面临的挑战
在乳制品行业，企业为了更高效地运营以保持竞 争力，需要在增加产量的同时降低成本，取得总体竞 争优势。也有许多企业把生产方向转移到附加值更高的特殊产品，但这也要求更高的质量标准（例如低脂、 无脂和高蛋白等）。为了生产这些差异化产品，工厂运 营必须采用更加严格一致的产品规范。奶粉生产过程通常使用多种干燥设备和蒸发器来经济高效地干燥浓 缩液体中的水分。干燥机设备和蒸发器是乳制品加工行业内耗能最大的装置。此过程的控制优化对降低成本并达到最终产品质量标准起到关键作用。
但客户在生产过程却面临着以下挑战 ：
◆ 干燥设备进料牛奶固形物含量不一致 ；
◆ 能源使用效率低 ；
◆ 含水率波动大 ；
◆ 需要平衡干燥设备和蒸发器之间的功率匹配等 ；
传统的浓缩干燥控制都是由经验丰富的老师傅， 在 OEM 设备提供商按照传统 PID 的控制算法的基础 上，根据经验进行实时的工艺参数调节，既依赖人工 及操作经验，质量指标和能耗也不稳定。因为传统的 PID 控制只能解决线性的逻辑控制，但干燥和蒸发是 个大滞后的非线性过程，生产过程中会受到天气、设备、 能源供应和人工经验的干扰和制约，因此无法实现实 时最优控制策略和效果。
方法原理
为了解决类似存在多个干扰和影响因素的控制策略问题，我们引入了模型预测控制（MPC），因为 MPC 具备 ：
◆ 多变量输入和多变量输出 ；
◆ 预测控制 ；
◆ 直接在线模拟实验室测量值 ；
◆ 清晰的动态模型 ；
◆限值（监测和预测未来限值）；
罗克韦尔自动化的 Pavilion® 是基于模型预测控制（MPC）算法结合流程工业制造场合的特点而研发 出来的一款软件，除了支持传统的线性建模，也是全 球第一套支持非线性建模技术的软件，并拥有 30 余 年全球 160 多个项目的实践经验积累。它可以有效地 降低关键指标产品的波动变化，通过优化既有控制系 统的参数，减少人工干预，以尽可能接近标准上限（卡 边效应）的方式进行过程运营（如图一所示），从而使 企业获得尽可能高的利润。此方案还可提高现有设备 的使用率和产量，减少不合格产品和浪费，尽可能降 低产品的能耗，以及减少对人工经验的依赖。最终实现：
◆ 降低产品质量不稳定性 ；
◆ 实现“工厂合规”；
◆ 实现过程受控 ；
◆ 提高收率和产能 - 在保持适当安全余量的同时，以更接近卡边效应的方式运行 ；
图一.卡边效应图解
解决方案
罗克韦尔自动化 MPC 和优化应用适用于每套设 备的具体配置和设定目标值。它结合使用干燥塔和蒸发器的平衡控制策略，构成一套集全方位变量控制和优化于一体的综合性解决方案（如图二）。与此同时实 施此双效应用程序解决方案，有机会在蒸发器与干燥 塔之间实现热能平衡，可取得最优能源使用效率和成本控制。
效果收益
干燥塔和蒸发器过程优化适用于单步和多步喷雾 干燥过程，快干设备以及流化床干燥。它将产品平均 水分控制在目标范围内，同时降低整体水分波动。对 含水率的卡边控制可以同时提高产品收率。此方案用 于解决由于干燥设备进料牛奶固形物含量不一致、含 水率波动大、需要平衡干燥塔和蒸发器之间的功率匹 配等问题，经验证 MPC 平均投资回报都在 8-12 月， 并可实现 ：
◆ 提高产量达 10% ；
◆ 提高排气相对湿度达 16% ；
◆ 减少能耗达 12% ；
◆ 减少不合格产品达 75% ；
◆ 减少含水率波动达 60% ；
◆ 提高干燥塔进料牛奶固形物的一致性 ；
总结
罗克韦尔自动化的 Pavilion 解决方案目前已证实 可应用的工艺涵盖干燥，蒸发、浓缩、蒸馏、发酵等； 可应用的行业包括咖啡、乳制品、薯条、淀粉、蛋白粉、 猫砂、洗衣粉、粮食加工等。
* 以上效果和收益会因工艺和现场设备差异而有所不同
