食品二氧化碳在線質量控制系統設計

韓 軍

(上海競藍科學儀器有限公司, 上海 201803)

0 引言

二氧化碳在碳酸類飲料中有增加口感、解渴、促進消化和幫助解除疲勞的功效[1-2]，深受廣大客戶的喜愛，但近年來，食品安全事件仍在繼續影響著世界各國[3]，食品質量安全問題已經越來越受人們重視。二氧化碳作為碳酸類飲料中的重要食用添加劑，如何從生產源頭上防止食品質量安全事故的發生，已成為質量控制的重要部分。

我國二氧化碳企業生產中氣體來源主要有：酒精發酵、碳酸鹽煅燒、合成氨、乙烯催化氧化及煤氣化等，二氧化碳要達到食品級，需提純、凈化、干燥、冷卻、加壓等工序[4]，生產指標有著嚴格的工藝控制，其工藝難點為脫硫[5]、脫烴[6]等。如何正確合理控制工藝關鍵點，是企業質量控制的關鍵因素。

傳統的控制方法是采用人工采樣，應用化學分析法、氣相色譜法等在實驗室進行分析，分析費時費力，響應速度慢，效率低，然后根據分析數據指導生產，調節工藝參數，難以實時反映工況信息，難以實時產生操作方案，不能實時控制產品的質量[7]。

出于安全和環保的要求，在生產過程中分析信息的延遲或疏忽都會造成工業上經濟的巨大損失。為保證最終獲得合格產品，工業生產對質量控制的要求逐漸提高，必須對其生產過程進行監控和測試[8]。

為了達到在生產過程中控制產品質量的目的，設計了食品二氧化碳在線質量控制系統(food carbon dioxide online quality control system，FCQC)，FCQC以在線分析儀器為前端，采用在線分析模式。在線分析[9]是用采樣支管將被測氣體從管道中引出，并進行調壓等預處理后，連續送入分析儀器的氣體室中[10]，分析儀器通過各自的檢測系統完成氣體的某個質量指標檢測，多臺分析儀器同時檢測，從而檢測出產品的各個指標，實時分析產品中的各項指標濃度等參數的情況。FCQC以下位機、上位機為核心控制部件，并和DCS交互，實時調度控制生產，做到即保證了產品的質量，又盡最大限度地降低生產成本。

本文貢獻：(1)設計了一種保證食品級二氧化碳質量生產的自動控制系統，以信號為主要線索闡述了控制系統的各個模塊，設計具有自主性。(2)本系統實現在生產過程中控制產品的質量，作用具有明顯性。(3)本系統操作便捷，不但在食品二氧化碳生產中使用，還可以用到其它產品中，系統具有可推廣性。

1 食品二氧化碳產品介紹

1.1 食品二氧化碳質量指標

根據國家標準GB1886.228—2016食品級二氧化碳質量指標應符合表1的規定[4]。

表1 食用二氧化碳質量指標[3]

1.2 食品二氧化碳生產工藝

食品級二氧化碳的生產是一個由原料氣提純而來的過程，以下是山東魯化集團公司研究院工藝流程：

CO2原料氣→分離器I→壓縮機→預脫硫槽→有機硫水解槽→精脫硫槽→吸水槽→分離器II→液化器→液體CO2→(儲槽或充鋼瓶、槽車)[11]。

南京煉油廠有限責任公司的食品級二氧化碳工藝系統為：壓縮系統→脫硫系統→吸附精制系統→冷凝提純系統→產品儲罐系統→(槽車灌裝系統、氣瓶充裝系統)[5]。

閆小茹(2008)工藝為：原料氣壓縮→冷卻→干燥脫水→吸附脫微量飽和水→吸附脫除乙烯→氨冷凝液化二氧化碳→精餾分離(脫低沸點組分)→純度≥99.99%的高純度食品級液態二氧化碳[12]。

各工藝路線[13]雖有所不同，但去除微量雜質關鍵的步驟都是脫硫和吸附環節。

2 控制方案設計

2.1 控制算法

生產過程中根據二氧化碳生產工藝控制要求，按照國家標準指標選擇總硫、總烴、總苯、水分、氧含量等關鍵指標進行分析控制。每個項目分析項目的濃度含量值都受溫度、壓力、流量等控制參數影響，符合式(1)關系：

(1)

式中,Si，Hi，Bi，Oi，Mi表示產品中總硫、總烴、總苯、氧、水分濃度值；gi(t)脫硫、吸附等去除雜質工藝的動態特性；ui(t)脫硫、吸附等工藝的控制參數。

從式(1)表明該過程是多變量耦合的。通過脫硫、吸附等工藝環節，加上分析的延遲，使gi(t)中含有較大的滯后。

純滯后的一階函數可用式(2)表示：

(2)

(3)

y()為隨時間變化對應的濃度值,Δuo輸出變化量。

以下以二氧化碳質量指標中：總硫濃度?水洗流量為例，分析參數計算和調整方法。

將輸出轉換成無量綱形式:

(4)

由(2)(3)(4)得：

Ty*(t-τ)+y*(t-τ)=1

(5)

其階躍響應為：

(6)

采用兩點法[14]選取2個時間點t1、t2并且t2>t1≥τ，取y*(t1)=0.39y(∞)和y*(t2)=0.63y(∞)可計算參數T、τ：

(7)

代入實驗數據求得傳遞函數式(2)為：

(8)

采用分段控制思想[15]當雜質濃度較小時采用PID 控制，消除靜差，提高控制精度[16]，在Matlab軟件的Simulink模塊中搭建PID調節系統其結構如圖1(a)，PID控制參數可由Simulink自整定獲得初值，再由實驗法和擴充響應曲線法得到具體數值，仿真結果如圖1(c)。

圖1 食品二氧化碳系統控制結構圖

當雜質濃度較大時，使用模糊控制(Fuzzy-PID 復合控制)，以加快響應速度，結構如圖1(b)。Fuzzy-PID模塊系統輸入為采集值與設定的總硫含量偏差e及偏差變化率ec，輸出為PID 控制器的3個參數Kp、Ki及Kd。變量表達式為：

e(k)=Hd(k)-H(k)

(9)

ec(k)=e(k)-e(k-1)

(10)

u(k)=fuzzy(e(k),ec(k))

(11)

式中，Hd(k)在第k個采樣時刻濃度設定數值；H(k)采集的濃度值；ec(k)在第k個采樣時刻偏差變化量；e(k)設定的濃度偏差；fuzzy(...)輸入與輸出之間的模糊控制函數[16]，將模糊控制函數變量值分為7檔，依次為{負大(NB)，負中(NM)，負小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}，用來制定控制PID輸出參數Kp，Ki，Kd的模糊規則，如表2所示。

圖2 食品二氧化碳在線質量系統控制系統結構圖

表2 Kp/Ki/Kd-e/ec模糊控制規則

采用三角型及高斯型函數反映 Fuzzy-PID 控制系統的隸屬度關系如圖1(e)。用偏差e、偏差變化率ec控制規則對Kp模糊推理子集(Ki，Kd同Kp)，如圖1(f)。在Simulink中采用面積中心計算方法，將模糊集合轉化為清晰的控制數值Kp,Ki,Kd，仿真結果如圖1(d)。

系統通過試驗確定轉折閾值，當采集值小于閾值時采用PID控制，超過閾值后采用fuzzy-PID控制。根據采集濃度值(總硫濃度含量)減去設定值，計算誤差及誤差變化率，在輸出查詢表中查找出相應的輸出控制參數KpKiKd值[17]，用以下偽代碼計算實際工藝控制量 (水洗流量)：

1)初始化；

2)當前誤差值=設定值-采集值；

3)當前誤差變化率=當前誤差值/時間差；

4)(Kp、Ki、Kd)=查表(當前誤差值，當前誤差變化率)；

5)積分值+=當前誤差值；

6)控制變量輸出值=Kp*當前誤差值 +Ki*積分值 +Kd*(當前誤差-上次誤差值);

7)上次誤差值=當前誤差值;

二氧化碳總烴、總苯、水分等質量指標和工藝控制參數之間的控制算法同上。

2.2 控制方案

根據以上分析，設計食品二氧化碳質量控制系統方案如圖2所示。

食品二氧化碳在線質量控制系統由采樣預處理模塊、在線分析、下位機、上位機、閥切換執行機構及集散控制系統(distributed control system，DCS)構成。

生產中如果各項指標均在食品級(或內控指標)合格范圍以內，工藝采用PID控制，產品流路流入食品級儲罐，如圖2選擇C支路，成為合格的食品二氧化碳產品。隨著正在運行的脫硫吸附裝置時間的延長，產品質量指標會出現降低，當超出預警線時，軟件提示操作人員需要注意和處理，上位機把參數傳給DCS，根據Fuzzy-PID 復合控制調整工藝參數；如分析指標超出報警警戒線后，則需要切換到工業級，需要把產品收集流路自動切換到工業級儲罐，如圖2切換到D點，同時控制系統把指標報告給管控生產線的DCS系統，要求把當前的脫硫吸附生產線切入再生狀態，把再生好的脫硫吸附生產線投入到當前生產中運行，如圖2切換AB點。

2.3 取樣預處理系統

取樣系統根據生產狀態選擇當前生產線的二氧化碳為氣體來源，經過氣化盤管或氣化加熱器進行氣化，然后根據每個分析儀器的要求進樣減壓過濾等處理，樣品預處理流程如圖3。

圖3中實現了2路生產線的選擇取樣，每條生產線可進行在線自動切換或選擇手動切換，自動取樣有管路指示，當電磁閥打開時閥體指示為開狀態否則指示為關閉。圖3實現了6路分析儀器預處理，每條支路可獨立調壓等控制。氣化方式為盤管加溫控單元，當氣化后達到設定溫度后恒溫。每路氣體進入分析儀器之前都要經過在線顆粒物過濾器過濾，防止顆粒物進入分析儀器中造成數據的干擾和對儀器的損壞。為了定期對數據進行比對和校驗，需要設置排空接口和手動取樣點。

圖3 食品二氧化碳在線質量控制取樣系統

2.4 在線分析系統

由各種分析檢測儀器或儀表組成，常規分析儀集成配置如表3所示。

其輸入氣體經過氣體預處理模塊按照儀器的要求調節壓力、流量，然后進入各種分析儀器，儀器分析完數據后，以4～20 mA模擬信號或特定的信號進入信號處理模塊。

表3 在線分析儀器配置表

2.5 控制系統

2.5.1 下位機系統

下位機系統由：信號處理模塊、AD轉換模塊、微控制器(MCU)、輸出信號隔離模塊、執行機構組成，該單元設計原理如圖4。

圖4 下位機系統

下位機負責分析儀器輸出信號的采集轉換并報告給上位機；下位機還執行上位機發來的各種指令，隔離并驅動各種執行機構動作。

2.5.2 上位機系統

上位機系統是由工業控制計算機組成，安裝有控制軟件、數據庫系統。輸入信號為下位機發送的各路采集的AD數值，根據軟件校正模塊計算分析指標的濃度含量，存儲在數據庫中，根據設定參數指揮控制下位機驅動電磁閥、指示燈等各種執行機構控制產品質量。上位機還負責二氧化碳質量數據的分析、存儲、報表以及和DCS系統交互等功能。

2.5.3 分析儀器信號調理系統

食品二氧化碳在線質量控制系統中集成了各種分析儀器儀表，每種分析儀器儀表的輸出信號各不相同，有的是電壓信號，有的是電流信號。為了便于信號的傳輸與處理，需把所有的分析儀器輸出的信號經過隔離調理成統一的電壓信號進行采集。為了提高儀器儀表信號的抗干擾性，一般以電流輸出類型為多。電流信號經過電阻轉化為電壓信號，其中含有大量噪音，需要經過濾波轉化為平滑數據。巴特沃斯濾波器(butterworth filter, BTWF)的特點是通頻帶內的頻率響應曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零[18-19]。BTWF振幅和頻率的關系可用公式(12)表示[20]：

(12)

振幅的平方和頻率的關系如式(13):

(13)

其中：n=濾波器階數；ωc=截止頻率(振幅下降到-3分貝時的頻率)；ωp=通頻帶邊緣頻率。

設計時設定階數n=2，截止頻率ωc為100 Hz，阻帶-40 dB 1.05 kHz，選取低噪聲放大器LT1112，設計電路原理圖如圖5(a)， 采用Multisim軟件仿真[21]，幅頻特性(波特圖)如圖5(b)：

仿真結果ωc= 107.706 Hz時信號衰減為-3.714 dB；在頻率1.078 kHz時信號衰減為-43.46 dB，消除高頻干擾信號效果較好，符合設計要求。

圖6 AD采集模塊

圖5 BTWF電路原理圖及仿真信號

2.5.4 AD數據采集模塊

輸入的電流信號經調理模塊轉化成電壓信號接入AD電壓采集模塊轉化為數字信號輸出，AD采集考慮因素主要有采集頻率、轉換精度等指標。美國德州儀器公司的 ADS1256 是一款適用于工廠自動化和過程控制且具有PGA的24位、30 kSPS、8通道 Δ-∑ADC[22]，圖6電路設計能滿足8路信號同時采集的需要。

ADS1256采集電路設計時采用REF5025產生的2.5 V電壓作為電壓基準，測量+/-5 V范圍的電壓。在PCB布線時注意數字地和模擬地的隔離，采集精度可達μV。如果采集通道超過8路時，可并聯多塊ADS1256模塊進入系統。

表4 食用二氧化碳質量指標

2.5.5 微控制器

STM32F429IIT6是意法半導體公司32位微控制器(MCU)，基于ARM?Cortex?-M處理器，主頻180 MHz，支持包括高性能，實時功能，數字信號處理，低功耗、低電壓操作，接口豐富，I/O腳多達140腳[23]，能滿足控制需要。MCU采用SPI總線和ADS1256通信。

SPI(serial peripheral interface) 是由Motorola 公司設計的一種同步串行技術接口，是高速、同步、全雙工的通信總線[24]。SPI總線可以通過片選引腳并行連接多塊器件。連接線路如圖7所示。

圖7 SPI總線

MCU通過SPI總線和ADS1256通信采集數據，MCU控制程序是在MDK開發環境中用C語言開發。MCU數據采集初始化為：開啟管腳端口時鐘，定義管腳工作模式，設定SPI工作模式，MCU向ADS1256寄存器寫入配置參數，再設定ADS1256的補償、增益，啟動ADS1256自我校準，然后啟動轉換同步，設定轉換速度，切換轉換通道，開始讀數據，由于ADS1256轉換來的數據位uint32_t型數據，需要根據ADS1256Vref腳輸入的參考電壓轉換為double型電壓值，然后進行移動平均計算并保存數據。ADS1256有8個通道，每通道采集一次為一個采集周期，一個周期后判斷，如果還需繼續采集就循環執行。

MCU采集到的數值以串口RS485發送給上位機。下位機接收數據是在MCU中設立中斷優先級，利用串口中斷接收和解析，控制執行機構，控制工藝生產。

2.5.6 數據轉換

AD采集的各通道模擬數據為單精度浮點型數據(float)，利用C語言聯合體結構轉化為4個字節char型數據發送。

union MyUnion

{

char buf[4];

float fnumber;

}TsDataCh[n];

數據采用表4通信協議格式，以RS485端口發送至工控機。

其中表4傳輸命令字節例為0X80，為模擬數據輸出。設計時定義命令字節的數值如表5所示。

表5 命令字節定義

上位機收到數據后，再按照表4的格式還原為float數據存儲和分析。

下位機解析上位機發來表4結構的數據，控制各驅動端口動作。

數據解析邏輯如流程圖8所示。

圖8 串口數據解析

在串口中斷函數里，先判斷接收標志位是否為允許狀態，如果系統在忙的狀態下，表示時不允許串口接收數據。當允許接收數據并接收到數據后，首先判斷第一字節是否等于0x5A，然后再判斷收到的第二字節數據是否為0xA5，如果都滿足就繼續接收數據，并不斷判斷字節數是否超標及字節數是否等于第三字節(buf[2])數值加3，如果等于就把標志位至1，允許處理接收到的數據。在處理函數里，根據表3的格式和表4的命令解析和處理數據。

圖9 隔離放大驅動模塊

2.5.7 IO輸出及驅動放大系統

下位機收到上位機發來的命令，解析為相應的通道開和關，為了避免執行機構對控制系統的干擾，需要把信號隔離開來。低速開關信號用光耦PS2801-4隔離，高速信號用A2630隔離，通過IRF740驅動12 V或24 V電磁閥控制執行機構動作。如圖9所示。

IRF740是N溝道第三代Power MOSFETs管，耐壓400 V，漏極電流10A[25]，滿足大部分常規開關電器電流電壓需求。

2.6 執行機構

執行機構為氣動或電動閥等，可以切換各種管路流向，報警器為指示燈或蜂鳴器指示工藝執行狀態，統一受控制系統調度和運行。

2.7 分析小屋

由于各種分析儀安裝需要安裝在工業現場中，需要不同程度的工作環境和保護措施，以確保分析儀器的正常使用并有利于維護。食品二氧化碳在線質量控制系統集成安裝在19英寸機柜內，整個機柜安裝在分析小屋內，分析小屋設計需要滿足GB/T25844-2010工業用現場分析小屋成套系統[26]要求，設計如圖10所示。

圖10 食品二氧化碳在線質量控制系分析小屋

分析小屋集在線分析儀器、樣品預處理系統及控制系統于一體，并配備分析儀表所需載氣、標準氣、儀表空氣等基本設施。如圖左側放置剛瓶，設置冷暖空調，調節室內溫度，安裝排風風機，安裝可燃氣體和有毒氣體報警裝置，并連鎖聲光報警排風設施。如分析小屋設在防爆區域，則要安裝正壓防爆設施，滿足在線分析儀表及質量控制系統運行所要求的環境條件。分析小屋的設計為在線分析儀器的現場安裝、投運及維護提供了極大的方便。

3 上位機軟件設計

3.1 上位機軟件結構設計

上位機軟件采用Visual basic.NET加SQL server開發環境，軟件結構如圖11所示。

圖11 軟件結構

系統需要完成的功能有：在線采集模塊、查詢模塊、校正模塊、密碼及權限管理模塊、質量報警預警參數模塊、時間事件模塊等，運行主界面如圖12所示。

圖12 運行主界面

由于模塊窗體較多，為了避免多個窗體的分散，采用多文檔窗體界面(MDI)讓所有的子窗口統一于一個父窗口之內。使用 MDI有一個公共的主菜單，執行公共的程序或調用各個子窗口，每個子窗口具有自己的獨特的功能，但子窗口不能重復出現。實現代碼為：

Public Function IsMdiChi(ByVal chiformname As String) As Boolean

Dim chiform As Form

For Each chiform In Me.MdiChildren

If chiform.Name = chiformname.Trim Then

If chiform.Visible Then

chiform.Activate()

Else

chiform.Show()

End If

Return True

End If

Next

Return False

End Function

首先遍歷每個子窗口，檢查點擊的子窗口是否為可見，如果已經可見了就退出，否則就顯示當前子窗口。

3.2 數據通信

下位機通過RS485串行接口和上位機通訊，串口類SerialPort接收數據。Microsoft.Net 2.0版本以后提供了System.IO.Ports.SerialPort類，用戶可以方便地完成串口數據的收發，首先設定串口的參數如波特率、數據位等，然后設定委托函數類型，串口類需運行在獨立線程內，主線程要訪問串口類的數據就要用到委托機制，其次建立獨立線程為串口數據接收、處理和存儲數據，最后在主線程里定時顯示相關數據。

3.3 數據庫系統

3.3.1 數據結構

所有的數據保存在數據庫系統中。軟件中的數據以表的形式存儲于數據庫中。分別為系統參數表，總硫數據采集表、總硫校正表、時間事件表、總烴數據采集表、總烴校正表、苯色譜參數表、苯色譜數據等。

每個采集通道的數據采用如表6結構存儲。

表6 單通道數據結構表

3.3.2 數據庫操作

以ADO.NET連接數據庫，分別設計了DBConnection、DBCommand、DBDataTable、DBdataReader和DBDataRelation幾個類，進行連接數據庫、執行增、刪、改、查等操作。以下是DBCommand類代碼:

Public Class DBCommand Inherits DBConnection

'構造函數

Public Sub New(ByVal str As String)

ConnStr = str'連接信息字符串

End Sub

Public Function Insert(ByVal strSQL As String) As Integer

Open() '連接數據庫

'創建SqlCommand實例

Dim cmd As SqlCommand = New SqlCommand(strSQL, conn)

Dim count As Integer = 0

count = cmd.ExecuteNonQuery() '執行SQL命令

Close() '關閉數據庫

Return count 'count表示受影響的行數，初始化為0

End Function

'用字符串strSQL操作數據庫返回影響行數

Public Function (strSQL As String) As Integer

Open() '打開數據庫

'創建SqlCommand實例

Dim cmd As SqlCommand = New SqlCommand(strSQL, conn)

Dim count As Integer = 0

count = cmd.ExecuteNonQuery()'執行SQL命令

Close() '關閉數據庫

Return count

End Function

…

End Class

3.3.3 數據表體積控制

由于在線生產系統是365天24小時不間斷運行。生產期間會產生大量的數據，為了控制數據庫的大小，不至于數據庫體積過于龐大而影響運行效率，設定每一路數據每年建一個數據表。設計插入數據表名后加當年的年份，用以下字符串語句組成：

"insert into TS " + Now.Year.ToString + " (Ddatetime, Dconcentration, Dvoltage, Pline) values ('" + Now.ToString + "." + Now.Millisecond.ToString + "','" + d_Dconcentration + "','" + d_Dvoltage + "','" + d_Pline + "') " + " ; "

3.4 密碼及權限管理模塊

RBAC(Role-Based Access Control)[27]是業界接受度較高的權限模型，基本的概念是將“角色”賦予各個用戶，用戶通過分配角色才能獲得相應的權限，每個用戶可以分配多個角色，每個角色可以分配多個權限，從而實現了權限的靈活配置[28]。最基本的RBAC模型就是由“用戶”、“角色”及“權限”組成，他們之間的關系可以是一對多關系，也可以是多對多關系。

RBAC一般采用“通用角色”加“實例角色”的模式，可以把通用角色作為基類，實例角色可繼承通用角色，從而擁有了通用角色的權限。

在本系統中定義角色和為其權限分配為：

1)SuperAdmin，軟件開發者，具有系統一切的權限；

2)Admin，用戶管理員，具有當前控制系統所有的權限，可進行數據庫維護，時間事件管理，添加成員等；

3)Engineer，工程師，不具備刪除權限，可以修改、添加成員，分析處理數據，打印報告，可以校正分析儀器儀表；

4)Operator，操作員，只可操作、查看系統。

采用“資源點”加“通用角色”加“資源ID”來定義和實例化角色。

3.5 系統參數模塊

設置每路分析項目采集數據頻率，濃度預警、報警數值。采樣頻率根據每種分析數據的要求設定，總硫項目一般設定1～60 s采集一個點，水分項目設定1～120 s采集一個點，總苯項目設定0.5～200 s采集一個點，界面如圖13所示。

圖13 系統參數界面

系統參數設定后，軟件根據設定的頻率改變各自定時器Timer的采樣間隔。

3.6 時間事件模塊

軟件的運行日志，記錄了軟件的登錄、運行、參數設定等，事件及每次預警報警的時間及各種相應動作如取樣閥的切換，執行機構的轉換分流等。軟件運行時，當事件發生后存儲于數據庫的“時間事件表中”。

3.7 校正模塊

校準是日常對儀器性能進行的檢查，以保證儀器示值的準確性。是傳遞量值或量值溯源的方式。軟件設有采集校正數據和設置校正方法模塊，管理在線質量控制系統中在線分析儀器的檢定與校準。界面如圖14(a)，按照產品質量要求，工程師每月用標準氣體對在線分析儀器進行校正比對，如圖14(b)是對總硫儀器的校正操作：

圖14 校正采集界面

點擊“校正閥切換”通入零點氣，則零點二氧化碳氣體流入總硫儀器中，數值穩定后點擊“歸零”，輸入標準氣體濃度，點擊“標氣閥切換”，標準羰基硫氣體流入儀器中，等待數值穩定后點擊“標氣設定”，標準氣體濃度寫入系統，其中標氣可以進行多點設定。此校正過程可自動進行，點擊“自動校正”按鈕，則校正系統按照設定的程序，執行上述操作過程。

檢測項目的濃度和采集電壓符合(14)單值連續函數關系[29]。

V=f(C)

(14)

其中:V代表采集電壓值，C為檢測項目濃度。

采用分段線性化方式，先采集標準氣體各點“濃度”～“電壓”數據，按照濃度關系將每個濃度點校正成線性關系，如式(15)：

C=a·V+b

(15)

計算系數a和b是按照最小二乘法的原理，用以下的偽代碼計算：

5)解方程：

8)保存系數a、b數值，存入校正關系數據庫。

在數據采集時，根據公式(5)，利用校正系數a、b計算濃度數值。

3.8 曲線縮放

當我們查詢歷史曲線時，選擇查詢的時間段較長時會出現顯示界面數據過于密集現象，曲線相互疊加，造成看不清楚某一時刻具體數值和趨勢[30]。如圖18所示，此時如果想查看其中某一區域曲線詳細的細節，可以用軟件“鼠標縮放”功能，先在程序中勾選左側“鼠標縮放”按鈕，用鼠標左鍵在圖形區域里按下并拖動選擇放大的區域，此時有綠色方框隨鼠標移動如圖15(a);到達想要的區域后，釋放鼠標左鍵，被鼠標選擇的區域就被放大了，如圖15(b)。

圖15 查詢鼠標縮放界面

此框選放大步驟，可重復進行多次，如果想恢復原始圖像，點擊取消勾選的“鼠標放大”按鈕即可恢復。

采用雙緩存技術繪制曲線，首先判斷是否允許啟動鼠標縮放功能，再判斷是否鼠標左鍵按下，如果按下，則記錄此時鼠標位置作為繪制框線的起點坐標，鼠標移動時，在鼠標移動函數里，根據當前鼠標坐標位置，重新繪制矩形，鼠標釋放時，在鼠標釋放函數里執行繪圖函數，函數里先根據矩形框大小及位置坐標計算x軸、y軸坐標分度值、比例系數等參數，然后計算繪圖數據數組，在內存中繪制曲線中的各個點，最后把內存中的圖像整體顯示出來。

4 實驗結果與分析

4.1 控制系統運行實驗

食品二氧化碳質量控制系統運行時，在上位機軟件中設定各控制參數，使用單位根據各自的內控標準設定，如圖16中總硫設定預警值70 ppb，報警值為90 ppb，總烴預警值為8 ppm，報警值為50 ppm，報警數值可直接在文本框內輸入也用滾動條拉動設定。

點擊各個項目模塊的“開始”按鈕，開始實時采集分析儀器輸出的數據，在線采集模塊運行界面如圖16所示。

圖16 在線采集模塊運行界面

控制系統軟件實時采集數據，并把控制信息傳給DCS，DCS根據設定值和反饋值進行比較計算，然后調節生產工藝參數，調度和控制生產。

4.2 查詢、報告及產品質量溯源

在軟件查詢模塊中可以根據時間，查詢每種分析實驗數據，可用鼠標移動指示每個點的分析數值，可以用“鼠標縮放”功能來放大選中曲線部分，讓查詢數據更加精細。查詢界面如圖17所示。

圖17 查詢界面

查詢的圖譜可以生成“分析報告”作為質量溯源的報告，用于分析和指示產品的質量。

4.3 數據分析報告

作為質量控制和管理，需要生成必要的書面報告。軟件可以生成按照控制管理所需要的數據分析報告，如圖18所示。

產品質量控制和溯源是下游用戶，如可口可樂、百事可樂等工廠質量審核[31-32]不可缺少的一部分。在審核時，二氧化碳質量工程師將根據數據分析報告結合控制響應事件給他們介紹生產處理情況，并匯報產品質量狀況。

表7 運行數據表

圖18 分析報告

4.4 實驗運行數據分析

表7是某一運行時段實驗運行數據。

在正常運行情況下，如表7序號1～4，工藝控制采用PID方式，預警和報警指示燈關閉，食品級流路控制閥C狀態為ON，產品為食品級質量，流入食品級儲罐；當達到表7序號5，總硫70 ppb、總烴2.8 ppm、苯1 ppb和水10 ppm，其中總硫采集的數據達到(或超過)設定的“預警值”系統控制預警指示燈點亮，工藝控制方式采用Fuzzy方式，此時產品質量還在食品級指標之內，產品還是流入食品級儲罐；當到達表7序號7，總硫90 ppb、總烴7.1 ppm、苯2 ppb和水15 ppm，其中總硫采集數值超過報警設定值，數值到達90 ppb，到達和超過“報警數值”界限，此時報警燈閃亮，同時驅動執行機構切換產品輸出流向，產品質量超出食品級指標，控制食品級管路流向的閥C關閉，同時工業級產品流向的閥D打開，產品流入工業級儲罐，同時DCS啟動切換工藝流路，關閉A生產線，打開B生產線，讓不合格的A生產線進入再生處理進程，再生好的B生產線投入生產運行；當采集的數值回歸正常時，系統又進入表7序號1狀態。

測試結果表明FCQC能嚴格控制產品質量，杜絕了不合格的產品流入食品級儲罐，工藝控制參數響應及時，調節合理，能夠精準實現自動化運行和控制。

5 結束語

食品二氧化碳產品是碳酸飲料食品的重要原料，質量品質決定著食品安全的重要問題，在線質量控制系統能在生產環節控制產品質量，對保護食品安全起著重要的作用。本質量控制系統，經過五年的實際運行，表明系統安全可靠，能有效的應用在二氧化碳的生產系統中，安全高效地控制產品的質量，在中國糧油食品(集團)有限公司等多家二氧化碳的生產工廠得到廣泛的應用。本控制系統也可用于醫用氧氣、車用燃料氫氣等在線質量控制系統中，具有較強的推廣性，應用前景廣闊。