摘要：为解决甘蔗制糖产生的大量高含水率蔗渣回炉燃烧热值较低且对锅炉产生副作用的问题，设计一种高温沉降式蔗渣干燥系统。利用甘蔗制糖工艺过程中产生的废弃热源，有效降低蔗渣含水率并提供蔗渣燃烧率，节约了燃煤的使用，提高能源利用率。采用高温蒸汽或高温热水对循环加热水进行一次换热，循环加热水再与处理仓内空气进行二次换热的方式对仓内的蔗渣进行加热处理，并通过负压抽送风系统带走大量水分，大幅降低蔗渣中的含水量，提高燃烧效率，节约成本，降低环境污染度，能满足大量蔗渣持续干燥。通过PLC控制器与WINCC上位机，实时在线监测各项压力、温度及流量数据。同时利用干燥度在线检测元件精准测量出蔗渣含水量，经过PLC程序的PI智能化算法处理后，对抽送风系统驱动器进行速度控制，结合输送速度，最终使得蔗渣含水量得到闭环自动控制。对设备关键部位进行有效监控，将监控状态传至WINCC上位机，实现了对整个系统的一体化控制。
关键词：蔗渣干燥,含水量,PI,PLC,WINCC
0引言
我国是世界上最大的食糖生产和消费国之一，甘蔗制糖是我国乃至全球食糖供给的重要组成部分。甘蔗制糖产业是以资源高效利用和循环利用为核心，以减量化、再利用、资源化为原则，以低消耗、低排放、高效率为基本特征的循环产业，是对大量生产、大量消费、大量废弃的传统增长模式的根本变革。在当前我国资源相对短缺而又大量消耗的状态下，以可持续发展理念对传统生产工艺进行优化改进，对解决我国资源对经济发展的瓶颈制约具有迫切的现实意义[1-4]。
甘蔗制糖生产需要大量的电能和蒸汽，而蔗渣作为甘蔗制糖的副产品，长期以来其一直作为燃料替代燃煤等常规能源消耗，保证糖厂的动力供给，这是蔗渣利用的最主要方式之一。但蔗渣作为替代燃料，存在含水量过高、影响燃烧、烟气体积大、排烟温度低等问题，最终影响燃烧热量；同时对于蔗渣与煤炭混合锅炉，其燃烧生产水分易与煤炭燃烧产生的硫结合对受热面造成低温腐蚀[5-10]。所以蔗渣干燥是能源高效循环利用的关键环节，蔗渣经过干燥后可以解决上述问题，同时在获得相同的燃烧热时使用的蔗渣会大幅减少，起到节约能源的效果。
传统干燥设备需要使用新的外部能源对蔗渣进行加热以实现水分蒸发，这样就使得蔗渣干燥提高燃烧值的综合能效大打折扣；同时传统干燥工艺使用向上抽风的对流方式进行干燥处理，随着蔗渣干燥度的降低会产生蔗渣外泄及扬尘，严重污染现场生产环境。针对上述实际问题，本文设计一种适用于甘蔗制糖产业的高效、节能、环保且具备智能化控制的蔗渣干燥设备。
1高温沉降式干燥系统结构
高温沉降式蔗渣干燥系统设计研发的基本理念是基于糖厂制糖工艺所产生的废弃高温蒸汽、冷却水、高温烟气的回收再利用。使用再热器对热水进行再次加热至设计温度，并通过管道将热水传输至换热器，使热水加热处理仓内的介质空气，最终加热处理物料。这样就需要一套复杂的包含光、机、电、液、气的一体式集成智能控制系统来完成处理工艺的实施[11-14]。
1.1系统功能部件组成
按处理工艺流程具体研发设计，首先蔗渣的输送需配置专用的包含进料、理平、在机检测、出料/回流等功能的特殊输送装置，其次热能的交换需配置特殊的蒸汽-水-空气的二次再热、换热装置，再次对处理仓内的温度场均衡及湿度抽除还需要配置特殊的抽送风装置及分离过滤装置，这样才能使得干燥功能得到充分发挥，同时也保证处理工艺所产生的废气、废液达到安全环保排放要求。配置自清洁装置、消防装置、视屏监控装置等辅助功能装置，使用上下位机交互式控制模式大幅提高了系统的智能化和数字化程度。具体的系统功能原理如图1所示。
1.2电气控制系统结构
高温沉降式蔗渣干燥设备的电气控制系统采用SIE⁃MENS S7-1200 PLC作为主控制器，基于PROFINET总线构建与输送带S120驱动器、出料/回流输送带S120驱动器及抽送风系统G120变频器的总线通信控制。配置使用模拟量输入模块和检测元件对热水供回水管路、抽送风装置管路的流量及温度进行检测，同时对处理仓内部温度、压力、物料湿度等进行检测。对蒸汽输入和热水输入采用比例阀进行精准调节以有效控制热水再热温度。使用WINCC上位机对整个系统进行协调控制及监控，并把生产数据及时传送至上层MES系统。具体电气控制结构如图2所示。
2高温沉降式干燥系统集成控制设计
高温沉降式干燥系统的集成控制是以PLC为主体。通过PROFINET将输送机构、换热机构、抽送风机构集成于WINCC，实现在线监测控制[15-17]。
2.1输送机构控制
蔗渣在输送带上的厚薄均匀程度对干燥的效果有着重大影响，因此输送机构的控制区别于传统的简单输送带，它结合了进料理平机构、跑偏控制、在机检测机构、出料/回流机构的综合复杂控制过程，也是干燥系统控制的第一个重点和难点。
当设备整体启动运行时输送带首先按设定速度开始运转，但且仅当输送带平稳持续运行一段时间后，由PLC程序控制按设定的开合度打开物料闸板及理平推杆，此时物料经进料斗持续进入输送带，物料厚度检测元件持续检测物料厚度，并将状态信号传递给PLC。若物料过薄则加大物料闸板的打开程度，使得更多物料进入输送带，当物料闸板已经位于最大打开程度后PLC仍然检测到物料过低，则判断为空运行，此时PLC程序控制换热机构控制进气量和进水量的比例阀，在达到设定温度后进入最低保温量处理模式，控制抽送风机构变频器在达到设定干燥度后进入节电低速运行模式。由于理平推杆的节流控制，输送带在运行过程中物料厚度检测元件不会检测到物料过高的情况，仅会出现由于外部大量持续进料触发位于进料斗上方的物料高位检测元件。触发物料高位检测后PLC程序对输送带驱动器进行控制，按2%/min的系数提升输送率，同时控制换热机构和抽送风机构按相同比例提升处理率，当达到最大处理量时还是持续10 min检测到料位高则PLC发出警告提示，同时将此状态信号传送给上位机WINCC一并发出警告，提示人员暂缓加料。具体进料输送控制流程如图3所示。
输送带在运行过程中不可避免地会由于物料的分布不均匀导致发生跑偏现象，在输送带的全程范围内，左右两侧均匀布置4对偏移检测元件和找正推杆，一旦检测元件检测到输送带偏移则将信号传送给PLC，PLC程序控制与之对应的找正推杆动作将输送带找正，完成动作后推杆退回到初始位置。
为解决传统设备处理效果检测必须人工参与取样、检测，以及检测结果不能及时反馈给控制系统，从而带来处理工艺参数不能得到及时调整最终使得处理效果波动较大的问题，在输送带末端配置在机非接触式干燥度检测元件，并将检测元件信号传递至PLC，由PLC程序实时对处理的效果进行检测，并由上位机WINCC系统进行数据统计分析，同时绘制状态曲线图，在上位机中对实际参数下的效果进行提前预测，最终形成前馈系数值并传递给PLC，指导PLC对输送机构的驱动控制速度、换热装置比例阀开闭程度、抽送风装置变频器的控制频率进行调节，以实现以最终干燥度为检测基准的闭环控制。
正常情况下出料/回流输送带都是保持出料方向正向运转，若持续30 s在机检测到水分偏高则启动反向运转，将未完成干燥的蔗渣回流，再次送回干燥输送带，并由PLC程序控制伸出理平推杆关闭物料闸板，不新进料，只有持续10 min检测到水分都在设定值以内后再关闭内循环，重新恢复标准进出料模式。
2.2换热机构控制
高温沉降式蔗渣干燥系统的换热模式区别于大多数设备使用耗电加热装置进行直接加热，而是将制糖工艺中煮糖罐或糖厂自备电站在生产过程中产生的高温废弃烟气或蒸汽作为高温热源，配置再热器以80℃废弃冷却水作为一次热传导介质，将冷却水从80℃继续加热至100℃±5℃,再将高温水通过管道输送至位于处理仓顶部的4个换热器，以高温水作为热源，以处理仓内空气为介质加热待处理物料。这样的处理工艺可以大幅度降低加热所需电能，对于加热同等质量的物料节约电能超过98%，并且是对废弃能源的回收再利用，对生产线整体来说大幅提高了能源的利用率并减少了废弃物的排放。
对于这样的加热方式，电气控制也与传统控制模式有很大区别，需由PLC程序结合温度传感器、流量传感器对高温供水管路及回水管路的温度和流量值进行实时检测，并将数据经PLC传到上位机WINCC进行数据统计分析，PLC程序通过PI调节算法控制再热器高温蒸汽入口和冷却水入口的比例阀来协调控制整个换热机构的工作温度。
在设备启动初期，由于设备整体温度较低，经过换热后的回水温度将会大幅低于设定的热水回用温度，若回流至再热器则会造成能耗的增加。此时PLC程序依据回水管路温度检测元件的测量数值切换回水电磁阀的导通方向，将温度较低不适合再次回用的冷却水排出，待设备整体温度上升至稳态后再将回流水回用，达到以最小能耗，实现最大加热量的目的。同时换热机构还与输送机构进行联动控制，为保证处理效果，当输送率提高时换热率也进行相应的调整。具体换热机构控制流程如图4所示。
在设备控制系统研发过程中也多次尝试使用高温蒸汽对物料进行直接加热，即只配置一次换热机构，试验过程中发现如下问题：
（1）因蒸汽温度过高对检测及动作元件的配置有着极高的要求；
（2）高温蒸汽在换热后产生的大量冷凝水在管道内聚集难以全部排出致使管道流通性变差，最终影响加热效果；
（3）因高温蒸汽的危险性极高，一旦泄漏对人员及设备有着极大的危险，所以对管路的密封性有着极高的要求，这样就会大幅增加设备的整体成本，也导致了设备的产业化推广困难；
（4）使用蒸汽直接加热升降温速度变化过快，温度保持性较差，高温控制元件在频繁调节控制过程中使用寿命难以保证，最终导致系统的稳定可靠性降低；
（5）由于蒸汽直接加热的温度很难控制，一旦出现设备故障，就使得处理仓内处于高温度且高干燥度的状态，极易引发火灾事故，造成不可估量的损失。
再经过多次试验后发现这样的二次换热控制模式完全避免了上述问题，使得加热性能稳定、可靠且经济适用。
2.3抽送风机构控制
抽送风机构是快速降低物料干燥度的处理手段，与传统抽送风机控制模式有着巨大的差异。传统的干燥系统是换热装置位于处理仓底部位置，抽送风装置位于处理仓顶部位置，这样有利于热空气自然向上流动进而实现快速干燥。但因为需要干燥的物料为蔗渣，具有质量轻、体积小、易分散的特殊性，若使用传统上浮式干燥模式会使得蔗渣在处理仓内的运动不受控，只有采取上部为换热机构下部为抽送风机构，向下抽风的下沉式模式，使热空气从上往下高速穿过物料才能使得物料吸附于输送带表面，并且实现干燥的目的。
PLC控制器通过profinet总线方式对3台G120变频器进行输出频率调节控制，从而使得位于处理仓底部的3台抽送风机进行转速调节，实现风量的变化。基于PLC模拟量输入模块和在机非接触式物料干燥度检测元件，PLC程序使用PI调节算法对变频器的频率进行调节带走物料水分，同时抽送风机构与输送机构形成联动控制，最终实现输送速度与风量的同步动作[18-19]。
通过抽送风装置排出的气体首先经过旋风分离装置，将不可避免地散落在处理仓内的蔗渣进行分离，在经过过滤装置分离出气体中的水分。与换热机构类似，在设备启动初期由于设备整体温度较低，抽出的空气温度将会大幅低冷却水介质温度，若回流至再热器则不能起到对冷却水加热的效果，此时PLC程序依据回气管路温度检测元件的测量数值切换回气电磁阀的导通方向，将温度较低不适合再次回用的气体排出，待设备整体温度上升至稳态后再将热空气回用。
3辅助功能系统集成控制设计
高温沉降式蔗渣干燥系统还需配置自净、消防、监控3个辅助机构，这样才能使得整套系统安全可靠稳定的连续运行，3套辅助机构都自成一体并由PLC进行协调管理。
3.1自净机构控制
输送带作为运送蔗渣并干燥的载体，其表面会不可避免地会附着有蔗渣，若不及时进行清理，长时间使用后必然会堵塞输送带上的通风口，从而大幅影响干燥的效果。在循环滚动运行的输送带下方位置布置高压气体吹送口，并使用电磁阀控制开关，当输送带开始运行时自净机构同时开始运行，这样就可以保证在长时间运行状态下系统的处理性能不会下降。
3.2消防机构控制
自动喷淋装置作为内置消防机构布置于处理仓内顶部位置，通过管道连接至烟雾探测器及换热器。烟雾探测器不由PLC控制，当检测到仓内失火烟雾超标时探测器直接导通，将水流从换热器接引至自动喷淋装置进行灭火，同时将失火信号传递给PLC发出报警，此时高温水管和回水管的2个流量传感器之间会形成较大的差值间接监控消防机构的动作，形成双安检回路，当且仅当2个回路同时检测到信号异常时才确认失火，否则都发出疑似失火报警，提醒进行人工检查。
3.3视屏监控机构控制
区别于传统的现场就地操作，配置了上位机操作系统后，人员可在中控室进行操作，为了能对现场设备各处理仓内部各设置一个监控摄像头，并配置对应的硬盘录像机对设备工作状态进行实时录像，进一步地将网络摄像头数据通过无线网络传输至WINCC上位机，在WINCC界面中配置控件，将4个视屏监控窗口集成在控制系统中进行状态监控，不需要在配置独立显示设备。
4系统智能化接入及产业化运用
随着我国“智能制造2025”的深入，传统制造业均向着网络化、信息化、智能化发展，传统制糖行业也对设备的信息化有着很高的需求。为此设备系统开发时也按现在的发展需求进行研发。配置WINCC上位机采集PLC控制器数据进行统计分析，并指导下位机进行调节控制，基于无线通信技术将监控机构与上位机界面进行集成显示，并配置了与DCS、MES等工厂级信息管理系统的网络接口，用户方可在原系统基础上方便地进行设备接入，而且WINCC系统已经完成了传统车间级的数据采集分析形成了车间级的管理，在单一设备状态下也能独立运行[20-22]。具体系统智能化总体监控界面、状态监控界面、报表分析界面分别如图5～7所示。
5结束语
高温沉降式蔗渣干燥系统是一种节能高效的蔗渣干燥技术。该技术大幅降低蔗渣含水率从而提高燃烧值，实现得到相同燃烧热量的条件下大幅减少蔗渣的使用量，从而节省了大量蔗渣，而蔗渣作为甘蔗制糖产业的副产品具有一定的经济价值，最终可以使得整个产业的利润率得到提高。
传统蔗渣含水率为48%，经过高温沉降式蔗渣干燥系统处理后含水率下降为40%，意味着其燃烧值增加了8%，可以节省8%的蔗渣，按年产10×104 t甘蔗的中型制糖企业来计算，每年将节省1×104 t蔗渣，从而产生300～600万元的直接经济收入，同时也大幅降低了二氧化碳的排放，从另一个方面利用制糖工艺产生的废弃能源进行有效的二次利用可以大幅提高能源利用率，且降低废弃污染物的排放量，对于传统行业实现碳达峰和碳中和提供了有力的技术支持。
该高温沉降式蔗渣干燥已经成功设计制造完成并进行了试验生产，取得了良好的经济和社会效益。进一步地，高温沉降式蔗渣干燥系统可以纵向扩展至白砂糖的干燥工艺中使用，也可以横向扩展至污泥等废弃物的干燥工艺中使用，是结合了生产制造及环境保护的先进装备。
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