中和CH-52B pH自控系统的开发与应用

陈林延，李进勇，刘 耿

（钦州市创华工控设备有限公司，广西 钦州 535000）

文章编号：2095-820X（2016）05-06

中和CH-52B pH自控系统的开发与应用

陈林延，李进勇，刘 耿

（钦州市创华工控设备有限公司，广西 钦州 535000）

中和pH值是糖厂澄清工段的关键工艺控制指标，文章介绍了用于中和pH值测控的CH-52B pH自控系统的结构和工作原理。应用结果说明，该系统能精准、稳定控制中和pH值，保证蔗汁澄清效果，为提高糖分回收，提高产品质量提供技术保障。

澄清中和；pH值；自控

0 概述

澄清工段是亚硫酸法制糖工艺中的关键工段之一，中和pH值是澄清工段中的关键工艺控制指标。中和pH值的控制效果直接影响蔗汁的澄清效果、糖分回收和后续工段设备积垢问题，从而影响食糖生产成本和质量，最终影响糖厂的经济效益，所以对中和pH值进行精确测量和稳定控制至关重要。

近年来众多科研单位及制糖企业投入大量人力物力，在澄清工艺特别是在中和pH自动测量控制方面，进行了研究和推广，获得一定的效果，目前众多糖厂已有pH自控系统应用。由于澄清工艺过程存在变量多、非线性、大滞后、积垢严重、高温腐蚀等干扰因素，现有pH自控系统在使用过程中，存在电极清洗不干净影响测量精度，影响系统控制效果；执行器精度不够，控制波动大，结构不理想，石灰乳容易渗漏；系统维护量大等问题。更符合现场需求的智能pH自控系统，还要持续的研究和完善。

针对目前pH自控方面存在的问题，我公司发明了“步进自动控制阀门”、“双电极在线测量系统”、“单电极测量装置”等核心专利技术，开发了CH-52B pH自控系统，并已在多家糖厂应用，取得较好的成效，下面介绍该系统技术的工作原理及应用情况，探讨其在糖厂应用的可行性。

1 CH-52BpH自控系统的原理和构成

1.1 CH-52B pH自控系统的控制原理

CH-52B自控系统采用复合玻璃电极对中和汁进行pH值测量，进行数据采集，系统将采集到的数据送到比较器进行比较，产生的偏差再送入模糊控制器（或者自适应控制器）进行运算，运算结果通过输出模块驱动步进执行器动作，改变被控介质石灰乳的加入量。系统连续进行“样品测量—比较运算—输出控制”的循环，从而达到精确稳定控制中和pH值的目的。通过控制器指令驱动双电极测量装置两支电极按预设的时间往复运动，实现对电极的测量和清洗除垢交替作业；当生产处于停顿间隔时，系统会自动检测来料压力，压力小于下限报警值，系统发出指令关闭步进执行器，生产恢复后，系统检测到压力变化，发出指令开关步进执行机器，整个控制过程无需人工干预。

1.2 CH-52B pH自控系统的控制结构

系统控制结构见图1。

图1 CH-52B pH自控系统控制结构如图

1.3 CH-52B pH自控系统的控制组成

pH自控系统主要由PLC主控部分、中和汁（pH1）双电极测量和清洗、步进执行器调节石灰乳、澄清汁（pH2）测量和清洗等四大部分组成。系统还预留了中和汁压力和一、二次温度加热检测和控制功能。CH-52BpH自控系统现场应用示意图（见图2）。

图2 CH-52B pH自控系统现场应用示意图

1.3.1 系统PLC主控部分

主控部分由信号检测、控制算法、人机界面等组成。信号检测采用INA116芯片作为前置信号放大器，实现对玻璃电极微弱电压信号的采集放大，该芯片是一款具有超低输入偏置电流的单片仪表放大器，特殊的保护技术使其输入阻抗达到1×1015Ω，性能稳定可靠。控制算法是系统的关键部分，由于中和pH过程具有大滞后，非线性的特点，很难甚至无法采用常规方法对其进行有效的建模和控制，针对这种情况，经过深入研究，系统设计了模糊控制器和自适应控制器两种算法，并到糖厂现场进行测试，结果表明，这两种控制算法均具有良好的稳定性和动态性能，相对于常规PID算法效果更显著。系统控制记录曲线，见图3。

图3 系统控制记录曲线图

1.3.2 pH1（中和汁）双电极测量和清洗

中和汁pH值的测量，为系统提供控制依据，相当于系统的眼睛，pH值测量的准确实时与否，直接影响系统的控制效果。目前，许多在用的系统均采用垂直上下结构的双电极检测装置，电极在电机的作用下降到采样槽进行测量，一定的时间后，电机反转带动电极上升到上方的清洗室进行清洗，轮换另外一支电极进行测量，来回轮换，这样做的问题在于，清洗液可能会从电极升降的孔往下渗漏，直接污染样品，改变样品的pH值，造成系统的误动作，形成控制波动。从下方喷射电极敏感膜的清洗方式，存在单点清洗不够干净的可能，直接造成测量信号的迟缓，影响测量信号的采集，影响控制效果。清洗液的供应和回收则需在旁边放置一个清洗箱，清洗液通过清洗泵和管路喷射电极后，自流回清洗箱，存在清洗液管路堵塞、脱落污染等诸多不确定因素。

一体化双电极pH测量装置，很好的解决上述问题，为CH-52BpH自控系统提供精准可靠的测量信号。装置由二组电极位移机构分别带动二支玻璃电极，由程序指令对二组电极进行交替测量、清洗控制，保证测量信号的连续。装置将电极测量、电极清洗、清洗液回收等部件一体化设计，无需另外配套一个清洗液回收箱，杜绝清洗管路脱落或者堵塞的可能。采用测量和清洗水平位移结构，清洗点和测量点处于水平隔离的前后位置，电极在电机的带动下，完成旋转上升移动下降到后面的清洗箱进行清洗，清洗液直接回落清洗箱内，杜绝了上下结构检测装置在上升清洗时清洗液渗漏污染样品的可能。电极清洗通过清洗泵和固定管路，从多个角度多点同时喷射玻璃电极的清洗结构，保证电极的清洗干净，为pH值实时精准测量提供强有力的保障。双电极pH测量装置结构剖视图，如图4所示。

图4 双电极pH测量装置结构剖视图

1.3.3 步进执行器调节加石灰乳

旋转式步进执行器，是系统的输出调节部分，相当于CH-52BpH自控系统的手。系统根据测量pH值比对后，经运算输出调节执行器的开或关，以改变所添加的石灰乳流量，达到控制pH值的目的。执行器的结构合理，调节精密灵敏，对系统的控制起关键作用。

糖厂澄清中和用于调节pH值的添加剂是石灰乳，石灰乳粘稠度大、杂质多，传统的阀门很容易被卡死，不适合使用。目前糖厂使用的执行机构大多是上一代产品，实用新型名称为《括板式自动控制阀门》，它基本上可以满足糖厂的生产要求，但也存在如下缺陷：一是刮板与导管之间是以平面相接合，摩擦力较大，容易被损坏，致使密封不好形成渗漏。二是由于刮板上开设的头大尾小形如弯曲了的蝌蚪或太极图的涡旋槽孔的长度较短，使液体在一定时间内（即电机控制的步幅内）通过该涡旋槽孔的流量控制得不够精确。

旋转式步进执行器，为CH-52B pH自控系统提供一种控制流量更精确、密封效果更好的步进自动控制阀门。执行器由机箱、进出口阀体、主轴、减速齿轮、步进电机、密封导管、开有渐开线通孔筒状阀芯等部件组成。关键在于密封导管的一端为弧形端口，与安装在主轴上阀芯紧密接合，阀芯上设有渐开线形通孔，电机按指令带动阀芯旋转不同的角度，密封导管与渐开线通孔的共有面积大小变化，改变石灰乳通过的流量，从而达到调节pH值的目的。由于渐开线型通孔是沿着圆筒状阀芯的圆筒壁开设的，该通孔的跨度比较长，在步进电机控制相同步幅条件下，液体通过该通孔就可以划分得更细，因此，大大提高了液体流量控制的精确度；而且由于密封导管与圆筒状阀芯是以圆筒面相接合的，摩擦力较小，不易被损坏，密封效果更好，故障率也就更低。

步进执行器的驱动由混合式步进电机和脉冲细分驱动器组成，实现执行器的精确定位，并可做到步进电机驱动电流和细分步数可调，最大驱动电流可达6A，最大细分步数可达60000R/S。为CH-52B pH自控系统的输出调节提供精确、灵敏可靠的执行保障。步进执行器结构，如图5所示。

1.3.4 澄清汁（pH2）测量和清洗

澄清中和的控制结果，在沉淀池得到体现，设置用于沉淀池的澄清汁pH测量和显示装置，方便岗位实时在线的、直观的了解澄清结果，为中和pH控制提供参考。由于沉淀池的pH值不会频繁的波动，经过沉淀后的糖汁也很干净，不用频繁清洗，设置单电极pH装置，配套可独立工作也可与系统控制主机联网的pH测量仪，设置定时的清洗即可。

单电极测量装置像一个会自动清洗的眼睛，结构与双电极测量装置类同，负责测量出沉淀池糖汁的pH值，并由玻璃电极将信号转成电信号，通过电缆输送给pH测量仪，测量仪将电信号换算为直观的pH值显示出来，可用于同步传输到CH-52B pH自控系统的控制主机上显示，也可单独配套用于糖浆、污水、环保等液体介质的测量显示。单电极测量装置的结构，如图6所示。

图5 步进执行器结构图

图6 单电极测量装置结构图

2 CH-52B pH自控系统的性能特点

CH-52B自控系统的研发成功，实现了糖厂中和pH值的自动化控制，解决了上一代产品故障率高，维护量大的难题。该系统具有如下特点。

一是采用西门子PLC作控制器，各功能单元模块化设计，结构更加简单可靠，大大降低了系统的维护量，并根据现场生产工艺的特点，采用模糊控制和自适应控制两种算法，使控制效果适合各种苛刻的环境要求。

二是采用混合式步进电机结合细驱动器，驱动圆筒状渐开线阀芯，驱动更有力、平稳、精确，解决运转卡死、失步等现象；同时，控制线同比加长50%，精度提高10倍。

三是双电极pH测量装置、单电极pH测量装置均采用电极测量、电极清洗及清洗液回收一体化结构设计，两组电极在程序控制下自动交替测量和清洗，机械部件均为防腐材料制造，结构简单可靠；电极测量和电极清洗位置水平隔离，解决同类产品电极垂直上升清洗时，清洗液向下渗漏污染采样汁，影响电极测量的现象；电极清洗采用多喷嘴、多角度同时喷射设计，使电极清洗更干净，信号更准确。

四是系统采用10寸工业液晶触摸屏，质量可靠，寿命长，利用组态软件开发的动态监控画面，直观明了，内置存储器，可记录、查询整个榨季的生产数据和曲线；系统所有操作均在主控制器触摸屏上完成，人界机面友好，操作简便，只需经过短时的培训，岗位工人即可熟练操作。主机的主控界面，如图7所示。

图7 主机的主控界面图

五是系统设置了各种运行状态指示、故障报警提示、故障分析帮助等齐全的辅助功能，使设备的使用、维护更加方便，简单。

六是主控制器体积小，运算速度高、每条指令执行时间0.2uS，保证系统的实时性；采用高精度A/D模块对信号进行采集，保证信号的准确性；具有良好的扩展性和强大的指令系统，设有RS485、以太网和GRM无线通信接口，方便与其它系统挂接。

3 CH-52BpH自控系统主要技术参数

3.1 测量范围：0～14pH

3.2 静态误差：≤±0.1pH

3.3 动态误差：≤±0.1pH

3.4 输入阻抗：1×1015Ω

3.5 电机清洗泵工作电压：110VAC50Hz

3.6 系统工作电压：220VAC50Hz

4 应用情况

2015年3月，钦州市华驭糖业有限公司（亚硫酸法生产工艺，产能5000吨/天）对CH-52B pH自控系统的技术性能指标内容进行现场查定，查定结果见表1。

表1 自控系统的技术性能指标查定数据

产品CH-52BpH自控系统满足制糖企业澄清中和工段各个关键工艺指标多点自动化测控需求，实现澄清中和工序关键工艺指标多参数自动化测控，可广泛地应用于亚硫酸法糖厂，对提高产品质量及糖分回收提供技术保障。本技术推广应用到广大制糖企业中，以一个榨蔗50万吨产糖率12%的中型糖厂为例，如果澄清工艺指标控制不好，糖分回收率降低了0.1个百分点，将意味着一个榨季损失白糖约500吨，价值三百多万元；同样如果澄清工艺指标控制不好，白糖质量不好，增加了二级白糖或者不及格糖的比例，也会白白损失几十万甚至几百万元。

目前，已有30多套CH-52BpH自控系统在广西、云南、广东等地区的英茂糖业、永鑫华糖、力量生物、恒福糖业、陇川糖厂、田林糖厂、合山糖厂等20多家糖厂在线应用。系统以测量准确、控制稳定、操作简单、直观明了、维护量小获得用户的好评，发挥着不可替代的作用。

5 结束语

CH-52BpH自控系统是在总结多年的现场经验基础上，针对现有设备存在的问题，解决存在问题而开发出来的，能够精确、稳定地实现澄清中和pH值自动控制，现场应用效果较好，可以节省制糖企业运行成本，节约糖厂设备维护及人工费用，提高产品质量及企业科技含量，可进一步提升我国制糖工业自动化水平。

［1］ 陈维钧，许斯欣.甘蔗制糖原理与技术.中国轻工业出版社，2001.

［2］ 陈林延，陈奕璋，刘耿，李进勇.双电极液体参数在线测量装置［p］．中国专利：ZL2010 1 0187386.3，2010．

［3］ 陈林延，陈奕璋，李进勇，刘耿.步进自动控制阀门［p］．中国专利：ZL2010 1 0181983.5，2010．

［4］ 陈林延，陈奕璋，李进勇，刘耿.液体参数在线测量装置［p］．中国专利：ZL2010 2 0209440.5，2010．

文章编号：2095-820X（2016）05-06

TS243.2

B

2095-820X（2016）05-07

2016-09-20

陈林延（1981-），男，广西合浦人，工程师，研究方向：工业自动化。

简介：李进勇（1976-），男，广东茂名人，工程师，研究方向：自动化。