專利名稱：甘蔗煮糖過程開放式智能監(jiān)控綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
甘蔗煮糖過程開放式智能監(jiān)控綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)一、技術(shù)領(lǐng)域[0001]本發(fā)明涉及制糖技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供一種用于科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的甘蔗煮糖過程開放式智能監(jiān)控綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。二、背景技術(shù)[0002]在制糖工業(yè)生產(chǎn)中，煮糖是最關(guān)鍵而重要的環(huán)節(jié)，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量和提糖效率。煮糖過程通過調(diào)節(jié)溫度、蒸汽壓力、真空度和進(jìn)料速度等參數(shù)，控制煮糖罐內(nèi)糖漿的過飽和度，使過飽和糖漿析出符合要求的晶體，最后經(jīng)過助晶和母液分離獲取結(jié)晶砂糖。在該過程中既有傳熱，又有傳質(zhì)，是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程。并且煮糖過程中由于物料的純度和濃度在不斷的發(fā)生變化，加上真空度和蒸汽壓力的波動(dòng)，從而影響了糖漿的過飽和度， 對(duì)結(jié)晶效果產(chǎn)生影響。[0003]由于煮糖控制本身受干擾的因素很多，煮糖過程工藝復(fù)雜、設(shè)備龐大，又含有大量的不確定性因素，其時(shí)變性和非線性等都很強(qiáng)，而且過程也具有大慣性、滯后、強(qiáng)耦合等環(huán)節(jié)，要建立精確的煮糖過程機(jī)理模型非常困難。通過傳統(tǒng)的測(cè)量方法，比如點(diǎn)測(cè)量、離線測(cè)量方法，難于獲得準(zhǔn)確的關(guān)鍵檢測(cè)參數(shù)，而且直接在生產(chǎn)用的大型煮糖罐上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究耗時(shí)長(zhǎng)，成本高昂，布點(diǎn)困難，所以急需一種小型的能模擬實(shí)際煮糖生產(chǎn)環(huán)境的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來進(jìn)行科學(xué)研究。[0004]中國(guó)專利200410061467介紹了一種煮糖糖液濃度和過飽和度在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括采樣裝置和稱重裝置構(gòu)成的檢測(cè)器、溫度傳感器、控制器和計(jì)算機(jī)，該系統(tǒng)測(cè)量范圍廣、可檢測(cè)煮糖生產(chǎn)全過程糖液錘度值和過飽和值；測(cè)量精度高，安全可靠，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便；一套系統(tǒng)可多點(diǎn)檢測(cè)；檢測(cè)系統(tǒng)只需人工設(shè)定，檢測(cè)過程無(wú)須人工操作。 該方法能使操作人員能夠了解到煮糖罐內(nèi)的糖液濃度及變化情況，根據(jù)糖液濃度的變化， 操作工作能量化操作，效率高。[0005]中國(guó)專利201010199542介紹了一種煮糖罐晶粒形態(tài)在線監(jiān)測(cè)方法，該方法包括以下步驟(1)將蔗糖晶粒數(shù)字顯微攝像機(jī)組件安裝在煮糖罐側(cè)壁；(2)安裝蔗糖晶粒圖像處理模塊，并運(yùn)行蔗糖晶粒圖像處理模塊；C3)接通蔗糖晶粒數(shù)字顯微攝像機(jī)組件光源的電源，調(diào)節(jié)蔗糖晶粒數(shù)字顯微攝像機(jī)組件前面的透射光源和內(nèi)裝反射光源的亮度；(4)觀察顯示器上按采樣周期不斷刷新的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)圖像，然后根據(jù)圖像效果和需求調(diào)整圖像處理參數(shù)；( 通過人機(jī)界面讀取已存儲(chǔ)的參考圖像，與當(dāng)前的圖像作比對(duì)分析；(6)獲得晶粒特征圖像；(7)記錄或發(fā)送晶粒形態(tài)圖像特征值。本發(fā)明快捷、直觀，可為結(jié)晶控制提供晶粒形態(tài)分析數(shù)據(jù)。[0006]中國(guó)專利2010202247 介紹了一種煮糖罐晶粒形態(tài)在線監(jiān)測(cè)裝置，該裝置包括蔗糖晶粒數(shù)字顯微攝像機(jī)組件和監(jiān)控計(jì)算機(jī)；所述監(jiān)控計(jì)算機(jī)安裝有蔗糖晶粒圖像處理模塊，并通過監(jiān)控電纜與所述蔗糖晶粒數(shù)字顯微攝像機(jī)組件相連。本實(shí)用新型比手工采樣觀察快捷、直觀，同時(shí)可為結(jié)晶控制提供晶粒形態(tài)分析數(shù)據(jù)。[0007]上述監(jiān)控技術(shù)主要是針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)煮糖過程中某一個(gè)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，公開文獻(xiàn)報(bào)道中尚未見有專門用于科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的能夠模擬實(shí)際煮糖生產(chǎn)過程，全面監(jiān)控各項(xiàng)主要參數(shù)并進(jìn)行過程監(jiān)控尋優(yōu)研究的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。三、發(fā)明內(nèi)容[0008]針對(duì)現(xiàn)有煮糖技術(shù)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備存在的問題，本發(fā)明的目的是提供一種用于科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的甘蔗煮糖過程開放式智能監(jiān)控綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。它的輸入輸出接口是開放式的，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的各部分硬件是模塊化、可重構(gòu)的，能模擬實(shí)際煮糖生產(chǎn)過程并實(shí)時(shí)監(jiān)控各項(xiàng)主要參數(shù)；軟件部分是組件式、可擴(kuò)展的，采用不同的算法和對(duì)比各種控制策略，通過過飽和度軟測(cè)量與參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)煮糖過程中加料、溫度和壓力等控制參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。該平臺(tái)為實(shí)際煮糖生產(chǎn)過程提供實(shí)用監(jiān)控技術(shù)，也可作為測(cè)控和制糖專業(yè)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，開展相關(guān)綜合性、設(shè)計(jì)研究性教學(xué)方法研究。[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案甘蔗煮糖過程開放式智能監(jiān)控綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由煮糖罐體模塊、輔助工作模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊以及閥門控制模塊的硬件部分和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件、過飽和度軟測(cè)量組件、煮糖過程動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化及控制調(diào)節(jié)組件的軟件部分組成，煮糖罐體模塊通過閥門控制模塊與輔助工作模塊連接，傳感器數(shù)據(jù)采集模塊分布在煮糖罐體模塊的各個(gè)測(cè)點(diǎn)上，傳感器數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)上傳到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件，通過預(yù)處理后由過飽和度軟測(cè)量組件進(jìn)行過飽和度軟測(cè)量，最后由煮糖過程動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化及控制調(diào)節(jié)組件處理后控制閥門控制模塊對(duì)煮糖罐體模塊的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)煮糖過程的自動(dòng)監(jiān)控。[0010]所述煮糖罐體模塊，包括一個(gè)圓柱形罐體、通過法蘭連接在罐體上方的強(qiáng)制循環(huán)攪拌機(jī)構(gòu)、和通過脹接方式固定在罐體內(nèi)部的列管式熱交換器。強(qiáng)制循環(huán)攪拌機(jī)構(gòu)的攪拌電機(jī)上設(shè)置有轉(zhuǎn)速計(jì)與所述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件連接并通過ModbUS總線將電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)上傳至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件。列管式熱交換器與蒸汽發(fā)生器通過管道連接并有調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)高溫蒸汽入氣量以控制糖漿溫度。[0011]所述輔助工作模塊，主要包括水、糖漿、種子三個(gè)物料箱，連接物料箱與罐體之間的進(jìn)料管等連接管道，與列管式熱交換器連接用以供給加熱熱量的蒸汽發(fā)生器，與罐體頂部端蓋連接用與形成罐體內(nèi)真空狀態(tài)的水循環(huán)式真空泵。[0012]所述傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，包括分布在罐體側(cè)面的三個(gè)綜合數(shù)據(jù)采集端口，能混合采集垂直方向的糖漿密度和溫度數(shù)據(jù)；分布在罐體頂面部分的一個(gè)真空度壓力傳感器， 一個(gè)超聲波液位傳感器，一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)；分布在罐體底面部分的兩個(gè)綜合數(shù)據(jù)采集端口， 一個(gè)電導(dǎo)率傳感儀接口，以上接口周向布置，用以混合采集水平方向的糖漿密度和溫度數(shù)據(jù)。以上測(cè)量?jī)x器分別與所述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件連接并通過Modbus總線將信號(hào)數(shù)據(jù)上傳。 數(shù)據(jù)采集模塊的所有硬件接口均采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭接口模塊化設(shè)計(jì)，由轉(zhuǎn)接法蘭連接不同的儀器如溫度計(jì)、密度計(jì)、錘度計(jì)、電導(dǎo)率傳感儀等，通過同種測(cè)量?jī)x器不同測(cè)量位置的排列能比較溫度差、密度差等重要參數(shù)的分布，通過不同測(cè)量?jī)x器的組合測(cè)量能比較同一過程不同參數(shù)的影響，實(shí)現(xiàn)研究所需重要參數(shù)數(shù)據(jù)的采集。[0013]所述閥門控制模塊，包括水、糖漿、種子三個(gè)開關(guān)閥控制入料種類，一個(gè)入料調(diào)節(jié)閥控制入料速度，一個(gè)真空調(diào)節(jié)閥控制罐內(nèi)真空度，一個(gè)蒸汽調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)入氣量以控制糖漿溫度，一個(gè)放糖閥用于最后卸糖。閥門開度數(shù)據(jù)通過Modbus總線將信號(hào)數(shù)據(jù)上傳至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件。[0014]所述甘蔗煮糖過程開放式智能監(jiān)控綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的控制方法，包括如下步驟[0015]1.數(shù)據(jù)采集[0016]所述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件通過Modbus總線與傳感器數(shù)據(jù)采集模塊連接，采集罐壁側(cè)面、罐底部的五個(gè)溫度、糖漿密度的混合數(shù)據(jù)，罐底部的糖漿電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，罐頂部的真空度壓力數(shù)據(jù)，超聲波液位傳感器測(cè)量到的罐內(nèi)糖漿液位高度數(shù)據(jù)，閥門控制部分各個(gè)閥門的開度數(shù)據(jù)，蒸汽發(fā)生器的入汽壓力、溫度數(shù)據(jù)，以及攪拌機(jī)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。由于大部分智能儀表采用Modbus串口通訊協(xié)議，而CAN總線可靠性高，靈活性好并且易于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制，所以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件與上述傳感器通過Modbus總線連接并進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，變換為 CAN總線協(xié)議后傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)上位機(jī)，在上位機(jī)實(shí)時(shí)地顯示被控對(duì)象的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。[0017]2.過飽和度軟測(cè)量[0018]實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換協(xié)議后通過CAN總線上傳至所述過飽和度軟測(cè)量組件，以其中的糖漿電導(dǎo)率、糖漿密度、糖漿溫度、罐內(nèi)真空度、蒸汽壓力和煮糖罐液位數(shù)據(jù)作為輔助變量，以糖漿的過飽和度為主導(dǎo)變量對(duì)糖漿過飽和度進(jìn)行軟測(cè)量，通過構(gòu)建糖漿過飽和度軟測(cè)量模型，利用最小二乘支持向量機(jī)獲取糖漿過飽和度軟測(cè)量的預(yù)測(cè)值。[0019]3.煮糖過程動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化及控制調(diào)節(jié)[0020]所述煮糖過程動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化及控制調(diào)節(jié)組件，通過綜合優(yōu)化處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件上傳的數(shù)據(jù)以及過飽和度軟測(cè)量組件對(duì)糖漿過飽和度軟測(cè)量的預(yù)測(cè)值，實(shí)時(shí)控制各個(gè)閥門開關(guān)動(dòng)作、流量大小調(diào)節(jié)，蒸汽入量，以及攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該組件的接口是開放式的，提供了對(duì)VC++，C#，MatLab等編程環(huán)境的支持，并預(yù)留有數(shù)據(jù)傳輸接口方便添加其它組件。在開發(fā)環(huán)境中主要完成對(duì)算法的研究，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，先進(jìn)控制算法、過程控制算法、遺傳算法、在線預(yù)測(cè)等研究，并能使用任一種或者幾種編程環(huán)境混合編程；然后把被控對(duì)象的參數(shù)通過CAN總線轉(zhuǎn)換為Modbus總線協(xié)議后傳輸?shù)皆O(shè)備層，完成對(duì)設(shè)備的控制以及算法的驗(yàn)證等研究。[0021]本發(fā)明的突出有益效果在于[0022]1.該平臺(tái)能夠模擬實(shí)際煮糖生產(chǎn)過程并監(jiān)控主要參數(shù)，實(shí)驗(yàn)裝置體積小，用料少， 實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，布點(diǎn)靈活，適用于開展各種優(yōu)化監(jiān)控方法研究，為實(shí)際煮糖生產(chǎn)過程提供實(shí)用監(jiān)控技術(shù)。該平臺(tái)也可作為測(cè)控和制糖專業(yè)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，開展相關(guān)綜合性、設(shè)計(jì)研究性教學(xué)方法研究。[0023]2.平臺(tái)硬件模塊化，可擴(kuò)展，軟件組件式，開放性。該平臺(tái)通過開放性的輸入輸出接口，可重構(gòu)的模塊化硬件、組件式軟件構(gòu)成積木式的柔性綜合試驗(yàn)平臺(tái)。綜合數(shù)據(jù)采集端口在罐體側(cè)面垂直布置了三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，罐體下部周向布置了兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，所有硬件接口均采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭接口模塊化設(shè)計(jì)，通過轉(zhuǎn)接法蘭能連接不同的儀器如溫度計(jì)、密度計(jì)、錘度計(jì)、電導(dǎo)率傳感儀等，通過同種測(cè)量?jī)x器不同測(cè)量位置的排列能比較溫度差、密度差等重要參數(shù)的分布，通過不同測(cè)量?jī)x器的組合測(cè)量能比較同一過程不同參數(shù)的影響，對(duì)于研究糖膏循環(huán)機(jī)理提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。軟件系統(tǒng)采用了基于Modbus總線的組件化設(shè)計(jì)，并提供了對(duì)VC++，C#, MatLab等編程環(huán)境的支持，對(duì)比多種控制策略，選出最適合于煮糖自動(dòng)控制的算法或多種結(jié)合使用。通過不同的軟硬件組合搭配，本平臺(tái)能進(jìn)行不同狀態(tài)參數(shù)的檢測(cè)控制，或者側(cè)重點(diǎn)不同的實(shí)驗(yàn)研究。[0024]3.系統(tǒng)狀態(tài)可自檢，減少維修費(fèi)用。通過對(duì)硬件各部分的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)問題系統(tǒng)及時(shí)自動(dòng)報(bào)警，幫助工作人員定位故障位置，減少排查維修時(shí)間，保證了正常運(yùn)行時(shí)間和降低了維護(hù)費(fèi)用。[0025]4.多點(diǎn)布控，測(cè)量全面。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)煮糖罐的軸向和徑向各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行多點(diǎn)布控，通過不同測(cè)量?jī)x表的配套使用，能夠詳細(xì)描繪出糖漿流動(dòng)過程中各點(diǎn)的溫度、密度、錘度等物理狀態(tài)，綜合掌握煮糖過程中糖漿流動(dòng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，對(duì)生產(chǎn)控制和實(shí)驗(yàn)研究都提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[0026]圖1為本發(fā)明所述甘蔗煮糖過程開放式智能監(jiān)控綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)組成示意圖。[0027]圖2為本發(fā)明所述硬件部分各模塊連接關(guān)系圖。[0028]圖3為本發(fā)明所述硬件部分中煮糖罐體側(cè)面的結(jié)構(gòu)示意圖。[0029]圖4為本發(fā)明所述硬件部分中煮糖罐體頂面的結(jié)構(gòu)示意圖。[0030]圖5為本發(fā)明所述硬件部分中煮糖罐體底面的結(jié)構(gòu)示意圖。[0031]圖6為本發(fā)明所述甘蔗煮糖過程開放式智能監(jiān)控綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)測(cè)與控制總體方案示意圖。[0032]圖7為本發(fā)明所述過飽和度軟測(cè)量組件組成示意圖。[0033]圖8為本發(fā)明所述過飽和度軟測(cè)量組件在線模塊的算法流程圖。[0034]圖9為本發(fā)明所述煮糖過程動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化及控制調(diào)節(jié)組件示意圖。五具體實(shí)施方式
[0035]如圖1所示，本發(fā)明所述甘蔗煮糖過程智能監(jiān)控綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由軟件部分和硬件部分組成。硬件部分包括煮糖罐體模塊、輔助工作模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊以及閥門控制模塊，軟件部分包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件、過飽和度軟測(cè)量組件、煮糖過程動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化及控制調(diào)節(jié)組件，軟硬件部分通過Modbus總線與CAN總線連接。多數(shù)智能儀表采用Modbus串口通訊協(xié)議，而CAN總線可靠性高，靈活性好并且易于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制，所以傳感器數(shù)據(jù)采集部分的溫度、密度、電導(dǎo)率、壓力、液位、電機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，輔助工作部分的蒸汽壓力、溫度數(shù)據(jù)，閥門控制部分的閥門開度數(shù)據(jù)通過Modbus總線與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件連接，變換為CAN 總線協(xié)議后將數(shù)據(jù)上傳至過飽和度軟測(cè)量系統(tǒng)和煮糖過程動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化及控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 過飽和度軟測(cè)量系統(tǒng)將過飽和度預(yù)測(cè)值也上傳至煮糖過程動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化及控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 然后輸出反饋控制信號(hào)通過CAN總線轉(zhuǎn)換為Modbus總線協(xié)議后傳輸?shù)浇o輔助工作部分和閥門控制部分，對(duì)影響糖漿結(jié)晶過程的溫度、壓力、進(jìn)料速度和攪拌速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證結(jié)晶過程的平穩(wěn)。[0036]如圖2所示，本發(fā)明所述硬件部分各模塊連接關(guān)系圖，輔助工作模塊A包括供給物料箱19，與列管式熱交換器連接用以供給加熱熱量的蒸汽發(fā)生器20，與罐體頂部端蓋連接用與形成罐體內(nèi)真空狀態(tài)的水循環(huán)式真空泵22。閥門控制模塊B，包括水開關(guān)閥16、糖漿開關(guān)閥17、種子開關(guān)閥18用來控制入料種類，入料調(diào)節(jié)閥15控制入料速度，真空調(diào)節(jié)閥23控制罐內(nèi)真空度，蒸汽調(diào)節(jié)閥21調(diào)節(jié)入氣量以控制糖漿溫度，放糖閥14用于最后卸糖。 煮糖罐體模塊C包括圓柱形罐體4、通過法蘭連接在罐體上方的強(qiáng)制循環(huán)攪拌機(jī)構(gòu)1、通過脹接方式固定在罐體內(nèi)部的列管式熱交換器2。傳感器數(shù)據(jù)采集模塊D，包括分布在罐體頂面部分的真空度壓力表10、超聲波液位計(jì)9和布置在強(qiáng)制循環(huán)攪拌機(jī)構(gòu)1上面的電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)25，分布在罐體側(cè)面的第一綜合數(shù)據(jù)采集端口 8、第二綜合數(shù)據(jù)采集端口 7、第三綜合數(shù)據(jù)采集端口 5和分布在罐體底面部分的第四綜合數(shù)據(jù)采集端口 11、第五綜合數(shù)據(jù)采集端口 13、電導(dǎo)率傳感儀接口 12，用以混合采集水平垂直方向的糖漿密度、溫度、錘度，電導(dǎo)率等數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)通過預(yù)調(diào)理電路和多路選擇開關(guān)，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳入上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果能在上位機(jī)顯示和打印，處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后經(jīng)過驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)閥門控制模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)采集模塊的所有硬件接口均采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭接口模塊化設(shè)計(jì)，由轉(zhuǎn)接法蘭M能連接不同的儀器如溫度計(jì)、密度計(jì)、錘度計(jì)、電導(dǎo)率傳感儀等， 通過同種測(cè)量?jī)x器不同測(cè)量位置的排列能比較溫度差、密度差等重要參數(shù)的分布，通過不同測(cè)量?jī)x器的組合測(cè)量能比較同一過程不同參數(shù)的影響，實(shí)現(xiàn)研究所需重要參數(shù)數(shù)據(jù)的采集。[0037]如圖3所示，本發(fā)明所述硬件部分中煮糖罐體側(cè)面的結(jié)構(gòu)示意圖，在罐體4的上部通過法蘭連接有強(qiáng)制循環(huán)攪拌機(jī)構(gòu)1，攪拌軸伸入到罐體4內(nèi)部，在攪拌電機(jī)上設(shè)置有轉(zhuǎn)速計(jì)25與所述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件連接并通過Modbus總線將電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)上傳至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件；在罐體4內(nèi)部有通過脹接方式固定在罐體內(nèi)部的列管式熱交換器2，與蒸汽發(fā)生器通過管道6連接，并有蒸汽調(diào)節(jié)閥23調(diào)節(jié)蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的高溫蒸汽入氣量，從而以控制糖漿溫度；從罐體4上方的封頭處有管道3連接到水循環(huán)式真空泵22，用以形成罐內(nèi)真空， 通過真空調(diào)節(jié)閥23控制罐內(nèi)真空度；分布在罐體4側(cè)面的三個(gè)綜合數(shù)據(jù)采集端口 5、7和8， 能混合采集垂直方向的糖漿密度和溫度數(shù)據(jù)。[0038]如圖4所示，本發(fā)明所述硬件部分中煮糖罐體頂面的結(jié)構(gòu)示意圖，在罐體4的頂面通過法蘭連接有超聲波液位計(jì)9和真空度壓力傳感器10，能采集罐內(nèi)的液面數(shù)據(jù)和真空度等數(shù)據(jù)，通過Modbus總線將信號(hào)數(shù)據(jù)上傳至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件。[0039]如圖5所示，本發(fā)明所述硬件部分中煮糖罐體底面的結(jié)構(gòu)示意圖，在罐體4的底面布置有第四綜合數(shù)據(jù)采集端口 11和第五綜合數(shù)據(jù)采集端口 13，能混合采集水平方向的糖漿密度和溫度數(shù)據(jù)；通過螺紋連接的電導(dǎo)率傳感儀12能采集罐內(nèi)的糖漿電導(dǎo)率數(shù)據(jù)；中部的放糖閥14能在糖漿煮完后放出成品；水開關(guān)閥16、糖漿開關(guān)閥17、種子開關(guān)閥18控制入料種類，入料調(diào)節(jié)閥15用于調(diào)節(jié)進(jìn)料管物料的流量大小。[0040]如圖6所示，本發(fā)明所述甘蔗煮糖過程開放式智能監(jiān)控綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)測(cè)與控制總體方案示意圖。在煮糖罐側(cè)面和底面布置的5個(gè)綜合數(shù)據(jù)采集端口接口 5、7、8、11、13， 混合采集糖漿循環(huán)過程中5個(gè)不同位置的溫度以及密度數(shù)據(jù)。布置在煮糖罐底面的電導(dǎo)率傳感儀12實(shí)時(shí)采集糖漿的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)。布置在煮糖罐頂面的真空度壓力傳感器10能實(shí)時(shí)采集罐內(nèi)真空度數(shù)據(jù)，超聲波液位傳感器9能實(shí)時(shí)采集罐內(nèi)的液面高度數(shù)據(jù)。入料調(diào)節(jié)閥 15、水開關(guān)閥16、糖漿開關(guān)閥17、種子開關(guān)閥18、真空調(diào)節(jié)閥23，進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥21等閥門采集各自的閥門開關(guān)狀態(tài)和開度數(shù)據(jù)。蒸汽發(fā)生器20采集進(jìn)氣壓力和溫度數(shù)據(jù)。布置在強(qiáng)制循環(huán)攪拌機(jī)構(gòu)1上的轉(zhuǎn)速計(jì)25采集攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。以上測(cè)量到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后通過Modbus總線將信號(hào)數(shù)據(jù)上傳至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件，再轉(zhuǎn)換為CAN總線協(xié)議傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)開發(fā)平臺(tái)，在上位機(jī)實(shí)時(shí)地顯示被控對(duì)象的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。上位機(jī)過飽和度軟測(cè)量系統(tǒng)和煮糖過程動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化及控制調(diào)節(jié)組件處理數(shù)據(jù)后，把被控對(duì)象的參數(shù)通過CAN總線轉(zhuǎn)換為Modbus總線協(xié)議后傳輸?shù)皆O(shè)備層，由真空調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)罐內(nèi)真空度，由入料調(diào)節(jié)閥和水箱、糖漿箱、種子箱的管道上的開關(guān)閥調(diào)節(jié)入料速度，由蒸汽發(fā)生器進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥閥門調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力和溫度，由攪拌電機(jī)配套的變頻器調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速， 完成對(duì)設(shè)備各個(gè)部分的控制。上位機(jī)的OPC接口部分通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連接，管理人員能方便的在網(wǎng)絡(luò)上對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，使得總體監(jiān)控系統(tǒng)更為集中，提高工作效率。[0041]如圖7所示，本發(fā)明所述過飽和度軟測(cè)量組件組成示意圖?？傮w上分為數(shù)據(jù)主成分提取模塊、離線模塊、在線模塊、界面管理模塊、數(shù)據(jù)共享單元模塊和外部接口模塊。外部接口模塊接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件上傳的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)共享單元模塊中。數(shù)據(jù)主成分提取模塊通過分析數(shù)據(jù)共享單元模塊中的數(shù)據(jù)，運(yùn)用核偏最小二乘法來提取過飽和度輔助變量的主成分，消除輔助變量間的多重非線性相關(guān)和噪聲干擾，提高軟測(cè)量的準(zhǔn)確度。系統(tǒng)離線模塊選取適合的核函數(shù)參數(shù)和懲罰因子參數(shù)，構(gòu)建了離線軟測(cè)量模型，為在線模塊打下基礎(chǔ)。糖漿過飽和度軟測(cè)量模型不是固定的模型，而是一個(gè)隨著在線數(shù)據(jù)的變化不斷學(xué)習(xí)和更新的模型。在線模塊在離線模塊的基礎(chǔ)上完成糖漿過飽和度軟測(cè)量算法參數(shù)在線尋優(yōu)、在線學(xué)習(xí)與建模，以及在線測(cè)量的功能。數(shù)據(jù)經(jīng)過主成分提取，以離線軟測(cè)量模型為初始模型和基礎(chǔ)，完成對(duì)糖漿過飽和度的軟測(cè)量。界面管理模塊對(duì)其它模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和界面顯示進(jìn)行管理。[0042]如圖8所示，本發(fā)明所述過飽和度軟測(cè)量組件在線模塊的算法流程圖。在線測(cè)量模塊的基本思想是將傳感器在線獲得的糖漿電導(dǎo)率、糖漿密度、糖漿溫度、罐內(nèi)真空度、蒸汽壓力和煮糖罐液位進(jìn)行歸一化并基于核偏最小二乘法計(jì)算它們的得分?jǐn)?shù)據(jù)，將得分?jǐn)?shù)據(jù)作為軟測(cè)量模型的輸入，求取糖漿過飽和度的軟測(cè)量值。在線建模的具體方式是在離線建模所得樣本字典的基礎(chǔ)上，判斷歸一化后溫度等輔助變量向量與樣本字典中向量在高維特征空間中是否存在線性相關(guān)性，如果不存在，則不需重新優(yōu)化軟測(cè)量算法參數(shù)，也不需要重新建模，否則將基于核偏最小二乘法和參數(shù)進(jìn)行在線尋優(yōu)算法，對(duì)軟測(cè)量算法算法進(jìn)行局部微調(diào)，使其能夠自適應(yīng)在線樣本的情況，并能計(jì)算和更新特征變換矩陣，使下一時(shí)刻軟測(cè)量時(shí)能夠更加準(zhǔn)確地提取輔助變量的有效信息。[0043]如圖9所示，為本發(fā)明所述煮糖過程動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化及控制調(diào)節(jié)組件示意圖?；跀?shù)據(jù)與知識(shí)的在線測(cè)量和動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制方法作為一種有效的控制算法，已被大量的仿真和實(shí)際應(yīng)用所證實(shí)，該方法對(duì)模型精度要求低、在線計(jì)算方便迅速、綜合控制效果好，并且具有較強(qiáng)的魯棒性。由過飽和度軟測(cè)量系統(tǒng)輸出的過飽和度預(yù)測(cè)值和數(shù)據(jù)采集組件上傳的的其它狀態(tài)參數(shù)輸入煮糖過程動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化及控制調(diào)節(jié)組件，經(jīng)過去噪處理后輸入控制系統(tǒng)初始模型，用非線性方程組表達(dá)出來，檢測(cè)參數(shù)是否在容錯(cuò)可行域和物理規(guī)律的約束條件是否滿足。然后經(jīng)過分解變量后降維優(yōu)化，通過對(duì)各種控制律的對(duì)比，篩選出魯棒性最優(yōu)的控制律，驗(yàn)證算法是否收斂和操作可行性評(píng)估后輸出最優(yōu)控制參數(shù)至控制模塊，同時(shí)將最優(yōu)控制率返回控制系統(tǒng)初始模型進(jìn)行更新。該控制方式能盡可能的消除煮糖過程中大慣性、滯后、強(qiáng)耦合和非線性對(duì)系統(tǒng)的影響，使系統(tǒng)具備良好的適應(yīng)能力。該組件的接口是開放式的，預(yù)留有數(shù)據(jù)傳輸接口方便添加其它組件。提供了對(duì)VC++，C#，Matlab等編程環(huán)境的支持，能使用任一種或者幾種編程環(huán)境混合編程。同時(shí)該組件的控制系統(tǒng)模型能用多種控制策略如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，先進(jìn)控制算法、過程控制算法、遺傳算法、在線預(yù)測(cè)等替換，方便對(duì)比不同的控制方式對(duì)煮糖過程的影響和效率，開展不同的監(jiān)控軟件研究。
權(quán)利要求1.甘蔗煮糖過程開放式智能監(jiān)控綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其特征在于，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由煮糖罐體模塊、輔助工作模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊以及閥門控制模塊的硬件部分和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件、過飽和度軟測(cè)量組件、煮糖過程動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化及控制調(diào)節(jié)組件的軟件部分組成，煮糖罐體模塊通過閥門控制模塊與輔助工作模塊連接，傳感器數(shù)據(jù)采集模塊分布在煮糖罐體模塊的各個(gè)測(cè)點(diǎn)上；傳感器數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)上傳到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件，通過預(yù)處理后由過飽和度軟測(cè)量組件進(jìn)行過飽和度軟測(cè)量，最后由煮糖過程動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化及控制調(diào)節(jié)組件處理后控制閥門控制模塊對(duì)煮糖罐體模塊的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)煮糖過程的自動(dòng)監(jiān)控；所述煮糖罐體模塊，由圓柱形罐體、通過法蘭連接在罐體上方的強(qiáng)制循環(huán)攪拌機(jī)構(gòu)和通過脹接方式固定在罐體內(nèi)部的列管式熱交換器組成，強(qiáng)制循環(huán)攪拌機(jī)構(gòu)的攪拌電機(jī)上設(shè)置有轉(zhuǎn)速計(jì)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件連接并通過Modbus總線將電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)上傳至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件，列管式熱交換器與蒸汽發(fā)生器通過管道連接并有調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)高溫蒸汽入氣量以控制糖漿溫度；所述輔助工作模塊，包括水、糖漿和種子三個(gè)物料箱，進(jìn)料管、蒸汽發(fā)生器以及列管式熱交換器，物料箱通過進(jìn)料管與罐體連接，蒸汽發(fā)生器與列管式熱交換器連接，水循環(huán)式真空泵與罐體頂部端蓋連接；所述傳感器數(shù)據(jù)采集模塊，包括分布在罐體頂面部分的真空度壓力傳感器，超聲波液位傳感器和電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)，分布在罐體側(cè)面的三個(gè)綜合數(shù)據(jù)采集端口，分布在罐體底面部分的兩個(gè)綜合數(shù)據(jù)采集端口和電導(dǎo)率傳感儀接口；所述閥門控制模塊，包括與入料調(diào)節(jié)閥連接的水開關(guān)閥、糖漿開關(guān)閥和種子開關(guān)閥，以及真空調(diào)節(jié)閥、蒸汽調(diào)節(jié)閥和放糖閥。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的甘蔗煮糖過程開放式智能監(jiān)控綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其特征在于 所有硬件接口均采用同一標(biāo)準(zhǔn)法蘭接口進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，若通過轉(zhuǎn)接法蘭在不同測(cè)量位置連接同種類型的測(cè)量?jī)x器，則研究溫度差、密度差、錘度差的參數(shù)分布，若通過轉(zhuǎn)接法蘭在不同測(cè)量位置連接不同類型的測(cè)量?jī)x器則比較同一煮糖過程中不同參數(shù)對(duì)糖漿結(jié)晶的影響效果，從而進(jìn)行不同狀態(tài)參數(shù)的檢測(cè)控制和側(cè)重點(diǎn)不同的實(shí)驗(yàn)研究。
專利摘要一種甘蔗煮糖過程開放式智能監(jiān)控綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由包括煮糖罐體模塊、輔助工作模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊以及閥門控制模塊的硬件部分和包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集組件、過飽和度軟測(cè)量組件、煮糖過程動(dòng)態(tài)參數(shù)優(yōu)化及控制調(diào)節(jié)組件的軟件部分組成，兩組成部分之間通過Modbus總線與CAN總線連接。該平臺(tái)用于科學(xué)研究，對(duì)煮糖生產(chǎn)過程各種實(shí)際工況開展各種優(yōu)化監(jiān)控方法研究，為實(shí)際煮糖生產(chǎn)過程提供實(shí)用監(jiān)控技術(shù)。也可作為測(cè)控和制糖專業(yè)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，開展相關(guān)綜合性、設(shè)計(jì)研究性教學(xué)方法研究。
文檔編號(hào)G05B19/418GK202297609SQ20112042649
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月1日
發(fā)明者何海平, 盧永強(qiáng), 龐海峰, 張猛, 杭方學(xué), 王小純, 董振, 蒙艷玫, 賀琦, 陸冠成, 陳慶偉 申請(qǐng)人:南寧市合辰科技有限公司, 廣西大學(xué)