2012
中国是世界产糖大国，也是食糖消费大国，制 糖产业关系着国计民生。然而，我国与国际先进的 产糖国相比，在产业技术水平、生产效率和能耗等 方面存在差距[1]。综观制糖工艺过程，从原料预处 理、压榨提汁、澄清、蒸发及煮糖结晶等各个生产 环节，国内大部分糖厂的生产过程还是处于半自动 化或者凭经验进行人工控制的状况[2]。压榨提汁是 糖厂整个生产线中的重要环节，压榨提汁过程环境 较差，设备众多，噪声很大，对现场操作工人的影 响也很大，在压榨提汁采用虚拟样机技术具有实际 意义。虚拟制造是先进制造业的重要组成部分，虚 拟样机就是用来代替物理产品的计算机数字模型， 它可以像真实物理模型一样，对所研究产品的全寿 命周期，如设计、制造、服务、循环利用等进行展 示、分析和测试[3]。在当前的科学研究中，仿真与 虚拟样机技术，已经成为不可或缺的重要工具。基 于虚拟样机对压榨生产线进行研究已经成为一种趋 势，对压榨生产线的控制过程、设备运转情况及性 能分析等方面展开研究工作，同样也将借助先进的 工程分析软件和建模及仿真技术。
虚拟样机技术是在CAD 模型的基础上，把虚 拟技术与仿真方法相结合，在虚拟环境下对产品进 行建模与分析。利用在计算机上建立的虚拟样机替 代物理样机，对产品进行核心技术研究、创新设计、 试验和性能评估，大大缩短开发周期，降低研发成 本，提高产品性能和质量，可以获得优化和创新的 产品[4,5,6]。
虚拟样机技术在一些较发达国家如美国、德国、 日本等已经得到广泛应用，其应用领域从汽车制造 业、机械电子工业、航空航天业、国防工业、医学 等许多方面[7]。我们所熟知的波音777 飞机是世界 上首架以无纸方式研发及制造的飞机，其设计、装 配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术，开 发周期从9 年缩短至4.5 年，成本降低了25%。在 我国，虚拟样机技术在汽车制造、航天航空、武器 制造、机械工程等领域也已得到了应用与推广，但 只停留在初步应用阶段，在其它行业应用较少，主 要集中在比较专业的研究机构和以清华大学国家 CIMS 工程技术研究中心为代表的高校研究机构中 应用。由此可见，我国对于虚拟样机技术的应用领 域和技术水平还很低，但存在很大的发展空间。
虚拟制造涉及的技术领域极其广泛，其中建模 与仿真技术是虚拟制造的核心技术。虚拟制造技术 不是对已有各种单项技术的简单组合，而是对制造 知识进行系统化组织，对工程对象和制造活动进行 全面建模，在相关理论和已积累知识的基础上实现 集成[8]。虚拟制造最重要的应用是在制造业中的应 用，主要表现在以下几个方面[9,10]：①虚拟企业； ②虚拟产品设计（产品的外形设计、布局设计等）； ③虚拟产品制造；④虚拟生产过程。在虚拟制造研 究的过程中，根据应用的研究对象不同，通常可以 分为3 种不同的类别：以设计为中心的虚拟制造、 以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制 造。
甘蔗糖厂压榨提汁过程复杂，包括甘蔗的起卸 输送、甘蔗破碎、压榨等环节；所用设备众多，涉 及起重机、称蔗台、卸蔗台、输蔗机、切蔗机、压 榨机等。在压榨机压榨环节，需添加渗透水，渗浸 方式有单式渗浸和复式渗浸，其中以复式渗浸最为 普遍，如图1所示。
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图1 压榨车间工艺流程图 |
甘蔗由起重机将甘蔗运送至称蔗台称重，再经 卸蔗台卸到输蔗机上，在输蔗机的一定位置上安装 有切蔗机，甘蔗经切蔗机破碎后入辘压榨。压榨机 一般为三辊式，压榨机列通常用五座压榨机，蔗料 顺序地通过各座压榨机进行多次压榨。为了提高第 一座之后各座压榨机的糖分抽出率及机列的总抽出 率，在进入末座压榨机之前的蔗渣层中加入一定量 的渗透水，并将末座至第3 座压榨机榨出的蔗汁（稀 汁）分别依序加入其前一座压榨机的进料蔗渣中， 作为这些蔗渣的渗浸汁。第1 座与第2 座压榨机压 出的蔗汁混合起来称为混合汁，混合汁中含有较多 的蔗糠，通常用曲筛或其它形式的混合汁筛除去这 些粗蔗糠后再进行清净处理。
压榨提汁是蔗糖生产的第一道工序。这道工序 设备多、噪声大，是需要实现全自动化控制的重要 部分。
均衡输蔗对制糖企业的生产管理十分重要，这 主要体现在2 个方面：一是在压榨机设备固定、压 榨机转速和渗透水量一定时，送入压榨设备的蔗渣 是否均衡，直接影响着甘蔗压榨的抽出率和安全生 产率。二是许多糖厂将压榨后的蔗渣直接送入锅炉 燃烧，将产生的热能用于发电、蒸发、煮炼、分蜜 和酒精生产[12]。因此，均衡输蔗对于全厂均衡稳定 的生产具有重要的意义。
国内早期大部分糖厂尤其是老糖厂的压榨生产 线均采用传统的继电器接触器控制系统，随着自动 化控制系统的发展，由于传统的控制系统存在可靠 性不高、可更改性差等缺点，逐渐被PLC 集成控制 系统所取代，随之出现了大量基于PLC 的压榨均衡 输蔗控制的研究[13,14,15]。要实现均衡输蔗，关键是要 通过计量系统的准确计量实现蔗渣流量控制，然后 建立起蔗渣流量与输蔗机转速、压榨机转速等参数 的数学模型，进而实现甘蔗压榨生产过程蔗渣均匀 控制，如图2 所示。就目前来看，计量技术经历了 从传统的压力传感器到核子秤[16,17]到无核源计量[18] 的过程，在很长一段时期，核子秤在计量单元占据 着主导地位，但由于其利用了γ射线，而放射源的 使用和管理又相当麻烦且容易造成核污染事故，因 此，在此基础上又研发出了无核源蔗渣计量系统。 由于压榨现场潮湿度、灰尘及输送带长度、张力、 振动等因素均影响到测量精度，故无核源蔗渣计量 系统还有待不断地完善和优化。
由于压榨控制系统对象参数变化快、进料量时 常改变，很难实现真正的自动控制，而且进榨喂料 过程具有不确定性、多变量耦合等特点，数学模型 难以建立，采用常规的PID 控制也难以达到满意的 控制效果，因此出现了变参数PID 控制[19]、无量化 二级模糊控制[20]等控制算法，此外，自适应控制、 预测控制等先进控制算法也将逐渐地应用于均衡进 榨控制中。
通常，糖厂的自动化水平与技术装备是成正比 的，但凡设备精良的糖厂其自动化程度也很高，例 如欧州和东南亚的一些新建糖厂便是如此。而很多 美国的原糖厂设备虽不比我国先进，自动化程度却 相当高，也就是说，自动化可以使糖厂陈旧的设备 焕发出新的活力。如果对糖厂进行自动化方面的改 造，挖掘旧装备的潜能，降低人为因素，就会在降 低生产成本、减少过程中的损失、提高劳动生产率 等方面发挥重要作用[21]。
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图2 压榨均衡控制基本框图 |
对压榨生产线设备的研究，大部分文章都是针 对压榨机的，主要体现在轴承[22]、液压传动系统[23]、 结构优化[24]等方面。研究方法从传统的实验法逐步 向有限元仿真分析法发展。压榨机的可靠、经济运 行对压榨环节非常关键，因此，对压榨机的研究也 显得尤为重要。
此外，也有对切蔗机、卸蔗输送机[25]、撕裂机 等的研究，在此不再一一赘述。设备改进，有利于 提高设备的安全性和处理能力、减少设备故障、改 善生产环境，对提高制糖的社会及经济效益具有重 要意义。
随着信息技术、计算机技术和仿真技术的发展， 不断涌现出的先进制造技术已经逐渐应用于糖厂， 在工程技术领域，计算机仿真、有限元分析等方法 也不断被引入。
虚拟制造技术在生产线可视化设计中的应用[26] 已逐渐成为一个研究方向，并不断发展起来。设计 一个合理的生产线对于系统的长期可靠、稳定、安 全运行具有十分重要的战略意义，因此将虚拟制造 应用于压榨生产线也十分必要。
黄赞[27]应用CAD 软件创建了卸蔗台、输送机 皮带、切碎刀、压榨辊、电机等各部分的三维实体 模型，将其组装起来形成了压榨提汁生产线的装配 图，并在Visual Basic 环境下生成动画文件，用户可 以直观地观察压榨提汁生产线运转的全过程，察看 甘蔗的压榨状况。此外， 虚拟技术软件 Deneb/QUEST 是一种面向生产过程物流仿真与分 析的软件，它为用户提供了一个简便的协同开发环 境，可以通过合理的生产系统设计来获得良好的制 造系统物流过程。使用QUEST 软件，可以完成车 间的全部仿真过程。
运用虚拟样机技术对机械系统进行仿真分析， 通常采用ADAMS[28] 软件平台， 用户可以利用 ADAMS 环境在计算机上建立和测试虚拟样机、了 解复杂机械系统的运动性能。虚拟样机的创建及仿 真分析过程， 如图3 所示， 首先应用Pro/E、 Solidworks、UG 等制图工具创建机械系统三维CAD 实体模型，然后将其导入ADAMS 中，对物理属性、 约束条件、操作环境进行定义，创建与现场物理样 机各方面完全相似的数字化分析用虚拟样机，利用 ADAMS 后台强大的计算功能，进行静力学、运动 学和动力学仿真计算与分析。通过仿真分析得到的 一系列仿真结果，可以用来指导实际生产过程。根 据实际的工业应用工况，可以研究各种运行工况下 系统的动态性能。
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图3 虚拟样机创建流程 |
针对压榨生产线进行虚拟样机创建及仿真分 析，对于整个系统及设备，尤其是对输蔗机、高位 槽、压榨机等重要设备分别创建样机模型，在各种 工况下进行机械系统的性能及运动情况研究，有助 于解决实际生产中出现的问题，改善设备运转情况， 提高设备利用率，提高系统的控制精度等，具有重 要的应用价值。
虚拟制造和虚拟样机技术是信息化制造的重要 技术之一，实现虚拟制造、推广虚拟样机技术需要 强有力的技术支撑，虚拟制造技术的应用应结合我 国制造业自身的特点。随着我国对虚拟制造技术研 究的深入，虚拟制造技术在压榨生产线上的应用是 一个现代化信息化制造企业的必由之路。压榨车间 是制糖的第一道工序，也是涉及机械系统最多的环 节，针对该生产线将虚拟样机技术很好地利用，为 后期创建制糖过程其它环节的数字化样机打下必要 的基础，并为相关研究工作的开展提供依据。
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