中藥濃縮過程控制思路與方法

陳玉宣 張居賓 俞文光 黃文君

摘要 探索如何從過程控制角度提高中藥制藥過程的效率。以某企業(yè)濃縮裝置為例，針對(duì)其濃縮過程控制中存在的問題，設(shè)計(jì)了基于動(dòng)態(tài)矩陣控制算法的控制器并投入應(yīng)用?？刂破髂軌蜃詣?dòng)調(diào)節(jié)加熱設(shè)備，控制濃縮過程的溫度和蒸發(fā)量在設(shè)定值?？刂破魍队煤罂梢越档蜐饪s過程中溫度的波動(dòng)約30%，將有利于設(shè)備結(jié)垢、熱敏成分損失等問題的解決。

關(guān)鍵詞 中藥生產(chǎn);機(jī)械蒸汽再壓縮;提取液濃縮;變頻器;過程控制;動(dòng)態(tài)矩陣控制

Ideas and Methods for Controlling the Concentration Process of Chinese Medicine

CHEN Yuxuan1，ZHANG Jubin1，YU Wenguang1，HUANG Wenjun2

（1 Zhejiang SUPCON Technology Co.，Ltd，Hangzhou 310014，China; 2 College of Control Science and Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Abstract The paper explores how to improve the efficiency of the Chinese medicianl pharmaceutical process from the perspective of process control.Taking the concentration device of a certain enterprise as an example，a controller based on dynamic matrix control algorithm was designed and put into application in view of the problems existing in the control of the concentration process.The controller can automatically adjust the heating equipment to control the temperature and evaporation of the concentration process at the set value.After the controller is put into use，the temperature fluctuation during the concentration process can be reduced by about 30%，which will help solve the problems of equipment fouling and heat-sensitive component loss.

Keywords Chinese medicine production; Mechanical vapor recompression; Concentration of liquid extraction; Frequency transformer; Process control; Dynamic rectangular array control

中圖分類號(hào)：R283文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.3969/j.issn.1673-7202.2021.23.001

近年來人們開始關(guān)注從過程控制的角度提高中藥生產(chǎn)過程的效率[1-2]。隨著設(shè)備儀表等硬件的發(fā)展升級(jí)，中藥生產(chǎn)過程的自動(dòng)化水平已經(jīng)大大提高，能夠?qū)崿F(xiàn)多數(shù)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，一些簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制邏輯也被設(shè)計(jì)應(yīng)用[3-5]，但實(shí)際上許多自動(dòng)化設(shè)備還未完全發(fā)揮作用。另外也已經(jīng)有一些將更復(fù)雜的控制手段應(yīng)用于中藥生產(chǎn)過程的嘗試，但都是只處于試驗(yàn)而未應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)裝置[6-8]。

以濃縮過程的控制為例，過程中溫度、壓力等參數(shù)通常沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。過程參數(shù)的變化將會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量，從而降低裝置的生產(chǎn)效率[9-10]。本文將結(jié)合自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)某企業(yè)濃縮裝置的控制方式進(jìn)行分析、并嘗試改進(jìn)。

1 裝置工藝情況

裝置采用蒸汽機(jī)械再壓縮（Mechanical Vapor Recompression，MVR）技術(shù)。MVR裝置原理見圖1。

濃縮過程的原料即提取液經(jīng)換熱器預(yù)熱后進(jìn)入蒸發(fā)器中，與蒸發(fā)器內(nèi)強(qiáng)制循環(huán)的藥液一起流經(jīng)降膜蒸發(fā)器管程，與殼程內(nèi)二次蒸汽換熱并沸騰。蒸發(fā)器內(nèi)藥液自然流動(dòng)到分離器內(nèi)分離氣相。氣相進(jìn)入蒸汽壓縮機(jī)，蒸汽壓縮機(jī)使二次蒸汽的溫度、壓力、熱焓值得到大幅度的提升，得到的高品位二次蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器殼程，換熱并冷凝后排出系統(tǒng)。為了降低藥液沸點(diǎn)，裝置配有真空泵使蒸發(fā)器處于負(fù)壓。當(dāng)蒸發(fā)器內(nèi)藥藥液密度達(dá)到要求后，打開出液閥門一次性出料[11-12]。

2 過程控制現(xiàn)狀與改進(jìn)思路

裝置已配備有變頻電機(jī)、調(diào)節(jié)閥用于過程參數(shù)的自動(dòng)控制，但尚未完全發(fā)揮其作用[13]。一些過程參數(shù)無法長期穩(wěn)定控制在工藝要求參數(shù)的范圍內(nèi)。

2.1 藥液溫度控制 藥液溫度指蒸發(fā)器管程液相溫度。藥液溫度過低會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)量大幅下降，而藥液溫度過高則影響產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備能耗。裝置設(shè)計(jì)有基于PID算法[14]的自動(dòng)控制回路自動(dòng)調(diào)節(jié)生蒸汽閥門開度控制藥液溫度在設(shè)定值，但回路的投用效果并不理想，多數(shù)時(shí)候藥液溫度波動(dòng)較大。原藥液溫度控制回路存在的問題是由于藥液溫度回路存在滯后大的特點(diǎn)，即生蒸汽閥門開度變化后，需要較長時(shí)間才能影響到藥液溫度開始變化。通常認(rèn)為這種回路采用常規(guī)PID控制算法難以取得理想的控制效果，需要使用一些更先進(jìn)的控制算法。本文嘗試將先進(jìn)控制算法中應(yīng)用較為成熟的動(dòng)態(tài)矩陣控制（Dynamic Matrix Control，DMC）算法[15]用于藥液溫度控制回路。

2.2 二次蒸汽溫度控制 二次蒸汽溫度指蒸發(fā)器內(nèi)殼程氣相溫度。二次蒸汽溫度與藥液溫度相同，同時(shí)影響著產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量和設(shè)備能耗。裝置沒有設(shè)計(jì)二次蒸汽溫度自動(dòng)控制回路，當(dāng)二次蒸汽溫度過高時(shí)需要手動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)頻率或藥液溫度控制回路的設(shè)定值使二次蒸汽溫度降至工藝要求范圍內(nèi)。這樣一來會(huì)增加操作員工作負(fù)荷，二來無法避免二次蒸汽溫度超限的問題。二次蒸汽溫度無需精確控制在設(shè)定值，但要求不高于設(shè)定值。所以設(shè)計(jì)控制器，當(dāng)預(yù)測(cè)二次蒸汽溫度將高于設(shè)定值時(shí)，降低壓縮機(jī)頻率使二次蒸汽溫度降至設(shè)定值以下，其他情況則不根據(jù)二次蒸汽溫度調(diào)節(jié)壓縮機(jī)頻率。為了方便實(shí)施，控制算法也選用DMC算法控制。

2.3 蒸發(fā)量控制 蒸發(fā)量即二次蒸汽在蒸發(fā)器殼程中換熱后產(chǎn)生的冷凝水量。MVR裝置需要有足夠的蒸發(fā)量才能正常運(yùn)行，蒸發(fā)量過低可能導(dǎo)致裝置停車。當(dāng)上下游的生產(chǎn)負(fù)荷較大時(shí)，蒸發(fā)量通常越大越好，而生產(chǎn)負(fù)荷不大時(shí)，則要盡量使蒸發(fā)量處在裝置的設(shè)計(jì)值，這樣有利于節(jié)約電耗。裝置配備了變頻壓縮機(jī)但并沒有設(shè)計(jì)自動(dòng)控制回路，操作員很少改變壓縮機(jī)頻率。蒸發(fā)量控制回路同樣存在純滯后時(shí)間偏大的特點(diǎn)，也選用DMC算法進(jìn)行控制。裝置控制方案改進(jìn)前后的情況總結(jié)見表1和表2。

另外，改進(jìn)控制方案中，當(dāng)預(yù)測(cè)二次蒸汽溫度低于設(shè)定值，則回路2不起作用，壓縮機(jī)頻率根據(jù)蒸發(fā)量與設(shè)定值的偏差調(diào)節(jié)，當(dāng)預(yù)測(cè)二次蒸汽溫度將高于設(shè)定值，則回路1不起作用，壓縮機(jī)頻率的調(diào)節(jié)目標(biāo)為將二次蒸汽溫度降至設(shè)定值以下。

3 動(dòng)態(tài)矩陣控制原理

從1974年起，動(dòng)態(tài)矩陣控制就作為一種有約束的多變量優(yōu)化控制算法應(yīng)用在美國殼牌石油公司的生產(chǎn)裝置上。1979年，卡特勒等在美國化工年會(huì)上首次介紹了這一算法。多年來，它已在石油、化工等行業(yè)的生產(chǎn)過程過程控制中獲得了成功的應(yīng)用。

DMC算法由預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正3部分組成。本節(jié)以表2中的回路1為例，介紹DMC算法的原理。

3.1 預(yù)測(cè)模型 動(dòng)態(tài)矩陣控制采用階躍響應(yīng)特性作為對(duì)象模型[14]。本文采用一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性作為藥液溫度控制回路的模型，即用K、T、τ共3個(gè)參數(shù)描述回路特性。K表示給生蒸汽閥門施加一個(gè)階躍變化，待藥液溫度重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，藥液溫度的變化值與生蒸汽閥門的變化值的比值。τ表示生蒸汽閥門階躍變化后，藥液溫度隔多長時(shí)間開始變化。T表示藥液溫度開始變化后至達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間的0.6倍。K、T、τ這3個(gè)參數(shù)可以由回路歷史操作數(shù)據(jù)分析得到，可以用于構(gòu)造式（3-1）中的矩陣A。

有DMC預(yù)測(cè)控制的模型矢量為：

其中，N為建模時(shí)域，即生蒸汽閥門開度動(dòng)作多少個(gè)周期之后的藥液溫度能達(dá)到穩(wěn)定。YP（k）為模型預(yù)測(cè)值，即根據(jù)預(yù)測(cè)模型得到的藥液溫度在N時(shí)刻的預(yù)測(cè)值。Y0（k）為初始值，即當(dāng)前時(shí)刻的藥液溫度值。△U（k）為控制增量序列矢量，由生蒸汽閥門在當(dāng)前時(shí)刻至k時(shí)刻間每個(gè)采樣周期動(dòng)作額數(shù)值組成。A為動(dòng)態(tài)系數(shù)矩陣，用于描述每個(gè)時(shí)刻的生蒸汽閥門動(dòng)作將會(huì)對(duì)每個(gè)時(shí)刻的藥液溫度造成多大的影響。

如果控制增量序列有效長度為L（即在L個(gè)周期后生蒸汽閥門不再動(dòng)作），建模時(shí)域仍為N，且L<N時(shí)，則：

Yp（k）=Y0（k）+A△UL（k）（3-2）

式中：

3.2 滾動(dòng)優(yōu)化 設(shè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)長度為M（預(yù)測(cè)M個(gè)周期后的藥液溫度值，根據(jù)預(yù)測(cè)溫度值與設(shè)定值的偏差計(jì)算生蒸汽閥門的動(dòng)作），控制有效長度為L（根據(jù)預(yù)測(cè)模型有如果生蒸汽閥門執(zhí)行了這L次動(dòng)作后不再動(dòng)作），且L≤M≤N。對(duì)于參考軌跡為Yd（k）=[yd（k+1），yd（k+2）…yd（k+M）]T（即理想的控制效果下藥液溫度的變化軌跡）和模型預(yù)測(cè)輸出（根據(jù)預(yù)測(cè)模型和L個(gè)周期生蒸汽動(dòng)作計(jì)算得到的預(yù)測(cè)藥液溫度變化軌跡）Yp（k）=[yp（k+1），yp（k+1）…yp（k+M）]T的系統(tǒng)二次型滾動(dòng)優(yōu)化目標(biāo)（以藥液溫度參考軌跡與預(yù)測(cè)軌跡的偏差最小、生蒸汽閥門動(dòng)作盡量少為綜合目標(biāo)，作為計(jì)算L個(gè)周期內(nèi)最佳的生蒸汽閥門動(dòng)作的依據(jù)）為：

min J（k）=||Yd（k）-Yp（k）||2Q+||△UL（k）||2R（3-3）

式中：

Q=diag（q1，q2…qM）;

R=diag（r1，r2…rL）;

△UL（k）=[△u（k），△u（k+1）…△u（k+L-1）]T;

其中Q和R為權(quán)值矩陣，用于調(diào)節(jié)優(yōu)化目標(biāo)中兩項(xiàng)所占比重，通常需要在回路投用后憑經(jīng)驗(yàn)修改以獲得較好的控制效果。

根據(jù)Diophantine方程求得控制增量序列：

△U*L（k）=G[Yd（k）-Y0（k）]（3-4）

式中：動(dòng)態(tài)控制矩陣G∈RL×M，G=（ATMLQAML+R）-1ATMLQ，且

這時(shí)的模型預(yù)測(cè)值為YP（k）=Y0（k）+AML△UL（k），初始值Y0（k）=[y0（k+1），y0（k+2）…y0（k+M）]T，實(shí)際控制矢量最優(yōu)值為U*L（k）=U*L（k-1）+△U*L（k）。從上式分析可知，每次預(yù)測(cè)值計(jì)算可以得到未來L個(gè)依次離散時(shí)刻的最優(yōu)控制量（即計(jì)算的最優(yōu)生蒸汽閥門動(dòng)作）為U*L（k）=[u*（k|k），u*（k+1|k）…u*（k+L-1|k）]T。

3.3 反饋校正 取有效長度L為1，即在k時(shí)刻，把一個(gè)值為△u（k）的控制階躍加于受控對(duì)象，而此后△u（k+1）、△u（k+2）…△u（k+L-1）均為0。由于隨機(jī)干擾和存在建模誤差等原因，預(yù)測(cè)值和系統(tǒng)實(shí)際輸出y（k+1）間必然有誤差，設(shè)k+1時(shí)刻的輸出誤差為：

e（k+1）=y（k+1）-yp1（k+1|k）（3-5）

為了消除諸多因素引起對(duì)預(yù)測(cè)值的誤差，利用e（k+1）取N維的校正矢量C=[c1，c2…cN]T對(duì)Yp1（k）進(jìn)行修正得

YPc（K+1）=YP1（K）+Ce（k+1）（3-6）

這里修正后的預(yù)測(cè)矢量YPc（K+1）=[ypc（k+1|k+1），ypc（k+2|k+1）…ypc（k+N|k+1）]T，修正后的ypc（k+1|k+1）值將作為初始預(yù)測(cè)值y01（k+1|k+1），ypc（k+3|k+1）值將作為y01（k+2|k+1），…ypc（k+N-1|k+1）作為y01（k+N-1|k+1）與y01（k+N|k+1），據(jù)此，設(shè)位移矩陣V，有：

Y01（K+1）=VYpc（K+1）（3-7）

且：

4 方法的實(shí)施步驟

4.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)搭建 裝置由西門子S7-300 PLC控制，為收集數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)在線求解，需在原控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中增加一臺(tái)服務(wù)器，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)見圖2。服務(wù)器通過S7驅(qū)動(dòng)與各PLC進(jìn)行通信[16]。服務(wù)器上安裝有浙江中控VisualField軟件和InPlantPCO軟件。VisualField軟件負(fù)責(zé)記錄PLC中變量的歷史數(shù)值、提供改進(jìn)控制器的人機(jī)交互界面。InPlantPCO軟件在后臺(tái)運(yùn)行，通過內(nèi)部協(xié)議與VisualField軟件通信，負(fù)責(zé)運(yùn)行動(dòng)態(tài)矩陣控制算法。

4.2 人機(jī)界面與保護(hù)邏輯 根據(jù)化工行業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[17]，設(shè)計(jì)圖3所示操作面板，用于操作員對(duì)改進(jìn)控制器的監(jiān)控。

根據(jù)DMC控制器應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)有以下保護(hù)邏輯：1）通信實(shí)時(shí)校驗(yàn)。如發(fā)生通信故障，自動(dòng)切除優(yōu)化作用，由PLC控制。2）改進(jìn)控制方案投用和切除操作。正常生產(chǎn)時(shí)，由操作人員點(diǎn)擊確認(rèn)切換至改進(jìn)方案，此時(shí)服務(wù)器讀取PLC的輸入信號(hào)，經(jīng)過InPlantPCO軟件運(yùn)算得到控制信號(hào)，傳輸至PLC;改進(jìn)控制方案與原控制方案之間實(shí)現(xiàn)無擾切換，當(dāng)某個(gè)系統(tǒng)處于控制狀態(tài)時(shí)，另一方案將實(shí)時(shí)跟蹤。3）操縱變量的上下限保護(hù)、速率限幅保護(hù)。4）工況異常、設(shè)備故障、負(fù)荷大幅變化等緊急情況時(shí)，自動(dòng)切除改進(jìn)控制方案;所有異常、故障、切換動(dòng)作在操作面板中報(bào)警或提示[18-19]。

4.3 控制器編寫或組態(tài) 已有較多成熟的商業(yè)軟件能夠簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)表2所述控制器[20]，實(shí)施過程中只需根據(jù)軟件操作手冊(cè)，對(duì)控制器結(jié)構(gòu)進(jìn)行組態(tài)，就能運(yùn)行控制。本文不贅述InPlantPCO軟件的組態(tài)步驟。

4.4 獲取預(yù)測(cè)模型 式（3-1）中的動(dòng)態(tài)系數(shù)矩陣需要由預(yù)測(cè)模型參數(shù)即增益K、時(shí)間常數(shù)T、純滯后時(shí)間τ計(jì)算得到，由圖2所示網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以采集各回路操作的歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)人工對(duì)歷史數(shù)據(jù)的觀察計(jì)算，估計(jì)獲得表2中各被控變量的預(yù)測(cè)模型參數(shù)見表3。

4.5 投用調(diào)試 將表2控制器投入使用，投用前后的情況：隨著蒸發(fā)器內(nèi)藥液密度的上升（即累積處理量的增大）蒸發(fā)量持續(xù)下降，操作員并沒有對(duì)壓縮機(jī)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致濃縮中后期處理量較低;藥液溫度和二次蒸汽溫度的波動(dòng)較大;生蒸汽閥門動(dòng)作幅度很大。見圖4。除了濃縮后期壓縮機(jī)頻率已達(dá)上限使蒸發(fā)量不可控之外，其他時(shí)間藥液溫度和蒸發(fā)量都較好地控制在設(shè)定值，二次蒸汽溫度幾乎不超設(shè)定值。見圖5。投用前后參數(shù)波動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)見表4。

5 總結(jié)

本文對(duì)基于MVR技術(shù)的中藥提取液濃縮過程的自動(dòng)控制方案進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)方案的投用相比于原方案實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)頻率控制蒸發(fā)量在設(shè)定值、降低蒸發(fā)量波動(dòng)約60%，有利于生產(chǎn)管理;降低二次蒸汽溫度波動(dòng)約30%、降低藥液溫度波動(dòng)約60%，有利于設(shè)備結(jié)垢、熱敏成分損失等問題的解決。

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（2021-10-25收稿 責(zé)任編輯：王明）