（化工过程机械专业论文）软测量在丸剂干燥线测控系统中的应用基础研究.pdf

华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 南五 日期：加r 年6 月孑e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密函，在五年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： ，毒z 参n 日期：炒y 年石月ge 1 日期：舻乡月粕 l 摘要 摘要 干燥是中药丸剂生产中最常用、最重要的操作单元，干燥操作性能的优劣 直接影响产品的质量和生产过程的消耗。为了对干燥系统实施先进控制、操作 优化和性能监视、安全监控以及生产评估等任务，通常需要获得一些重要过程 变量的实时数据，但是由于技术或经济原因，这些变量有时难以在线实时检测。 为了实现对干燥产品水分含量的在线检测，本文从工艺系统的全局出发， 把在线检测与软测量技术紧密结合，并根据有关最优准则，选择一组既与主导 变量有密切联系又易检测的变量，通过构造参数之间数学关系，用计算机软件 实现对主导变量的预测和估计。 本文以干燥生产线为研究对象，利用先进的过程检测技术，构建现场试验 测量系统，对温度、速度等辅助变量进行准确测量，为实现软测量的目标奠定 了基础。软测量模型的建立目前常用的有两种方式：机理建模和经验建模。针 对本课题研究对象，从试验的角度出发，运用了线性、非线性回归和神经网络 经验建模的方法，并对结果进行比较，得出了最优的建模方法。比较的结果同 时也证明了干燥过程具有很强的非线性，利用b p 神经网络的方法进行建模克服 了其他方法建模过程复杂、精确度不足的缺点。神经网络建模不必深究机理， 只须得到有效的反映真实工况的生产数据，就能建立系统输入输出关系的优点 在本试验中得到了良好的体现。 本文在模型建立的基础上，对后续工作也提出了一些构想，在神经网络模 型得到校正之后，将神经网络同模糊控制结合，实现过程的在线控制，能够最 终应用于实际生产中。 关键宇：软测量神经网络微波干燥模糊控制 华南理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h em o s ti m p o r t a n ta n df r e q u e n to p e r a t i o nu n i ti nt h ep r o d u c t i o no fc h i n e s e t r a d i t i o n a lm e d i c i n ep i l li sd e s i c c a t i o n t h eq u a l i t yo fd e s i c c a t i o ne f f e c t st h eq u a l i t y o fp r o d u c t sa n dt h ep r o d u c t i o nc o n s u m p t i o n i no r d e rt oa c h i e v es o m eg o a l ss u c ha s a d v a n c e dc o n t r o l l i n g ，o p t i m i z e do p e r a t i o n ，p e r f o r m a n c em o n i t o r i n g ，s e c u r i t y s u p e r v i s i o na n dp r o d u c t i o ne v a l u a t i o na n ds oo n ，h a v et og e ts o m er e a l - t i m ed a t ao f s o m ei m p o r t a n tp r o c e d u r e b u ti t sd i f f i c u l tt og e tt h e s ed a t ai nt h er e a s o n so f t e c h n o l o g yo re c o n o m y t h i sp a p e rp r o v i d e sam e t h o dt oc h e c kt h ew a t e rc o n t e n to ft h ed e s i c c a t i o n p r o d u c t s o nl i n e t h r o u g hc o n n e c t i n gt h e s o f ts e n s o rt e c h n i q u ew i t ho n l i n e m e a s u r e m e n tt e c h n i q u ea n dc h o o s i n gag r o u po fv a r i a b l e sw h i c ha r ec o n n e c t e dw i t h l e a d i n gv a r i a b l e sn e a r l ya n dc a nb ec h e c k e de a s i l yb a s e do ns o m eo p t i m i z e dr u l e s t h e nt h el e a d i n gv a r i a b l e sc a nb ee v a l u a t e db a s e ds o f t w a r eb yc o n s t r u c t i n g m a t h e m a t i c sr e l a t i o nb e t w e e nv a r i a b l e s t h ep a p e ri n d i c a t e st h er e s e a r c ho b je c ta st h er e a l t i m ec h e c k i n gs y s t e mw h i c h i si n s t a l l e do nt h el o c a lp r o d u c i n ge n v i r o n m e n t t h es y s t e mc a nm e a s u r es o m e a s s i s t a n tv a r i a b l e ss u c ha st e m p e r a t u r e ，s p e e da n ds oo nt h r o u g hs o m ea d v a n c e d p r o c e s sc h e c k i n gt e c h n i q u e t h ea c h i e v e m e n to fs o f ts e n s o ri sa l s ob a s e do nt h i s s y s t e m t h e r ea r et w om e t h o d st o s e tu pas o f ts e n s o rm o d e l ：s e t t i n gb a s e do n m e c h a n i s ma n ds e t t i n gb a s e do ne x p e r i e n c e f o rt h er e s e a r c ho b j e c to ft h ep a p e r , t h e a u t h o rs e t su pm o d e lb a s e do nl i n e a r i t y , n o n l i n e a r i t yr e g r e s s i o na n dn e u r a ln e t w o r k s a n dd o e ss o m ee x p e r i m e n t st og e tt h eo p t i m i z e dm o d e l i n gm e t h o d t h er e s u l to f e x p e r i m e n t sa l s op r o v e st h a tt h ep r o c e s so f d e s i c c a t i o nh a san o n - l i n e a r i t yc h a r a c t e r s ot h em o d e l i n gm e t h o db a s e do fb pn e u r a ln e t w o r k si ss u i t a b l ef o rt h i sp r o je c t t h i sm e t h o dc a no v e r c o m es o m es h o r t c o m i n g ss u c ha sm o r ec o m p l e xa n dl e s s a c c u r a t ep r o c e s s i n go fo t h e rm o d e l i n gm e t h o d s t h ee x p e r i m e n tr e s u l t so ft h i s p r o je c ta l s op r o v et h em e r i to f t h em o d e l i n gb a s e do nn e u r a ln e t w o r k st h a tc o l l e c t i n g t h ed a t ac o m i n gf r o mt h er e a lp r o d u c i n ge n v i r o n m e n tw i t h o u tt h i n k i n ga b o u tt h e t h e o r ya n dg e t t i n gt h er e l a t i o no fi n p u ta n do u t p u to fs y s t e m t h ea u t h o ra l s op r o v i d e ss o m ei d e a sa b o u tf u t u r ew o r k a f t e rp e r f e c tt h em o d e l b a s e do nn e u r a ln e t w o r k s ，c o n n e c t i n gn e u r a ln e t w o r k sm o d e lw i t hf u z z yc o n t r o lw i l l a b s t r a c t a p p l yt ot h er e a lp r o d u c i n ge n v i r o n m e n tt or e a l i z et h eo n l i n ec o n t r 0 1 k e yw o r d s ：s o f ts e n s o r n e u r a ln e t w o r k sm i c r o w a v ed r y i n g f u z z yc o n t r o l 目录 目录 摘i i e i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 概述1 1 2 国内外应用研究现状2 1 2 1 丸剂干燥技术的应用现状2 1 2 1 1 药品干燥设备的发展现状2 1 2 1 2 干燥控制的发展现状3 1 2 2 软测量技术在干燥过程中的应用现状4 1 3 课题的研究对象及内容。6 1 4 课题的研究意义。7 1 5 本章小结8 第二章理论研究9 2 1 微波干燥9 2 1 1 微波干燥的原理9 2 1 2 微波干燥同传统干燥的区别。1 0 2 1 3 微波干燥过程1 1 2 2 软测量技术。l l 2 2 1 软测量技术的数学描述和结构1 2 2 2 1 1 软测量的数学描述1 2 2 2 1 2 软测量的结构。13 2 2 1 3 软测量的工程化应用设计1 3 2 2 2 机理分析与辅助变量的选择1 4 2 2 3 数据采集和处理。1 5 2 2 4 软测量模型的建立。1 5 2 2 4 1 机理方法1 5 2 2 4 2 经验方法l5 2 2 4 3 软测量模型的在线校正1 6 2 3 编程与数据库技术1 6 2 3 1 v i s u a lb a s i c 编程技术1 7 2 3 2 数据库技术1 7 华南理工大学硕士学位论文 2 4 本章小节。18 第三章测量系统的建立。1 9 3 1 丸剂干燥生产线介绍1 9 3 2 测量方案研究2 0 3 2 1 干燥过程中的变量2 0 3 2 2 测量点的选取2 1 3 3 测量仪器的选择2 2 3 3 1 过程检测技术与测温元件2 2 3 3 1 1 传感器与测量方法。2 2 3 3 1 2 热电偶。2 3 3 3 1 3 热电阻2 3 3 3 2 温度变送器2 4 3 3 3 一体化铂电阻温度变送器2 5 3 3 4 传感器的标定。2 6 3 3 5 现场水分测试仪器。2 7 3 4 数据采集元件2 7 3 4 1 数据采集接口。2 7 3 4 2 数据采集卡2 8 3 4 3 接线端子板2 9 3 4 4 工业控制计算机2 9 3 5 现场接线与安装3 0 3 5 1 传感器的安装3 0 3 5 2 信号线的连接3 0 3 6 测试系统程序设计3 2 3 6 1 计算机辅助测试系统3 2 3 6 2 数据采集程序开发。3 2 3 7 本章小节3 4 第四章软测量模型与实验数据分析。3 5 4 1 数据预处理3 5 4 2 数据分析3 6 4 2 1 干空气入口温度变化3 6 4 2 2 湿空气出口温度变化3 7 4 3 软测量建模3 8 4 3 1 多元线性回归( m l r ) 法3 8 4 3 2 神经网络法4 5 目录 4 3 2 1 b p 网络的基本结构和算法 4 3 2 2 神经网络建模 4 4 本章小节 第五章自动控制与软测量的结合 5 1 自动控制与计算机控制系统 5 1 1 自动控制方式 5 1 2 计算机控制系统 5 1 2 1 计算机控制系统的组成 5 1 2 2 控制系统的控制过程 5 2 干燥系统与模糊控制 5 3 控制系统设计 5 4 本章小节。 结论 参考文献 攻读学位期间发表的学术论文。 致 射 附录：训练数据和检验数据。 h i 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着现代科技进步，各类生产工艺技术不断改进提高，生产过程连续化、 大型化不断强化，对过程内在规律的进一步了解，以及自动化仪表、计算机的 迅猛发展，出现了大量先进的自动化成套设备及装置，例如集散控制系统、可 编程控制器、现场总线等。生产过程控制由常规仪表控制向计算机控制发展， 常规控制向先进控制、优化控制发展，生产过程自动化水平从局部自动化向综 合自动化迅速发展2 1 。 干燥过程在国民经济的各部门有着广泛的应用，干燥的产品便于加工、运 输、贮存和使用。从化学工业的产品如肥料、染料、无机盐到医药工业、粮 食、食品、饲料均离不开干燥过程，通过干燥使产品具有良好的扩散性、均一 性、正确地完成干燥过程有利于保证和改进产品的质量，对提高生产促进经济 的发展有十分重要的作用2 钉。 干燥是产品制备过程中的重要环节，同时又是能耗大的单元操作之一。发 达国家干燥操作能耗约占全国总能耗的1 3 - - - - 2 0 ，我国占l o 。随着工业自动 化的发展，集约型的生产形式正逐渐推广开来，自动控制技术在干燥过程中得 到了普遍的应用，干燥装置的发展趋势也表现为追求设备的多功能化，集成化。 一般多采用至少一种非干燥操作与干燥操作相结合的方式，开发新的设备。这 些发展将改善工艺过程，降低生产的成本，还可以大幅度降低能耗。在干燥机 的使用和设计中若能引入计算机技术，将改善干燥机的设计速度和质量，提高 干燥产品的质量。比如，在药剂干燥过程中用计算机作为干燥加工的监测器和 控制器，可使干燥过程接近最佳操作状态。而干燥技术也将使用模糊逻辑、神 经网络、专家系统等实现过程的控制，以及在线测量湿含量及产品质量等等， 作为未来发展的重点 s 4 1 。 随着工业自动化的发展，集约型的生产形式正逐渐推广开来，自动控制技 术在干燥过程中得到了普遍的应用，国内外先进的干燥过程有许多采取了自动 控制的方式。比如：木材干燥、乳粉干燥、谷物干燥、果蔬干燥、药材干燥等 生产中都采用了自动控制技术，并且所采用的方法也多种多样，主要的有：干、 湿球温度控制法、平衡含水率控制法、时间基准控制法等n 8 2 4 1 。随着能源问题 的突出以及农村经济由粗放型向效益型转变，自动控制技术得到了前所未有的 华南理工大学硕士学位论文 重视。尤其是伴随传统控制理论的成熟和智能控制理论的发展以及高性价比处 理器的使用，产品干燥过程在控制和建模方面取得了显著进步。但某些干燥过 程是一个非常复杂的热质传递过程，并且对产品的质量要求较高，用传统控制 理论仍旧难以精确地描述干燥过程从而建立可形成实用软件的模型。由于近年 来迅速发展的智能控制理论在类似领域不断取得成功，智能控制技术开始逐步 应用于各种干燥过程。回顾干燥过程控制的发展，针对现存的问题，提出一种 利用软测量技术实现干燥过程在线测控的方法盯。 1 2 国内外应用研究现状 1 2 1 丸剂干燥技术的应用现状 中药是我国的传统医学和传统文化的瑰宝，数千年来为中华民族及世界人 民的健康做出了巨大的贡献。但是，我国的中医药研究长期处于低水平重复， 缺乏完善的质量控制技术；而且，许多中药仍处于“粗、大、黑 的落后状态。 水丸、水蜜丸形式的小颗粒中药丸，由于具有颗粒小、易于服用的优点，受到 了患者的欢迎，成为近几年快速发展且具有远大前途的中药品种，目前，已被 中药丸生产厂家广泛采用。 1 2 1 1 药品干燥设备的发展现状 在我国，虽然干燥设备的应用已有几十年的历史，但大规模地开发干燥技 术是近二十年来的事。中成药目前采用的干燥设备有滚筒式干燥器、烘箱、喷 雾干燥器、沸腾干燥器、真空减压干燥器、红外干燥器及微波干燥器等。这些 设备分别用于中药半成品的干燥，如药液或浸膏；或者用于成品干燥，如颗粒、 片剂等的干燥。 目前国内中药厂对丸剂的干燥仍旧有许多厂家采用烘箱、减压干燥箱和喷 雾干燥器。但是，烘箱和减压干燥的缺点较多：( 1 ) 物料和干燥介质接触不充 分，干燥时问长，效率低；( 2 ) 干燥过程中要求在高温下人工翻动和卸料，操 作环境恶劣；( 3 ) 干燥箱不易清洗；现基本上已改用回转真空干燥机。喷雾干 燥是目前制药工业中较先进的干燥技术，但也存在如下不足：( 1 ) 体积传热系 数小，干燥强度低；( 2 ) 设备结构复杂，占地面积大，造价高。因此其推广应 用受到限制1 。 随着微波干燥技术的发展，我国也自行研制出了微波干燥设备，并且在国 2 第一章绪论 内比较大的制药厂家开始推广使用。例如：青岛一家干燥设备生产商研制的t s w 系列药丸干燥机，该系列药丸干燥机是经过对水丸、水蜜丸等中药丸干燥特性 的系统研究，解决了众多技术难题而研制成功的新型干燥装置；该产品彻底解 决了原工艺采用烘房干燥或烘箱干燥存在的干燥时间长、温度高、干燥不均匀、 能耗大等众多问题。并且动力源系统采用先进的变频控制技术实现了全智能化 控制，保证了药丸始终处于最佳干燥工况，而动力源系统处于最节能的运行工 况。另外，广州中一药业有限公司成功研制了在微波干燥生产线上增添防药丸 焦化和水分过低的装置，目前已投入使用。该公司针对微波干燥生产线的药丸 在输送过程中，停留在炉内时间过长而造成药丸水分过低的现象，成功研制出 了在生产线上增添防药丸焦化和水分过低的装置，不仅使药品质量得到了保证， 也为设备的安全运行提供了可靠的保障。 1 2 1 2 干燥控制的发展现状 任何丸剂干燥装置在工作过程中，都需要对干燥过程进行控制。干燥过程 控制就是通过调整影响干燥过程的几个关键性参数，使被干燥药品达到稳定均 一的干燥目的。并在满足一定的约束条件下使目标函数优化，目标函数应以单 位能耗最小为目标进行设计。显然，干燥控制在保证产品质量、提高干燥效率 方面起着重要作用。丸剂干燥最容易出现的是药丸干裂或者含水量过高两种极 端情况。为了满足干燥要求，在生产过程中或利用人工控制，或采用设备自动 控制。对于比较简单的干燥设备，所采取的控制方法也比较粗犷，比如利用烘 箱干燥的时候，一般采用的控制手段就是调节干燥温度和干燥时间，以此来保 证干燥产品的质量。连续性生产装备的控制系统，通过对生产过程参数进行了 检测，然后控制生产工艺参数，比如对鼓风干燥的进风温度、速度，对流化床 干燥的带速进行控制等等，控制手段仍旧比较简单。目前已经进入智能化时代， 各种控制仪器仪表完全能够满足装备的需要，随着控制理论、控制技术的不断发 展，我国干燥设备的自动化水平也日益提高，在其他干燥过程中( 如：木材、谷 物、蔬果等) 采用微机控制、模糊逻辑控制都有许多成功的实例。例如：洛阳 工学院的董铁有等报导了微波干燥稻谷和糙米的研究。实验采用s u k - 1 2 n 型微 波干燥实验台( 工作频率为2 4 5 0 0 3 g h z ，输出功率0 1 2 k w 连续可调) ，以 日本产新鲜糙米( 初始含水率1 7 8 - - - , 2 0 6 ，容重7 2 5 6 k g m 3 ) 为材料，采用 “顺流通风一干燥方式。结果表明，随着微波功率的增加和风速的减小，糙米 的温度和干燥速度会随之增加，爆腰率也随之增加；所以通过控制微波功率 ( 0 0 9 k w k g 以下) 、风速( 0 1 2 - 0 2 0 m s ) 和料层厚度( 不超过0 1 3 m ) ，来 保证糙米在微波干燥过程中质量不会受到影响 7 1 0 另外，国内外有关文献也报 3 华南理工大学硕士学位论文 导，可采用适当的微波干燥工艺( 如自动控制微波加热功率、加热时间、下料 速度等工艺参数) ，来达到谷物干燥的目的2 1 。 同国外的干燥设备相比，我国生产的干燥设备主要以手动或半自动控制手 段，各参数间不能相互关联，操作中人为因素较多，客观上也影响产品质量。对于 连续生产过程，各种操作参数的关联因素，如热量、风量、进料量、设备运行参 数、在线测量仪器之间的联锁关系很少采用适当的控制手段来完成。对于间歇 式生产过程，干燥终点的控制也极少由控制装置完成。 由于干燥装置的控制水平普遍不高，缺乏合适、有效的控制手段，干燥设备 常出现下列情况。在物料处于降速干燥阶段时，干燥过程需要更多的是时间而不 是热量，但恰在这时由于受控制手段的制约使干燥过程仍处于加热状态，这说明， 干燥过程不加以合理控制，最后使产品过热或水分过低，造成不必要的浪费。还 有一种情况是干燥过程控制手段的缺乏，常出现产品质量不稳定或不合格。 可见，我国虽然已经采用了先进的微波干燥技术，但整体控制水平发展同 国外相比，同其他行业相比还存在着非常明显的差距，因此必须在借鉴国外先 进经验和技术的基础上，努力提高自己的科研能力，实现工业生产的高科技化， 创造出巨大的社会经济效益。 1 2 2 软测量技术在干燥过程中的应用现状 一切工业生产的目的都是为了获得合格的产品，于是质量控制成为所有控 制的核心。为实现良好的质量控制，就必须对产品质量或与产品质量密切相关 的重要过程变量进行严格控制“。然而，由于在线分析仪表( 传感器等) 不仅价 格昂贵，维护保养复杂，而且由于分析仪表滞后大，最终将导致控制系统的性 能下降，难以满足生产要求。近年来，为解决这类变量的测量问题，一种新型 的检测技术一一软测量技术得到了很大发展。随着软测量在各个领域的应用， 它也自然而然的渗入到干燥生产中，干燥产品的质量往往是受干燥产品含水量 的影响，所以软测量在干燥过程中的应用其主要目的就是为了在连续生产中在 线测定产品含水量，进而对干燥过程进行控制和调节，以达到生产合格产品的 要求。 浙江农业大学王俊、许乃章等对干燥中香菇内温度与含水率相关性研究， 利用软测量技术，进行热风干燥香菇时温度失水特性试验，得到香菇升温与干 燥速度、菇温与含水率的相关性。对升温与干燥速度关系作了理论分析，在试 验基础上，经回归分析得到干燥中菇温与菇内含水率相关性的数学模型，作为 干操作业中实现温度反馈控制的依据1 。 东北林业大学的刘亚林对木材干燥窑的控制，也利用软测量技术进行神经 4 第一章绪论 网络的建模方法，通过对干燥过程的环境条件参数进行动态采集，并根据采集 的数据，按照一定的干燥基准，产生木材干燥所需要的控制参数，对木材干燥 过程进行控制。环境条件参数包括了窑内温度、木材温度、时间参量等，神经 网络模型采用b p 网络，控制目标为木材含水量。根据所构建的木材干燥窑神经 网络模型建立木材干燥计算机监控系统的神经网络控制器，在实际生产中实现 实时控制1 。 肖卫国、王志明等利用软测量技术，利用神经网络建模的方法，对p v c 干 燥过程进行控制。p v c 沸腾床干燥过程是一个多输入多输出的系统，产品含水量 和白度受许多过程参数的影响，依靠单纯的仪表控制无法适应工况的变化。p v c 成品质量指标中产品的含水量是干燥床三个干燥室温度、离心机电流、物料初 始温度、料型的函数，产品的白度则是汽提塔顶温度、干燥床三个干燥室温度 的函数。对数据处理得到p v c 产品的质量指标模型，根据模型在线计算各室温 度控制点优化值，直接投入系统的闭环控制，效果十分理想n 们。 谷物干燥中，传统控制一般把热介质温度、热介质流量和谷物流量作为干 燥过程的输入变量或控制变量，把环境温度、相对湿度和入机湿谷含水率作为 扰动变量，而把出机谷物含水率、谷物温度以及排气温度和排气相对湿度等作 为输出变量或被控变量。传统控制策略比较有代表性的研究有：n i k o l i e 和 m o j s o v s k i 于1 9 8 6 年在固定床水稻干燥仿真中应用回归方程预测水稻平衡含水 率。逐渐的又依据软测量技术发展了更为先进更为准确的控制方式，2 0 世纪9 0 年代以来，神经网络的研究势头迅猛，国内方建军、曹崇文于1 9 9 7 年利用神经 网络对谷物干燥过程建模，将a n n 与经典数学模型结合进行混合建模h n m ( h y b r i dn e u r a lm o d e l i n g ) ，以此来进行干燥机的控制n 。张吉礼等人就通过在 线测量谷物温度、原粮温度、热风温度、排气温度、环境温度和排粮电机转速 等，人工检测原粮含水量，利用模糊神经网络进行谷物干燥过程的数学模型， 并同模糊控制结合实现谷物含水量的在线检测与智能预测1 钉。 吴涛，许晓鸣等利用神经网络所具有的捕捉过程输入一输出之间的非线性 关系的能力和学习推理能力，提出了一种基于神经网络的外推预测对流干燥过 程降水率的方法，对于目前仍无法从其内部的运动机理和传热传质特性出发建 立干燥特性预测模型的干燥方式而言，运用软测量神经网络模型能够较正确的 预测物料含水率的变化n 。 我国流程工业均存在能耗高、成本高、劳动生产率低、资源利用率低等特 点，其主要的表现就在于以软测量技术为基础的控制技术的应用不够广泛，另 外水平也比较低。虽然在多个行业都运用了软测量技术，但整体仍然不足1 0 。 这就为以后的发展，比如软测量技术在药品干燥的应用等，留下了广阔的空间。 5 华南理工大学硕士学位论文 1 3 课题的研究对象及内容 在理论支持的基础上，在大量准备工作的前提下，课题以某药厂一条丸剂 干燥生产线为实验研究对象，应用软测量技术，构造过程参数在线测量系统， 依据测量数据建立干燥线生产模型，目的是为了能够根据建立的数学模型预测 产品水分含量，并且能够对控制系统的开发提供有控制依据，最终实现对产品 水分含量进行控制的目的，使产品质量达到合格的标准。 该条干燥线采用微波干燥的方式，通过传送带传送，对湿丸剂进行干燥， 整条干燥线的设备图如下( 图1 - 1 ) 。目前，工厂采用的工艺调节方法是：每隔 一段时间( 一到两个小时) ，选取出口处的丸剂，约5 1 0 克重，利用红外水分 测量仪器进行干丸剂水分检测，根据测量结果判断是否达到产品水分要求，如 果产品不合格，则依据生产经验，对传送带传送速度进行调节。由于检测的时 间大约需要1 5 分钟或者更长的时间，而干燥产品经过干燥炉的时间约为3 分钟， 所以有时候出现调节之前，已经有相当数量的不合格产品生产出来，这就必须 重新加工。不但浪费了人力、物力，产品的质量也没有得到良好的保障。为了 改善当前这种情况，拟利用当前的先进测量和控制技术，对生产线进行探索性 的改造，具体的工作内容包括： 1 ) 确定实验方案，建立一套测量系统，安装传感器等测量元件，用来测量 温度等容易测得的过程参数。 2 ) 编制数据采集的软件，建立数据库，采集生产过程中实时的过程参数并 存储在数据库中。 3 ) 对测量的数据作基本的数据处理，并利用数值分析的方法，拟合出可测 过程参数同控制对象( 不可测参数) 之间的数学关系，即建立可靠的干燥线数 学模型，并分析可测过程参数对控制对象的影响，校正函数模型。 4 ) 根据分析得出的数学关系，提出控制决策，对以后的控制系统的开发提 出建议或方案。 5 ) 完善自动监测系统，完善软件的编制工作，能够实现在线数据记录、历 史查询、日志记录等功能，便于生产岗位管理。 6 第一章绪论 图1 - 1 干燥生产设备 f i g 1 1 d r y i n gp r o c e s se q u i p m e n t 1 4 课题的研究意义 由于中药材本身的特殊性，目前我国水丸、水蜜丸类中药丸的加工过程中 存在许多技术问题，严重影响了该类产品的生产质量；其中，最为突出的问题 存在于干燥过程中。微波干燥设备部分解决了水丸、水蜜丸类中药丸在干燥过 程中存在的问题，使干燥过程既能够在较低温度下进行，又能够以最节能的形 式，在较短的时间内完成。 虽然微波干燥技术在许多方面都体现出了传统干燥方式无法比拟的优点， 但是通过上述的研究和应用现状不难发现，药品干燥的过程控制基本还处在一 个相对简单，相对落后的地步，距离先进控制技术还有很大的差距，另外，软 测量技术的发展，使得许多原来难以测量的参数实现了在线测定，并且给粮食、 木材干燥生产带来的变化可谓日新月异，但是在丸剂干燥中，因为丸剂干燥过 程的复杂性、多变性，国内对于软测量在丸剂干燥过程中的应用到目前还仍旧 是一块空白。 目前，全球的植物药市场年销售额有1 6 0 亿美元，而水丸、水蜜丸形式的 小颗粒中药丸作为受市场欢迎的中药品种，每年的产值也相当大，生产厂家也 将原来越多，故利用微波技术中药丸干燥机产品有很好的市场应用前景。 过程检测和控制是一门比较成熟的技术，随着电子技术、信息技术和网络 技术的发展，它又是一门不断发展并且发展的速度可谓日新月异的技术。检测 控制技术逐渐地被应用于机械工业、石油化工、交通运输、能源工业等部门， 干燥是化学工业生产的一种单元操作，许许多多的生产过程都不可缺少。在制 药工业中，干燥在生产过程中所占的比例很大，制剂质量在一定程度上受干燥 7 华南理工大学硕士学位论文 过程的控制。软测量的基本思想正是把自动控制与生产工艺过程知识有机结合 起来，在仿真研究和实际应用都显示出了可行性和先进型的特点。由此可见， 在线测控技术具有显著的优点，它的研制和开发有着非同寻常的现实意义，而 实现这一目标的关键就在于利用软测量技术，进行准确的系统数学建模，完成 不可测变量的实时检测。因此发展技术含量高的干燥操作技术有深远的意义， 能够实现生产的自动化、提高产品质量、节约和降低成本、提高劳动生产率， 减轻劳动强度等，为企业和社会带来巨大的经济效益。 1 5 本章小结 本章介绍了与课题相关领域的研究现状，在分析比较的基础上，提出了课 题研究的内容和对象，指出本课题研究所具有的现实意义。 8 第二章理论研究 2 1 微波干燥 第二章理论研究 干燥是许多工业生产中的重要工艺过程之一，它直接影响到产品的性能、形 态、质量以及过程的能耗等。干燥技术的覆盖面较广，即涉及复杂的热质传递机 理，又与物系的特性、处理规模等密切相关，最后体现在各种不同的设备结构及 工艺上4 1 1 。 干燥方法多种多样，广泛利用的方法包括对流干燥、冷冻干燥、微波干燥、 真空干燥、远红外线干燥等。传统的方法是依靠热气体等介质以辐射或对流的 方式从表面向内部进行，对于那些不允许在高温下加热的热敏感材料和导热性 差的材料，传统的干燥方法有很大的局限性，微波干燥技术则是一种既快又稳妥 的方法1 2 7 1 。 2 1 1 微波干燥的原理 微波是指波长为l 1 0 0 0 m m ，频率为3 0 0 3 0 0 0 m h z ，具有穿透物质特性的电 磁辐射线。我国目前用于工业加热是9 1 5 m h z 和2 4 5 0 m h z 频率的微波发生器，前 者具有单管输出功率高、穿透深度大的特点。 微波的干燥原理是：微波发生器将微波辐射到干燥的物料并穿透到物料内 部时，诱使物料中的水等极性分子随之同步旋转，使物料瞬时产生摩擦热，导致 物料表面和内部同时升温，且内部温度高于物料表面，使大量的水分子从物料中 逸出而被蒸发带走，达到干燥目标。这种干燥方法特点是加热时间短，内外温度 一致，其热传递方向从内向外，与湿传递方向也一致。 微波干燥能对物体进行整体加热。由于微波拥有光速一样的传播速率，当波 源开启后它们能立即渗透到物体内部进行加热，当波源关闭后，加热立即停止， 不需要预热和冷却的过程。加热时由于物体外表面和环境接触，温度反而低于内 部，且物体内部各个质点的温度相同。通常，加热时能够在内部进行能量转化的 材料本身可以看作加热器，也可以看作热源，微波加热容器仅仅是为了防止微波 能量损失以及微波辐射对人体造成的危害。 9 华南理工大学硕士学位论文 2 1 2 微波干燥同传统干燥的区别 微波干燥的温度曲线和传统干燥的温度曲线刚好相反。当用微波加热时，在 材料内部产生较大的蒸汽压力，干燥由内至外进行，部分蒸汽在冷面冷凝保持了 表面湿度。当内部水分蒸发完全后表面开始干燥。由于水分的转化需要大量能 量，所以材料内部能量转化较低，其主要取决与材质和干燥的程度。但当材料的 水分含量 1 5 时，干燥过程由水分含量来决定；当水分含量在5 1 5 范围内时， 如果被干燥的材质能转换微波能量，材质的介电系数与温度的关系将决定干燥 过程；当水分含量 _ 3 0 ( 4 2 ) 则认为y 是异常数据，应予剔除。 按上述准则剔除坏值后，应重新计算剔除坏值后的标准误差，再按准则判断， 直至余下的值无坏值存在。这种算法的优点是不必先计算样本平均值，可以避免 舍入误差，在计算程序中只需保留两个累加单元就够了。此准则是建立在无限次 测量的基础上，当进行有限次测量时，该方法并不可靠。但由于简单，因此可用 作粗大误差的近似判断。本试验采集的数据量大，在简单处理后利用上述方式对 采集的数据进行了异常数据的剔除，为下一步分析工作开展奠定了基础。 4 2 数据分析 经过多天的现场试验，采集到大量的数据，包括计算机实时采集的各个温度 值，还有生产线控制台实时显示的传送带速、物料温度、炉体温度等数据，以及 人工测量的进口湿物料、出口干物料水分含量，并且有室温等参考数据。在建立 干燥模型之前对数据样本进行初步的分析，对了解干燥系统的内部机理等提供了 可靠的参考。试验数据的采集涵盖了无负荷的开机预热阶段、下料生产阶段以及 停车空载阶段，对三个阶段进风段空气温度、湿风出口空气温度、炉体温度等均 做了详细的记录，发现了一定的规律。 4 2 1 干空气入口温度变化 p v 趟 赠 旷 制 h 口 一 - r 托，则式( 4 - - 3 ) 的解为 b = ( x r x ) x y(4-4) 显然m l r 问题是否有解取决于r x ) 是否存在。当x 中存在线性相关的变 量时，x 为病态矩阵，此时不能采用最小二乘法( l s 方法) 。为了衡量回归方程 的拟合品质，定义复相关系数尺( 0 r 1 ) ，r 越大，表明方程拟合越好。令 q f = 6 0 + 6 l 毛j + + 丸j 歹= 毫少， 则复相关系数 j i c = 1 l 一抚鸭) 2 i j ，。一叫 ( 4 5 ) -t=il i i 另外为了评价经验模型的拟合和预测效果，定义了以下误差形式 误差平方和s s e = p 一，) r p 一，) ( 4 6 ) 均方误差mse=ssen(4-7) 结合本试验采集的数据，x 为传送带带速、进风温度、排风温度、湿物料含 华南理工大学硕士学位论文 水率等变量组成的矩阵，且该矩阵不存在线性相关的变量，也就是说z 非病态矩 阵，做y 为利用水分测试仪测定的与变量矩阵中每一组数据相对应的干丸剂水含 量组成的矩阵，求解系数矩阵的非零解即可以找到各个变量同水含量之间的函数 关系。 为了寻找最佳的拟合方程，采用了逐渐增加变量数目的方法，选择不同的变 量数组来拟合曲线，最后比较哪种拟合曲线最优。在采集数据之前，操作工人曾 经在生产过程中记录过许多有关干燥过程的数据，能够反映进料含水量、带速同 干丸剂含水量的关系，部分数据如下表所示。 表4 1 部分记录数据 t a b l e4 1p a r t i a lr e c o r dd a t a 序号进口水分含量( )传送带速( m r a i n )出口水分含量( ) l 1 9 62 2 0 1 1 3 22 2 72 2 01 2 1 32 3 o2 2 01 2 2 42 0 52 2 01 1 6 52 0 12 2 01 1 8 62 0 12 1 01 1 7 72 0 12 o o 1 1 2 82 2 72 2 01 2 3 92 4 32