糖结晶控制系统和方法 |
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| 申请号 | CN201410093232.6 | 申请日 | 2014-03-13 | 公开(公告)号 | CN104043263A | 公开(公告)日 | 2014-09-17 |
| 申请人 | 洛克威尔自动控制技术股份有限公司; | 发明人 | 迈克尔·爱德华·塔伊; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及糖结晶控制系统和方法。本文中描述的实施方式包括提供一种控制糖结晶的方法的一个实施方式。该方法包括：在结晶过程期间确定糖浆的糖泥的过饱和；以及基于所确定的过饱和通过闭环方式来调节在糖泥中的糖浆注入，以促进糖结晶。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种控制糖结晶的方法，包括： |
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| 说明书全文 | 糖结晶控制系统和方法技术领域[0001] 本发明总体上涉及糖结晶，并且更具体地涉及在糖结晶期间控制过饱和。 背景技术[0002] 通常，在糖溶液（例如糖膏或糖泥）过饱和时，可以在糖加工子系统（例如，真空锅）中形成糖晶体。糖泥的过饱和度可以影响真空锅的产糖量和糖晶体尺寸的均匀性。具体地，当过饱和度变得过高，则可以形成聚集物和细颗粒。该聚集物和细颗粒可能是不期望的，这是因为其可以增加制造糖的成本。例如，变化的尺寸可以增加将晶体从糖泥中分离的难度。相应地，为了达到更高的产糖量，为了更高效地加工/制造糖，并且为了更容易进行离心过滤，在糖结晶期间更好地控制真空锅中的过饱和度可能是有益的。 发明内容[0003] 以下概述与最初要求保护的发明的范围匹配的某些实施方式。这些实施方式不意在限制所要求保护的发明的范围，但是这些实施方式仅意于提供本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明可以包括可与下面所提出的实施方式类似或不同的各种形式。 [0004] 第一实施方式提供了一种控制糖结晶的方法，包括：在结晶过程期间周期性地确定糖的过饱和；以及基于所确定的过饱和通过闭环方式来调节在糖泥中的糖浆注入，以促进糖结晶。 [0005] 第二实施方式提供了一种以闭环方式控制糖结晶的方法。该方法包括确定糖泥中的糖晶体的尺寸，其中，糖晶体的尺寸至少部分地基于糖晶体的初始尺寸，糖泥的过饱和度，时间的变化以及第一调优参数。该方法还包括确定糖泥的稠度值，其中，糖泥的稠度值至少部分地基于糖泥的初始稠度值、糖晶体的尺寸、糖泥的过饱和度、糖泥的水平高度值以及第二调优参数。该方法还包括确定糖泥的流体部分的纯度值，其中，糖泥的流体部分的纯度值至少部分地基于糖泥的水平高度值、糖泥的白利糖度值、糖浆的纯度值、糖泥的流体部分的量以及糖泥的流体部分的白利糖度值。该方法还包括确定糖泥的过饱和值，其中，糖泥的过饱和值至少部分地基于糖泥的糖饱和点、糖泥的流体部分的白利糖度值以及糖泥的流体部分的纯度。该方法还包括基于所确定的过饱和来控制糖浆馈送阀位置、蒸汽阀位置、真空压力及其任意组合。 [0006] 第三实施方式提供了一种增加产糖量的方法，包括：在结晶过程期间周期性地确定糖泥的过饱和；以及通过以闭环方式调节在糖泥中的糖浆注入以及糖泥的温度以将糖泥的过饱和保持在阈值过饱和以下，来增加糖泥的产糖量。 [0007] 第四实施方式提供了一种增加晶体尺寸的均匀性的方法，包括：在结晶过程期间周期性地确定糖泥的过饱和；以及通过以闭环方式调节在糖泥中的糖浆注入以及糖泥的温度以将糖泥的过饱和保持在阈值过饱和以下，来促进均匀的晶体尺寸。 [0008] 第五实施方式提供了一种控制糖结晶的系统，包括糖加工子系统，该糖加工子系统被配置成容纳糖泥，以对糖泥进行加热并且向糖泥添加糖浆。该系统还包括被配置成测量糖泥的白利糖度值的白利糖度测量装置以及被配置成测量糖泥的温度的温度传感器。该系统还包括分批结晶控制器，该分批结晶控制器包括被编程为通过闭环方式确定糖泥的过饱和的处理器，其中，过饱和至少部分地基于糖泥的糖饱和点、糖泥的流体部分的白利糖度值以及糖泥的流体部分的纯度。分批结晶处理器还被配置成调节添加到糖泥中的糖浆的注入，其中，添加到糖泥中的糖浆的注入基于糖泥的过饱和。附图说明 [0009] 当参照附图阅读以下的详细描述时可以更好地理解本发明的这些以及其他特征、方面和优点，其中，在所有附图中相同的符号表示相同的部件，在附图中： [0010] 图1描述了真空锅的实施方式的图。 [0011] 图2是描述糖结晶过程的实施方式的流程图。 [0012] 图3是基于糖浆的温度和纯度的甜菜糖浆的糖浆溶解度表。 [0013] 图4是基于糖浆的温度和纯度的甘蔗糖浆的糖浆溶解度表。 [0014] 图5描述了包括加工设定点、非受控影响和加工结果的分批结晶控制器的实施方式的框图。 [0016] 图7是描述模型预测控制（MPC，model predictive control）的框图。 [0017] 图8是描述基于糖晶体的尺寸、流体的纯度和真空锅的稠度来闭环控制过饱和度的流程图。 具体实施方式[0018] 以下将描述本发明的一个或更多个具体实施方式。为了提供这些实施方式的简要描述，未必在说明书中描述实际实施的全部特征。应当理解的是，在开发任何这样的实际实施中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多特定于实施的决定以实现开发者的特定目标，例如符合系统相关和业务相关的约束，每个实施的约束可能各不相同。此外，应当理解，这样的开发工作可能是复杂并且耗时的，但是对于受益于本公开内容的普通技术人员而言仍然是承担设计、生产和制造的例程。 [0019] 当介绍本发明的各个实施方式的元件时，冠词“一个（a，an）”或“所述（the，said）”意在指存在一个或更多个元件。术语“包括”、“包含”、“具有”意在为非排他地包含并且表示可以存在除了所列举的元件之外的附加元件。 [0020] 本公开内容总体上涉及用于在糖结晶过程中控制过饱和的系统和方法。糖溶液（例如糖泥或糖膏）的过饱和度直接影响糖晶体的生长率。具体地，过饱和度越高，则晶体生长率越高。然而，当过饱和度超过特定阈值时，糖晶体的尺寸可以变得更难以控制，这是因为可能形成自然的晶种。如此，由此生成的糖晶体可以包括聚集物（即大晶体）和细颗粒（即小晶体），这会增加制造糖的成本。例如，晶体的尺寸变化可以使得更难以从糖溶液（即糖泥或糖膏）中分离出糖晶体，导致更多的糖留在糖蜜中。此外，变化的尺寸会降低每个锅中制造的糖，这是因为聚集物和细颗粒通常被熔化和再循环。 [0021] 已经试图基于糖加工子系统（例如真空锅）库存条件（例如整个糖加工子系统的条件）来控制过饱和度。例如，这会包括使过饱和计算基于锅的白利糖度。然而，当结晶开始时，固态糖晶体开始在母液中形成。如在此使用的，母液是糖泥的液态部分。因此，母液的特性例如纯度和白利糖度可以根据锅的特性整体来变化。 [0022] 相应地，本公开内容提供了一种用于控制糖结晶的方法。该方法包括:在结晶过程期间周期性地确定糖浆的糖泥的过饱和；以及基于所确定的过饱和以闭环方式来调节在糖泥中的糖浆注入，以促进糖结晶。具体地，本公开内容提供了基于母液的特性以闭环方式对过饱和度进行准确建模/计算的系统和方法。换言之，使用更好的建模并受控的过饱和度，可以形成尺寸更均匀的晶体，从而导致更高的产糖量、更高效的加工/制造糖和更容易进行离心过滤（即将晶体分出）。 [0023] 通过介绍，图1示出了糖加工子系统的实施方式。在所述实施方式中，糖加工子系统是可以在糖结晶过程中使用的真空锅10。如所述的，真空锅10包括糖浆馈送阀12、蒸汽阀14和真空装置16。糖浆馈送阀12可以被配置成控制流入真空锅的糖浆的量。具体地，糖浆馈送阀12可以被配置成设置在0%打开与100%打开之间的任意位置。在一些实施方式中，其他约束会限制糖浆馈送阀12可以被设置的位置。蒸汽阀14和真空装置16可以被配置成控制真空锅的温度。与糖浆馈送阀12相似，蒸汽阀14可以被配置成设置在0%打开与100%打开之间的任意位置。因此，当期望更高的温度时，可以将蒸汽阀14打开得更多以使得更多的蒸汽能够进入真空锅10。此外，真空装置16还可以被配置成通过改变真空锅10中的压力来控制真空锅10的温度。例如，可以降低压力以降低温度，反之亦然。在一些实施方式中，蒸汽阀14或真空装置16之一可以被保持恒定，从而能够使用单一变量来控制温度。此外，可以向蒸汽阀14和真空装置施加如下约束：其限制蒸汽阀14和真空装置分别能够被设置的值的范围。 [0024] 使用所述的真空锅10时，存在用于制造糖晶体的多种方法。相应地，图2描述了糖结晶过程18的实施方式。过程18以糖浆或糖流体的方式开始（块20）。可以从会导致不同属性的甜菜或甘蔗中提取糖浆。例如，如图3和图4所示，甘蔗糖浆和甜菜糖浆的糖饱和不同。如图3和图4所描述的，糖饱和取决于糖浆的温度和纯度。此外，可以确定糖浆的白利糖度和纯度。在一些实施方式中，可以通过糖量仪确定白利糖度，可以通过极化（polarization）（表示为质量百分比的糖含量）除以白利糖度并乘以100来确定纯度。接下来，将糖晶种添加至糖浆以形成糖膏或糖泥（块22）。糖晶种可以为小的糖晶体例如糖粉。 [0025] 当添加晶种时，通过升高温度蒸发糖膏或母液中的流体（块24）。如上所述，这可以通过经由蒸汽阀14增加至真空锅10中的蒸汽或经由真空装置16增加真空锅10中的压力来完成。当流体开始蒸发时，糖膏中的糖浓度增加。在特定点处，糖膏变成过饱和的并且可以开始结晶。当过饱和度低于阈值时，可以在糖晶种的周围形成糖晶体。当过饱和超过阈值时，糖结晶可能变得更难以控制。具体地，可以开始成核。换言之，糖膏可以开始自然地形成晶体，这会产生聚集物和细颗粒。相应地，在本文描述的一些实施方式中，期望将过饱和保持在1.01至1.05之间、1.05至1.10之间、1.10至1.15之间、1.15至1.20之间、1.20至1.25之间、1.25至1.50之间或上述任意组合。 [0026] 当糖晶体增长时，真空锅10的操作者可以监视糖晶体的尺寸以基于目标晶体尺寸来确定晶体是否是期望尺寸（决定块26）。如果晶体的尺寸不是期望的尺寸，则可以向糖膏中添加更多的糖浆以增加真空锅中的糖的量（块28）并且蒸发过程可以继续（块24）。当操作者最终决定糖晶体为合适的尺寸时，可以通过离心过滤从糖泥中去除糖晶体（块30）。作为使用糖浆开始并添加糖晶种的替代方式，真空锅10可以使用糖蜜（例如B乳浆剂）开始，该B乳浆剂可能已经包含糖晶体。相应地，糖蜜中的糖晶体可以用作糖晶种。此外，在糖结晶结束时，可以测量糖泥的纯度和稠度以及糖晶体尺寸。 [0027] 返回图1，真空锅10还可以包括监视真空锅10内的条件的传感器。如所示的，真空锅10包括温度传感器32、两个压力传感器36和白利糖度测量装置34，例如糖量仪。两个压力传感器36可以被配置成确定与糖泥的重量成比例的水平高度（level）（即两个压力传感器36之间的压力的改变）。相应地，真空锅10可以被配置成测量真空锅10的温度、糖泥的白利糖度以及与糖泥的重量成比例的从真空锅10的底部到顶部的压力的改变。 [0028] 基于这些措施，真空锅的操作者可以控制糖泥的过饱和。在一个实施方式中，如图5所示，操作者可以使用分批结晶控制器38以便于通过操纵加工设定点（即糖浆馈送阀12、蒸汽阀14和真空装置16）来控制加工结果（即温度40、白利糖度42和锅44的水平高度）。 此外，如所述的，存在可能影响加工结果的非受控影响。具体地，所述非受控影响包括糖浆的属性，例如糖浆白利糖度46和糖浆纯度48。相应地，分批结晶控制器38可以包括可以在处理计算机指令中使用的处理器50和可以用于存储计算机指令和其他数据的存储器52。 [0029] 图6描述了分批结晶控制器38的一个实施方式。具体地，处理器50可以使用处理电路54来实现以及存储器52可以使用存储电路56来实现。此外，分批结晶控制器38可以包括操作者界面58，该操作者界面可以被配置成使得操作者能够选择设置并监视真空锅10的条件。相应地，操作者界面58可以包括图形用户界面。例如，可以经由图形用户界面将测量值（例如白利糖度、温度或水平高度）或计算值（例如纯度、稠度或过饱和）显示在操作者界面58上。另外，分批结晶控制器38可以包括接口电路60。接口电路60可以被配置成便于至各个致动器（例如糖浆馈送阀12、蒸汽阀14和真空装置16）以及来自各个传感器（例如压力传感器36、温度传感器32和白利糖度测量装置34）的通信。 [0030] 如上所述，真空锅10中的母液的特性可以随结晶过程而改变。相应地，一种对母液的动态特性进行建模的方法为使用模型预测控制（MPC）62，参见图7。如所述的，MPC62被配置成基于当前测量值66（例如糖浆的温度、白利糖度和水平高度）、过去预测的结果68（例如母液的纯度、稠度和白利糖度）、模型70和约束72（例如过饱和目标或阀限值）来预测输出64。相应地，可以以闭环方式确定预测结果64。 [0031] 图8描述了在糖结晶过程18期间以闭环方式使用MPC62预测真空锅10的过饱和的实施方式。具体地，在所述实施方式中，使用数学模型以实时闭环的方式计算并控制锅的稠度（consistency）、母液的纯度、过饱和以及糖晶体的尺寸。相应地，所述模型可以利用图5中的分批结晶控制器38来执行以下描述的计算。 [0032] 如上所述，测量（即锅74的水平高度、锅76的白利糖度和锅78的温度）在真空锅10中进行。在一些实施方式中，可以每1至5秒、5至10秒、10至15秒、15至20秒或25至 60秒进行测量。此外，测量或估计真空锅10的初始参数。具体地，可以测量初始纯度80，可以估计初始晶体尺寸84和初始稠度82。如以下将更详细描述的，可以使用估计的初始晶体尺寸84和稠度82作为调优参数以更好地匹配长期结晶特性。如在此使用的，纯度是在固体中的糖的重量百分比，稠度是锅中的固态糖的重量百分比。应当理解，糖浆具有零稠度，这是因为糖浆完全是液态。相似地，如上所述，可以测量真空锅10的最终参数，其包括晶体尺寸、锅的纯度和锅的稠度。因此，基于上述测量和估计，分批结晶控制器38被配置成在结晶过程18中以闭环方式确定锅86的稠度、母液88的纯度、过饱和90和糖晶体92的尺寸。 [0033] 在一些实施方式中，锅86的稠度可以通过以下等式来建模/确定： [0034] [0035] 由等式（1）可见，稠度86基于先前的稠度（例如初始稠度82）、锅74的水平高度、糖晶体的尺寸和过饱和90。此外，K稠度是可以用作将在以下更详细描述的调优参数的稠度常量。基于所确定的稠度86和所测量的锅74的水平高度，可以通过以下等式确定母液94的量。 [0036] 流体n=(100%-稠度n-1)*水平高度n-1 （2） [0037] 此外，基于所确定的稠度86和所测量的锅76的白利糖度，可以通过以下等式确定母液96的白利糖度： [0038] 白利糖度流体n=(白利糖度锅n-1-稠度n-1)/(100%-稠度n-1) （3）[0039] 接下来，可以对母液88的纯度进行建模/确定。如上所述，可以以不同方式启动真空锅10，这会产生用于计算母液88的纯度的不同等式。例如，当真空锅10使用糖浆启动并添加糖晶种时，可以通过以下等式确定母液88的纯度： [0040] 纯度流体n=(水平高度n-1*白利糖度锅)*(100%-纯度糖浆))/流体n/白利糖度流体n （4） [0041] 由等式（4）可见，母液的纯度基于锅74的水平高度、锅76的白利糖度、糖浆80的纯度、母液94的量和母液96的白利糖度。可替代地，当真空锅10使用糖蜜启动时，可以通过以下等式来确定母液88的纯度： [0042] 纯度流体n=(水平高度0*白利糖度糖蜜)*(100%-纯度糖蜜)+(水平高度n-1*白利糖度锅–水平高度0*白利糖度糖蜜(100%-纯度糖浆))/流体n/白利糖度流体n （5）[0043] 应当理解，等式（5）可以考虑与糖浆的纯度不同的糖蜜的纯度。由等式（5）可见，母液88的纯度基于锅的初始水平高度、糖蜜的白利糖度、糖蜜的纯度、锅74的水平高度、锅76的白利糖度、糖浆80的纯度、母液94的量和母液96的白利糖度。在确定母液的纯度之后，可以通过图3和图4中描述的查询表之一来确定饱和点98。如图3和图4所示，根据母液88的纯度和锅78的温度来确定饱和点。 [0044] 然后可以基于以下公式来建模/确定过饱和90： [0045] [0046] 由等式（6）可见，过饱和90基于母液96的白利糖度、母液88的纯度和糖饱和点98。关闭所述环路，糖晶体92的尺寸通过以下公式来建模/确定： [0047] MAn=MAn-1+kMA*Δ时间*(MAn-1)2*过饱和n-1 （7） [0048] 由等式（7）可见，糖晶体92的尺寸基于糖晶体的在先尺寸、时间的改变和过饱和。此外，kMA是可用用作调优参数的晶体尺寸常量。 [0049] 如上所述，存在多个调优参数以更好地将结晶模型与实际的结晶特性进行匹配。这些调优参数包括初始晶体尺寸84、初始稠度82、k稠度和kMA。相应地，可调节调优参数以更好地匹配所测量的最终结果（即测量的晶体尺寸、纯度和稠度）。此外，这使得所述模型能够适于多种糖生产子系统（例如真空锅10）。 [0050] 以上模型（例如等式1至等式7）使得过饱和度能够在闭环中贯穿成核（即结晶）过程来确定。相应地，基于初始参数测量值（即初始纯度）、估计值（即初始稠度和初始晶体尺寸）和中间测量值（即锅的温度、锅的白利糖度、锅的水平高度），操作者能够更好地控制加工设定点（即糖浆馈送阀、蒸汽阀和真空装置）以实现期望的过饱和度。可以基于最终参数测量值（即最终纯度、最终稠度和最终晶体尺寸）来调节所述模型以更好地匹配实际的结晶特性，这进一步使得所述模型能够适于各种糖生产子系统。 |
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