自动质量补偿在饮料在线调配生产中的应用

易余

（利乐贸易（上海）有限公司，上海 200126）

饮料行业作为中国改革开放以来的新兴行业，近些年来不断发展和成熟，逐渐改变了以往规模小、竞争无序的局面。单一品项的产能规模越来越大，除了传统的碳酸饮料、茶饮、功能饮料、果汁等传统饮品外，含乳饮料、植物基燕麦等饮料也逐渐风靡全国。为满足市场需求，传统的方式一般为新建多条生产线来扩张产能、提高产量，对于资本的投入也是成倍数增加。而引入先进的饮料连续生产调配系统不仅可以满足提高产能的需求，也能极大的节省能耗与生产场地。为了实现这个优势，引进利乐先进的连续调配工艺对生产进行优化，该工艺是通过采用先进的现代控制方式扼制和消除生产过程中的干扰对系统调配质量偏差的影响[1]，来实现在连续调配过程中能精确地控制产品质量。

1 在线连续调配工艺分析与实现基础

饮料调配工艺有几个需要控制的关键指标，比如白利度、蛋白含量、pH 值等。只有各个配方成本添加量满足指标要求才能到达产品合格标准，因此常规的批次调配模式比较常见。但大多数情况是过度添加满足指标要求，随之也带来了成本的提升。而连续调配模式如果能够保证所有关键成分符合质量指标同时能稳定控制指标含量，如图1 所示，将会很大程度上降低原料成本，稳定产品质量，也能提高生产效率。

图1 传统模式与连续调配模式指标损失对比

这里提到的连续在线调配是一种基于质量流量的技术，关键的测量仪表为质量流量计。质量流量计能够直接而精密地测量流体质量流量，测量的部件采用两根并排的U 形弯管,管路里面流动介质后在回弯部分会相向振动，当密度为ρ 的流体在旋转管道中以恒定速度流动时，任何一段长度的管道都将受到一个切向科里奥利力，测量在旋转管道中流动流体产生的科里奥利力就可以测得质量流量[2]。

基于质量测量的方式满足高粘度和高精度的连续在线混合方式。各主要配方成分采用浓缩基料的形式通过2 路甚至5 路在线添加至混合管路中，实现各成分在添加过程中满足指标要求。比如其中一个支路的定容水通过泵送稳定的压力，经调节阀和流量计进行精确测量后进入混合管线。集中调配好的浓缩基料和高浓度糖浆分别通过缓冲罐经质量流量计和调节阀与主路汇合，工艺模式如图2 所示。浓缩液的添加流量由调节阀进行控制。混合后的产品流至缓冲罐通过白利度计（或者通过质量流量计转换）对最终的白利度值进行计算调节，这里缓冲罐并非必要，但是经缓冲罐后便于取样，也能为调配系统在出现干扰时进行自我调节提供了空间，成品连续出料流至超高温杀菌机。

图2 在线连续调配工艺模式示意图

2 自动质量补偿（AMC）

实现在线连续调配的关键部分是精确控制各添加成分的含量。AMC 作为连续在线调配的核心控制模块，可以在制作过程中连续监控各添加支路间的质量偏差。为了便于直观的理解，这里的偏差质量定义为纯干物质质量。控制添加的支路可以从2 路扩展到5 路混合。质量偏差最有可能发生在生产开始阶段。如果生产过程中受到某些干扰，也有可能出现质量偏差。AMC应用小增益理论[3,4]，采用自适应控制闭环传递函数，在生产过程中尽可能快地将各支路的质量偏差调整到接近消失，最终在出口管线中维持稳定的白利度，或总固形物含量。

自动在线质量补偿技术设计用于检测干扰，计算其影响，并通过加多或减少系统中的成分质量进行直接补偿，使最终产品的各成本保持在稳定的水平。如图3 所示，当调配过程中产生干扰导致添加的配方成分减少或者增多时，系统快速响应实时计算偏差质量，使总体配方偏差控制在允许范围内。

图3 连续调配过程中质量偏差补偿

2.1 AMC 工作方式

生产过程中各添加支路浓缩物料的质量由程序每秒收集4次或以上，收集次数可根据实际情况设定。根据浓缩原料的实际白利度值，程序将计算最终产品的实际白利度。然后将其与最终产品的设定值进行比较，偏差值保存为含有100°干物质的浓缩物料质量。实际偏差将显示为浓缩原料的质量。

当质量偏差大于预设限值时，调整将开始。当质量偏差小于预设水温偏差限值加预设时间时停止。当质量偏差值为0.0 kg输入到P 控制器；该控制器的计算输出为0.0～100.0%。然后将该输出连接到AMC 控制器，该控制器激活后开始计算各浓缩物料的质量流量设定值。我们可以调整增益因子（P_PF）来控制最终白利度值的稳定时间。P_PF 是P 控制器的增益，P 控制器是用于计算质量流量设定值的公式。增益对于调节质量偏差产生更快的响应。质量偏差由程序中的公式连续计算。将最终产品的白利度的设定值与实际流量及偏差时间计算出来的白利度值相比较。

随着质量偏差出现，程序开始计算流量的新设定值。根据白利度的设定值和测量的白利度值计算出新的流量设定值，以使新的各浓缩物料的流量彼此成比例。例如，如果质量偏差为1.0 kg，AMC 将按比例降低或提高该浓缩液流量设定值，并增加或降低定容水支路流量设定值。随着偏差减小，对各添加物料的设定值的影响也将减小，直到偏差小于预设极限值。

2.2 AMC 理论控制模型与设计

AMC 控制模型采用双控制器调节，计算调节偏差后重新设定控制器设定值，随动控制输出，达到自动质量补偿的目的，模型如图4 所示。

图4 自动质量补偿控制模型

Ad_R：自动质量补偿流量设定值调节范围百分比；

AMC F_SP：自动质量补偿计算输出的实际流量设定值；

P_Ctrl：P 控制器计算输出；

P_Ctrlout=(Dev_SV-Dev_SP) x P_PF；

AMC_Ctrl：AMC 控制器流量设定值计算输出；

AMC F_SP=F_SPx P_Ctrlout+F_SP。

其中P_PF 增益因子和 Ad_R 调节范围的大小都不能为零。如果在增益系数或调节范围极限中选择零，则不会发生质量补偿。

当质量偏差大于设定值时激活AMC。偏差值的设置与出口缓冲罐的大小有关。

偏差计算公式如下：

其中n为开始调整后计算次数，xi为当前计算偏差值，为累计计算平均偏差。

同样需要设置AMC 调整范围Ad_R。AMC 的调整范围是一个百分比值，它决定了在AMC 控制期间允许流量设定值改变的幅度。增益因子P_PF 的大小会影响调节的响应时间，如图5 所示。这个值设置后，以令控制器在AMC 期间不会持续振荡。

图5 连续调配过程中偏差调整响应时间

影响调整时间的因素是质量误差的大小、AMC 启动偏差范围和停止限制、AMC 调整范围的大小以及增益因子的大小。

2.3 调节增益因子参数测试

以2 路物料支路为例，设定质量偏差为0.25 kg。当生产过程中发生扰动，导致基础物料回路1 的流量下降，则AMC开始自动补偿计算和输出，重新调节基础物料回路1 和浓缩物料回路2 的设定流量，使最终的质量浓度偏差回归到0。

当P_PF 增益因子设定为25 的情况时，调整响应时间33秒后质量偏差为0 kg，如图6 所示；当P_PF 增益因子设定为50 的情况时，调整响应时间缩短为13 秒后质量偏差为0 kg，如图7 所示；当P_PF 增益因子设定为75 的情况时，调整响应时间为18 秒后质量偏差为0 kg，如图8 所示。

图6 增益因子为25 质量偏差调整完成响应时间

图7 增益因子为50 质量偏差调整完成响应时间

图8 增益因子为75 质量偏差调整完成响应时间

3 茶饮料连续调配结果与讨论

图9 茶饮料成品实际白利度曲线

图10 受干扰地的糖浆基料白利度曲线

茶饮料在线连续调配系统用质量流量计来精确计量流量和质量，通过控制调节阀的开度来调整添加流量大小。通过设置配方参数，先预置总流量（进调配系统的物质总量），浓缩物料和基础物料的比例、白利度、最终混合均匀成品白利度、白利度修正值。以浓缩茶汁，糖浆、调配用水作为主控对象。连续生产过程中通过不断检测成品白利度来适当调整各浓缩物料和水的比例，以达到控制成品白利度的目的。

设定最终成品的白利度值(比如8.77°)，通过系统里面随机抽取生产一个小时的成品白利度，调配基料为白利度值为60°的浓缩物料。通过一个小时的观察和验证，一路浓缩物料流量出现扰动的情况下（供料泵启动和停止），系统自动补偿，最终成品的白利度波动范围都在±0.03°以内，如图9 为成品实际白利度曲线。图10 为质量流量计测量的实际值加上误差补偿后的一路糖浆基料受干扰后的白利度曲线，其中的扰动为供料泵暂停和罐体切换。

4 结论

通过前面在线调配的分析，我们可以改变传统的批次罐调配模式。利用连续调配模式为饮料生产线节省前期项目投资及后期运营成本。通过减少众多的调配罐、定容罐，将这些罐体仅保留浓缩基料的配置，其余都由连续在线调配系统取代，精简了生产配置，将生产与设备管理轻量化。连续调配模式有更稳定的质量指标控制，利用AMC 精准的动态质量补偿干扰导致的指标偏差，实现稳定的添加质量，还能在原有的批次罐调配基础上减少原料添加成本，也能减少因频繁的质量检测而产生的误差，更加便于质量管控。自动质量补偿将能为扩大产能的实际需求带来可观的经济效益。