神經網絡在乳酸蒸縮過程中的應用研究

蘇鑫 張春平

摘要：蒸所過程是乳酸生產工序中的非常重要的一個環節，乳酸稀液蒸發濃縮工序中所用到的重要設備是蒸發器，蒸發器是乳酸稀液蒸發濃縮工序中所用到的重要設備，溫度是蒸發器運行過程中非常重要的一個參數，對整個乳酸的蒸發濃縮過程的穩定運行和乳酸的產品質量有著非常重要的影響。本文以蒸發器為研究對象，簡單分析了乳酸生產的工藝流程，詳細地分析了蒸發器的工藝流程，建立了蒸發器溫度通道的數學模型。這樣就可以實現了較智能的神經網絡PID控制技術。該設計應用方便，并且比較靈活，對整個乳酸的增發濃縮過程的穩定運行和乳酸的產品質量有著非常重要的影響。

關鍵詞：溫度 ?蒸發濃縮 ? 蒸發器 ?神經網絡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，它們分別稱為化學合成法和微生物發酵法。相對來說，玉米淀粉微生物發酵法的應用最廣泛且技術也最成熟，微生物發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酵來制備乳酸，這種工藝是目前我國主要的一種乳酸制備工藝。山東某企業所生產的乳酸就是一種采用發酵方式，即經過液化、糖化、發酵、板框壓濾、蒸發濃縮、離子交換等步驟而制備出來的乳酸。其中，蒸發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濃縮工序就是利用蒸發器進行蒸發濃縮，提高乳酸的濃度。乳酸稀液在蒸發器中經過蒸發濃縮后達到濃度要求然后從蒸發器底部放出，這樣就得到了濃縮液，蒸發過程中對影響產品質量的參數進行有效控制可以保證蒸發器的平穩運行，同樣也可以保證產品質量。

隨著生產過程的復雜化和智能化發展，加上原料以及燃料等能源的大幅漲價，綠色環保、安全可靠、提高生產的質量和提高生產經濟效益等要求的呼聲越來越高，可見更智能的控制技術方法的研究也越來越受到人們的關注。在工程實踐中，獲取蒸汽所需要的能源量是巨大的，但它低利用率的同時也會對其造成巨大的資源損耗。蒸發器是乳酸制備生產工藝中尤為重要的一道生產工序，它對于工廠的生產經濟效益好壞以及是否環保和節能都起到了舉足輕重的影響。由于多效逆流蒸發器相比傳統單效逆流蒸發器更加節能，所以多效逆流蒸發器使用較多而逆流蒸發器的優點是具有蒸發速度快、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、節能等優勢，所以在乳酸蒸發工序中常采用三效逆流蒸發器。

2.乳酸的加工生產工藝

有很多方法可以對乳酸進行加工，其中最重要的方法有發酵法、合成法、酶化法等，其中發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，同時生產工藝也比較復雜，其生產過程包括很多工序，如液化、糖化、發酵、蒸發濃縮等。常常使用發酵法生產乳酸，使用的是天然原料，其主要途徑是以玉米淀粉為原料經過液化與糖化之后在乳酸菌作用下，調節 PH 值在5左右，溫度在50攝氏度左右，發酵三到四天，用鈣鹽中和發酵液，然后添加濃硫酸進行酸化分解，實現脫色的加工可以對其加入活性炭，這一系列的加工處理之后，就可以得到粗乳酸，對得到的粗乳酸可以經過離子交換、三效蒸發濃縮得到純乳酸。

濃縮的溶液是靠蒸發來實現的，經過對其加熱稀釋溶液可以達到沸騰的目的，氣化可以實現消除部分溶劑的功能，此時溶液中所含有的不可揮發的溶質的濃度得以提高，蒸發使用范圍較廣，常常使用在化工、生物、制藥等工業生產中。乳酸在常壓下的沸點是122攝氏度，如果高于這個溫度，那么乳酸會分解并且不能被濃縮出來，常使用的工藝是濃縮循環加熱的方法，可以采用降低壓力的方法達到水的沸點降低。多效真空蒸發就是使水分充分得到蒸發，可以使濃縮的效果增加。

在工業實踐中，出于節能減排、降低消耗對加熱蒸汽的影響考慮，我們普遍采取了在蒸發大量水分時采取多效蒸發方法。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行加熱蒸發，二次再生蒸汽可以是由第一效水分蒸發器產生的，可以在水中循環使用并且它也可以被當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，在這個多效再生蒸發的生產工藝的加工過程中，二次再生蒸汽液是通過其第一效水分蒸發器所實現的，這樣熱源的水分蒸發器的功能就可以實現了，這就是我們稱之的第二效水分蒸發器。同理，二次蒸發器又可以作為第一個熱源，這樣就可以實現了第三效蒸發器的功能。加熱實驗室和分離實驗室主要是由每一效蒸發器所組成，其中每一效率的蒸發實驗室主要都是專門用來提供加熱原材料液體的，加熱蒸汽進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掉。被料液所吸收的熱量可以進入分離室實現氣液分離的功能，料液中的水分通過蒸發后在分離室可以實現二次蒸汽的功能。其工藝流程圖如圖2-1所示。

3.蒸發濃縮過程的控制理論

PID控制器的作用是產生輸出信號，這個輸出信號是根據偏差，按照調節規律所產生的，并且可以對生產過程進行調節，動態與靜態的指標是通過調節PID控制器的所有參數大小而改變的，其結構框圖如圖3-1所示。

一次擾亂主要作用在主對象上，二次擾亂主要作用在副對象上，主控制器的輸出對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。從穩定性思考，通過將兩系統對照比較，串級控制系統更易被一、二次干擾影響，所以單回路系統更具有優勢。

4.蒸發器控制系統的軟硬件設計

在乳酸工藝加工設計中，乳酸蒸所工序是極其重要的一道工序。在蒸發濃縮工序控制系統中，按照功能不同將控制系統分為三個部分分別是數據采集部分、控制部分與執行機構。收集到的數據是由各種傳感器所能到達的;工控機將接收到的數據進行處理實現算法控制，進而通過控制命令控制;執行機構接受控制命令并執行達到系統過程控制的目的。該課題對蒸發器控制體系進行了控制方案的計劃，介紹了該體系中硬件裝備的選型，該課題進行了蒸發器控制體系的硬件組態設計、組態畫面設計。

4.1蒸發器控制系統的硬件設計

蒸發器的控制系統的構造最重要的是由兩級構成，即現場控制級和生產監控管理控制。在現場的生產過程中最重要的是使用PLC400來完成的，并且可以實現流量、溫度等參數進行控制;在工廠中生產設備的管理是靠上位機實現的，在現場中的操作工人是通過軟件來完成控制的，可以對數據進行監控及報警的顯示，可以對蒸發濃縮工序的參數及出現的數據進行處理。

S7-400 PLC的尺寸比較大，所以主要應用于中、高等性能的控制要求中，S7-400 PLC可以和人機界面相連接完成控制功能，S7-400 PLC具有很多強大的功能，可以對設備進行靈活的管理操作。

點擊File文件→New Project新建項目→修改名稱和路徑→右鍵點擊項目名稱→Insent New Object插入新對象→SIMATIC Station棧→SIMATIC 400站點。點擊SIMATIC 400站點→雙擊Hordware硬件組態，將各模塊放在Rail導軌上面，輸出Rail，1號槽放電源模塊，雙擊選擇所需組態的電源型號，2號槽放CPU，雙擊選擇所需組態的CPU型號，3號槽放IM接口模塊，4號槽放SM信號模塊等等，PLC的硬件組態圖如圖4-1所示

4.2 蒸發器控制系統的軟件設計

乳酸的生產過程監控畫面包括液化工序監控畫面、糖化工序監控畫面、接種工序監控畫面、發酵工序監控畫面、板框壓濾監控畫面、蒸發濃縮工序監控畫面等，每個工序對應各自的監控畫面，在這里只通過WINCC組態軟件來監控和管理蒸發濃縮過程，把生產現場的實際數據實時傳送給的操作人員站，按照生產要求進行監控畫面的設計。乳酸蒸發濃縮過程的監控畫面如圖4-2所示。

5.總結

通過學習研究神經網絡在乳酸蒸所過程中的理論知識，將模糊PID控制應用到蒸發器溫度串級控制系統中，然后用MATLAB進行仿真研究。神經網絡PID控制比傳統PID控制還有模糊PID控制更加有優勢，它具有響應速度快、調節時間短、超調量小的優點，使系統更加穩定，控制效果更理想。進行了蒸發濃縮過程的軟硬件相結合的設計，得到的控制效果比較好，但是如果要將其應用工業現場還需完善。

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作者簡介：蘇鑫 ，男，1983年出生，本科，從事淀粉、淀粉糖，發酵等生產線的自動化控制和設計等工作.