一種自適應(yīng)液位控制算法在濾汁快沉中的應(yīng)用研究

李 強(qiáng)，陳駿佳，葉權(quán)圣，秦健南，黃 爽，徐 寧

(廣州甘蔗糖業(yè)研究所 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510316)

一種自適應(yīng)液位控制算法在濾汁快沉中的應(yīng)用研究

李 強(qiáng)，陳駿佳*，葉權(quán)圣，秦健南，黃 爽，徐 寧

(廣州甘蔗糖業(yè)研究所 廣東省甘蔗改良與生物煉制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510316)

在糖廠的濾汁快沉系統(tǒng)中，濾汁平衡箱液位受進(jìn)、出口管道流量等因素影響而出現(xiàn)偏離正常值范圍，需借助人工操作完成液位調(diào)節(jié)。為了減少人工操作，本文根據(jù)采集到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)及選擇性控制算法，設(shè)計(jì)一套基于數(shù)據(jù)關(guān)系模型分析及選擇性液位控制的自適應(yīng)液位控制算法，實(shí)現(xiàn)快沉系統(tǒng)中的平衡箱液位由異常狀態(tài)向正常狀態(tài)的自動(dòng)切換，進(jìn)一步增強(qiáng)快沉控制系統(tǒng)的自適應(yīng)性。

濾汁快沉系統(tǒng)；平衡箱液位；數(shù)據(jù)關(guān)系模型；選擇性控制算法；自適應(yīng)性

0　前言

在制糖生產(chǎn)中，澄清工段中的濾汁快沉系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)一定程度的溫度、流量自控，而關(guān)于濾汁快沉工序中的濾汁平衡箱液位自動(dòng)控制技術(shù)鮮有報(bào)道。為了使生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定、持續(xù)，需人為地觀察平衡箱液位，并根據(jù)液位來(lái)改變流量設(shè)定值。因此，本文將以澄清工段的實(shí)際生產(chǎn)工況為出發(fā)點(diǎn)，介紹一種基于數(shù)據(jù)關(guān)系模型分析的選擇性液位控制算法在濾汁快沉系統(tǒng)中的應(yīng)用。

選擇性液位控制是過(guò)程控制中屬于約束性控制類的控制方案。所謂選擇性控制的設(shè)計(jì)思路，就是以提高原控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平為目的，根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中的實(shí)際工況，提取影響生產(chǎn)的各種條件，包括平衡箱液位、平衡箱進(jìn)口管道流量及出口管道流量，由這些條件構(gòu)成一定的邏輯關(guān)系，最終應(yīng)用到正常的自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一種組合邏輯控制方案[1]。而智能化數(shù)據(jù)分析模型來(lái)源于實(shí)際生產(chǎn)工況中所采集到的關(guān)鍵過(guò)程量，包括入口管道流量、出口管道流量、平衡箱液位，根據(jù)這些量之間的相關(guān)關(guān)系，建立模型，量化其相關(guān)關(guān)系，用于生產(chǎn)控制中，以提高澄清快沉控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

1　濾汁快沉控制系統(tǒng)介紹

1.1濾汁快沉之濾汁平衡箱

澄清工段的濾汁快沉工序是制糖工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，如圖1所示。該工序的主要被控對(duì)象有溫度、流量、液位。在生產(chǎn)過(guò)程中，為了得到良好的濾汁快沉控制效果，并為后續(xù)工段提供合格的清汁，需對(duì)濾汁流量、助劑流量及溫度進(jìn)行自動(dòng)控制；為了提高濾汁快沉的自適應(yīng)控制水平，節(jié)省生產(chǎn)成本及維持生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定運(yùn)行，需對(duì)濾汁平衡箱液位進(jìn)行自動(dòng)控制。平衡箱的任務(wù)是根據(jù)入口管道流量變化，存儲(chǔ)一定體積的濾汁，并經(jīng)過(guò)出口管道輸送一定流量的濾汁給濾汁快沉系統(tǒng)。濾汁平衡箱液位控制的目的就是通過(guò)采用選擇性和智能化數(shù)據(jù)分析模型控制出口管道流量，使液位維持在正常值范圍內(nèi)。

圖1　快沉工段工藝圖

1.2現(xiàn)存的平衡箱控制方案介紹

現(xiàn)有的快沉系統(tǒng)在濾汁平衡箱液位處于正常值范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，平衡箱液位超過(guò)正常值范圍，快沉系統(tǒng)就很難通過(guò)自控使液位恢復(fù)到正常值范圍。針對(duì)液位偏離正常值范圍的情況，通常有 2種處理辦法：一種是報(bào)警提醒；另一種是采用聯(lián)鎖停車，自動(dòng)停止濾汁泵運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)流量的連鎖停車保護(hù)，待液位恢復(fù)正常時(shí)，再手動(dòng)啟動(dòng)濾汁泵。在實(shí)際生產(chǎn)中，現(xiàn)有的濾汁快沉系統(tǒng)常采用前一種控制方案。

2　基于數(shù)據(jù)關(guān)系模型分析的選擇性液位控制方案

2.1平衡箱液位控制之選擇性控制模型

如圖2所示，左邊的虛線框內(nèi)屬于可編程邏輯控制器(PLC)主控制部分[2]。在平衡箱液位控制中，通過(guò)查液位流量表可得：當(dāng)液位處于正常值范圍內(nèi)時(shí)，可忽視入口流量對(duì)平衡箱液位的影響，采用正?？刂破鲗?duì)濾汁流量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使濾汁的實(shí)際流量接近于給定流量(給定2)[3]；當(dāng)液位處于非正常值范圍時(shí)，采用增加前饋控制的取代控制器對(duì)濾汁平衡箱液位進(jìn)行調(diào)節(jié)，使濾汁流量接近于給定流量(給定1)。

然而，在液位偏離正常值范圍時(shí)，不能忽視進(jìn)口管道流量對(duì)液位的影響，由于液位屬于純滯后的過(guò)程控制對(duì)象，故在取代控制的情況下，根據(jù)液位測(cè)量變送及出、入口管道流量測(cè)量變送得到液位、出口管道流量、入口管道流量之間的智能數(shù)據(jù)分析模型(即相關(guān)關(guān)系模型)，并據(jù)此選定前饋?zhàn)饔玫膹?qiáng)弱，進(jìn)而對(duì)出口管道流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終使平衡箱液位恢復(fù)到正常值范圍。

濾汁快沉系統(tǒng)根據(jù)調(diào)節(jié)選擇器選擇的控制器確定濾汁流量的設(shè)定值、前饋控制作用大小、偏差、偏差率及PID參數(shù)，自動(dòng)調(diào)整濾汁泵的頻率，使濾汁流量的實(shí)際值無(wú)限接近于相應(yīng)的設(shè)定值，并使平衡箱液位維持在正常值范圍內(nèi)。然后，系統(tǒng)根據(jù)濾汁流量值與助劑的配比值來(lái)自動(dòng)調(diào)整助劑的流量，使濾汁與助劑按照一定的配比進(jìn)行混合，最終在沉降池中實(shí)現(xiàn)雜質(zhì)的快速沉降。

圖2　平衡箱液位控制結(jié)構(gòu)圖

2.2平衡箱液位控制之?dāng)?shù)據(jù)關(guān)系分析模型的建立

平衡箱液位控制的智能數(shù)據(jù)分析模型來(lái)源于實(shí)際生產(chǎn)工況，主要包括平衡箱液位、平衡箱入口流量、平衡箱出口流量以及這三者之間的相關(guān)關(guān)系[4]。具體生產(chǎn)工況模型如表1和表2所示，為了便于描述該關(guān)系模型，設(shè)定3類變量，每類變量的取值數(shù)量可為多個(gè)(取值的數(shù)量愈多，線性愈好，平衡箱液位的調(diào)節(jié)過(guò)程愈平滑)。這里以每類變量的3個(gè)取值為例來(lái)說(shuō)明：①液位變量：L1、L2、L3(其中，L2為液位正常值范圍，且L1＜L2＜L3)；②入口管道流量 Qin1、Qin2、Qin3(Qin2為入口管道流量的正常值范圍，且 Qin1＜Qin2＜Qin3)；③出口管道流量Qout1、Qout2、Qout3(Qout2為出口管道流量的正常值范圍，且Qout1＜Qout2＜Qout3)。

從實(shí)際生產(chǎn)工況中得到表1和表2的關(guān)系模型，進(jìn)而由表1和表2可推出表3的模型。在濾汁平衡箱液位的實(shí)際控制應(yīng)用中，不同的平衡箱液位值范圍對(duì)應(yīng)著不同的輸出管道流量(濾汁流量)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況量化這種液位流量的關(guān)系，上位機(jī)的實(shí)現(xiàn)效果如圖3所示。

在表 2中，當(dāng)平衡箱液位處于正常值范圍 L2時(shí)，圖2中的選擇調(diào)節(jié)器選擇正?？刂破靼凑战o定的輸出管道流量Qout2進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)平衡箱液位偏離正常值范圍而為L(zhǎng)1或L3時(shí)，圖2中的選擇調(diào)節(jié)器選擇取代控制器，并按照輸出管道流量給定值Qout1或Qout3，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過(guò)表1中的關(guān)系可知，當(dāng)選擇調(diào)節(jié)器選擇取代控制器進(jìn)行平衡箱液位控制時(shí)，應(yīng)考慮入口管道流量Qin對(duì)輸出管道流量Qout的影響，故根據(jù)表3中的相關(guān)關(guān)系加入不同強(qiáng)弱的前饋控制，以抵消入口管道流量Qin對(duì)出口管道流量Qout的干擾作用。

在表3中，Qin與Qout之間的依賴程度體現(xiàn)出不同的輸入管道流量Qin對(duì)輸出管道流量Qout的影響。一般來(lái)講，當(dāng)平衡箱液位處于正常值范圍 L2的時(shí)候，忽視入口管道流量 Qin對(duì)輸出管道流量Qout的影響，當(dāng)平衡箱液位偏離正常值范圍時(shí)，輸入管道流量Qin對(duì)輸出管道流量Qout的影響如表3所示。所以，在平衡箱液位的控制過(guò)程中，輸入管道流量Qin作為干擾量，平衡箱液位的前饋控制方案由表1、表3中的相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)化、量化而來(lái)。

如表2、表3所示，當(dāng)平衡箱液位處于L3，Qin3對(duì)平衡箱液位的影響最大，此時(shí)入口管道流量對(duì)平衡箱液位的干擾作用最強(qiáng)，故選擇一個(gè)強(qiáng)的前饋控制作用來(lái)減弱或抵消這種影響；但是當(dāng)平衡箱液位處于L3時(shí)，Qin1對(duì)平衡箱液位的影響小，此時(shí)入口管道流量對(duì)平衡箱液位的干擾作用弱，故選擇一個(gè)弱的前饋控制作用來(lái)抵消這種影響。關(guān)于平衡箱液位控制模型中的其他前饋控制作用強(qiáng)弱可據(jù)此模型中的相關(guān)關(guān)系類推可得。通過(guò)數(shù)據(jù)分析模型所確定的前饋控制方案使液位的自動(dòng)調(diào)節(jié)具有超前控制的效果，有利于防止液位出現(xiàn)劇烈波動(dòng)。

3　數(shù)據(jù)關(guān)系模型方案的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

表1　輸入管道流量與平衡箱液位之間的關(guān)系

表2　輸出管道流量與平衡箱液位之間的關(guān)系

表3　輸出管道流量與輸入管道流量之間的關(guān)系

濾汁平衡箱液位自適應(yīng)控制方案保留了原濾汁快沉系統(tǒng)的溫度、流量自控算法，通過(guò)在原快沉系統(tǒng)的硬件架構(gòu)上增加1臺(tái)電磁流量計(jì)，實(shí)時(shí)檢測(cè)進(jìn)入平衡箱內(nèi)的進(jìn)口管道流量，結(jié)合基于智能化數(shù)據(jù)分析的選擇性濾汁快沉平衡箱液位控制算法，量化表2和表3中的關(guān)系模型，寫入到PLC中，實(shí)現(xiàn)平衡箱液位由異常情況向正常情況過(guò)渡的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程。

基于智能數(shù)據(jù)模型的選擇性液位控制算法的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)如圖3所示。其中，L1、L2、L3對(duì)應(yīng)的平衡箱液位范圍分別為 0～3.0％、30％～60％、90％～100％；Qout1、Qout2、Qout3對(duì)應(yīng)的濾汁流量分別為1.0、35.0、70.0 m3/h。

當(dāng)平衡箱液位大于 90.0％時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)化并建立一張非線性表來(lái)量化Qout與Qin之間的關(guān)系模型，Qout與Qin之間的關(guān)系如表4所示，在實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)查表實(shí)現(xiàn)該關(guān)系模型的控制方案。

4　結(jié)論

圖3　流量與液位的關(guān)系模型

表4　輸入管道流量與輸出管道流量的量化關(guān)系

糖廠的智能化生產(chǎn)離不開實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，沒(méi)有結(jié)合智能算法模型的全廠數(shù)據(jù)也不能對(duì)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高產(chǎn)生推動(dòng)作用。而此次提出的自適應(yīng)平衡箱液位控制算法，對(duì)采集到的部分關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)系智能化分析，并將簡(jiǎn)化后的數(shù)據(jù)關(guān)系分析模型應(yīng)用于生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)濾汁平衡箱液位的自平衡控制，減少澄清工段的人工操作。該方案的應(yīng)用使原濾汁快沉系統(tǒng)具有更強(qiáng)的自適應(yīng)性，也進(jìn)一步提高了制糖生產(chǎn)中澄清工段的自動(dòng)化水平。

[1] 邵裕森，戴先中.過(guò)程控制工程：第 2版[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2] 廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3] 王志新，谷云東，王加銀，等.雙容水箱上的幾種液位控制實(shí)驗(yàn)及被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，42(2)：126-129.

[4] 劉紅巖，陳劍，陳國(guó)青.數(shù)據(jù)挖掘中的數(shù)據(jù)分類算法綜述[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，42(6)：727-730.

（本篇責(zé)任編校：李金玉）

Research of Adaptive Liquid Level Control Algorithm in Accelerated Clarifier System of Filter Juice

LI Qiang, CHEN Jun-jia, YE Quan-sheng, QIN Jian-nan, HUANG Shuang, XU Ning
(Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute/Guangdong Key Lab of Sugarcane Improvement & Biorefinery, Guangzhou 510316)

The liquid level of balance tank affected by import pipeline flow and export pipeline flow, which would result in the level deviation from the permitted range in accelerated clarifier system of filter juice, and the liquid level regulation must be completed by manual operation in sugar mill.According to the collected key data and selective control algorithm, the adaptive liquid level control algorithm was designed based on relational data model and selective level control in order to reduce the manual operation, which realized the liquid level of balance tank automatically changing from the abnormal state to the normal state and further enhanced the adaptivity of the accelerated clarifier control system.

Accelerated clarifier system of filter juice; Liquid level of balance tank; Relational data model; Selective control algorithm; Adaptivity

TS244+.2

A

1005-9695(2016)03-0023-05

2016-04-26；

2016-05-25

綠色制糖加工高新技術(shù)與裝備研究(2016GDASPT-0208)

李強(qiáng)(1986-)，男，碩士，助理工程師，研究方向：自動(dòng)化控制工程

陳駿佳，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事制糖工程研究工作

李強(qiáng)，陳駿佳，葉權(quán)圣，等.一種自適應(yīng)液位控制算法在濾汁快沉中的應(yīng)用研究[J].甘蔗糖業(yè)，2016(3)：23-27.