自动煮糖技术在糖厂的应用及展望

梁贤慧，骆荣贞

（1.广西工程咨询集团有限公司，广西 南宁530021；2.广西糖业集团开泰供应链管理有限公司，广西 南宁530022）

0 引言

甘蔗制糖属于传统行业，食糖市场与经济社会中存在的需求不断的变化发展，使制糖工业中存在的竞争逐渐激烈，也使制糖工业与其他的行业看齐，愈发对科学化的管理与人力的节约以及原材料的节省方面更加重视［1］。因此，自动化技术可以于制糖中被广泛使用，因为它能够对生产情况进行反映、能够替代人工的操作。目前，“一步法”糖厂生产过程中除煮糖工序外的其他工序，如甘蔗压榨、蔗汁清净等都已经基本实现了自动化，而在煮甲糖膏阶段，目前多数糖厂仍处于纯手工或半自动状态，仍依赖人工拉取样棒抽取物料，在玻璃片上观察判断晶种大小、数量，以及均匀度，并据此判断决定下一步的操作，另外，操作人员要根据生产实践过程中物料、汽压、真空度等的变化，随时调节阀门来控制煮炼过程。人工煮糖存在操作者水平差异、操作偶然性等不确定因素，因此操作者的经验会直接影响糖膏的结晶率、产品质量的稳定性和能耗。而国内外技术先进的“二步法”糖厂中，原糖和精制糖的煮糖工段已完全实现了自动化，值得“一步法”糖厂借鉴学习。

1 “二步法”自动煮糖技术现状

自动煮糖从原理上说是模仿人工煮糖操作，它通过将人工煮糖的各个阶段的操作进行标准化处理，形成一套标准化控制流程，由电脑按标准化参数要求控制煮糖罐各个阀门进行相应动作，在整个煮糖过程几乎不再需要人工干预，从而实现自动化操作。

煮糖结晶是通过控制糖液的过饱和度来进行的，但由于糖液过饱和度无法用仪表直接测定，而糖液锤度与糖液的过饱和度有较高的相关性，因此煮糖的自动控制常通过测定和控制糖液锤度来进行。在人工煮糖中，通常是采用“逐步浓上”的煮糖操作方法，在自动煮糖中仍然是采用这个方法。我们把投粉点的锤度值作为初始锤度值，把放糖的锤度值看作最终锤度值，可以把煮糖过程看成是一个锤度值随料位高度变化的曲线函数。通过与实时锤度检测信号、罐内料位高度信号、入料流量信号和汽凝水流量信号等进行模拟运算，得到控制信号，用于控制入料阀的开度，实现煮糖连续煮上。

在整个煮糖过程的自动控制中，用于罐内糖膏锤度监测的锤度仪是关键的测量仪表，其测量精度和可靠性要求很高，目前常用的是国外进口的微波锤度计，微波锤度计的原理是利用微波高频信号在溶液中传输时被水分子吸收，造成自身的衰减和相移，其变化量与溶液浓度具有很好的对应性，可通过运算得到溶液浓度。微波锤度计测量精度高达0.2%，且可靠性高，具有良好的在线测量性能。因此在糖厂的自动化控制中应用广泛。

在国内外先进的“二步法”制糖中，精糖生产通常采用间歇自动煮糖技术，原糖生产大多采用连续自动煮糖技术。“二步法”制糖全自动煮糖技术在欧洲、日本、泰国等制糖发达的国家应用较为普遍，且技术成熟，稳定性好。

1.1 间歇自动煮糖技术

在先进的精糖厂中，精糖煮炼采用全自动煮糖系统，通常选用间歇煮糖罐实现自动化，自动控制对象是间歇罐真空度控制、加热汽鼓蒸汽压力、间歇罐液位控制、间歇罐锤度控制、热水控制、原料箱液位等。间歇煮糖罐的控制界面和参数设置界面，如图1和图2所示。

通常间歇煮糖罐自动煮糖过程的操作步骤如下。

图1 间歇煮糖罐的控制界面

图2 间歇煮糖罐的参数设置界面

第一，抽真空。煮糖开始，首先打开真空阀，当罐内真空度到达设定数值时，则进行下一步骤。

第二，进底料。自动打开进料阀抽入底料，进底料的量按初始设置参数决定，达到设置参数后关闭进料阀。

第三，浓缩。自动打开进汽阀浓缩底料，此步骤是为接种作准备，底料浓缩到达的浓度参数根据人工操作的经验确定，并根据实际情况进行调整，一般在77~80°Bx之间。

第四，抽种。底料浓缩达到指定浓度后，关闭进汽阀，自动打开抽种阀接种，接种量按设定参数确定。接种完成关闭抽种阀。

第五，吸收。接种后，按设定的时间进行养晶，养晶时间一般设置为几分钟。

第六，煮上。自动打开进汽阀和进料阀，开始连续入料煮上，煮上的速度由进汽压力决定，进汽压力大，蒸发量就大，入料流量就大，罐内料位高度上升就越快。同时，煮上的糖膏的浓度控制跟随料位高度升高而升高，由初始的78~80°Bx逐步升高至88~89°Bx。

第七，深度浓缩。此时煮糖罐料位已达到设定高度，关闭入料阀，关小进汽阀，进入深度浓缩阶段，糖膏慢慢浓缩到终点浓度即90~91°Bx。

第八，放糖。此时关闭进汽阀，关闭抽真空大阀，打开解除真空阀，当罐内真空下降至设定数值后，打开放糖阀，糖膏排入助晶机。

第九，汽洗。放糖完成后打开蒸汽清洗阀清洗煮糖罐，排除积糖，清洗时间可以在设置界面中设置。清洗结束后，关闭清洗阀和放糖阀。

此时煮糖程序结束，等待新的指令开始下一罐煮糖操作。

1.2 连续自动煮糖技术

在国内外的原糖厂中通常采用连续煮糖罐进行各段糖膏的煮炼，连续煮糖罐有卧式和立式两种，其中卧式在糖厂应用较多，卧式连续煮糖罐配套设施工艺图，如图3所示。

图3 卧式连续煮糖罐配套设施工艺图

目前常见的卧式连续煮糖罐内部根据设计容量通常被分成10~16个隔室，每个隔室中均设置有锤度探测仪，可以显示各个隔室的糖膏实时锤度。同理按照逐步浓上的煮糖操作原则设置抽种隔室、放糖隔室和中间隔室的控制锤度。通过各隔室的实时锤度和控制锤度的比较和运算，得到控制信号控制各隔室的入料阀，实现各隔室连续入料。卧式连续煮糖罐的放糖管须具备一定的高度，一般是从助晶机侧面下部插入助晶机，依靠助晶机内糖膏的密封作用，可以防止真空泄漏，从而实现连续放糖。该助晶机也称糖膏接收箱，糖膏从上部排出进入另一个助晶机，然后去向分蜜工序。法国某公司的连续煮糖罐的控制界面和参数设置界面，如图4和图5所示。

2 “一步法”自动煮糖技术现状

近年来，由于国内一些“二步法”糖厂或精炼糖厂成功引进了自动煮糖技术，国内厂家在此基础上对该技术进行吸收改造，目前国内也有多家生产耕地白砂糖的制糖企业将自动煮糖技术应用于糖膏的煮炼，其中卧式连续煮糖罐用于丙糖膏的煮炼已较为普遍，丙糖膏连续煮糖技术同原糖的煮炼。

图4 法国某公司的连续煮糖罐的控制界面

图5 法国某公司的连续煮糖罐的参数设置界面

但由于“一步法”糖厂甲糖膏的煮炼操作与精制糖或原糖差异较大，国外的自动煮糖技术无法直接用于甲糖膏的煮炼，加上近些年来国内制糖行业经济不景气，糖厂技术改造的动力不足，因此目前甲糖膏基本上仍处于半自动甚至纯人工煮炼的阶段，尚未实现全自动化。不过近些年来也有一些研究进展，例如由中国轻工业南宁设计工程有限公司研制的自动煮糖系统，2017/2018年榨季在广西糖业集团良圻制糖有限公司投入应用，其煮炼所得产品白砂糖各项理化指标和感官指标稳定，并且提高了效率，减少人工成本，煮炼过程节省了时间，从而也减少了能耗［2］。由杭州优稳自动化系统有限公司生产的国内首套DCS自动化煮糖系统，2018/2019年榨季在南宁糖业明阳糖厂初步试验成功，结果表明，糖厂通过自动化改造，压榨抽出率提升0.19%、废蜜产率降低0.09%、产糖量增加1362吨和总用工减少385人［3］。另外，自动煮糖系统在甜菜生产白糖中也运用较为成功，博天糖业有限公司张北分公司利用杭州和利时自动化有限公司生产的MACS-S DCS控制系统，使煮糖过程实现了自动化，制糖各项指标也较人工煮糖得到提升［4］。

3 展望

目前“二步法”煮糖已基本实现全自动化，法国Fives公司卧式连续煮糖罐，BMA公司立式煮糖罐在“二步法”自动煮糖中运用较为普遍，但由于国内外制糖关键工艺参数的差异，引进的国外自动煮糖技术不一定就能适应本国的糖厂，中粮（唐山）糖业有限公司经进一步优化煮糖罐结构和控制程序，实现了煮糖结晶过程的全自动控制和信息化管理，达到了节能减排增效的目的［5］。

而要实现“一步法”煮炼甲糖膏全自动化，仍需进一步通过实验与开发作为重点环节，使其建成的算法与逻辑能够与人工煮制中检测与判断以及调节等无限接近。

未来的自动化正向人工智能系统发展，将带有智能芯片和5G物联网技术的智能生产设备同人工智能管理技术相结合，有效地集成监督控制、在线优化、生产调度、企业管理和经营决策等功能，通过人工智能对生产全过程的不断自我优化，最终形成一个最为经济、高效的生产模式。

站在新的起点，只有继续进行升级改造，将生产自动化的水平进行提升，才能使糖企降低人工、运营维护和能耗等生产成本，进而确保糖企能够稳定、长期的发展。