自動(dòng)質(zhì)量補(bǔ)償在飲料在線調(diào)配生產(chǎn)中的應(yīng)用

易余

（利樂貿(mào)易（上海）有限公司，上海 200126）

飲料行業(yè)作為中國(guó)改革開放以來的新興行業(yè)，近些年來不斷發(fā)展和成熟，逐漸改變了以往規(guī)模小、競(jìng)爭(zhēng)無(wú)序的局面。單一品項(xiàng)的產(chǎn)能規(guī)模越來越大，除了傳統(tǒng)的碳酸飲料、茶飲、功能飲料、果汁等傳統(tǒng)飲品外，含乳飲料、植物基燕麥等飲料也逐漸風(fēng)靡全國(guó)。為滿足市場(chǎng)需求，傳統(tǒng)的方式一般為新建多條生產(chǎn)線來擴(kuò)張產(chǎn)能、提高產(chǎn)量，對(duì)于資本的投入也是成倍數(shù)增加。而引入先進(jìn)的飲料連續(xù)生產(chǎn)調(diào)配系統(tǒng)不僅可以滿足提高產(chǎn)能的需求，也能極大的節(jié)省能耗與生產(chǎn)場(chǎng)地。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)優(yōu)勢(shì)，引進(jìn)利樂先進(jìn)的連續(xù)調(diào)配工藝對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化，該工藝是通過采用先進(jìn)的現(xiàn)代控制方式扼制和消除生產(chǎn)過程中的干擾對(duì)系統(tǒng)調(diào)配質(zhì)量偏差的影響[1]，來實(shí)現(xiàn)在連續(xù)調(diào)配過程中能精確地控制產(chǎn)品質(zhì)量。

1 在線連續(xù)調(diào)配工藝分析與實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)

飲料調(diào)配工藝有幾個(gè)需要控制的關(guān)鍵指標(biāo)，比如白利度、蛋白含量、pH 值等。只有各個(gè)配方成本添加量滿足指標(biāo)要求才能到達(dá)產(chǎn)品合格標(biāo)準(zhǔn)，因此常規(guī)的批次調(diào)配模式比較常見。但大多數(shù)情況是過度添加滿足指標(biāo)要求，隨之也帶來了成本的提升。而連續(xù)調(diào)配模式如果能夠保證所有關(guān)鍵成分符合質(zhì)量指標(biāo)同時(shí)能穩(wěn)定控制指標(biāo)含量，如圖1 所示，將會(huì)很大程度上降低原料成本，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，也能提高生產(chǎn)效率。

圖1 傳統(tǒng)模式與連續(xù)調(diào)配模式指標(biāo)損失對(duì)比

這里提到的連續(xù)在線調(diào)配是一種基于質(zhì)量流量的技術(shù)，關(guān)鍵的測(cè)量?jī)x表為質(zhì)量流量計(jì)。質(zhì)量流量計(jì)能夠直接而精密地測(cè)量流體質(zhì)量流量，測(cè)量的部件采用兩根并排的U 形彎管,管路里面流動(dòng)介質(zhì)后在回彎部分會(huì)相向振動(dòng)，當(dāng)密度為ρ 的流體在旋轉(zhuǎn)管道中以恒定速度流動(dòng)時(shí)，任何一段長(zhǎng)度的管道都將受到一個(gè)切向科里奧利力，測(cè)量在旋轉(zhuǎn)管道中流動(dòng)流體產(chǎn)生的科里奧利力就可以測(cè)得質(zhì)量流量[2]。

基于質(zhì)量測(cè)量的方式滿足高粘度和高精度的連續(xù)在線混合方式。各主要配方成分采用濃縮基料的形式通過2 路甚至5 路在線添加至混合管路中，實(shí)現(xiàn)各成分在添加過程中滿足指標(biāo)要求。比如其中一個(gè)支路的定容水通過泵送穩(wěn)定的壓力，經(jīng)調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)進(jìn)行精確測(cè)量后進(jìn)入混合管線。集中調(diào)配好的濃縮基料和高濃度糖漿分別通過緩沖罐經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥與主路匯合，工藝模式如圖2 所示。濃縮液的添加流量由調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。混合后的產(chǎn)品流至緩沖罐通過白利度計(jì)（或者通過質(zhì)量流量計(jì)轉(zhuǎn)換）對(duì)最終的白利度值進(jìn)行計(jì)算調(diào)節(jié)，這里緩沖罐并非必要，但是經(jīng)緩沖罐后便于取樣，也能為調(diào)配系統(tǒng)在出現(xiàn)干擾時(shí)進(jìn)行自我調(diào)節(jié)提供了空間，成品連續(xù)出料流至超高溫殺菌機(jī)。

圖2 在線連續(xù)調(diào)配工藝模式示意圖

2 自動(dòng)質(zhì)量補(bǔ)償（AMC）

實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)調(diào)配的關(guān)鍵部分是精確控制各添加成分的含量。AMC 作為連續(xù)在線調(diào)配的核心控制模塊，可以在制作過程中連續(xù)監(jiān)控各添加支路間的質(zhì)量偏差。為了便于直觀的理解，這里的偏差質(zhì)量定義為純干物質(zhì)質(zhì)量?？刂铺砑拥闹房梢詮? 路擴(kuò)展到5 路混合。質(zhì)量偏差最有可能發(fā)生在生產(chǎn)開始階段。如果生產(chǎn)過程中受到某些干擾，也有可能出現(xiàn)質(zhì)量偏差。AMC應(yīng)用小增益理論[3,4]，采用自適應(yīng)控制閉環(huán)傳遞函數(shù)，在生產(chǎn)過程中盡可能快地將各支路的質(zhì)量偏差調(diào)整到接近消失，最終在出口管線中維持穩(wěn)定的白利度，或總固形物含量。

自動(dòng)在線質(zhì)量補(bǔ)償技術(shù)設(shè)計(jì)用于檢測(cè)干擾，計(jì)算其影響，并通過加多或減少系統(tǒng)中的成分質(zhì)量進(jìn)行直接補(bǔ)償，使最終產(chǎn)品的各成本保持在穩(wěn)定的水平。如圖3 所示，當(dāng)調(diào)配過程中產(chǎn)生干擾導(dǎo)致添加的配方成分減少或者增多時(shí)，系統(tǒng)快速響應(yīng)實(shí)時(shí)計(jì)算偏差質(zhì)量，使總體配方偏差控制在允許范圍內(nèi)。

圖3 連續(xù)調(diào)配過程中質(zhì)量偏差補(bǔ)償

2.1 AMC 工作方式

生產(chǎn)過程中各添加支路濃縮物料的質(zhì)量由程序每秒收集4次或以上，收集次數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。根據(jù)濃縮原料的實(shí)際白利度值，程序?qū)⒂?jì)算最終產(chǎn)品的實(shí)際白利度。然后將其與最終產(chǎn)品的設(shè)定值進(jìn)行比較，偏差值保存為含有100°干物質(zhì)的濃縮物料質(zhì)量。實(shí)際偏差將顯示為濃縮原料的質(zhì)量。

當(dāng)質(zhì)量偏差大于預(yù)設(shè)限值時(shí)，調(diào)整將開始。當(dāng)質(zhì)量偏差小于預(yù)設(shè)水溫偏差限值加預(yù)設(shè)時(shí)間時(shí)停止。當(dāng)質(zhì)量偏差值為0.0 kg輸入到P 控制器；該控制器的計(jì)算輸出為0.0～100.0%。然后將該輸出連接到AMC 控制器，該控制器激活后開始計(jì)算各濃縮物料的質(zhì)量流量設(shè)定值。我們可以調(diào)整增益因子（P_PF）來控制最終白利度值的穩(wěn)定時(shí)間。P_PF 是P 控制器的增益，P 控制器是用于計(jì)算質(zhì)量流量設(shè)定值的公式。增益對(duì)于調(diào)節(jié)質(zhì)量偏差產(chǎn)生更快的響應(yīng)。質(zhì)量偏差由程序中的公式連續(xù)計(jì)算。將最終產(chǎn)品的白利度的設(shè)定值與實(shí)際流量及偏差時(shí)間計(jì)算出來的白利度值相比較。

隨著質(zhì)量偏差出現(xiàn)，程序開始計(jì)算流量的新設(shè)定值。根據(jù)白利度的設(shè)定值和測(cè)量的白利度值計(jì)算出新的流量設(shè)定值，以使新的各濃縮物料的流量彼此成比例。例如，如果質(zhì)量偏差為1.0 kg，AMC 將按比例降低或提高該濃縮液流量設(shè)定值，并增加或降低定容水支路流量設(shè)定值。隨著偏差減小，對(duì)各添加物料的設(shè)定值的影響也將減小，直到偏差小于預(yù)設(shè)極限值。

2.2 AMC 理論控制模型與設(shè)計(jì)

AMC 控制模型采用雙控制器調(diào)節(jié)，計(jì)算調(diào)節(jié)偏差后重新設(shè)定控制器設(shè)定值，隨動(dòng)控制輸出，達(dá)到自動(dòng)質(zhì)量補(bǔ)償?shù)哪康?，模型如圖4 所示。

圖4 自動(dòng)質(zhì)量補(bǔ)償控制模型

Ad_R：自動(dòng)質(zhì)量補(bǔ)償流量設(shè)定值調(diào)節(jié)范圍百分比；

AMC F_SP：自動(dòng)質(zhì)量補(bǔ)償計(jì)算輸出的實(shí)際流量設(shè)定值；

P_Ctrl：P 控制器計(jì)算輸出；

P_Ctrlout=(Dev_SV-Dev_SP) x P_PF；

AMC_Ctrl：AMC 控制器流量設(shè)定值計(jì)算輸出；

AMC F_SP=F_SPx P_Ctrlout+F_SP。

其中P_PF 增益因子和 Ad_R 調(diào)節(jié)范圍的大小都不能為零。如果在增益系數(shù)或調(diào)節(jié)范圍極限中選擇零，則不會(huì)發(fā)生質(zhì)量補(bǔ)償。

當(dāng)質(zhì)量偏差大于設(shè)定值時(shí)激活A(yù)MC。偏差值的設(shè)置與出口緩沖罐的大小有關(guān)。

偏差計(jì)算公式如下：

其中n為開始調(diào)整后計(jì)算次數(shù)，xi為當(dāng)前計(jì)算偏差值，為累計(jì)計(jì)算平均偏差。

同樣需要設(shè)置AMC 調(diào)整范圍Ad_R。AMC 的調(diào)整范圍是一個(gè)百分比值，它決定了在AMC 控制期間允許流量設(shè)定值改變的幅度。增益因子P_PF 的大小會(huì)影響調(diào)節(jié)的響應(yīng)時(shí)間，如圖5 所示。這個(gè)值設(shè)置后，以令控制器在AMC 期間不會(huì)持續(xù)振蕩。

圖5 連續(xù)調(diào)配過程中偏差調(diào)整響應(yīng)時(shí)間

影響調(diào)整時(shí)間的因素是質(zhì)量誤差的大小、AMC 啟動(dòng)偏差范圍和停止限制、AMC 調(diào)整范圍的大小以及增益因子的大小。

2.3 調(diào)節(jié)增益因子參數(shù)測(cè)試

以2 路物料支路為例，設(shè)定質(zhì)量偏差為0.25 kg。當(dāng)生產(chǎn)過程中發(fā)生擾動(dòng)，導(dǎo)致基礎(chǔ)物料回路1 的流量下降，則AMC開始自動(dòng)補(bǔ)償計(jì)算和輸出，重新調(diào)節(jié)基礎(chǔ)物料回路1 和濃縮物料回路2 的設(shè)定流量，使最終的質(zhì)量濃度偏差回歸到0。

當(dāng)P_PF 增益因子設(shè)定為25 的情況時(shí)，調(diào)整響應(yīng)時(shí)間33秒后質(zhì)量偏差為0 kg，如圖6 所示；當(dāng)P_PF 增益因子設(shè)定為50 的情況時(shí)，調(diào)整響應(yīng)時(shí)間縮短為13 秒后質(zhì)量偏差為0 kg，如圖7 所示；當(dāng)P_PF 增益因子設(shè)定為75 的情況時(shí)，調(diào)整響應(yīng)時(shí)間為18 秒后質(zhì)量偏差為0 kg，如圖8 所示。

圖6 增益因子為25 質(zhì)量偏差調(diào)整完成響應(yīng)時(shí)間

圖7 增益因子為50 質(zhì)量偏差調(diào)整完成響應(yīng)時(shí)間

圖8 增益因子為75 質(zhì)量偏差調(diào)整完成響應(yīng)時(shí)間

3 茶飲料連續(xù)調(diào)配結(jié)果與討論

圖9 茶飲料成品實(shí)際白利度曲線

圖10 受干擾地的糖漿基料白利度曲線

茶飲料在線連續(xù)調(diào)配系統(tǒng)用質(zhì)量流量計(jì)來精確計(jì)量流量和質(zhì)量，通過控制調(diào)節(jié)閥的開度來調(diào)整添加流量大小。通過設(shè)置配方參數(shù)，先預(yù)置總流量（進(jìn)調(diào)配系統(tǒng)的物質(zhì)總量），濃縮物料和基礎(chǔ)物料的比例、白利度、最終混合均勻成品白利度、白利度修正值。以濃縮茶汁，糖漿、調(diào)配用水作為主控對(duì)象。連續(xù)生產(chǎn)過程中通過不斷檢測(cè)成品白利度來適當(dāng)調(diào)整各濃縮物料和水的比例，以達(dá)到控制成品白利度的目的。

設(shè)定最終成品的白利度值(比如8.77°)，通過系統(tǒng)里面隨機(jī)抽取生產(chǎn)一個(gè)小時(shí)的成品白利度，調(diào)配基料為白利度值為60°的濃縮物料。通過一個(gè)小時(shí)的觀察和驗(yàn)證，一路濃縮物料流量出現(xiàn)擾動(dòng)的情況下（供料泵啟動(dòng)和停止），系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償，最終成品的白利度波動(dòng)范圍都在±0.03°以內(nèi)，如圖9 為成品實(shí)際白利度曲線。圖10 為質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量的實(shí)際值加上誤差補(bǔ)償后的一路糖漿基料受干擾后的白利度曲線，其中的擾動(dòng)為供料泵暫停和罐體切換。

4 結(jié)論

通過前面在線調(diào)配的分析，我們可以改變傳統(tǒng)的批次罐調(diào)配模式。利用連續(xù)調(diào)配模式為飲料生產(chǎn)線節(jié)省前期項(xiàng)目投資及后期運(yùn)營(yíng)成本。通過減少眾多的調(diào)配罐、定容罐，將這些罐體僅保留濃縮基料的配置，其余都由連續(xù)在線調(diào)配系統(tǒng)取代，精簡(jiǎn)了生產(chǎn)配置，將生產(chǎn)與設(shè)備管理輕量化。連續(xù)調(diào)配模式有更穩(wěn)定的質(zhì)量指標(biāo)控制，利用AMC 精準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量補(bǔ)償干擾導(dǎo)致的指標(biāo)偏差，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的添加質(zhì)量，還能在原有的批次罐調(diào)配基礎(chǔ)上減少原料添加成本，也能減少因頻繁的質(zhì)量檢測(cè)而產(chǎn)生的誤差，更加便于質(zhì)量管控。自動(dòng)質(zhì)量補(bǔ)償將能為擴(kuò)大產(chǎn)能的實(shí)際需求帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。