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先進(jìn)過程控制如何助力奶粉生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)智能制造

來源: 羅克韋爾自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司作者: 羅克韋爾自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司時(shí)間：2022-04-16 10:05:47點(diǎn)擊：1273

面臨的挑戰(zhàn)

在乳制品行業(yè)，企業(yè)為了更高效地運(yùn)營(yíng)以保持競(jìng) 爭(zhēng)力，需要在增加產(chǎn)量的同時(shí)降低成本，取得總體競(jìng) 爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。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(biāo)準(zhǔn)（例如低脂、無(wú)脂和高蛋白等）。為了生產(chǎn)這些差異化產(chǎn)品，工廠運(yùn) 營(yíng)必須采用更加嚴(yán)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(jì)高效地干燥濃縮液體中的水分。干燥機(jī)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(duì)降低成本并達(dá)到最終產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)料牛奶固形物含量不一致；

◆ 能源使用效率低；

◆ 含水率波動(dòng)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(yàn)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(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)，既依賴人工及操作經(jīng)驗(yàn)，質(zhì)量指標(biāo)和能耗也不穩(wěn)定。因?yàn)閭鹘y(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(gè)大滯后的非線性過程，生產(chǎn)過程中會(huì)受到天氣、設(shè)備、能源供應(yīng)和人工經(jīng)驗(yàn)的干擾和制約，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí) 時(shí)最優(yōu)控制策略和效果。

方法原理

為了解決類似存在多個(gè)干擾和影響因素的控制策略問題，我們引入了模型預(yù)測(cè)控制（MPC），因?yàn)?MPC 具備：

◆ 多變量輸入和多變量輸出；

◆ 預(yù)測(cè)控制；

◆ 直接在線模擬實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值；

◆ 清晰的動(dòng)態(tài)模型；

◆限值（監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)未來限值）；

羅克韋爾自動(dòng)化的 Pavilion? 是基于模型預(yù)測(cè)控制（MPC）算法結(jié)合流程工業(yè)制造場(chǎng)合的特點(diǎn)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(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累。它可以有效地降低關(guān)鍵指標(biāo)產(chǎn)品的波動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)上限（卡邊效應(yīng)）的方式進(jìn)行過程運(yùn)營(yíng)（如圖一所示），從而使企業(yè)獲得盡可能高的利潤(rùn)。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(fèi)，盡可能降低產(chǎn)品的能耗，以及減少對(duì)人工經(jīng)驗(yàn)的依賴。最終實(shí)現(xiàn)：

◆ 降低產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定性；

◆ 實(shí)現(xiàn)“工廠合規(guī)”；

◆ 實(shí)現(xiàn)過程受控；

◆ 提高收率和產(chǎn)能 - 在保持適當(dāng)安全余量的同時(shí)，以更接近卡邊效應(yīng)的方式運(yùn)行；

圖一.卡邊效應(yīng)圖解

解決方案

羅克韋爾自動(dòng)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(biāo)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(shí)實(shí) 施此雙效應(yīng)用程序解決方案，有機(jī)會(huì)在蒸發(fā)器與干燥塔之間實(shí)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(biāo)范圍內(nèi)，同時(shí)降低整體水分波動(dòng)。對(duì) 含水率的卡邊控制可以同時(shí)提高產(chǎn)品收率。此方案用于解決由于干燥設(shè)備進(jìn)料牛奶固形物含量不一致、含水率波動(dòng)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(yàn)證 MPC 平均投資回報(bào)都在 8-12 月，并可實(shí)現(xiàn) ：

◆ 提高產(chǎn)量達(dá) 10% ；

◆ 提高排氣相對(duì)濕度達(dá) 16% ；

◆ 減少能耗達(dá) 12% ；

◆ 減少不合格產(chǎn)品達(dá) 75% ；

◆ 減少含水率波動(dòng)達(dá) 60% ；

◆ 提高干燥塔進(jìn)料牛奶固形物的一致性；

總結(jié)

羅克韋爾自動(dòng)化的 Pavilion 解決方案目前已證實(shí) 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?xiàng)l、淀粉、蛋白粉、貓砂、洗衣粉、糧食加工等。

* 以上效果和收益會(huì)因工藝和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備差異而有所不同

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