芯片是一款具有超低輸入偏置電流的單片儀表放大器，特殊的保護技術(shù)使其輸入阻抗達到1×1015Ω，性能穩(wěn)定可靠。控制算法是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，由于中和pH過程具有大滯后，非線性的特點，很難甚至無法采用常規(guī)方法對其進行有效的建模和控制，針對這種情況，經(jīng)過深入研究，系統(tǒng)設(shè)計了模糊控制器和自適應(yīng)控制器兩種算法，并到糖廠現(xiàn)場進行測試，結(jié)果表明，這兩種控制算法均具有良好的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，相對于常規(guī)PID算法效果更顯著。系統(tǒng)控制記錄曲線，見圖3。

圖3 系統(tǒng)控制記錄曲線圖

1.3.2 pH1（中和汁）雙電極測量和清洗

中和汁pH值的測量，為系統(tǒng)提供控制依據(jù)，相當(dāng)于系統(tǒng)的眼睛，pH值測量的準(zhǔn)確實時與否，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)的雙電極檢測裝置，電極在電機的作用下降到采樣槽進行測量，一定的時間后，電機反轉(zhuǎn)帶動電極上升到上方的清洗室進行清洗，輪換另外一支電極進行測量，來回輪換，這樣做的問題在于，清洗液可能會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)的誤動作，形成控制波動。從下方噴射電極敏感膜的清洗方式，存在單點清洗不夠干凈的可能，直接造成測量信號的遲緩，影響測量信號的采集，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清洗箱，清洗液通過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測量裝置，很好的解決上述問題，為CH-52BpH自控系統(tǒng)提供精準(zhǔn)可靠的測量信號。裝置由二組電極位移機構(gòu)分別帶動二支玻璃電極，由程序指令對二組電極進行交替測量、清洗控制，保證測量信號的連續(xù)。裝置將電極測量、電極清洗、清洗液回收等部件一體化設(shè)計，無需另外配套一個清洗液回收箱，杜絕清洗管路脫落或者堵塞的可能。采用測量和清洗水平位移結(jié)構(gòu)，清洗點和測量點處于水平隔離的前后位置，電極在電機的帶動下，完成旋轉(zhuǎn)上升移動下降到后面的清洗箱進行清洗，清洗液直接回落清洗箱內(nèi)，杜絕了上下結(jié)構(gòu)檢測裝置在上升清洗時清洗液滲漏污染樣品的可能。電極清洗通過清洗泵和固定管路，從多個角度多點同時噴射玻璃電極的清洗結(jié)構(gòu)，保證電極的清洗干凈，為pH值實時精準(zhǔn)測量提供強有力的保障。雙電極pH測量裝置結(jié)構(gòu)剖視圖，如圖4所示。

圖4 雙電極pH測量裝置結(jié)構(gòu)剖視圖

1.3.3 步進執(zhí)行器調(diào)節(jié)加石灰乳

旋轉(zhuǎn)式步進執(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)測量pH值比對后，經(jīng)運算輸出調(diào)節(jié)執(zhí)行器的開或關(guān)，以改變所添加的石灰乳流量，達到控制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)的閥門很容易被卡死，不適合使用。目前糖廠使用的執(zhí)行機構(gòu)大多是上一代產(chǎn)品，實用新型名稱為《括板式自動控制閥門》，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度較短，使液體在一定時間內(nèi)（即電機控制的步幅內(nèi)）通過該渦旋槽孔的流量控制得不夠精確。

旋轉(zhuǎn)式步進執(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自動控制閥門。執(zhí)行器由機箱、進出口閥體、主軸、減速齒輪、步進電機、密封導(dǎo)管、開有漸開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)有漸開線形通孔，電機按指令帶動閥芯旋轉(zhuǎn)不同的角度，密封導(dǎo)管與漸開線通孔的共有面積大小變化，改變石灰乳通過的流量，從而達到調(diào)節(jié)pH值的目的。由于漸開線型通孔是沿著圓筒狀閥芯的圓筒壁開設(shè)的，該通孔的跨度比較長，在步進電機控制相同步幅條件下，液體通過該通孔就可以劃分得更細，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。

步進執(zhí)行器的驅(qū)動由混合式步進電機和脈沖細分驅(qū)動器組成，實現(xiàn)執(zhí)行器的精確定位，并可做到步進電機驅(qū)動電流和細分步數(shù)可調(diào)，最大驅(qū)動電流可達6A，最大細分步數(shù)可達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。步進執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

1.3.4 澄清汁（pH2）測量和清洗

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測量和顯示裝置，方便崗位實時在線的、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值不會頻繁的波動，經(jīng)過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，配套可獨立工作也可與系統(tǒng)控制主機聯(lián)網(wǎng)的pH測量儀，設(shè)置定時的清洗即可。

單電極測量裝置像一個會自動清洗的眼睛，結(jié)構(gòu)與雙電極測量裝置類同，負責(zé)測量出沉淀池糖汁的pH值，并由玻璃電極將信號轉(zhuǎn)成電信號，通過電纜輸送給pH測量儀，測量儀將電信號換算為直觀的pH值顯示出來，可用于同步傳輸?shù)紺H-52B pH自控系統(tǒng)的控制主機上顯示，也可單獨配套用于糖漿、污水、環(huán)保等液體介質(zhì)的測量顯示。單電極測量裝置的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖5 步進執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖

圖6 單電極測量裝置結(jié)構(gòu)圖

2 CH-52B pH自控系統(tǒng)的性能特點

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

一是采用西門子PLC作控制器，各功能單元模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)更加簡單可靠，大大降低了系統(tǒng)的維護量，并根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)工藝的特點，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電機結(jié)合細驅(qū)動器，驅(qū)動圓筒狀漸開線閥芯，驅(qū)動更有力、平穩(wěn)、精確，解決運轉(zhuǎn)卡死、失步等現(xiàn)象；同時，控制線同比加長50%，精度提高10倍。

三是雙電極pH測量裝置、單電極pH測量裝置均采用電極測量、電極清洗及清洗液回收一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計，兩組電極在程序控制下自動交替測量和清洗，機械部件均為防腐材料制造，結(jié)構(gòu)簡單可靠；電極測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，清洗液向下滲漏污染采樣汁，影響電極測量的現(xiàn)象；電極清洗采用多噴嘴、多角度同時噴射設(shè)計，使電極清洗更干凈，信號更準(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，利用組態(tài)軟件開發(fā)的動態(tài)監(jiān)控畫面，直觀明了，內(nèi)置存儲器，可記錄、查詢整個榨季的生產(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，人界機面友好，操作簡便，只需經(jīng)過短時的培訓(xùn)，崗位工人即可熟練操作。主機的主控界面，如圖7所示。

圖7 主機的主控界面圖

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

六是主控制器體積小，運算速度高、每條指令執(zhí)行時間0.2uS，保證系統(tǒng)的實時性；采用高精度A/D模塊對信號進行采集，保證信號的準(zhǔn)確性；具有良好的擴展性和強大的指令系統(tǒng)，設(shè)有RS485、以太網(wǎng)和GRM無線通信接口，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 測量范圍：0～14pH

3.2 靜態(tài)誤差：≤±0.1pH

3.3 動態(tài)誤差：≤±0.1pH

3.4 輸入阻抗：1×1015Ω

3.5 電機清洗泵工作電壓：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CH-52B pH自控系統(tǒng)的技術(shù)性能指標(biāo)內(nèi)容進行現(xiàn)場查定，查定結(jié)果見表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)澄清中和工段各個關(guān)鍵工藝指標(biāo)多點自動化測控需求，實現(xiàn)澄清中和工序關(guān)鍵工藝指標(biāo)多參數(shù)自動化測控，可廣泛地應(yīng)用于亞硫酸法糖廠，對提高產(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，以一個榨蔗50萬噸產(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個百分點，將意味著一個榨季損失白糖約500噸，價值三百多萬元；同樣如果澄清工藝指標(biāo)控制不好，白糖質(zhì)量不好，增加了二級白糖或者不及格糖的比例，也會白白損失幾十萬甚至幾百萬元。

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)以測量準(zhǔn)確、控制穩(wěn)定、操作簡單、直觀明了、維護量小獲得用戶的好評，發(fā)揮著不可替代的作用。

5 結(jié)束語

CH-52BpH自控系統(tǒng)是在總結(jié)多年的現(xiàn)場經(jīng)驗基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有設(shè)備存在的問題，解決存在問題而開發(fā)出來的，能夠精確、穩(wěn)定地實現(xiàn)澄清中和pH值自動控制，現(xiàn)場應(yīng)用效果較好，可以節(jié)省制糖企業(yè)運行成本，節(jié)約糖廠設(shè)備維護及人工費用，提高產(chǎn)品質(zhì)量及企業(yè)科技含量，可進一步提升我國制糖工業(yè)自動化水平。

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

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

［3］ 陳林延，陳奕璋，李進勇，劉耿.步進自動控制閥門［p］．中國專利：ZL2010 1 0181983.5，2010．

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

文章編號：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)自動化。

簡介：李進勇（1976-），男，廣東茂名人，工程師，研究方向：自動化。