自動質量補償在飲料在線調配生產中的應用

易余

（利樂貿易（上海）有限公司，上海 200126）

飲料行業作為中國改革開放以來的新興行業，近些年來不斷發展和成熟，逐漸改變了以往規模小、競爭無序的局面。單一品項的產能規模越來越大，除了傳統的碳酸飲料、茶飲、功能飲料、果汁等傳統飲品外，含乳飲料、植物基燕麥等飲料也逐漸風靡全國。為滿足市場需求，傳統的方式一般為新建多條生產線來擴張產能、提高產量，對于資本的投入也是成倍數增加。而引入先進的飲料連續生產調配系統不僅可以滿足提高產能的需求，也能極大的節省能耗與生產場地。為了實現這個優勢，引進利樂先進的連續調配工藝對生產進行優化，該工藝是通過采用先進的現代控制方式扼制和消除生產過程中的干擾對系統調配質量偏差的影響[1]，來實現在連續調配過程中能精確地控制產品質量。

1 在線連續調配工藝分析與實現基礎

飲料調配工藝有幾個需要控制的關鍵指標，比如白利度、蛋白含量、pH 值等。只有各個配方成本添加量滿足指標要求才能到達產品合格標準，因此常規的批次調配模式比較常見。但大多數情況是過度添加滿足指標要求，隨之也帶來了成本的提升。而連續調配模式如果能夠保證所有關鍵成分符合質量指標同時能穩定控制指標含量，如圖1 所示，將會很大程度上降低原料成本，穩定產品質量，也能提高生產效率。

圖1 傳統模式與連續調配模式指標損失對比

這里提到的連續在線調配是一種基于質量流量的技術，關鍵的測量儀表為質量流量計。質量流量計能夠直接而精密地測量流體質量流量，測量的部件采用兩根并排的U 形彎管,管路里面流動介質后在回彎部分會相向振動，當密度為ρ 的流體在旋轉管道中以恒定速度流動時，任何一段長度的管道都將受到一個切向科里奧利力，測量在旋轉管道中流動流體產生的科里奧利力就可以測得質量流量[2]。

基于質量測量的方式滿足高粘度和高精度的連續在線混合方式。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，實現各成分在添加過程中滿足指標要求。比如其中一個支路的定容水通過泵送穩定的壓力，經調節閥和流量計進行精確測量后進入混合管線。集中調配好的濃縮基料和高濃度糖漿分別通過緩沖罐經質量流量計和調節閥與主路匯合，工藝模式如圖2 所示。濃縮液的添加流量由調節閥進行控制?；旌虾蟮漠a品流至緩沖罐通過白利度計（或者通過質量流量計轉換）對最終的白利度值進行計算調節，這里緩沖罐并非必要，但是經緩沖罐后便于取樣，也能為調配系統在出現干擾時進行自我調節提供了空間，成品連續出料流至超高溫殺菌機。

圖2 在線連續調配工藝模式示意圖

2 自動質量補償（AMC）

實現在線連續調配的關鍵部分是精確控制各添加成分的含量。AMC 作為連續在線調配的核心控制模塊，可以在制作過程中連續監控各添加支路間的質量偏差。為了便于直觀的理解，這里的偏差質量定義為純干物質質量?？刂铺砑拥闹房梢詮? 路擴展到5 路混合。質量偏差最有可能發生在生產開始階段。如果生產過程中受到某些干擾，也有可能出現質量偏差。AMC應用小增益理論[3,4]，采用自適應控制閉環傳遞函數，在生產過程中盡可能快地將各支路的質量偏差調整到接近消失，最終在出口管線中維持穩定的白利度，或總固形物含量。

自動在線質量補償技術設計用于檢測干擾，計算其影響，并通過加多或減少系統中的成分質量進行直接補償，使最終產品的各成本保持在穩定的水平。如圖3 所示，當調配過程中產生干擾導致添加的配方成分減少或者增多時，系統快速響應實時計算偏差質量，使總體配方偏差控制在允許范圍內。

圖3 連續調配過程中質量偏差補償

2.1 AMC 工作方式

生產過程中各添加支路濃縮物料的質量由程序每秒收集4次或以上，收集次數可根據實際情況設定。根據濃縮原料的實際白利度值，程序將計算最終產品的實際白利度。然后將其與最終產品的設定值進行比較，偏差值保存為含有100°干物質的濃縮物料質量。實際偏差將顯示為濃縮原料的質量。

當質量偏差大于預設限值時，調整將開始。當質量偏差小于預設水溫偏差限值加預設時間時停止。當質量偏差值為0.0 kg輸入到P 控制器；該控制器的計算輸出為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算各濃縮物料的質量流量設定值。我們可以調整增益因子（P_PF）來控制最終白利度值的穩定時間。P_PF 是P 控制器的增益，P 控制器是用于計算質量流量設定值的公式。增益對于調節質量偏差產生更快的響應。質量偏差由程序中的公式連續計算。將最終產品的白利度的設定值與實際流量及偏差時間計算出來的白利度值相比較。

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

2.2 AMC 理論控制模型與設計

AMC 控制模型采用雙控制器調節，計算調節偏差后重新設定控制器設定值，隨動控制輸出，達到自動質量補償的目的，模型如圖4 所示。

圖4 自動質量補償控制模型

Ad_R：自動質量補償流量設定值調節范圍百分比；

AMC F_SP：自動質量補償計算輸出的實際流量設定值；

P_Ctrl：P 控制器計算輸出；

P_Ctrlout=(Dev_SV-Dev_SP) x P_PF；

AMC_Ctrl：AMC 控制器流量設定值計算輸出；

AMC F_SP=F_SPx P_Ctrlout+F_SP。

其中P_PF 增益因子和 Ad_R 調節范圍的大小都不能為零。如果在增益系數或調節范圍極限中選擇零，則不會發生質量補償。

當質量偏差大于設定值時激活AMC。偏差值的設置與出口緩沖罐的大小有關。

偏差計算公式如下：

其中n為開始調整后計算次數，xi為當前計算偏差值，為累計計算平均偏差。

同樣需要設置AMC 調整范圍Ad_R。AMC 的調整范圍是一個百分比值，它決定了在AMC 控制期間允許流量設定值改變的幅度。增益因子P_PF 的大小會影響調節的響應時間，如圖5 所示。這個值設置后，以令控制器在AMC 期間不會持續振蕩。

圖5 連續調配過程中偏差調整響應時間

影響調整時間的因素是質量誤差的大小、AMC 啟動偏差范圍和停止限制、AMC 調整范圍的大小以及增益因子的大小。

2.3 調節增益因子參數測試

以2 路物料支路為例，設定質量偏差為0.25 kg。當生產過程中發生擾動，導致基礎物料回路1 的流量下降，則AMC開始自動補償計算和輸出，重新調節基礎物料回路1 和濃縮物料回路2 的設定流量，使最終的質量濃度偏差回歸到0。

當P_PF 增益因子設定為25 的情況時，調整響應時間33秒后質量偏差為0 kg，如圖6 所示；當P_PF 增益因子設定為50 的情況時，調整響應時間縮短為13 秒后質量偏差為0 kg，如圖7 所示；當P_PF 增益因子設定為75 的情況時，調整響應時間為18 秒后質量偏差為0 kg，如圖8 所示。

圖6 增益因子為25 質量偏差調整完成響應時間

圖7 增益因子為50 質量偏差調整完成響應時間

圖8 增益因子為75 質量偏差調整完成響應時間

3 茶飲料連續調配結果與討論

圖9 茶飲料成品實際白利度曲線

圖10 受干擾地的糖漿基料白利度曲線

茶飲料在線連續調配系統用質量流量計來精確計量流量和質量，通過控制調節閥的開度來調整添加流量大小。通過設置配方參數，先預置總流量（進調配系統的物質總量），濃縮物料和基礎物料的比例、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、調配用水作為主控對象。連續生產過程中通過不斷檢測成品白利度來適當調整各濃縮物料和水的比例，以達到控制成品白利度的目的。

設定最終成品的白利度值(比如8.77°)，通過系統里面隨機抽取生產一個小時的成品白利度，調配基料為白利度值為60°的濃縮物料。通過一個小時的觀察和驗證，一路濃縮物料流量出現擾動的情況下（供料泵啟動和停止），系統自動補償，最終成品的白利度波動范圍都在±0.03°以內，如圖9 為成品實際白利度曲線。圖10 為質量流量計測量的實際值加上誤差補償后的一路糖漿基料受干擾后的白利度曲線，其中的擾動為供料泵暫停和罐體切換。

4 結論

通過前面在線調配的分析，我們可以改變傳統的批次罐調配模式。利用連續調配模式為飲料生產線節省前期項目投資及后期運營成本。通過減少眾多的調配罐、定容罐，將這些罐體僅保留濃縮基料的配置，其余都由連續在線調配系統取代，精簡了生產配置，將生產與設備管理輕量化。連續調配模式有更穩定的質量指標控制，利用AMC 精準的動態質量補償干擾導致的指標偏差，實現穩定的添加質量，還能在原有的批次罐調配基礎上減少原料添加成本，也能減少因頻繁的質量檢測而產生的誤差，更加便于質量管控。自動質量補償將能為擴大產能的實際需求帶來可觀的經濟效益。