面臨的挑戰(zhàn)
在乳制品行業(yè)，企業(yè)為了更高效地運營以保持競 爭力，需要在增加產(chǎn)量的同時降低成本，取得總體競 爭優(yōu)勢。也有許多企業(yè)把生產(chǎn)方向轉(zhuǎn)移到附加值更高的特殊產(chǎn)品，但這也要求更高的質(zhì)量標準（例如低脂、 無脂和高蛋白等）。為了生產(chǎn)這些差異化產(chǎn)品，工廠運 營必須采用更加嚴格一致的產(chǎn)品規(guī)范。奶粉生產(chǎn)過程通常使用多種干燥設(shè)備和蒸發(fā)器來經(jīng)濟高效地干燥濃 縮液體中的水分。干燥機設(shè)備和蒸發(fā)器是乳制品加工行業(yè)內(nèi)耗能最大的裝置。此過程的控制優(yōu)化對降低成本并達到最終產(chǎn)品質(zhì)量標準起到關(guān)鍵作用。
但客戶在生產(chǎn)過程卻面臨著以下挑戰(zhàn) ：
◆ 干燥設(shè)備進料牛奶固形物含量不一致 ；
◆ 能源使用效率低 ；
◆ 含水率波動大 ；
◆ 需要平衡干燥設(shè)備和蒸發(fā)器之間的功率匹配等 ；
傳統(tǒng)的濃縮干燥控制都是由經(jīng)驗豐富的老師傅， 在 OEM 設(shè)備提供商按照傳統(tǒng) PID 的控制算法的基礎(chǔ) 上，根據(jù)經(jīng)驗進行實時的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)，既依賴人工 及操作經(jīng)驗，質(zhì)量指標和能耗也不穩(wěn)定。因為傳統(tǒng)的 PID 控制只能解決線性的邏輯控制，但干燥和蒸發(fā)是 個大滯后的非線性過程，生產(chǎn)過程中會受到天氣、設(shè)備、 能源供應(yīng)和人工經(jīng)驗的干擾和制約，因此無法實現(xiàn)實 時最優(yōu)控制策略和效果。
方法原理
為了解決類似存在多個干擾和影響因素的控制策略問題，我們引入了模型預(yù)測控制（MPC），因為 MPC 具備 ：
◆ 多變量輸入和多變量輸出 ；
◆ 預(yù)測控制 ；
◆ 直接在線模擬實驗室測量值 ；
◆ 清晰的動態(tài)模型 ；
◆限值（監(jiān)測和預(yù)測未來限值）；
羅克韋爾自動化的 Pavilion? 是基于模型預(yù)測控制（MPC）算法結(jié)合流程工業(yè)制造場合的特點而研發(fā) 出來的一款軟件，除了支持傳統(tǒng)的線性建模，也是全 球第一套支持非線性建模技術(shù)的軟件，并擁有 30 余 年全球 160 多個項目的實踐經(jīng)驗積累。它可以有效地 降低關(guān)鍵指標產(chǎn)品的波動變化，通過優(yōu)化既有控制系 統(tǒng)的參數(shù)，減少人工干預(yù)，以盡可能接近標準上限（卡 邊效應(yīng)）的方式進行過程運營（如圖一所示），從而使 企業(yè)獲得盡可能高的利潤。此方案還可提高現(xiàn)有設(shè)備 的使用率和產(chǎn)量，減少不合格產(chǎn)品和浪費，盡可能降 低產(chǎn)品的能耗，以及減少對人工經(jīng)驗的依賴。最終實現(xiàn)：
◆ 降低產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定性 ；
◆ 實現(xiàn)“工廠合規(guī)”；
◆ 實現(xiàn)過程受控 ；
◆ 提高收率和產(chǎn)能 - 在保持適當安全余量的同時，以更接近卡邊效應(yīng)的方式運行 ；
圖一.卡邊效應(yīng)圖解
解決方案
羅克韋爾自動化 MPC 和優(yōu)化應(yīng)用適用于每套設(shè) 備的具體配置和設(shè)定目標值。它結(jié)合使用干燥塔和蒸發(fā)器的平衡控制策略，構(gòu)成一套集全方位變量控制和優(yōu)化于一體的綜合性解決方案（如圖二）。與此同時實 施此雙效應(yīng)用程序解決方案，有機會在蒸發(fā)器與干燥 塔之間實現(xiàn)熱能平衡，可取得最優(yōu)能源使用效率和成本控制。
效果收益
干燥塔和蒸發(fā)器過程優(yōu)化適用于單步和多步噴霧 干燥過程，快干設(shè)備以及流化床干燥。它將產(chǎn)品平均 水分控制在目標范圍內(nèi)，同時降低整體水分波動。對 含水率的卡邊控制可以同時提高產(chǎn)品收率。此方案用 于解決由于干燥設(shè)備進料牛奶固形物含量不一致、含 水率波動大、需要平衡干燥塔和蒸發(fā)器之間的功率匹 配等問題，經(jīng)驗證 MPC 平均投資回報都在 8-12 月， 并可實現(xiàn) ：
◆ 提高產(chǎn)量達 10% ；
◆ 提高排氣相對濕度達 16% ；
◆ 減少能耗達 12% ；
◆ 減少不合格產(chǎn)品達 75% ；
◆ 減少含水率波動達 60% ；
◆ 提高干燥塔進料牛奶固形物的一致性 ；
總結(jié)
羅克韋爾自動化的 Pavilion 解決方案目前已證實 可應(yīng)用的工藝涵蓋干燥，蒸發(fā)、濃縮、蒸餾、發(fā)酵等； 可應(yīng)用的行業(yè)包括咖啡、乳制品、薯條、淀粉、蛋白粉、 貓砂、洗衣粉、糧食加工等。
* 以上效果和收益會因工藝和現(xiàn)場設(shè)備差異而有所不同
