神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在乳酸蒸縮過程中的應(yīng)用研究

蘇鑫 張春平

摘要：蒸所過程是乳酸生產(chǎn)工序中的非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，乳酸稀液蒸發(fā)濃縮工序中所用到的重要設(shè)備是蒸發(fā)器，蒸發(fā)器是乳酸稀液蒸發(fā)濃縮工序中所用到的重要設(shè)備，溫度是蒸發(fā)器運(yùn)行過程中非常重要的一個(gè)參數(shù)，對(duì)整個(gè)乳酸的蒸發(fā)濃縮過程的穩(wěn)定運(yùn)行和乳酸的產(chǎn)品質(zhì)量有著非常重要的影響。本文以蒸發(fā)器為研究對(duì)象，簡(jiǎn)單分析了乳酸生產(chǎn)的工藝流程，詳細(xì)地分析了蒸發(fā)器的工藝流程，建立了蒸發(fā)器溫度通道的數(shù)學(xué)模型。這樣就可以實(shí)現(xiàn)了較智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制技術(shù)。該設(shè)計(jì)應(yīng)用方便，并且比較靈活，對(duì)整個(gè)乳酸的增發(fā)濃縮過程的穩(wěn)定運(yùn)行和乳酸的產(chǎn)品質(zhì)量有著非常重要的影響。

關(guān)鍵詞：溫度 ?蒸發(fā)濃縮 ? 蒸發(fā)器 ?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID

Abstract： The steaming process is a very important part of the lactic acid production process. The important equipment used in the lactic acid thin liquid evaporation and concentration process is the evaporator. The evaporator is the important equipment used in the lactic acid thin liquid evaporation and concentration process. It is a very important parameter during the operation of the evaporator， and has a very important influence on the stable operation of the entire lactic acid evaporation and concentration process and the quality of the lactic acid product. This article takes the evaporator as the research object， simply analyzes the process flow of lactic acid production， analyzes the process flow of the evaporator in detail， and establishes a mathematical model of the temperature channel of the evaporator. In this way， a more intelligent neural network PID control technology can be realized. The design is convenient and flexible， and has a very important influence on the stable operation of the entire lactic acid issuance and concentration process and the product quality of lactic acid.

Keywords： temperature， evaporation and concentration， evaporator， neural network， PID

1.引言

近來，世界上最為主流的乳酸制備方法中常見的主要有兩種方法，它們分別稱為化學(xué)合成法和微生物發(fā)酵法。相對(duì)來說，玉米淀粉微生物發(fā)酵法的應(yīng)用最廣泛且技術(shù)也最成熟，微生物發(fā)酵法主要使用的是包米淀粉、甘蔗淀粉、番薯淀粉等作為原料，玉米淀粉可以直接作為糖原并且還可以通過發(fā)酵來制備乳酸，這種工藝是目前我國(guó)主要的一種乳酸制備工藝。山東某企業(yè)所生產(chǎn)的乳酸就是一種采用發(fā)酵方式，即經(jīng)過液化、糖化、發(fā)酵、板框壓濾、蒸發(fā)濃縮、離子交換等步驟而制備出來的乳酸。其中，蒸發(fā)濃縮這道工序是非常重要的一道工序，乳酸制備過程中的蒸發(fā)濃縮工序就是利用蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，提高乳酸的濃度。乳酸稀液在蒸發(fā)器中經(jīng)過蒸發(fā)濃縮后達(dá)到濃度要求然后從蒸發(fā)器底部放出，這樣就得到了濃縮液，蒸發(fā)過程中對(duì)影響產(chǎn)品質(zhì)量的參數(shù)進(jìn)行有效控制可以保證蒸發(fā)器的平穩(wěn)運(yùn)行，同樣也可以保證產(chǎn)品質(zhì)量。

隨著生產(chǎn)過程的復(fù)雜化和智能化發(fā)展，加上原料以及燃料等能源的大幅漲價(jià)，綠色環(huán)保、安全可靠、提高生產(chǎn)的質(zhì)量和提高生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益等要求的呼聲越來越高，可見更智能的控制技術(shù)方法的研究也越來越受到人們的關(guān)注。在工程實(shí)踐中，獲取蒸汽所需要的能源量是巨大的，但它低利用率的同時(shí)也會(huì)對(duì)其造成巨大的資源損耗。蒸發(fā)器是乳酸制備生產(chǎn)工藝中尤為重要的一道生產(chǎn)工序，它對(duì)于工廠的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益好壞以及是否環(huán)保和節(jié)能都起到了舉足輕重的影響。由于多效逆流蒸發(fā)器相比傳統(tǒng)單效逆流蒸發(fā)器更加節(jié)能，所以多效逆流蒸發(fā)器使用較多而逆流蒸發(fā)器的優(yōu)點(diǎn)是具有蒸發(fā)速度快、濃縮比大、多次利用一次蒸汽、并且能夠盡量最大限度的利用二次蒸汽、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，所以在乳酸蒸發(fā)工序中常采用三效逆流蒸發(fā)器。

2.乳酸的加工生產(chǎn)工藝

有很多方法可以對(duì)乳酸進(jìn)行加工，其中最重要的方法有發(fā)酵法、合成法、酶化法等，其中發(fā)酵法在工藝的加工中是使用最廣的一種方法，并且也開始越來越普及，同時(shí)生產(chǎn)工藝也比較復(fù)雜，其生產(chǎn)過程包括很多工序，如液化、糖化、發(fā)酵、蒸發(fā)濃縮等。常常使用發(fā)酵法生產(chǎn)乳酸，使用的是天然原料，其主要途徑是以玉米淀粉為原料經(jīng)過液化與糖化之后在乳酸菌作用下，調(diào)節(jié) PH 值在5左右，溫度在50攝氏度左右，發(fā)酵三到四天，用鈣鹽中和發(fā)酵液，然后添加濃硫酸進(jìn)行酸化分解，實(shí)現(xiàn)脫色的加工可以對(duì)其加入活性炭，這一系列的加工處理之后，就可以得到粗乳酸，對(duì)得到的粗乳酸可以經(jīng)過離子交換、三效蒸發(fā)濃縮得到純?nèi)樗帷?/p>

濃縮的溶液是靠蒸發(fā)來實(shí)現(xiàn)的，經(jīng)過對(duì)其加熱稀釋溶液可以達(dá)到沸騰的目的，氣化可以實(shí)現(xiàn)消除部分溶劑的功能，此時(shí)溶液中所含有的不可揮發(fā)的溶質(zhì)的濃度得以提高，蒸發(fā)使用范圍較廣，常常使用在化工、生物、制藥等工業(yè)生產(chǎn)中。乳酸在常壓下的沸點(diǎn)是122攝氏度，如果高于這個(gè)溫度，那么乳酸會(huì)分解并且不能被濃縮出來，常使用的工藝是濃縮循環(huán)加熱的方法，可以采用降低壓力的方法達(dá)到水的沸點(diǎn)降低。多效真空蒸發(fā)就是使水分充分得到蒸發(fā)，可以使?jié)饪s的效果增加。

在工業(yè)實(shí)踐中，出于節(jié)能減排、降低消耗對(duì)加熱蒸汽的影響考慮，我們普遍采取了在蒸發(fā)大量水分時(shí)采取多效蒸發(fā)方法。我們可以利用一次再生蒸汽把稀乳酸溶液中部分多余的水分重新進(jìn)行加熱蒸發(fā)，二次再生蒸汽可以是由第一效水分蒸發(fā)器產(chǎn)生的，可以在水中循環(huán)使用并且它也可以被當(dāng)做下一效水分的加熱蒸汽，這樣就完成了我們所說的多效再生蒸發(fā)，在這個(gè)多效再生蒸發(fā)的生產(chǎn)工藝的加工過程中，二次再生蒸汽液是通過其第一效水分蒸發(fā)器所實(shí)現(xiàn)的，這樣熱源的水分蒸發(fā)器的功能就可以實(shí)現(xiàn)了，這就是我們稱之的第二效水分蒸發(fā)器。同理，二次蒸發(fā)器又可以作為第一個(gè)熱源，這樣就可以實(shí)現(xiàn)了第三效蒸發(fā)器的功能。加熱實(shí)驗(yàn)室和分離實(shí)驗(yàn)室主要是由每一效蒸發(fā)器所組成，其中每一效率的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)室主要都是專門用來提供加熱原材料液體的，加熱蒸汽進(jìn)入加熱室放熱給料液，料液吸收了加熱蒸汽的熱量，把料液中的溶劑也就是水分蒸發(fā)掉。被料液所吸收的熱量可以進(jìn)入分離室實(shí)現(xiàn)氣液分離的功能，料液中的水分通過蒸發(fā)后在分離室可以實(shí)現(xiàn)二次蒸汽的功能。其工藝流程圖如圖2-1所示。

3.蒸發(fā)濃縮過程的控制理論

PID控制器的作用是產(chǎn)生輸出信號(hào)，這個(gè)輸出信號(hào)是根據(jù)偏差，按照調(diào)節(jié)規(guī)律所產(chǎn)生的，并且可以對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)與靜態(tài)的指標(biāo)是通過調(diào)節(jié)PID控制器的所有參數(shù)大小而改變的，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示。

一次擾亂主要作用在主對(duì)象上，二次擾亂主要作用在副對(duì)象上，主控制器的輸出對(duì)副控回路的輸入有很大影響，副控制器的輸出送給控制閥，其控制框圖如圖3-2所示。從穩(wěn)定性思考，通過將兩系統(tǒng)對(duì)照比較，串級(jí)控制系統(tǒng)更易被一、二次干擾影響，所以單回路系統(tǒng)更具有優(yōu)勢(shì)。

4.蒸發(fā)器控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

在乳酸工藝加工設(shè)計(jì)中，乳酸蒸所工序是極其重要的一道工序。在蒸發(fā)濃縮工序控制系統(tǒng)中，按照功能不同將控制系統(tǒng)分為三個(gè)部分分別是數(shù)據(jù)采集部分、控制部分與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。收集到的數(shù)據(jù)是由各種傳感器所能到達(dá)的;工控機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)算法控制，進(jìn)而通過控制命令控制;執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受控制命令并執(zhí)行達(dá)到系統(tǒng)過程控制的目的。該課題對(duì)蒸發(fā)器控制體系進(jìn)行了控制方案的計(jì)劃，介紹了該體系中硬件裝備的選型，該課題進(jìn)行了蒸發(fā)器控制體系的硬件組態(tài)設(shè)計(jì)、組態(tài)畫面設(shè)計(jì)。

4.1蒸發(fā)器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

蒸發(fā)器的控制系統(tǒng)的構(gòu)造最重要的是由兩級(jí)構(gòu)成，即現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)和生產(chǎn)監(jiān)控管理控制。在現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)過程中最重要的是使用PLC400來完成的，并且可以實(shí)現(xiàn)流量、溫度等參數(shù)進(jìn)行控制;在工廠中生產(chǎn)設(shè)備的管理是靠上位機(jī)實(shí)現(xiàn)的，在現(xiàn)場(chǎng)中的操作工人是通過軟件來完成控制的，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控及報(bào)警的顯示，可以對(duì)蒸發(fā)濃縮工序的參數(shù)及出現(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

S7-400 PLC的尺寸比較大，所以主要應(yīng)用于中、高等性能的控制要求中，S7-400 PLC可以和人機(jī)界面相連接完成控制功能，S7-400 PLC具有很多強(qiáng)大的功能，可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行靈活的管理操作。

點(diǎn)擊File文件→New Project新建項(xiàng)目→修改名稱和路徑→右鍵點(diǎn)擊項(xiàng)目名稱→Insent New Object插入新對(duì)象→SIMATIC Station棧→SIMATIC 400站點(diǎn)。點(diǎn)擊SIMATIC 400站點(diǎn)→雙擊Hordware硬件組態(tài)，將各模塊放在Rail導(dǎo)軌上面，輸出Rail，1號(hào)槽放電源模塊，雙擊選擇所需組態(tài)的電源型號(hào)，2號(hào)槽放CPU，雙擊選擇所需組態(tài)的CPU型號(hào)，3號(hào)槽放IM接口模塊，4號(hào)槽放SM信號(hào)模塊等等，PLC的硬件組態(tài)圖如圖4-1所示

4.2 蒸發(fā)器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

乳酸的生產(chǎn)過程監(jiān)控畫面包括液化工序監(jiān)控畫面、糖化工序監(jiān)控畫面、接種工序監(jiān)控畫面、發(fā)酵工序監(jiān)控畫面、板框壓濾監(jiān)控畫面、蒸發(fā)濃縮工序監(jiān)控畫面等，每個(gè)工序?qū)?yīng)各自的監(jiān)控畫面，在這里只通過WINCC組態(tài)軟件來監(jiān)控和管理蒸發(fā)濃縮過程，把生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給的操作人員站，按照生產(chǎn)要求進(jìn)行監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)。乳酸蒸發(fā)濃縮過程的監(jiān)控畫面如圖4-2所示。

5.總結(jié)

通過學(xué)習(xí)研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在乳酸蒸所過程中的理論知識(shí)，將模糊PID控制應(yīng)用到蒸發(fā)器溫度串級(jí)控制系統(tǒng)中，然后用MATLAB進(jìn)行仿真研究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制比傳統(tǒng)PID控制還有模糊PID控制更加有優(yōu)勢(shì)，它具有響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)時(shí)間短、超調(diào)量小的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，控制效果更理想。進(jìn)行了蒸發(fā)濃縮過程的軟硬件相結(jié)合的設(shè)計(jì)，得到的控制效果比較好，但是如果要將其應(yīng)用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)還需完善。

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作者簡(jiǎn)介：蘇鑫 ，男，1983年出生，本科，從事淀粉、淀粉糖，發(fā)酵等生產(chǎn)線的自動(dòng)化控制和設(shè)計(jì)等工作.