酒精生产糖化工段自动控制方案的设计

高莉丽，王湘妍，马志新

（1.郑州大学化工与能源学院，河南 郑州 450001；2.河南省医药学校，河南 开封 475000）

0 引言

我国现阶段酒精生产企业的自动化装置水平参差不齐，有的小酒精厂还停留在几块温度表和几块压力表的阶段，全凭操作工人的经验操作；有些酒精厂在液化糖化、发酵、蒸馏等工序采用了自动显示和控制工艺；仅有少数酒精厂在蒸馏工段采用了微机自动控制方案。 本文对酒精生产的糖化工段进行了自动控制方案的设计。

在进行自动控制方案设计时，被控变量是希望生产过程中保持在定值的过程参数[1]。 影响糖化工艺的因素很多，有糖化温度、糖化时间、pH 值、糖化酶用量、酶的活性、压力等等。 由于糖化时间对工艺的影响具有不确定性，因此选择pH 值、糖化酶的添加量和糖化温度作为被控变量进行设计。

1 pH值的自动控制方案

1.1 pH值的影响因素

在酒精液糖化工段中，pH 值的影响因素有很多。 如，硫酸或者氨水流量大小的波动，使其用量不均，导致酸碱度偏离实际要求；拌料罐的搅拌，导致拌料罐的温度上升，影响反应速率，也会影响pH 值的偏离；还有搅拌的不均匀，等等。 在这些因素中，搅拌器的搅拌不均匀和搅拌罐的温度升高是客观存在的，为不可控因素，只能尽量降低。 硫酸以及氨水的流量为可控因素，可以通过控制系统来进行实时调节。

1.2 操纵变量的选择

操纵变量是指在控制系统中，用来克服干扰因素对被控变量的影响，实现控制作用的变量[1]。 最常见的操纵变量是介质的流量。 操纵变量的选择原则有：（1）操纵变量应该是可控的，即工艺上允许调节的变量。 （2）操纵变量一般应比其他干扰因素对被控变量的影响更加灵敏。 （3）除了从自动化的角度考虑外，还应考虑工艺的合理性与生产的经济性。

根据以上原则，选择硫酸的流量作为操纵变量。自动控制系统的任务就是通过调节拌料罐入口处硫酸的流量来调节pH 值，从而使其保持在所要求的范围内。

1.3 控制规律的选取

此控制系统采用的是单回路简单控制系统，主要由被控对象、控制器、执行器和测量变送装置4 大基本部分组成。

目前，工业上常用的控制器主要有3 种控制规律：比例控制规律、比例积分控制规律和比例积分微分控制规律，分别记为P、PI 和PID。 控制规律的选取应遵循以下原则：（1）在一般的控制系统中，比例控制是不可少的。 当广义对象控制通道时间常数较小、负荷变化较小、工艺要求不高时，可选择单纯的比例调节规律，如贮罐液位、不太重要的压力等参数的控制等。 （2）当广义对象的控制通道时间常数较小、负荷变化较小而工艺要求无余差时，可选用比例积分调节规律，如管道压力、流量等参数的控制。（3）当广义对象控制通道的时间常数较大或容量滞后较大时，应引入微分作用。 如工艺允许有误差，可选取比例微分调节规律；如工艺要求无误差，则选用比例积分微分调节规律，如温度、成分、pH等参数的控

制[1]。

鉴于上述原则，我们采用PID 控制方案。

1.4 测量元件的选取

在此控制系统中，需要选取的测量元件是pH 计，用来测量溶液的酸碱度。 目前，pH 计有很多都是集传感、变送、显示为一体的。 所以，这里直接选用符合工艺要求且具有显示功能的仪表。

2 温度自动控制方案

2.1 温度的影响因素

在糖化工段中，影响物料温度的因素随处可见。一方面，冷却水的流量变化将导致物料的温度不稳定，产生波动；另一方面，外界环境的温度也会使物料的温度变化。 同时，糖化反应放热也使整个罐体的温度上升，间接导致温度变化。 在这些影响因素中，外界的环境温度以及由于糖化反应而产生的大量热两项因素被视为不可控因素。 对于冷却水的流量，可以通过改变阀门的开度进行控制，从而调整温度，所以冷却水的流量是可控的。

2.2 操纵变量的选择

通过上述分析，根据1.2 中操纵变量的选择原则，选择冷却水的流量作为操纵变量。 自动控制系统的任务就是通过调节冷却水阀门的开度来调节冷却水的流量，达到调节物料温度的目的，从而使其保持在所要求的范围内。

2.3 控制规律的选取

在温度控制系统之中，采用的仍然是单回路简单控制系统。由于被控参数是温度，所以根据1.3 中控制规律的选用原则，同样选用PID 控制规律。

2.4 测量元件的选取

此时的测量元件是测温元件。 常见的测温元件按工作原理分为膨胀式温度计、压力式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计和辐射高温计。 工程中，经常使用热电阻温度计和热电偶温度计来测量温度。

热电偶温度计由感温元件热电偶、测量仪表、连接热电偶和测量仪表的导线3 部分组成，其核心元件是热电偶。 这类仪表一般适用于测量500℃以上的较高温度，且价格较贵。 对于在500℃以下的中、低温工况，不宜采用热电偶温度计进行测量。

对于热电阻温度计而言，热电阻是测温元件，是最主要的部分，是金属体。 目前，应用最为广泛的热电阻材料是铂和铜。 在氧化介质中，甚至在高温下，铂电阻物理、化学性质都非常的稳定，一般作为标准仪表使用。 但在还原介质中，特别是在高温下，很容易被玷污，使铂丝变脆，并改变其电阻与温度间的关系。 因此，应特别注意保护。 另外，与铜电阻相比，铂电阻的价格较高。 所以，铂电阻一般只用于测量500℃以上的温度。 而铜电阻易加工提纯、价格便宜、电阻温度系数很大，且电阻与温度呈线性关系。在测温范围-50～+150℃内，铜电阻具有很好的稳定性，但温度超过150℃后，就容易被氧化，并且氧化后就失去了良好的线性特性。 所以，铜电阻一般用来测量准确度要求不高、温度范围在-50～+150℃之内的温度。

在糖化罐的糖化过程中，糖化温度应按照工艺要求控制在60℃。 所以，本设计选用铜热电阻温度计作为测温元件。

3 酶用量自动控制方案

3.1 温度的影响因素

在酒精液糖化工段中，酶用量影响因素也有很多。 酶的活性、酶流量大小的改变会导致酶单位时间用量的变化，从而会使单位质量的物料所加酶的量偏离实际要求；外界温度的影响，使酶的反应温度难达到最佳状态，从而导致酶的实际用量与要求有差值。

3.2 操纵变量的选择

通过上述分析，可以看出，影响酶用量的主要因素就是控制酶的流量。 如果酶多了，那么就将流量阀门开度减小，使酶的流量减小，从而使糖化罐中的酶减少；反之，则应将流量阀门开度调大，使酶的流量增大，继而使糖化罐中的酶量增多。 所以，根据1.2 中操纵变量的选择原则，选择酶的流量作为操纵变量。

3.3 控制规律的选取

在酶用量的控制系统之中，仍然采用单回路简单控制系统。 由于被控参数是酶的用量，所以根据2.3 中控制规律的选用原则，选用PI 控制规律。

3.4 测量元件的选取

此时的测量元件是测量流量的流量计。 在选用流量计时，首先要考虑流体的性质和状态，其次要考虑工艺允许的压力损失、额定流量。 同时，还应注意使用场合的特点、测量精度的要求，以及显示的方式等等。

常见的流量计有压差式流量计、 转子流量计、电磁式流量计等。 压差式流量计是基于节流原理来进行流量测量的，可以测量除固体介质以外的任何介质的流量。 该流量计已经实现了标准化、系统化生产，但在使用时，压力损失比较大。 转子流量计是由一个锥形管和一个可以在锥形管中上下自由运动的转子两部分组成的，它结构简单、维修方便、价格便宜，压力损失比压差式流量计小。 但是，这种仪表的性能和准确度不高，当流量大小发生突变或者垂直度有偏差时，转子容易产生摩擦，甚至被卡死，给测量带来很大误差。 因此，转子流量计通常用来测量小流量酶。 电磁式流量计由变送器和转换器两部分组成，可以测量导电液体的流量，不受流体物性的影响，测量范围也比较宽（可以测量两个不同方向的流量，可测含杂质液体，同时还可以测量强酸、强碱以及盐类等腐蚀性液体）。 在测量时，电磁式流量计受流动状态的影响小，测量中没有压降，不会对流动造成损失。 但是，由于没有考虑密度的变化，用起来相对比较复杂。 当测量有杂质的黏性流体时，黏性物容易附着在电极上，从而产生测量误差。 因此，使用时必须注意清洗。 同时，测量时干扰信号比较多。 综合以上各种因素，电磁式流量计通常用于其他流量计不能使用的场合。

经分析，本设计选择差压式流量计，经济适用，虽然有一定的压力损失，但是对工段的影响不大。

4 结语

酒精生产过程是一个包含多种变量的复杂系统，而且在酒精生产的各种影响因素中，有的是可控的，有的属于不可控的。 因此，自动控制人员和工艺人员必须密切配合，认真地进行分析研究，制订出一个有效的、切实可行的控制方案。 同时，在线优化是酒精生产过程自动化系统取得最佳经济效益的关键所在。 我国现有的酒精生产企业，应从长远的、战略的眼光来看问题，将先进过程控制与在线实时优化应用于酒精生产过程的自动化改造之中，以提高我国酒精行业整体的自动化控制水平，从而达到挖潜增效、节能降耗的目标。

［1］ 王毅. 过程装备控制技术及应用[M]. 北京：化学工业出版社，2004：24-38.

［2］ 刘秀强. 啤酒糖化生产中的pH 值的调控[J]. 江苏食品与发酵，1999（9）：29-31.

［3］ 戴成民，党钰. 酒精生产过程控制的探讨[J]. 酿酒科技,2003（1）：57-59.

［4］ 李大鹏，罗文斌. 双酶法生产玉米酒精液化及糖化工艺条件研究[J]. 黑龙江八一农垦大学学报，2004（9）：74－77.

［5］ 王雁平，刘羽. 集散系统实现啤酒糖化工艺过程控制[J].长春工业大学学报：自然科学版，2005（6）：130-133.