甘蔗准备单元和运行方法 |
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| 申请号 | CN201180071358.8 | 申请日 | 2011-12-22 | 公开(公告)号 | CN103562938A | 公开(公告)日 | 2014-02-05 |
| 申请人 | ABB研究有限公司; | 发明人 | A.K.姆; B.B.斯里尼瓦萨; A.巴德维; | ||||
| 摘要 | 描述了一种运行 甘蔗 准备单元的方法。方法包括为甘蔗准备单元的多个运送器的至少一个运行变量提供工作范围；估计与至少一个运行变量的第一多个设定点对应的 能量 消耗；选择与至少一个运行变量的最少能量消耗对应的一个或多个第一设定点作为使用设定点；以及在使用设定点下运行甘蔗准备单元。甘蔗准备单元包括能量最少化单元，以实现本文描述的方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1. 一种运行甘蔗准备单元的方法，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 甘蔗准备单元和运行方法技术领域[0001] 本发明大体涉及制糖厂，并且更具体而言涉及制糖厂的甘蔗准备单元的优化运行。 背景技术[0002] 制糖厂典型地包括甘蔗准备单元或区段，其中，来自库存/卡车的甘蔗转移到一系列的甘蔗运送器，甘蔗运送器将甘蔗运送到第一榨机斜道，以进行甘蔗处理。甘蔗准备单元用来通过将甘蔗切成称为甘蔗碎片的较小的块以及将甘蔗碎片撕成粉碎而不榨汁来提高甘蔗密度。 [0003] 甘蔗运送器包括切碎机，切碎机具有刀具来将甘蔗切成较小块，并且甘蔗运送器包括粉碎机以将甘蔗碎片撕成粉碎。来自粉碎机的输出发送到第一榨机斜道，并且然后发送到传输机以进行后续的压榨。甘蔗准备单元的功能是在存在严重的载荷干扰的情况下实现将甘蔗均匀地馈送到第一碾压榨机，载荷干扰本来在缺少甘蔗准备单元的情况下存在。但是，甘蔗准备单元的当前操作忽略了能量最少化方面。在现有的甘蔗准备单元中，操作员典型地基于他们的经验和运送器中甘蔗的料位来调节运送器马达的速度的设定点。在这里可注意到，最后一个运送器的速度由运送器中甘蔗的料位、第一榨机斜道中的甘蔗的料位和第一榨机斜道载荷决定。运送器的其余部分的速度基于运送器中的甘蔗的料位、下一个运送器的速度和刀具/粉碎机过载(如果有的话)来决定。由于这些不同的变量，操作员难以针对所有变量进行优化。因此操作员大多集中在减少由于第一榨机中碾压的甘蔗的量和通过运送器输送到第一榨机斜道的甘蔗的量之间的不平衡而产生的阻塞。最大程度地减少能量消耗在这个工艺中未得到处理。 [0004] 因此，为了优化甘蔗准备单元的操作和减少制糖厂的运行成本，需要最大程度地降低甘蔗准备单元中的能量消耗。 发明内容[0005] 在一个方面，本发明提供一种运行甘蔗准备单元的方法。方法包括对甘蔗准备单元的多个运送器的至少一个运行变量提供工作范围，估计与至少一个运行变量的第一多个设定点对应的能量消耗，选择与至少一个运行变量的最少能量消耗对应的一个或多个第一设定点作为使用设定点，以及在使用设定点下运行甘蔗准备单元。在另一个方面，本发明提供一种甘蔗准备单元，其包括能量最少化单元以实现本文描述的方法。示例性甘蔗准备单元包括：多个运送器，它们彼此联接，以及构造成基于至少一个运行变量来执行预定功能；以及能量优化单元，其用于基于运行甘蔗准备单元的至少一个运行变量的最少能量消耗来为多个运送器中的各个产生使用设定点。 附图说明 [0006] 当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相同符号在所有图中表示相同部件，其中： [0007] 图1是根据本发明的一个实施例的甘蔗准备单元的示意图； [0008] 图2是图1的甘蔗准备单元的框图； [0009] 图3是运行甘蔗准备单元的示例性方法的流程图；以及 [0010] 图4是运行甘蔗准备单元的图3的示例性方法的另外的步骤的流程图。 具体实施方式[0012] 本发明的各方面集中在制糖厂的甘蔗准备单元的整体最优控制策略上，其对与切割机、粉碎机、输送器相关联的不同的运行运送器分配使用设定点，目标是除了实现其它传统的目标之外最大程度地减少能量消耗。甘蔗准备单元的传统目标包括(但不限于)确保均匀的馈送(第一碾压榨机中的恒定斜道料位)，确保平滑地加速，以及避免刀具/粉碎机过载。 [0013] 当前为了运行不同的运送器，操作员具有预先限定的静态值，如下面的表1中显示，操作员使用静态值作为对甘蔗准备单元的不同的运送器应用设定点的一般准则。但是，当前，使用这些静态值时，甘蔗准备单元在整体上的能量优化未得到处理。本发明的各方面通过提供下面阐述的能量优化单元来处理这个缺陷。 [0014] 甘蔗准备设备的装机功率 [0015]比功率[kW/tfh] 末端速度[m/s] 末端间隙[mm] 轧平机刀具 6 50 1000 第一刀具 15 60 150 第二刀具(重型) 30 60 50 粉碎机 60 100 总共 111 [0016] 来源：蔗糖工程设计的Hugot手册 [0017] 表1。 [0018] 图1是根据本发明的一个实施例的甘蔗准备单元12的示意图。甘蔗准备单元12接收来自大体由参考标号14所指示的甘蔗加载区段的甘蔗。从那里，甘蔗通过传输带传送到切割机16，以将甘蔗切成期望的尺寸。切碎的甘蔗块传送到粉碎机18，以将期望尺寸的甘蔗粉碎成粉碎甘蔗块。然后输送器20将粉碎的甘蔗块传输到第一榨机的斜道22，以进行进一步的处理。切割机区段16、粉碎机区段18和输送器20在本文一般地称为运送器。运送器典型地使用传输带机构来使输出材料从一个运送器移动到下一个运送器。各个运送器与由参考标号24所指示的运送器马达相关联，运送器马达典型地为感应马达，其速度由传感器(例如转速计)监测，并且作为输入发送到控制逻辑(CL)单元28。各个运送器中的甘蔗的料位(LT)(由参考标号26指示)也被监测，并且作为输入发送到控制逻辑单元28。如图1中显示，各个运送器可与控制逻辑单元相关联，共同包含在能量优化单元30中。能量优化单元30对运送器马达分配使用设定点来运行甘蔗准备单元12，使得其消耗最少能量，同时满足在第一榨机的斜道22中保持均匀的馈送的目标和其它运行目标。本文在下面更详细地描述了能量优化单元30实现这些目标所采用的方法。 [0019] 图2是图1的甘蔗准备单元的示意图的框图，其中甘蔗准备单元12包括用于相应的预定功能的多个运送器16、18、20，例如如本文上面描述，第一运送器16用作切割机的运送器，第二运送器用作粉碎机18的运送器，而第三运送器用作输送器20，输送器20用于将粉碎甘蔗块传输到第一榨机的收集器单元或斜道22。甘蔗准备单元包括本发明的能量优化单元30，以基于甘蔗准备单元的至少一个运行变量的最少能量消耗来产生使用设定点。本文所称的至少一个运行变量包括(但不限于)切割机料位指标、切割机速度指标、切割机输出尺寸指标、粉碎机料位指标、粉碎机速度指标、粉碎机输出指标、输送器料位指标、输送器速度指标和最终输出料位指标，以及它们的组合。在示例性实现中，速度设定点用作运行变量，并且目标函数设计成最大程度地减少第一碾压榨机的斜道料位中的误差，以及获得运送器的导致能量优化解决方案的最小速度设定点。本领域技术人员将理解，在不同的实施例中，还会对所有这些运行变量或这些运行变量中的一组产生使用设定，并且而不限于一个运行变量。 [0020] 为了获得使用设定点，能量优化单元30构造成接收选定的一个或多个运行变量的工作范围作为输入。工作范围可由操作员提供，或可为能量优化单元的预先限定的输入。能量优化单元估计与选定的一个或多个运行变量的工作范围中的第一多个设定点对应的能量消耗。能量优化单元然后选择与至少一个运行变量的最少能量消耗对应的一个或多个第一设定点作为使用设定点。使用设定点然后针对选定的一个或多个运行变量而应用于多个运送器。在其中考虑了不止一个运行变量的某些实施例中，各个运行变量的工作范围用作能量优化单元的输入。参考标号32指示能量优化单元30和不同的运送器16-20和第一榨机斜道22之间的通信和控制指令流。通信流包括呈马达速度值和各个运送器的材料料位的形式的输入，而控制指令包括各个运送器的马达速度的使用设定点。 [0021] 对于采样时间，能量优化单元30可还预先编程或手动设定，以在甘蔗准备单元12的运行期间以周期性的间隔接收使用设定点和其它运行变量，以估计最少能量消耗和对应地产生新的使用设定点。在一些实现中，能量优化单元可动态地监测当前的一个或多个运行变量(这将还包括使用设定点)，以及周期性地或持续地估计当前运行变量的能量消耗，并且产生与最少能量消耗对应的第二设定点。在第二设定点不同于第一设定点的情况下，那么能量优化单元选择第二设定点作为新的使用点，并且将它们用于甘蔗准备单元。在第一和第二设定点两者相同的情况下，则不对甘蔗准备单元的设定点作出改变。本领域技术人员将理解，能量优化单元可为与甘蔗准备单元的现有控制器或甘蔗厂的中央控制单元不同的构件，或者可集成为甘蔗准备单元的现有控制器或甘蔗厂的中央控制单元，或者与甘蔗准备单元的现有控制器或甘蔗厂的中央控制单元集成在一起。 [0022] 甘蔗准备单元12可进一步包括显示单元34，用于显示使用设定点和甘蔗准备单元在使用设定点下的能量消耗。显示单元可呈图形用户界面的形式。另外，在一个示例性实现中，显示单元可与能量优化单元30集成在一起。在一个时段内的使用设定点的数据和对应的能量消耗可存储在适当的存储介质中，以用于存档和检索，以及用于产生报告和进一步分析这种数据。 [0023] 能量优化单元实现的目标是最大程度地减少甘蔗准备单元的能量消耗，以及保持均匀的馈送和避免刀具/粉碎机的过载，以及确保不同的运送器的平滑加速。这通过对甘蔗准备单元使用基于模型的最优控制框架来实现，如下面描述的那样。 [0024] 本文描述的示例性模型由运送器的动态模型组成，动态模型包括马达的速度作为输入，并且包括在那个区段中的材料的料位作为输出。因为所有甘蔗运送器和甘蔗准备单元都是串联地布置，所以材料料位和运送器的速度会影响下一个运送器的料位。例如，第一榨机速度的斜道料位受在第一榨机之前的前面的运送器的速度和甘蔗料位的影响。在一个示例中，基于动态响应数据来建立这些模型，包括从在甘蔗厂中执行的测试中收集的输入和输出数据两者。这些动态模型能以一阶传递函数加上死时间(dead time)或状态空间模型的形式表示，如下面给出： [0025] 传递函数模型： [0026] Yn+1=(1–T/Tc)Yn+Kp T Un-k/Tc [0027] 其中，Yn+1和Yn分别是在采样瞬间n+1和n下的输出； [0028] Un是在第n个采样瞬间下的输入； [0029] T是采样周期； [0030] Tc是工艺的时间常数； [0031] Kp是工艺增益； [0032] K是工艺的死时间，其表示为采样周期数； [0033] 甘蔗准备系统的状态空间模型则能表示为： [0034] dX/dt=AX+BU [0035] Y=CX+DU [0036] 其中，X为运送器和第一榨机中的系统的状态(运送器中的材料料位)的向量； [0037] A、B、C和D是包含模型的参数的矩阵； [0038] U是诸如马达的速度的输入的向量； [0039] Y是工艺的测量输出，诸如运送器和第一榨机中的甘蔗的料位(不是有所料位都能在测量时获得)。 [0040] 根据本发明的方法，这些确认的动态模型在控制策略中用于计算马达速度的最优设定点，如本文下面给出的目标函数表达式所描述： [0041] [0042] 其受约束于： [0043] X(k+1)＝f(X(k)，d) [0044] [0045] dmin≤d≤dmax [0046] 其中， [0047] [0048] =第一榨机斜道料位；Np=预测水平；Nc=控制水平。 [0049] 假设甘蔗准备系统具有‘m个’运送器，它们各自由马达驱动。目标函数的第一项最大程度地减少第一榨机斜道料位中的差异，以确保均匀进料。第二项对应于最大程度地减小甘蔗运送器马达的速度，以确保最优地使用能量，这基于假设：运送器/传输器系统是恒转矩-变速载荷，如文献中广泛已知的那样。目标函数的第三项确保平滑地加速。W1和W2是建立折衷的适当的加权矩阵。这些约束提供系统的状态-空间模型，该模型预测第一榨机斜道料位，X为状态向量，其维度n取决于系统的阶数和时滞。状态空间模型可为线性或非线性的，并且能包含形成来预测第一榨机斜道料位的所有类型的模型。刀具/粉碎机载荷限制转变成对决策变量d的适当的约束。优化问题的解会对运送器的单独的马达控制器给出设定点，例如速度设定点，以便平滑和安全地运行运送器。模型还有利地允许能量优化单元检测或预测斜道在近期过流/跳脱的任何可能性，并且采取适当的控制措施。 [0050] 本发明的另一个方面是用于运行甘蔗准备单元的方法，如图3的流程图36中所表示。方法包括步骤38，对至少一个运行变量提供工作范围。参照图1还提到的运行变量的示例包括(但不限于)下者中的一个或多个：切割机料位指标、切割机速度指标、切割机输出尺寸指标、粉碎机料位指标、粉碎机速度指标、粉碎机输出指标、输送器料位指标、输送器速度指标和最终输出料位指标，以及它们的组合。 [0051] 分步骤的方法涉及步骤40，估计与至少一个运行变量的第一多个设定点对应的能量消耗。在步骤42，选择与至少一个运行变量的最少能量消耗对应的一个或多个第一设定点作为使用设定点。最终，如步骤44所指示，在使用设定点下运行甘蔗准备单元。 [0052] 图4的流程图46表示用于运行甘蔗准备单元的方法的另外的步骤。该方法包括步骤48，以不同的时间间隔监测至少一个运行变量在使用设定点下的能量消耗，以及步骤50，重新估计与第二多个设定点对应的能量消耗。在步骤52，检查第二多个设定点是否提供更优化的运行解决方案。在步骤54，可基于上面的步骤选择一个或多个第二设定点作为与最少能量消耗对应的新的使用设定点。并且再一次，在新的使用设定点下运行甘蔗准备单元，如步骤56处所指示。在一个示例性实施例中，第一设定点和第二设定点由甘蔗准备单元的模型产生。如前面所阐述，在一个示例中，一个或多个第二设定点与一个或多个第一设定点相同，并且在运行甘蔗准备单元中不需要进行改变。 [0053] 因而能量优化单元和基础方法可实现为与用于运行制糖厂的系统集成的工具，以提供优化控制解决方案来运行甘蔗准备单元，该优化控制解决方案实现能量优化和传统的目标，并且因而改进制糖厂的效率和降低运行成本。 |
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