专利名称：用于优化糖干燥机的运行的装置和方法
技术领域：
本公开总体上涉及控制系统，并且更具体而言涉及用于优化糖干燥机的运行的一 种装置和一种方法。
背景技术：
糖加工设施通常对原材料(例如甘蔗)进行加工并且生产多种多样的成品(比如 精制糖或成品糖、糖蜜、以及动物饲料)。动物饲料通常通过在一个或多个糖干燥机中使浆 料和其它材料干燥而被生产。对糖干燥机的控制常常由于多种因素而是困难的。这些因素 可能包括影响糖干燥机的运行的大量过程变量；不断改变的环境条件；活动的过程约束 中的偏移；以及所干燥的材料的成分改变。结果，糖干燥机常常以次优运行运转，从而导致 生产的损失、在干燥期间的过量能源使用、和/或货币性损失。
发明内容
本公开提供用于优化糖干燥机的运行的一种装置和一种方法。在第一实施例中，一种装置包括至少一个被配置为存储至少一个模型的存储器。 所述至少一个模型与一个或多个操纵变量和一个或多个受控变量相关联。所述一个或多个 操纵变量和所述一个或多个或受控变量与糖干燥机相关联。该装置还包括至少一个处理 器，所述处理器被配置为使用所述至少一个模型确定如何调整所述一个或多个操纵变量。 所述一个或多个受控变量包括与所糖干燥机相关联的排出口温度，并且所述一个或多个操 纵变量包括湿材料被提供给所述糖干燥机的速率。在特定的实施例中，所述糖干燥机包括多个糖干燥机。而且，所述一个或多个操纵 变量包括湿材料被提供给所述糖干燥机的速率。所述糖干燥机之中的至少两个可以使用不 同的燃料运行。而且，所述至少一个处理器可以被进一步配置为基于与所述不同的燃料相 关联的成本来控制湿材料被提供给所述糖干燥机的速率。在其它特定的实施例中，所述一个或多个受控变量进一步包括与离开所述糖干燥 机的经过干燥的材料相关联的水分含量、被用于产生热气的燃料流量、与热气相关联的温 度、与热气相关联的压力、和/或被提供给所述糖干燥机的湿材料的量。在另外的特定的实施例中，所述一个或多个操纵变量进一步包括与热气相关联的 温度设定点和/或与热气相关联的压力设定点。在其它特定的实施例中，所述至少一个模型进一步与一个或多个扰动变量相关 联。所述一个或多个扰动变量包括与湿材料和/或环境温度相关联的水分含量。在附加的特定实施例中，所述至少一个处理器被进一步配置为生成用于呈现给用 户以及从用户接收输入的用户界面。所述输入与同受控变量和操纵变量之一相关联的下限 值、上限值、和/或设定点的改变相关联。在第二实施例中，一种方法包括使用至少一个模型确定如何调整一个或多个操 纵变量。所述一个或多个操纵变量与糖干燥机相关联。该方法还包括生成一个或多个控制信号以控制与所述糖干燥机相关联的一个或多个受控变量。所述一个或多个受控变量包 括与所述糖干燥机相关联的排出口温度，并且所述一个或多个操纵变量包括湿材料被提供 给所述糖干燥机的速率。在第三实施例中，一种计算机程序被包含在计算机可读介质上。该计算机程序包 括用于使用至少一个模型确定如何调整一个或多个操纵变量的计算机可读程序代码。所述 一个或多个操纵变量与糖干燥机相关联。该计算机程序还包括用于生成一个或多个控制信 号以控制与所述糖干燥机相关联的一个或多个受控变量的计算机可读程序代码。所述一个 或多个受控变量包括与所述糖干燥机相关联的排出口温度，并且所述一个或多个操纵变量 包括湿材料被提供给所述糖干燥机的速率。根据下面的附图、描述和权利要求书，其它技术特征可以对本领域的技术人员是 显而易见的。
为了更充分地理解本公开，现在结合附图参考下面的描述，其中图1示出了根据本公开的示例性糖加工设施；图2示出了根据本公开的糖加工设施中的示例性糖干燥机；图3示出了根据本公开的用于优化糖干燥机的运行的示例性多变量控制器；图4A和4B示出了根据本公开的用于控制糖干燥机的示例性用户界面；图5示出了根据本公开的用于优化糖干燥机的运行的示例性方法。
具体实施例方式本专利文献中的下面所讨论的图1至图5以及用于描述本发明原理的各个实施例 仅仅是说明性的，并且决不应当被认为是限制本发明的范围。本领域的技术人员能够理解， 本发明的原理可以以任意类型的适当布置的设备或系统来实施。图1示出了根据本公开的示例性糖加工设施100。图1中所示的糖加工设施100 的实施例仅仅是为了说明性。在不偏离本公开的范围的情况下也可以使用糖加工设施100 的其它实施例。在该示例性的实施例中，糖加工设施100包括用于加工原材料(比如甘蔗)以生 产一种或多种成品(比如精制糖、糖蜜、以及动作饲料)的加工设备。图1中所示的加工设 备是糖加工设施的一种可能的实施方式。也可以使用其它类型的具有其它或附加加工设备 或者具有配置不同的加工设备的糖加工设施。在该例中，糖加工设施100包括抽样/储存单元102。抽样/储存单元102接收诸 如甘蔗的原材料并且储存该原材料。抽样/储存单元102还对原材料进行抽样以确定该原 材料的各种特性。来自抽样/储存单元102的原材料被提供给清洗单元104。清洗单元104 —般地 比如通过从原材料中除去不期望的成分来准备原材料以供进一步加工。清洗单元104例如 可以包括石块捕集器、杂草捕集器、以及水滤网(watering screen) 0经过清洗的原材料在切片单元106中被切割。切片单元106比如通过将原材料切 割成三角形细条或切片来将原材料切割成小片以供进一步处理。切片单元106例如可以包括甜菜料斗和切片机。经过切割的原材料被提供给分散单元108。分散单元108尤其是从原材料中提取 糖汁。然后，分散单元108将浆料传递到动物饲料干燥单元110并且将过程糖和原汁传递 到提纯单元112。动物饲料干燥单元110有助于使浆料和其它材料干燥并且生产经过干燥的适于 储存和装运的材料。动物饲料干燥单元110通常使浆料和其它材料干燥到所期望的水平， 并且经过干燥的材料然后以颗粒或其它形式被输出。动物饲料干燥单元110例如可以包括 浆料压榨机、浆料干燥机、以及造粒单元。提纯单元112 —般例如通过除去杂质来对过程糖和原汁进行提纯。提纯单元112 还可以通过以气泡的形式鼓入二氧化碳气体以产生淡汁(light juice)来有助于消除过 量的石灰。提纯单元112例如可以包括石灰窑、石灰消化机、石灰乳罐、以及第一碳化物罐 (carb tank)。提纯单元112还可以包括用于输出石灰的过滤器和澄清器(clarifier)。提 纯单元112可以进一步包括用于除去沉淀的过滤器和第二碳化物罐。来自提纯单元112的经过过滤的淡汁在浓缩单元114中被浓缩。浓缩单元114例 如可以包括多个产生浓缩的溶液或浓汁的蒸发器。浓缩单元114还可以包括锅炉、交流发 电机、以及用于产生供所述蒸发器使用的蒸汽的涡轮机。浓缩的溶液或浓汁然后可以被储 存在一个或多个存储罐中。结晶单元116和分离单元118对高浓原糖(high raw sugar)和浓汁进行操作。例 如，结晶单元116可以包括溶解器，所述溶解器用浓汁稀释和融化高浓原糖，并且所得到的 材料被过滤。然后，所述材料可以被移动到结晶单元116中的白盘(white pan)，所述白盘 将所述材料煮沸并且结晶以产生“白糖膏”。然后，白糖膏被移动到分离单元118中的白离 心机，所述白离心机从含有糖浆和杂质的溶液中分离出糖晶体。结晶单元116中的其它盘 (比如高浓原糖盘(high-rawpan)和低浓原糖盘(low-raw pan))和分离单元118中的其它 离心机可以被用于从糖浆和杂质中分离出糖晶体。所述糖浆和杂质之中的一些可以作为能 够储存和输出的糖蜜被提供。剩余部分可以被提供给动物饲料干燥单元110。分离出的糖晶体被提供给调节/储存单元120，所述调节/储存单元120可以进一 步旋转、冲洗、干燥、以及冷却所述晶体。该结果是成品糖，所述成品糖可以被储存在散装糖 仓中或者被送交给仓库以进行包装。多变量控制器122控制设施100或其一部分的运行。控制器122例如可以作出 自动的过程调整以控制和优化动物饲料干燥单元Iio中的一个或多个干燥机。控制器122 可以读取多个过程值，这些过程值包括自变量(操纵变量和扰动变量)和因变量(受控 变量)。一般地，设施100或其一部分与表示设施100或其一部分的不同方面的“过程变 量”(比如温度和流速)相关联。控制器122可以通过如下方式运行尝试将“受控变量”(CV) 维持在或维持得接近所期望的值或者维持在所期望的工作范围之内。控制器122通过改变 一个或多个“操纵变量”(MV)、比如阀门的开启或电机的速度来尝试维持受控变量。“扰动 变量”(DV)表示影响受控变量的过程变量，其中扰动变量可以被控制器122考虑但是通常 不能被控制器控制122控制(比如环境温度)。通过控制某些受控变量，控制器122可以优 化由设施100或其一部分所执行的过程。控制器122可以使用所控制的过程的一个或多个数学模型。所述模型将自变量(操纵变量和扰动变量)与因变量(受控变量)相联系。所述模型可以在控制器122的设 计期间比如通过使用逐步测试(st印test)数据而被开发。然后，所述模型在控制器122上 线或被激活时被控制器122用于控制过程。例如，控制器122可以使用所述模型来预测受控 变量的未来值以及计算和实施对操纵变量的调整以将受控变量维持在其所限定的极限内。 控制器122还可以使用所述模型来将设施100或其一部分保持为在最大能力和最优条件下 运行。合适地选择受控、操纵、和扰动变量可能对控制器122的性能是重要或关键的。下 面提供这些类型的变量的例子。控制器122还可以以任意合适的频率在设施100中运行。 例如，控制器122可以以30秒间隔运行。在每个间隔期间，控制器122可以被用于作出自 动的过程调整以控制和优化过程。控制器122包括用于控制设施100或其一部分的任意硬件、软件、固件或其组合。 控制器122例如可以包括一个或多个处理器和一个或多个储存由所述(多个)处理器所使 用、生成或者收集的数据和指令(比如设施100的模型)的存储器。作为特定的例子，控制 器122可以表示使用来自HONEYWELL INTERNATIONAL INC.的PROFIT控制器(以前被称为 鲁棒多变量预测控制技术或“RMPCT”)所实施的控制器。图3中示出了控制器122的一个 示例性的实施例，该实施例将在下面予以描述。尽管图1示出了糖加工设施100的一个例子，但是可以对图1作出各种改变。例 如，可以将其它或附加的加工设备以任意合适的配置或布置用于加工糖。而且，图1中所示 的功能划分仅仅是为了说明。图1中的各个部件可以被组合、细分、或者省略，并且附加的 部件可以根据特定的需要而被添加。另外，图1中示出了可以使用控制器122的一个示例 性的运行环境。控制器122可以与任意其它合适的糖加工设施一起使用。图2示出了根据本公开的糖加工设施中的示例性糖干燥机200a-200b。图2中所 示的糖干燥机200a-200b的实施例仅仅是为了说明。在不偏离本公开的范围的情况下，也 可以使用糖干燥机200a-200b的其它实施例。在该例中，糖干燥机200a-200b使用不同的燃料运行。糖干燥机200a使用燃气 (比如天然气)或石油运行。该例中的糖干燥机200a包括螺旋给料机202、燃烧器204、护 圈(bull ring) 206、以及干燥机208。螺旋给料机202把将被干燥的湿的材料馈送给干燥 机208。燃烧器204燃烧天然气或石油以产生用于干燥机208的热。护圈206将燃烧器204 耦合到干燥机208，从而允许热气从燃烧器204移动到干燥机208中。干燥机208使由螺旋 给料机202所提供的材料干燥以产生经过干燥的饲料。阀门210控制助燃空气到燃烧器204中的流量，并且阀门212控制天然气到燃烧 器204中的流量。电机控制器214控制螺旋给料机202的旋转速度，由此控制湿材料被馈 送到干燥机208中的速率。阀门216控制燃气到气体挡板中的流量。各个传感器和其它部件被用在糖干燥机200a中。例如，比例控制器218调整阀门 210-212以控制进入燃烧器204的燃气和助燃空气的比例。温度传感器220-222测量通过 护圈206被提供给干燥机208的热气的温度。温度传感器220-222例如可以表示冗余的传 感器对(其中一个在给定的时间为激活的)。压力传感器224测量护圈206内的压力。流 量传感器226测量天然气进入燃烧器204的流速，并且流量传感器227测量石油进入燃烧 器204的流速。旋转传感器228测量螺旋给料机202的旋转速度，并且速度(amp)传感器230测量螺旋给料机202的速度。温度传感器232测量干燥机208的输出处的温度(称为排出口温度)，并且温度传感器234测量环境空气温度。分析仪236分析离开干燥机208的 经过干燥的材料的一种或多种特性、比如经过干燥的材料的水分含量。糖干燥机200b使用煤炭运行。该例中的糖干燥机200b包括螺旋给料机252、煤炭 流化床254、护圈256、以及干燥机258。螺旋给料机252把将被干燥的湿的材料馈送给干燥 机258。煤炭流化床254允许燃烧煤炭，从而产生用于干燥机258的热气。护圈256将来自 煤炭流化床254的热气提供给干燥机208，并且干燥机258使由螺旋给料机252所提供的湿 材料干燥。阀门260控制助燃空气到煤炭流化床254中的流量。一个或多个输送带262将煤 炭提供给煤炭流化床254以用于燃烧。电机控制器264控制螺旋给料机252的旋转速度， 并且阀门266控制燃气到气体挡板中的流量。两个阀门268-270支持收集将被回收到煤炭 流化床254中的燃气。各个传感器和其它部件被用在糖干燥机200b中。例如，传感器272-273测量煤炭 到煤炭流化床254中的流量。例如在使用多个输送带262时，多个传感器可能是有益的。控 制器274控制阀门260以控制进入煤炭流化床254的助燃空气的量，并且温度传感器276测 量煤炭流化床254的温度。温度传感器278-280测量通过护圈256被提供给干燥机258的 热气的温度，并且可以表示冗余的传感器对。压力传感器282测量护圈256内的压力。旋 转传感器284测量螺旋给料机252的旋转速度，并且速度(amp)传感器286测量螺旋给料 机252的速度。温度传感器288测量干燥机258的输出处的温度。分析仪290分析离开干 燥机258的经过干燥的材料的一种或多种特性、比如经过干燥的材料的水分含量。流量控 制器292控制阀门268以控制燃气到煤炭流化床254中的回收利用。分析仪294比如通过测量被馈送给糖干燥机200a_200b 二者的湿材料的水分含量 来分析被馈送给糖干燥机200a-200b的湿材料的一种或多种特性。另外，来自干燥机208 和258 二者的经过干燥的饲料可以在动物饲料干燥单元110的后面阶段中被混合。分析仪 296分析比如通过测量来自糖干燥机200a-200b 二者的混合材料的水分含量来分析所述混 合材料的一种或多种特性。如下面更详细地描述的那样，这些传感器和分析仪之中的各个可以被用于将数据 提供给多变量控制器122。而且，多变量控制器122可以控制这些传感器之中的一个或多 个以修改糖干燥机200a-200b的运行。这尤其是可以允许多变量控制器122调整糖干燥机 200a-200b的运行，使得糖干燥机200a-200b更有效或成本更低地运行。尽管图2示出了糖加工设施中的糖干燥机200a-200b的例子，但是可以对图2作 出各种改变。例如，糖加工设施可以包括任意数目的糖干燥机、包括单个糖干燥机。而且， 糖加工设施中的(一个或多个)糖干燥机可以使用任意合适的(一种或多种)燃料运行。 如果在糖加工设施中使用多个糖干燥机，则所述糖干燥机可以使用或不使用不同的燃料运 行。图3示出了根据本公开的用于优化糖干燥机运行的示例性多变量控制器122。图 3中所示的多变量控制器122的实施例仅仅是为了说明。在不偏离本公开的范围的情况下， 可以使用多变量控制器122的其它实施例。而且为了便于说明，多变量控制器122被描述 为被用在图1的糖加工设施100中。多变量控制器122可以被用在任意其它合适的设施或系统中。在该示例性实施例中，多变量控制器122包括处理器302、存储器304、网络接口 306、显示器308、以及输入设备310。处理器302表示任意合适的处理设备、比如微处理器、 数字信号处理器、专用集成电路、或者其它逻辑设备。存储器304表示任意合适的易失性和 /或非易失性存储和检索设备或多个设备、比如RAM或ROM。网络接口 306表示用于使得易 于通过网络进行通信的任意合适的接口、比如以太网接口或其它电信号线或无线接口。网 络接口 306例如可以接收标识出受控变量的当前值的测量数据，并且输出用于调整操纵变 量的控制信号。显示器308表示用于将信息呈现给用户的任意合适的显示器。输入设备 310表示用于将输入从用户提供给处理器302的任意合适的设备或多个设备、比如键盘或 鼠标。在该例中，存储器304包括一个或多个软件应用312和一或多个模型314。所述 一个或多个软件应用312表示定义多变量控制器122如何控制糖加工设施100中的糖干燥 机200a-200b的一个或多个计算机程序。例如，软件应用312可以使用模型314来分析输 入数据(比如不同受控变量的测量值)以生成输出信号(比如用于调整操纵变量的控制信 号)。所述一个或多个模型314限定操纵变量、扰动变量和受控变量之间的关系。模型 314被多变量控制器122用于控制糖干燥机200a-200b。在特定的实施例中，每个模型314 都可以将单个操纵变量或扰动变量与单个受控变量相关联。作为糖干燥机200a-200b的控制的一部分，多变量控制器122可以使用模型314 来对操纵变量作出调整，使得受控变量被维持在所规定的极限内。多变量控制器122还可 以调整糖干燥机200a-200b的运行，使得实现某些过程目标。作为例子，过程目标可以包 括以最小或最低成本量的燃料加工出最大量的材料。过程目标还可以包括基于不同燃 料的成本以不同程度使用糖干燥机200a-200b(比如通过在天然气或石油比煤炭成本低时 更多地使用糖干燥机200a)。如上所述，合适地选择受控、操纵和扰动变量可能对多变量控制器122的性能是 重要或关键的。在特定的实施例中，多变量控制器122可以将表1中所标识出的变量看成 受控变量，将表2中所标识出的变量看成操纵变量，并且将表3中所标识出的变量看成扰动 变量。所述表针对每个变量都包括索引号、标签名称、描述、以及工程单位。每个标签名称 都包括表示该变量是过程值(PV)(该设施中的当前测量值)、输出值(OP)(被提供给控制器 的值)、还是设定值(SP)(被提供给控制器的设定点值)的指示。这些变量之中的一个或多 个可以表示“计算出的变量”，所述“计算出的变量”表示使用其它变量所计算出的变量。
CV#标签描述单位1CVO1. PV来自组合产品分析仪(分析仪296)的结果%2CV02. PV离开干燥机208的经过干燥的材料的水分的推断值(来自分析仪236)%3CV03. PV干燥机208的排出口温度(来自传感器232)"C
权利要求
1.一种装置(122)，包括至少一个存储器(314)，其被配置为存储至少一个模型(314)，所述至少一个模型 (314)与一个或多个操纵变量和一个或多个受控变量相关联，所述一个或多个操纵变量和 所述一个或多个受控变量与糖干燥机(200a，200b)相关联；以及至少一个处理器(302)，其被配置为使用所述至少一个模型确定如何调整所述一个或 多个操纵变量；其中所述一个或多个受控变量包括与所述糖干燥机相关联的排出口温度；以及其中所述一个或多个操纵变量包括湿材料被提供给所述糖干燥机的速率。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述糖干燥机包括多个糖干燥机；以及所述一个或多个操纵变量包括湿材料被提供给所述糖干燥机的速率。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述糖干燥机之中的至少两个使用不同的燃料运行；以及所述至少一个处理器被进一步配置为基于与所述不同的燃料相关联的成本来控制湿 材料被提供给所述糖干燥机的速率。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个受控变量进一步包括下列项目至少之一与离开所述糖干燥机的经过 干燥的材料相关联的水分含量、被用于产生热气的燃料的流量、与热气相关联的温度、与热 气相关联的压力、以及被提供给所述糖干燥机的湿材料的量。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个操纵变量进一步包括下列项目至 少之一与热气相关联的温度设定点、以及与热气相关联的压力设定点。
6.一种方法，包括使用至少一个模型(314)确定如何调整一个或多个操纵变量(506)，所述一个或多个 操纵变量与糖干燥机(200a，200b)相关联；以及生成一个或多个控制信号以控制与所述糖干燥机相关联的一个或多个受控变量 (508)；其中所述一个或多个受控变量包括与所述糖干燥机相关联的排出口温度；以及其中所述一个或多个操纵变量包括湿材料被提供给所述糖干燥机的速率。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述糖干燥机包括多个糖干燥机，所述糖干燥机之中的至少两个使用不同的燃料运行；所述一个或多个操纵变量包括湿材料被提供给所述糖干燥机的速率；以及生成所述一个或多个控制信号包括生成一个或多个控制信号以基于与所述不同的燃 料相关联的成本控制湿材料被提供给所述糖干燥机的速率。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述一个或多个受控变量进一步包括下列项目至 少之一与离开所述糖干燥机的经过干燥的材料相关联的水分含量、被用于产生热气的燃 料的流量、与热气相关联的温度、与热气相关联的压力、和被提供给所述糖干燥机的湿材料 的量。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述一个或多个操纵变量进一步包括下列项目至少之一与热气相关联的温度设定点、以及与热气相关联的压力设定点。
10. 一种被包含在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包括 用于使用至少一个模型(314)确定如何调整一个或多个操纵变量(506)的计算机可读 程序代码，所述一个或多个操纵变量与糖干燥机(200a，200b)相关联；以及用于生成一个或多个控制信号以控制与所述糖干燥机相关联的一个或多个受控变量 (508)的计算机可读程序代码；其中所述一个或多个受控变量包括与所述糖干燥机相关联的排出口温度；以及 其中所述一个或多个操纵变量包括湿材料被提供给所述糖干燥机的速率。
全文摘要
一种方法包括使用至少一个模型(314)确定如何调整一个或多个操纵变量(506)。所述一个或多个操纵变量与糖干燥机(200a，200b)相关联。该方法还包括生成一个或多个控制信号以控制与所述糖干燥机相关联的一个或多个受控变量(508)。所述一个或多个受控变量包括与所述糖干燥机相关联的排出口温度，并且所述一个或多个操纵变量包括湿材料被提供给所述糖干燥机的速率。所述糖干燥机可以包括多个糖干燥机。所述糖干燥机之中的至少两个可以使用不同的燃料运行。所述一个或多个控制信号可以被生成以基于与所述不同的燃料相关联的成本来控制湿材料被提供给所述多个糖干燥机的速率。
文档编号C13B40/00GK101999099SQ200980112700
公开日2011年3月30日 申请日期2009年2月3日 优先权日2008年2月12日
发明者H·M·博德 申请人:霍尼韦尔国际公司