李建軍，唐偉，李東
金發(fā)科技股份有限公司，廣東廣州 510663
摘要:對集中吸料系統(tǒng)原有的固定分組控制進(jìn)行節(jié)能分析，通過對固定分組控制建立數(shù)學(xué)模型，確定了影響系統(tǒng)能耗的關(guān)鍵要點(diǎn)。在固定分組控制算法基礎(chǔ)上，提出了一種基于機(jī)臺聯(lián)網(wǎng)的動(dòng)態(tài)分組與匹配優(yōu)化的智能方法，介紹了其優(yōu)點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)，建立數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)智能控制的主要算法，分析結(jié)果表明該方法可穩(wěn)定的完成智能控制功能，降低了系統(tǒng)能耗。
關(guān)鍵詞:塑料數(shù)字化工廠;集中吸料;智能算法;動(dòng)態(tài)分組;匹配優(yōu)化
集中吸料系統(tǒng)的工作原理是通過集中真空系統(tǒng)的羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行恒壓控制[1]，并通過管道連接到生產(chǎn)機(jī)臺，實(shí)現(xiàn)成品的吸料控制，如圖1所示。在改性塑料行業(yè)，生產(chǎn)車間內(nèi)有多條生產(chǎn)線，要求集中真空系統(tǒng)恒壓PH(單位MPa)能滿足總的運(yùn)行機(jī)臺的負(fù)壓要求。集中真空系統(tǒng)的PH通過羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行恒壓控制產(chǎn)生，生產(chǎn)機(jī)臺所需負(fù)壓與產(chǎn)量，產(chǎn)品特性等有關(guān)，為了減少設(shè)備投資及系統(tǒng)運(yùn)行能耗，在設(shè)計(jì)時(shí)，集中真空系統(tǒng)的最小恒壓值滿足大多數(shù)機(jī)臺同時(shí)運(yùn)行所需負(fù)壓即可。在生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，在集中真空系統(tǒng)中，根據(jù)生產(chǎn)需求設(shè)定合適的恒壓值PH，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用固定分組法進(jìn)行吸料，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間機(jī)臺成品吸料控制。
固定分組法通過對機(jī)臺進(jìn)行分組控制，集中真空系統(tǒng)的負(fù)壓值只需要滿足分組內(nèi)的機(jī)臺吸料需求，減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)冗余量。但是在實(shí)際應(yīng)用中，存在以下問題:
1)分組提前設(shè)定，生產(chǎn)機(jī)臺的運(yùn)行/停機(jī)狀況變化，很難進(jìn)行分組變化。
2)生產(chǎn)線的設(shè)置參數(shù)不合理，機(jī)臺信息缺少與集中吸料系統(tǒng)的交互，導(dǎo)致吸料參數(shù)設(shè)置不合理。
3)系統(tǒng)能耗較大，主要在于負(fù)壓空損耗[2]導(dǎo)致的能耗浪費(fèi)。
本文提出了新的智能算法，包括動(dòng)態(tài)分組 [3-4]，機(jī)臺聯(lián)網(wǎng)及機(jī)臺匹配優(yōu)化三個(gè)部分內(nèi)容，可降低集中吸料系統(tǒng)能耗，實(shí)現(xiàn)以下控制目標(biāo):
1)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分組之后，負(fù)壓控制能滿足生產(chǎn)機(jī)臺運(yùn)行/停機(jī)的變化。
2)通過生產(chǎn)機(jī)臺的聯(lián)網(wǎng)，自動(dòng)優(yōu)化相關(guān)設(shè)置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)智能降低能耗。
01 集中吸料系統(tǒng)原理與節(jié)能分析
1.1集中吸料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及負(fù)壓需求
集中吸料系統(tǒng)使用固定分組法進(jìn)行成品吸料控制，存在能耗浪費(fèi)問題，本文對吸料系統(tǒng)原理及實(shí)際的負(fù)壓需求進(jìn)行分析，確定節(jié)能要點(diǎn)。集中吸料系統(tǒng)的單個(gè)機(jī)臺成品吸料系統(tǒng)如圖2所示，成品斗內(nèi)物料通過負(fù)壓吸料到緩存罐，然后放至在線混色罐，成品吸料速度與負(fù)壓值成負(fù)相關(guān)。機(jī)臺所需負(fù)壓Pi與實(shí)際產(chǎn)量為負(fù)相關(guān)，當(dāng)產(chǎn)量較大時(shí)，負(fù)壓Pi值更小，才能保證生產(chǎn)成品及時(shí)送至在線混色罐中。
在機(jī)臺成品吸料系統(tǒng)中，負(fù)壓值Pi應(yīng)該與產(chǎn)量相匹配，成品斗內(nèi)物料堆積到一定的料位，通過負(fù)壓吸料至緩存罐，等待料位堆積一定料位時(shí)再次吸料，等待過程中機(jī)臺對負(fù)壓值大小無要求。如圖3，機(jī)臺負(fù)壓需求曲線描述了與產(chǎn)量相匹配的負(fù)壓值的變化情況，P1為產(chǎn)量較大時(shí)的需求負(fù)壓，P0為較小產(chǎn)量時(shí)的需求負(fù)壓，曲線P為與成品斗料位相關(guān)的負(fù)壓需求。
1. 2 固定分組法的節(jié)能分析
上文分析了單個(gè)機(jī)臺的實(shí)際負(fù)壓需求，集中吸料系統(tǒng)使用固定分組法對生產(chǎn)車間機(jī)臺進(jìn)行分組時(shí)，組內(nèi)機(jī)臺總的負(fù)壓需求僅進(jìn)行了簡單計(jì)算，如式 (1) 。其中N為組內(nèi)的機(jī)臺數(shù)量，機(jī)臺所需最小負(fù)壓值為Pi，保證了組內(nèi)所有機(jī)臺同時(shí)運(yùn)行時(shí)仍能夠?qū)崿F(xiàn)成品吸料功能。
在實(shí)際控制系統(tǒng)中，組內(nèi)機(jī)臺是否運(yùn)行是由生產(chǎn)訂單確定的，分組內(nèi)的機(jī)臺不運(yùn)行時(shí)，負(fù)壓需求為零，運(yùn)行機(jī)臺的負(fù)壓需求曲線Pi與圖3相似，則分組內(nèi)的機(jī)臺實(shí)際負(fù)壓總需求PZ計(jì)算，如式(2) ，其中n為運(yùn)行機(jī)臺數(shù)量，Pi為機(jī)臺i的實(shí)際負(fù)壓需求。
生產(chǎn)線的進(jìn)行固定式分組時(shí)，通過對式(1)、(2)進(jìn)行細(xì)化分析，將分組內(nèi)的實(shí)際負(fù)壓總需求與恒定負(fù)壓值進(jìn)行比較，其關(guān)系如圖4所示。從圖中可以看出PZ是根據(jù)機(jī)臺運(yùn)行情況變化的曲線，而PH為集中真空系統(tǒng)設(shè)定的恒壓控制值，當(dāng)出現(xiàn)機(jī)臺開機(jī)數(shù)量較小或成品吸料完成后的等待過程時(shí)，兩者之間存在明顯的差值（圖4中的陰影部分） ，維持此部分負(fù)壓所需要的能耗(圖4中陰影部分面積并不表示具體能耗數(shù)值) ，即為負(fù)壓損耗值。
如何降低集中吸料系統(tǒng)的負(fù)壓損耗值，如圖4所示，可以從PH和PZ兩個(gè)方面來進(jìn)行梳理:
1) PH由集中真空系統(tǒng)進(jìn)行恒壓控制，與分組內(nèi)的運(yùn)行機(jī)臺數(shù)量n有關(guān)，調(diào)整頻次較低，調(diào)整PH可以明顯降低系統(tǒng)能耗，但PH與n的關(guān)系還要進(jìn)一步研究確定。
2) 負(fù)壓總需求PZ實(shí)質(zhì)上是運(yùn)行機(jī)臺的負(fù)壓需求值Pi進(jìn)行綜合計(jì)算后的曲線，前文可知，負(fù)壓需求值Pi與生產(chǎn)過程相關(guān)，其變化較快，通過固定式分組法很難調(diào)整PZ曲線，需要使用更加智能的算法來對PZ進(jìn)行調(diào)整，降低系統(tǒng)能耗。
02 集中吸料系統(tǒng)節(jié)能數(shù)學(xué)模型
2. 1 節(jié)能組合模型
對于集中吸料系統(tǒng)來說，降低系統(tǒng)能耗的重點(diǎn)在于降低系統(tǒng)負(fù)壓損耗值，從前文可知，集中真空系統(tǒng)和集中吸料系統(tǒng)的控制均可以降低系統(tǒng)能耗，但本文主要把集中系統(tǒng)吸料作為控制目標(biāo)。圖4中，對于分組內(nèi)的N條生產(chǎn)線，T為PH調(diào)度周期[5](假定為分組內(nèi)的運(yùn)行機(jī)臺數(shù)量n變化為一個(gè)調(diào)度周期) ，由于系統(tǒng)負(fù)壓損耗S與負(fù)壓總需求PZ和恒壓值PH的偏差有關(guān)，系統(tǒng)負(fù)壓損耗S最小的目標(biāo)函數(shù)數(shù)學(xué)模型為:
式中，假定調(diào)度時(shí)間T內(nèi)PH值不變; kn-系統(tǒng)恒壓值PH的損耗計(jì)算系數(shù); kn-運(yùn)行機(jī)臺數(shù)n有關(guān)。
本文中集中真空系統(tǒng)進(jìn)行變頻恒壓控制，兩者關(guān)系如圖5所示: 1) kn為損耗負(fù)壓計(jì)算系數(shù)，吸料使用負(fù)壓設(shè)為1，kn值大于1; 2)當(dāng)機(jī)臺運(yùn)行數(shù)較少時(shí)，系統(tǒng)負(fù)壓損耗較高; 3)當(dāng)運(yùn)行機(jī)臺數(shù)量增加時(shí)，集中真空系統(tǒng)負(fù)壓損耗系數(shù)降低。4)在機(jī)臺數(shù)量不變化時(shí)，負(fù)壓損耗系數(shù)基本不變化，為方便進(jìn)行節(jié)能分析，假定調(diào)度周期T內(nèi)，kn值為恒值。
由式(2)中，對PZ進(jìn)行替換，可得出新的數(shù)學(xué)模型，見式(4)，前式(3)中，運(yùn)行機(jī)臺數(shù)量必屬于分組內(nèi)的機(jī)臺，使用μi作為機(jī)臺運(yùn)行狀態(tài)，見式(5)
前文已經(jīng)敘述了降低系統(tǒng)能耗的兩個(gè)方面，除了降低系統(tǒng)負(fù)壓損耗S外，若能夠降低系統(tǒng)恒壓值PH，從圖4可知，PH需要滿足運(yùn)行機(jī)臺的吸料負(fù)壓需求，聯(lián)合式(2) ，建立數(shù)學(xué)模型，見式(6)、(7) 。
2. 2 節(jié)能模型智能算法
集中分料系統(tǒng)控制車間所有機(jī)臺的成品吸料，假設(shè)車間機(jī)臺總數(shù)量為M，分組內(nèi)的機(jī)臺數(shù)量為N，一般情況下，分為2組進(jìn)行成品吸料控制，圖6為車間機(jī)臺進(jìn)行固定分組時(shí)的負(fù)壓需求圖，未運(yùn)行機(jī)臺負(fù)壓需求為零。本節(jié)詳細(xì)介紹智能算法的實(shí)際運(yùn)用。
2. 2. 1 動(dòng)態(tài)分組算法
圖6中，分組1和分組2中各有3個(gè)機(jī)臺，其中P6機(jī)臺未運(yùn)行，其負(fù)壓需求值為0。依據(jù)式(4)的數(shù)學(xué)模型，分組2中負(fù)壓損耗值更大，若PH未進(jìn)行調(diào)試，則依據(jù)式(7) ，系統(tǒng)能耗也更高。本文提出了通過動(dòng)態(tài)分組算法，對分組進(jìn)行調(diào)整，確保組內(nèi)的機(jī)臺全部為運(yùn)行機(jī)臺，建立如下數(shù)學(xué)模型:
式中，i-運(yùn)行機(jī)臺編號; j-分組編號; k-組內(nèi)編號; M-機(jī)臺總數(shù)量; N-分組內(nèi)機(jī)臺數(shù)量。
2. 2. 2 機(jī)臺聯(lián)網(wǎng)
從上文可以看出，動(dòng)態(tài)分組算法主要是對分組內(nèi)的機(jī)臺進(jìn)行調(diào)整，從圖6中可以看出，機(jī)臺的負(fù)壓需求曲線均不相同，負(fù)壓需求主要與產(chǎn)品產(chǎn)量，物料特性等有關(guān)，使用kpi表示機(jī)臺i的負(fù)壓吸料系數(shù)，當(dāng)產(chǎn)量較高時(shí)，kpi值也更高。
在式(11)中，kmin為最小產(chǎn)量機(jī)臺系數(shù)(通常默認(rèn)為1) ，ki為機(jī)臺i與最小產(chǎn)量機(jī)臺產(chǎn)量比值 (≥1) 。
2. 2. 3 機(jī)臺匹配優(yōu)化
通過對圖6的機(jī)臺負(fù)壓需求曲線進(jìn)行簡化計(jì)算，當(dāng)吸料時(shí)負(fù)壓值Pi為恒值，當(dāng)?shù)却蠒r(shí)，負(fù)壓值Pi為0，當(dāng)負(fù)壓滿足吸料要求后，可根據(jù)負(fù)壓吸料系數(shù)Kpi對機(jī)臺吸料時(shí)間與等待時(shí)間進(jìn)行匹配優(yōu)化［3］，可以降低系統(tǒng)恒壓值PH。
03 智能算法求解與分析
智能算法求解過程如下:
1) 根據(jù)機(jī)臺總數(shù)量M，分組內(nèi)的機(jī)臺數(shù)量為N，根據(jù)式8，計(jì)算分組數(shù)量j。
2) 通過系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，確定運(yùn)行機(jī)臺數(shù)量n，并按照式8，式9，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分組編號。
3) 通過各機(jī)臺產(chǎn)量信息，確定機(jī)臺的吸料負(fù)壓系數(shù)kpi，對機(jī)臺的吸料與等待時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化。
04 結(jié)論
本文通過對集中吸料系統(tǒng)進(jìn)行分析，提出了新的智能算法，降低集中吸料系統(tǒng)的能耗，需要從PZ和PH兩個(gè)方面進(jìn)行處理，解決了固定分組法存在的能耗損失問題。本文提出的智能算法通過對機(jī)臺實(shí)際負(fù)壓需求曲線進(jìn)行分析，使用動(dòng)態(tài)分組方法確保分組內(nèi)的機(jī)臺數(shù)量為最大允許值，可以減少系統(tǒng)的負(fù)壓損耗值，在通過機(jī)臺聯(lián)網(wǎng)的情況下，根據(jù)機(jī)臺實(shí)際產(chǎn)能情況，合理的匹配分組內(nèi)不同機(jī)臺的吸料時(shí)間和等待時(shí)間，降低系統(tǒng)的恒壓值，減少了系統(tǒng)的能耗。
通過本文介紹的控制算法，只需要設(shè)置根據(jù)機(jī)臺運(yùn)行情況，機(jī)臺產(chǎn)量信息，實(shí)現(xiàn)智能的集中吸料系統(tǒng)控制，是一種比傳統(tǒng)的固定分組法控制更行之有效的節(jié)能方法，應(yīng)用范圍更加廣闊，符合數(shù)字化工廠的建設(shè)需求。
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