神经网络在乳酸蒸缩过程中的应用研究

苏鑫 张春平

摘要：蒸所过程是乳酸生产工序中的非常重要的一个环节，乳酸稀液蒸发浓缩工序中所用到的重要设备是蒸发器，蒸发器是乳酸稀液蒸发浓缩工序中所用到的重要设备，温度是蒸发器运行过程中非常重要的一个参数，对整个乳酸的蒸发浓缩过程的稳定运行和乳酸的产品质量有着非常重要的影响。本文以蒸发器为研究对象，简单分析了乳酸生产的工艺流程，详细地分析了蒸发器的工艺流程，建立了蒸发器温度通道的数学模型。这样就可以实现了较智能的神经网络PID控制技术。该设计应用方便，并且比较灵活，对整个乳酸的增发浓缩过程的稳定运行和乳酸的产品质量有着非常重要的影响。

关键词：温度  蒸发浓缩   蒸发器  神经网络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，世界上最为主流的乳酸制备方法中常见的主要有两种方法，它们分别称为化学合成法和微生物发酵法。相对来说，玉米淀粉微生物发酵法的应用最广泛且技术也最成熟，微生物发酵法主要使用的是包米淀粉、甘蔗淀粉、番薯淀粉等作为原料，玉米淀粉可以直接作为糖原并且还可以通过发酵来制备乳酸，这种工艺是目前我国主要的一种乳酸制备工艺。山东某企业所生产的乳酸就是一种采用发酵方式，即经过液化、糖化、发酵、板框压滤、蒸发浓缩、离子交换等步骤而制备出来的乳酸。其中，蒸发浓缩这道工序是非常重要的一道工序，乳酸制备过程中的蒸发浓缩工序就是利用蒸发器进行蒸发浓缩，提高乳酸的浓度。乳酸稀液在蒸发器中经过蒸发浓缩后达到浓度要求然后从蒸发器底部放出，这样就得到了浓缩液，蒸发过程中对影响产品质量的参数进行有效控制可以保证蒸发器的平稳运行，同样也可以保证产品质量。

随着生产过程的复杂化和智能化发展，加上原料以及燃料等能源的大幅涨价，绿色环保、安全可靠、提高生产的质量和提高生产经济效益等要求的呼声越来越高，可见更智能的控制技术方法的研究也越来越受到人们的关注。在工程实践中，获取蒸汽所需要的能源量是巨大的，但它低利用率的同时也会对其造成巨大的资源损耗。蒸发器是乳酸制备生产工艺中尤为重要的一道生产工序，它对于工厂的生产经济效益好坏以及是否环保和节能都起到了举足轻重的影响。由于多效逆流蒸发器相比传统单效逆流蒸发器更加节能，所以多效逆流蒸发器使用较多而逆流蒸发器的优点是具有蒸发速度快、浓缩比大、多次利用一次蒸汽、并且能够尽量最大限度的利用二次蒸汽、节能等优势，所以在乳酸蒸发工序中常采用三效逆流蒸发器。

2.乳酸的加工生产工艺

有很多方法可以对乳酸进行加工，其中最重要的方法有发酵法、合成法、酶化法等，其中发酵法在工艺的加工中是使用最广的一种方法，并且也开始越来越普及，同时生产工艺也比较复杂，其生产过程包括很多工序，如液化、糖化、发酵、蒸发浓缩等。常常使用发酵法生产乳酸，使用的是天然原料，其主要途径是以玉米淀粉为原料经过液化与糖化之后在乳酸菌作用下，调节 PH 值在5左右，温度在50摄氏度左右，发酵三到四天，用钙盐中和发酵液，然后添加浓硫酸进行酸化分解，实现脱色的加工可以对其加入活性炭，这一系列的加工处理之后，就可以得到粗乳酸，对得到的粗乳酸可以经过离子交换、三效蒸发浓缩得到纯乳酸。

浓缩的溶液是靠蒸发来实现的，经过对其加热稀释溶液可以达到沸腾的目的，气化可以实现消除部分溶剂的功能，此时溶液中所含有的不可挥发的溶质的浓度得以提高，蒸发使用范围较广，常常使用在化工、生物、制药等工业生产中。乳酸在常压下的沸点是122摄氏度，如果高于这个温度，那么乳酸会分解并且不能被浓缩出来，常使用的工藝是浓缩循环加热的方法，可以采用降低压力的方法达到水的沸点降低。多效真空蒸发就是使水分充分得到蒸发，可以使浓缩的效果增加。

在工业实践中，出于节能减排、降低消耗对加热蒸汽的影响考虑，我们普遍采取了在蒸发大量水分时采取多效蒸发方法。我们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进行加热蒸发，二次再生蒸汽可以是由第一效水分蒸发器产生的，可以在水中循环使用并且它也可以被当做下一效水分的加热蒸汽，这样就完成了我们所说的多效再生蒸发，在这个多效再生蒸发的生产工艺的加工过程中，二次再生蒸汽液是通过其第一效水分蒸发器所实现的，这样热源的水分蒸发器的功能就可以实现了，这就是我们称之的第二效水分蒸发器。同理，二次蒸发器又可以作为第一个热源，这样就可以实现了第三效蒸发器的功能。加热实验室和分离实验室主要是由每一效蒸发器所组成，其中每一效率的蒸发实验室主要都是专门用来提供加热原材料液体的，加热蒸汽进入加热室放热给料液，料液吸收了加热蒸汽的热量，把料液中的溶剂也就是水分蒸发掉。被料液所吸收的热量可以进入分离室实现气液分离的功能，料液中的水分通过蒸发后在分离室可以实现二次蒸汽的功能。其工艺流程图如图2-1所示。

3.蒸发浓缩过程的控制理论

PID控制器的作用是产生输出信号，这个输出信号是根据偏差，按照调节规律所产生的，并且可以对生产过程进行调节，动态与静态的指标是通过调节PID控制器的所有参数大小而改变的，其结构框图如图3-1所示。

一次扰乱主要作用在主对象上，二次扰乱主要作用在副对象上，主控制器的输出对副控回路的输入有很大影响，副控制器的输出送给控制阀，其控制框图如图3-2所示。从稳定性思考，通过将两系统对照比较，串级控制系统更易被一、二次干扰影响，所以单回路系统更具有优势。

4.蒸发器控制系统的软硬件设计

在乳酸工艺加工设计中，乳酸蒸所工序是极其重要的一道工序。在蒸发浓缩工序控制系统中，按照功能不同将控制系统分为三个部分分别是数据采集部分、控制部分与执行机构。收集到的数据是由各种传感器所能到达的;工控机将接收到的数据进行处理实现算法控制，进而通过控制命令控制;执行机构接受控制命令并执行达到系统过程控制的目的。该课题对蒸发器控制体系进行了控制方案的计划，介绍了该体系中硬件装备的选型，该课题进行了蒸发器控制体系的硬件组态设计、组态画面设计。

4.1蒸发器控制系统的硬件设计

蒸发器的控制系统的构造最重要的是由两级构成，即现场控制级和生产监控管理控制。在现场的生产过程中最重要的是使用PLC400来完成的，并且可以实现流量、温度等参数进行控制;在工厂中生产设备的管理是靠上位机实现的，在现场中的操作工人是通过软件来完成控制的，可以对数据进行监控及报警的显示，可以对蒸发浓缩工序的参数及出现的数据进行处理。

S7-400 PLC的尺寸比较大，所以主要应用于中、高等性能的控制要求中，S7-400 PLC可以和人机界面相连接完成控制功能，S7-400 PLC具有很多强大的功能，可以对设备进行灵活的管理操作。

点击File文件→New Project新建项目→修改名称和路径→右键点击项目名称→Insent New Object插入新对象→SIMATIC Station栈→SIMATIC 400站点。点击SIMATIC 400站点→双击Hordware硬件组态，将各模块放在Rail导轨上面，输出Rail，1号槽放电源模块，双击选择所需组态的电源型号，2号槽放CPU，双击选择所需组态的CPU型号，3号槽放IM接口模块，4号槽放SM信号模块等等，PLC的硬件组态图如图4-1所示

4.2 蒸发器控制系统的软件设计

乳酸的生产过程监控画面包括液化工序监控画面、糖化工序监控画面、接种工序监控画面、发酵工序监控画面、板框压滤监控画面、蒸发浓缩工序监控画面等，每个工序对应各自的监控画面，在这里只通过WINCC组态软件来监控和管理蒸发浓缩过程，把生产现场的实际数据实时传送给的操作人员站，按照生产要求进行监控画面的设计。乳酸蒸发浓缩过程的监控画面如图4-2所示。

5.总结

通过学习研究神经网络在乳酸蒸所过程中的理论知识，将模糊PID控制应用到蒸发器温度串级控制系统中，然后用MATLAB进行仿真研究。神经网络PID控制比传统PID控制还有模糊PID控制更加有优势，它具有响应速度快、调节时间短、超调量小的优点，使系统更加稳定，控制效果更理想。进行了蒸发浓缩过程的软硬件相结合的设计，得到的控制效果比较好，但是如果要将其应用工业现场还需完善。

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作者简介：苏鑫 ，男，1983年出生，本科，从事淀粉、淀粉糖，发酵等生产线的自动化控制和设计等工作.