基于視覺識別的反應進程智能調控系統(tǒng)及其在溴素生產(chǎn)中的應用

黃元鳳 曹懷祥 袁 濤 姜程程 譚 偉 何 棟

（1.山東特檢科技有限公司；2.山東特種設備檢驗檢測集團有限公司；3.山東大學材料科學與工程學院）

溴素是石化、醫(yī)藥等行業(yè)普遍使用的化工原料，我國溴素產(chǎn)能占世界產(chǎn)能的10%，居于世界第三，主要集中于有著特殊鹵水資源優(yōu)勢的萊州灣地區(qū)［1］。然而近年來，地下鹵水的溴含量逐漸降低，我國鹵水資源呈匱乏之勢。 因此，合理高效地利用鹵水資源，生產(chǎn)高品質的溴素產(chǎn)品意義重大［2］。 我國溴素行業(yè)普遍采用的工藝為空氣吹出與水蒸氣蒸餾相結合的方法，其中蒸餾工藝為溴素生產(chǎn)的提純工藝［3］，對蒸餾工藝的控制關系到成品溴中氯含量和蒸餾廢酸中的溴含量，這兩項指標分別反映了產(chǎn)品的品質和工藝的提取效率。我國QB/T 2021—1994 規(guī)定了工業(yè)溴的化學指標，其中優(yōu)級溴的氯含量應不大于0.05%［4］。 實現(xiàn)蒸餾工藝的自動、精準、穩(wěn)定控制，能夠有效提升整個溴素生產(chǎn)工藝的能源利用率、產(chǎn)品提取率和產(chǎn)品品質。 溴素傳統(tǒng)蒸餾塔為玻璃塔，近年來聚四氟襯里塔成為溴素生產(chǎn)的主流蒸餾設備［5］，不管是哪種類型的蒸餾塔，傳統(tǒng)的調節(jié)模式為人工觀察蒸餾塔塔頂與塔底玻璃管的顏色，或者觀察四氟塔蒸餾廢液的顏色，根據(jù)顏色調節(jié)氯氣加入量［6］，這種方式受環(huán)境光線和工人經(jīng)驗影響較大，且無法精確控制，導致氯氣加入過量（影響溴素品質）或不足（影響溴素提取率）。

機器視覺在化工行業(yè)中的應用已經(jīng)十分廣泛，普遍應用于視頻畫面目標檢測跟蹤、圖像顏色識別與自動控制、自動抄表、大數(shù)據(jù)預警分析及產(chǎn)品品質檢測等場景［7］，在節(jié)省人工的同時可提升工業(yè)控制的自動化水平，也是非接觸式檢測的優(yōu)選方法。

筆者根據(jù)目前溴素生產(chǎn)操作與管控模式，提出基于工業(yè)視覺的顏色智能識別系統(tǒng)替代人眼判斷，以保證生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質。

1 系統(tǒng)設計

如圖1 所示，溴素蒸餾工藝自動分析控制系統(tǒng)由補光設備、視覺識別模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、上位機分析系統(tǒng)和控制執(zhí)行系統(tǒng)組成。 根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境布署穩(wěn)定可靠的光源，調整視覺設備并安裝輔助支撐，以保證智能視覺傳感器工作時不受外界環(huán)境影響。 視覺識別模塊采集蒸餾塔內(nèi)的反應進程圖像信息，經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸模塊遠傳至控制系統(tǒng)和上位機。 中控室采用工控機，配置雙網(wǎng)卡冗余架構，通過光纖或者國標工業(yè)網(wǎng)線實現(xiàn)智能視覺與工控機之間的數(shù)據(jù)傳輸，上位機對數(shù)據(jù)進行分析處理后將信號發(fā)回控制系統(tǒng)進行自動調節(jié)。

圖1 溴素蒸餾工藝自動分析控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)同時采集蒸餾塔塔頂溫度、 母液流量（流入蒸餾塔的反應液）、氯氣流量、蒸汽壓力和各閥門開度信息，將各參數(shù)信息協(xié)同管控。 首先穩(wěn)定蒸汽壓力和塔頂溫度，然后對識別的反應進程設置最優(yōu)調節(jié)范圍。 現(xiàn)場反應進程識別數(shù)值高于最優(yōu)調節(jié)范圍時，代表氯氣加入量處于過量狀態(tài)，上位機控制系統(tǒng)做出判斷，減小氯氣調節(jié)閥開度；反之，增大氯氣調節(jié)閥開度。

2 視覺識別程序及其功能設計

工控機安裝C++ Visual Studio 2012 開發(fā)平臺實現(xiàn)智能視覺接口通信，為保證數(shù)據(jù)通信的高速與穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采用1 GiB/s 通信架構。 采用智能數(shù)學算法模型原理， 把現(xiàn)場顏色圖片進行處理，以R、G、B 為基礎計算其灰度值，以灰度展示顏色深淺信息，從而把圖片顏色轉換成數(shù)字信息［8］，并且探究待測物顏色深淺與顏色值的線性關系，把圖片轉換為可以量化比較的數(shù)據(jù)［9］，為后工序執(zhí)行層設備自動調節(jié)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

智能視覺識別及控制系統(tǒng)（圖2）運行時，先依據(jù)溴素品質和生產(chǎn)經(jīng)驗，找出反應物的最佳顏色、最佳塔頂溫度、母液流量和蒸汽壓力，并記錄最佳顏色對應的蒸汽、氯氣閥門開度等信息。 在系統(tǒng)運行過程中進行自動調整和系統(tǒng)自學習，最終設置系統(tǒng)保護的上限和下限 （包括母液流量、蒸汽閥門開度及氯氣閥門開度等）后，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動運行。

圖2 蒸餾工藝智能視覺識別及控制系統(tǒng)界面

如圖3 所示，溴素生產(chǎn)過程中，視窗界面顏色越深、數(shù)值越小，代表氯氣加入不足；反之，就是氯氣加入過量。

圖3 氯氣視窗界面

蒸餾工藝的反應過程：將溴含量較高的母液通入氯氣氧化，重新游離出溴，同時用水蒸氣將溴蒸餾出來，經(jīng)冷凝分離得到成品溴［10］，方程式為：

由此，通入過量氯氣能夠保證反應充分向右進行，提升溴素產(chǎn)率。 然而氯氣通入太多會使產(chǎn)品中氯含量過多，導致產(chǎn)品品質下降。 因此，在工藝控制中存在一個平衡點，在保證產(chǎn)品收率的情況下控制雜質氯的含量，這個平衡手動控制很難實現(xiàn)。 而本系統(tǒng)能夠實現(xiàn)如下功能：

a. 將圖片顏色轉換為數(shù)字量化指標，同時協(xié)同控制關鍵參數(shù)，提高控制的準確性和平穩(wěn)性；

b. 實時數(shù)據(jù)監(jiān)控管理， 生產(chǎn)過程顏色指標、閥門開度等信息曲線管理；

c. 自動控制管理， 數(shù)值上傳至現(xiàn)場DCS 或PLC 系統(tǒng)，建立無縫數(shù)據(jù)對接，實現(xiàn)閥門開度等的自動調控。

3 智能控制算法設計

3.1 圖像采集

圖像采集處理流程如圖4 所示。 首先對相機采集的原始圖像進行均值濾波處理，減少圖像噪聲干擾； 之后將處理好的圖像轉換為灰度圖像，利用最小二值法取得灰度圖像閾值［11］。 因為外部環(huán)境光線的干擾，所以對計算出的閾值進行加和求平均，以減少光線反射造成的強光干擾；最后將計算結果與優(yōu)良參考值對比，根據(jù)對比結果進行閥門開度控制（高于優(yōu)良值關閉，低于優(yōu)良值打開）。

圖4 圖像采集處理流程

3.2 閥門開度運算

閥門開度運算流程如圖5 所示。 首先根據(jù)計算閾值判斷是否需要變頻采集，如果閾值在可控范圍內(nèi)，則本次采集不進行閥門控制，否則直接進行閥門調控。 接下來判斷閾值是否超過預設的小范圍保護邊界，未超過則清空標志位，超過則判斷標志位是否置位，如果置位則閥門開度保持不變，進入后續(xù)流程，未置位則進行一次最大調控。 該標志位的作用是保證最大調控在連續(xù)范圍內(nèi)只進行一次，防止閥門開度變化過大。 然后判斷閥門開度是否達到保護限制，如果閥門開度已經(jīng)等于保護限制，則判斷閾值是否超過大范圍保護邊界，如果超過邊界則計數(shù)器加1，否則計數(shù)器清零。 對計數(shù)器進行判斷，如果超過預設值，則修改保護上、下限，否則繼續(xù)后續(xù)流程。 閥門未到保護限制，則判斷閾值是否在可控范圍內(nèi)，在可控范圍內(nèi)則閥門開度不變，流程結束。 如果超過可控范圍則判斷是否為正向變化趨勢，如果是正向趨勢則對閥門進行較大幅調整，否則進行較小幅調整，流程結束。

圖5 閥門開度運算流程

本系統(tǒng)并沒有采用PID 調節(jié)， 原因是PID調節(jié)會針對實時變化做出實時糾正性調節(jié)，容易造成過度調節(jié)，導致生產(chǎn)不穩(wěn)定［12］。

本項目通過采集實時圖像， 分析顏色深度，自主開發(fā)算法， 不僅可以控制氯氣閥門開度，還可以調節(jié)閥門動作的頻率。 由于采集的視窗內(nèi)有流動的液體，存在光線反射，因此顏色深度曲線并非線性，會存在波動干擾，反應在控制方面，就需要根據(jù)其趨勢進行判斷。 舉例說明：采集圖像顏色變深是由于采集時刻流動反光減少，并非反應過程中氯氣不足，PID 調節(jié)會實時調控加大氯氣閥門開度，而本設計會判斷其變化趨勢，并在處理前進行平滑濾波，盡量減少干擾。 在顏色區(qū)間范圍內(nèi)，采取保持原有開度、減少采集頻率的方式，間接減少閥門動作頻率，延長閥門使用壽命。

4 現(xiàn)場應用

在應用本系統(tǒng)前， 塔頂溫度控制不精確，經(jīng)常出現(xiàn)“冒頂”現(xiàn)象，導致溴素從排空管溢出，造成資源浪費， 而且由于溴素泄漏導致環(huán)境污染，并危及現(xiàn)場工人的人身安全；由于控制不精確導致溴素品質不穩(wěn)定，廢液溴含量過高，導致工藝提取率不高，資源浪費嚴重。

基于視覺識別的反應進程智能調控系統(tǒng)已在多家溴素廠投用，選取某現(xiàn)場兩個月的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括蒸汽壓力、母液溴含量、母液流量、氯氣流量、塔頂溫度和廢液溴含量，將一段時間內(nèi)每天的數(shù)據(jù)求平均后繪制曲線，如圖6 所示。

圖6 溴素蒸餾工藝生產(chǎn)自動調控數(shù)據(jù)

系統(tǒng)投用后，生產(chǎn)運行穩(wěn)定，現(xiàn)場母液溴含量在37.0～41.4 kg/m3、母液流量在3.2～3.3 L/h，通過系統(tǒng)的自動控制，保證氯氣流量在10.4 ～11.7 L/h 內(nèi)， 并隨著母液溴含量的波動而自動進行小幅調控。 生產(chǎn)各項指標都控制在一個非常平穩(wěn)、合理的范圍內(nèi)：蒸汽壓力穩(wěn)定在27～29 MPa，塔頂溫度嚴格控制在78～80 ℃。

通過精確控制，改變了過量投入氯氣的傳統(tǒng)操作方式，節(jié)省了物料成本約10%。 在此基礎上還保證了裝置的提取效率，其中蒸餾廢液溴含量維持在0.07～0.13 kg/m3， 該指標比人工控制降低近80%（傳統(tǒng)人工控制一般僅能將蒸餾廢液溴含量控制在0.5 kg/m3左右）。更重要的是，溴成品氯含量全部穩(wěn)定在0.01%以內(nèi)， 保證產(chǎn)品100%處于優(yōu)級水平。

5 結束語

基于視覺識別的蒸餾工藝自動分析控制系統(tǒng)的投用，可以保證氯氣加入的及時性與加入量的準確性，提高溴素品質（將產(chǎn)品氯含量穩(wěn)定在0.01%以內(nèi)）和提取率（降低蒸餾排廢溴含量，將排廢中溴含量穩(wěn)定在0.13 kg/m3以內(nèi)）；消除了人為因素影響，因為不同的人對于顏色判斷會有個體差異，尤其是晚上，會嚴重影響人工對顏色的判斷，而且容易因疲勞而耽擱及時操作，導致氯氣加入量不當；降低操作人員的勞動強度，減少了蒸餾崗位閥門調節(jié)工作人員設置，節(jié)省了人工成本；同時保證企業(yè)符合安全環(huán)保要求，實現(xiàn)人員與現(xiàn)場分離，保證生產(chǎn)安全，消除工藝控制不當導致的“冒頂”現(xiàn)象，減少了氯氣排放，經(jīng)濟效益和社會效益顯著提升。

基于視覺識別的智能調控系統(tǒng)不僅適用于溴素蒸餾工藝，在化工生產(chǎn)過程中有顏色變化以及界面區(qū)分的工藝都可以應用，不僅適用于間歇性生產(chǎn)過程，對于連續(xù)化生產(chǎn)過程更為適用。 下一步將繼續(xù)深入研發(fā)本技術在連續(xù)化生產(chǎn)過程中的實際應用。