葡萄糖生產中的結晶控制
隨著近幾年來葡萄糖在醫藥 、化工、食品行業的廣泛應用，國內葡萄糖生產得到了快速的發展，但是國內葡萄糖生產工藝 過程、操作方式大都比較簡單落后，多數操作都是由人工現場來完成，技術 指標很難保證。隨著DCS的快速發展和廣泛應用，國內葡萄糖生產工業的自動化、連續化水平也有了很大的提高，各個生產廠家為了適應未來市場對不同產品 的需求、降低成本、優化生產工藝過程，大都已經或準備在其生產過程中采用DCS控制生產過程。其中浙江中控技術股份有限公司生產的WebField JX-300X DCS，在葡萄糖生產行業中有著較好的應用，尤其是針對結晶過程的控制方面，采用了折線控制策略代替了原來的人工操作調節，達到了良好的控制效果。
WebField JX-300X DCS是浙江中控技術股份有限公司于1999年推出的集散控制系統，其采用WEB化體系結構，突破了傳統控制系統的層次模型，實現了多種總線兼容和異構系統綜合集成的“網絡化控制系統”，真正實現了網絡化、智能化、數字化，突破了傳統DCS、PLC等控制系統的概念和功能，比較容易實現過程控制、設備管理 的統一化。它具有開放性、兼容性、安全性、遠程服務、故障診斷、實時仿真、易于使用和維護等特點。
葡萄糖生產工藝流程
圖1葡萄糖生產工藝流程框圖。
葡萄糖生產工藝過程是以玉米淀粉為原料，在高溫液化酶作用下，將淀粉乳糊化成一定分子量的糊精和低聚糖，再用糖化酶在一定的濃度、溫度和時間 下進行糖化，使其水解成葡萄糖液。為了除去糖液中的雜質，得到更高純度的葡萄糖，采用預涂層轉鼓過濾除去蛋白、活性炭稀脫色、陰陽離子交換、四效降膜蒸發濃縮、活性炭濃脫色、運動結晶等過程進行精制提純，然后再經過分離、氣流干燥 、流化床降溫、過篩、自動包裝過秤、塑合封口、噴碼、計數、自動入庫等工序，完成了葡萄糖從原料到成品的全過程，工藝流程如圖1所示。葡萄糖結晶工序位于整個生產過程中的后段，對最終產品的收率和質量 起到十分關鍵的作用，同時由于選擇不同的品種其降溫過程曲線也有所不同，因此結晶過程的控制是整個葡萄糖生產控制過程中的難點和重點。
結晶過程控制的難點解決結晶工藝過程
圖2 結晶工藝流程框圖。
圖3結晶工藝流程框圖。
從脫色過濾工序來的濃糖糖漿，用泵打到結晶工序，經過精密過濾器過濾后進入板式換熱器冷卻，冷卻后的糖漿經流量計進行計量后注入結晶罐，結晶罐加滿后開始攪拌保溫，在保溫過程中，使新加入的糖漿與結晶罐內預留的晶種進行充分混合，保溫時間一到，糖漿的溫度也基本穩定到了降溫開始的溫度，這時就可以根據不同的產品品種選擇不同的降溫曲線進行降溫控制。攪拌繼續進行，在這段時間內通過冷媒水的回水溫度對回水閥進行調整，使降溫過程嚴格按照降溫曲線進行，當設定的降溫時間到時，葡萄糖液溫度也達到了工藝要求值，這樣結晶出的葡萄糖晶體質量好，收率也高。然后關閉冷媒水閥，把結晶好的3/4糖膏通過放料閥放入輸送螺旋，送到下一工序即分離工序的糖膏分配器，1/4預留等待下一個結晶周期開始，結晶過程結束。
圖4濃糖脫色過濾。
主要控制回路實現
降溫過程中的降溫曲線是在長期生產過程中根據不同的產品總結出來的獲得最佳收率的經驗曲線；降溫是通過夾套、盤管循環冷媒水進行的，由于降溫過程的時間較長，從30~60h不等，加之溫度本身的滯后，因此控制難度較大。經過反復摸索試驗后，在控制方式上我們采用了冷媒水溫度和結晶罐溫度組成的串級回路，而溫度的設定則根據降溫曲線分解為若干折線進行選擇輸出。這樣就可以實現了隨著時間不同設定不同的溫度值，保證了降溫過程的實時跟蹤，達到預期的控制效果，如圖3所示。
結晶過程第一步，首先從濃糖脫色來的糖漿經過泵打入圖4中的E1221板式換熱器，通過對循環水出水閥TRCA228A的控制來控制進入結晶罐的糖漿溫度，經過換熱后的糖漿流經流量計FIQ2280D測量并累積后進入結晶罐，通過流量計累積可以隨時掌握進罐濃糖漿的體積量，同結晶罐內通過液位計算出的體積進行比較參考。濃糖漿換熱降溫參數量較為簡單，采用出換熱器的糖漿溫度為主參數組成單回路控制即可。另外由于結晶打料過程為間歇過程，因此對于流量計的累積可設定一個清零按鈕進行每次打料的清零統計運算，以便更直觀地對打料量進行監測。
圖5降溫曲線圖。
結晶過程第二步是整個生產過程中的關鍵，它包括保溫和降溫兩個過程。根據用戶多年的生產操作經驗，對于不同的葡萄糖品種得出了各自不同的較為成熟的降溫曲線，如圖5所示的就是一條降溫曲線示意圖，其中0~T1這段時間內,保溫時間一般可設定為18~30h不等，T1~T2為降溫時間，可根據不同品種設定為從30~60h不等。由于結晶罐沒有加熱裝置，同時在保溫過程中冷媒水閥也是關閉的（即不需降溫），因此只能利用進料溫度和不斷攪拌使濃糖漿與結晶罐內的晶種進行充分均勻混合來維持。（這也是前面提到的進料溫度需要一定的控制，根據不同的環境溫度設定不同的濃糖進料控制溫度。）當保溫時間到時，結晶罐的糖漿溫度也基本達到了45℃或預先設定的溫度，這時就可以進入到下一過程——降溫過程了。
降溫是冷媒水通過夾套盤管進行的，時間上存在著一定的滯后性，同時溫度測量本身也存在滯后，因此控制方案設計時應充分考慮到這方面的因素。結晶罐內通過不斷攪拌進行濃糖糖漿和晶種的充分混合反應，使得降溫過程中罐內各點均勻進行，保證罐內溫度保持一致，可以把罐內物料溫度作為直接的被控參數，而冷媒水的回水溫度則是對物料溫度變化趨勢的一個預測參數，因此通過以上分析 并根據工藝過程和操作人員的經驗，采用如圖6所示的串級控制方式：以結晶罐內物料溫度控制為主回路，冷媒水回水溫度控制為副回路，輸出直接控制冷媒水回水流量閥。同時通過降溫曲線計算出從降溫過程開始在不同的進料時刻給出主回路控制溫度不同的設定值。整體方案確定后，為了保證控制效果，在具體的實施過程中還有兩個問題需要解決，一是降溫曲線的分解和計算，二是對回路的PID參數的整定。
圖6串級回路示意圖。
降溫曲線的分解和計算：首先根據不同的產品繪制出不同的降溫曲線，然后分解成3~4段均勻的二維折線，多條折線的細分降低了計算的誤差，如圖7所示。不同折線之間首尾相連，避免了在降溫過程中因不同時段折線切換時而引起的跳變。
為了使操作人員更好、更直觀地操作，在編程過程中，還可以使內部時鐘和系統時間進行每一步操作以及總操作的計時顯示，使操作人員在整個結晶過程中始終能夠看到每一個結晶罐的進行狀態，如反應時間、保溫時間以及進行時間。同時還可以在不同階段使用聲光報警及時提醒操作人員注意，這樣就大大降低了操作人員的勞動強度。
葡萄糖結晶，一般是根據產量的不同使用不同數量或體積的結晶罐，不同的結晶罐降溫過程只是存在著一定時間上的差異，其工藝管道和操作原理基本相同，這也就可以較好地實現程序的模塊化和通用性，因此在編程過程中我們使用JX－300X中的圖形化編程，先是通過程序編制成自定義模塊，然后在各個不同的結晶罐程序中進行引用，無論現場是有一個結晶罐還是十個或是幾十個，都可以重復引用，從而避免了重復程序而使得程序量增大，這樣既降低了編程人員的工作強度，同時也降低了系統的運算負荷，實現了系統的穩定安全運行。
圖7二段二維折線表。
系統應用效果
在系統投運后，經過一年半時間的運行，也進行了不斷的程序改進和參數的調整，基本上達到了預期的控制效果：
在工藝正常情況下，自動投運率達到了95%以上；
用戶各項目工藝指標達到了較高水平，控制精度能夠穩定在±2℃之內，如圖8所示；
產品質量和收率也有了較大的提高；近三個月的歷史趨勢記錄 ，為產品的經驗總結及事故分析提供了詳細的數據資料；
結晶罐高度、體積測量直觀顯示，杜絕了罐內高度、體積的人工測量產生的事故；
人機界面清晰友好，大大縮短了操作人員培訓 的時間以及操作強度。
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