基于復雜理化處理工藝的智能感知與決策控制研究

宋亦能，王健安

(1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240；2.上海亞泰儀表有限公司，上海 200444)

0 引言

工業物理信息系統的關鍵核心共性技術在于面向復雜輸入和工藝過程，通過智能感知、智能協同決策[1]、數據分析等系統技術的集成應用，對工業生產過程進行智能控制與實時優化。

對于工業中復雜的理化反應過程，處理對象成分非常復雜、隨機性大、無法定值定量分析，對其有效的控制是非常值得研究的問題。針對當今環境的嚴峻形勢，對于生活垃圾的無污染處理是可持續發展重要的一環。垃圾處理本身是一項非常復雜的理化反應過程。實現最優化的垃圾裂解反應，這與以零污染、變廢為寶為目標以及如何進行復雜理化反應有效控制的目標吻合。

本文選取了具有重大社會、經濟效益，具備理化反應高度復雜性和基于生產過程無人化要求的智能生活垃圾無害化綜合處理系統為對象，開展對控制復雜理化反應過程的研究。

1 國內外研究現狀

垃圾處理終極目標是以無害的方式將垃圾轉化為清潔資源，也就是將城市生活垃圾、農業、林業等各類有機廢棄物轉化為有資源價值的油、氣、炭，實現零污染、零排放。國內外機構對相關內容進行了一系列的探討。

華東理工大學周慧敏開發了一套利用熱裂解技術處理生活垃圾，得到氣體和液態烴類燃料的工業化裝置。使用低熔點鹽溶液作為熱載體對生活垃圾進行熱裂解，實現了連續進料，避免了熱裂解過程中的傳熱不均勻，大大提高了熱裂解的處理效率。該文設計的工業化裝置可以對混合生活垃圾進行熱裂解回收，無需進行垃圾分類[2]。

杭州電子科技大學楊洋以衢州某公司的二期工程為背景，討論了廢棄塑料裂解煉油過程控制系統的設計與實現。利用可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)、工控機、組態軟件和現場的多類型傳感器，組建廢棄塑料裂解煉油過程控制系統的硬件系統。利用紫金橋(Real Bridge)組態軟件，開發了與廢棄塑料裂解煉油化工工藝流程相匹配的組態界面系統。同時，為了獲得良好的人機交互，特別設計了系統狀態顯示、歷史數據報表、組態界面切換等功能。利用Modbus協議實現釜中原料遠程顯示，將組態王(Kingview)作為組態軟件系統的冷冗余，對采樣數據進行平均值滑窗濾波處理。建立基于BP神經網絡的裂解反應燃油體預測模型。利用熱風流量調節閥門和無擾PID算法，實現對釜內溫度某段溫度的控制[3]。

青島匯海科技實業有限公司李超訓將生活垃圾分類，堆肥、腐熟后制成有機復混肥料；分揀出塑料、橡膠進行催化解聚制取混合鍋爐燃料；利用原料恒溫熔化投料機、催化裂解反應釜，塑料和橡膠可以共混解聚，也可以單獨解聚；有機物料如紙殼等可進行再生處理，還可利用燃油燃燒器以及行之有效的技術措施防止二次污染[4]。

中國動力工程學會環保技術與裝備專業委員會及上海發電設備成套設計研究院的陶邦彥等人設計裝置內采用非均向加熱，完成裂解轉化過程。整個生產過程已經實現計算機控制下的連續生產運行，設計過程全程監控，裂化油自動分離收集。在一定的熱環境下，通過還原引發劑的作用，將高分子有機物裂解轉化成資源態的低分子有機物[5]。

杭州電子科技大學申請的中國專利CN103336539B公開了一種廢塑料裂解反應釜的壓力平衡控制方法。采用預測控制和動態前饋補償相結合的復合控制方法，進行廢塑料裂解反應釜的壓力平衡控制[6]。河南應用技術職業學院化學工程學院為滿足化工企業品種多樣和工藝條件復雜的生產要求，實現系統的優化控制，設計了一套間歇反應裝置雙路控制系統。該裝置通過閥門的切換選擇合適工藝和路線進行合成生產，以滿足產品在試中控制參數調節和工藝參數優化2個不同時期的需要[7]。

上海弘和環保科技有限公司申請的中國專利CN101845310A為一種涉及生物質裂解轉化的煉制轉化工藝技術，尤指一種主要用于城市生活垃圾無害化能源轉化處理及生物質能源煉制轉化處理的城市生活垃圾裂解轉換等處理方法，主要解決生物質轉化處理裝置的設計及煉制轉化工藝技術等有關技術問題[8]。HEINRICH、JUERGEN等申請的德國專利DE102007056353是一種生活垃圾、商業垃圾、工業廢棄物的處理工序，實現物質的再利用和能源的自供應[9]。杭州恒明環境技術有限公司申請的國際專利W02013143450Al介紹一種城市生活垃圾處理和利用系統工藝，不需要對垃圾進行分級處理，不像垃圾填埋工藝那樣占用大量土地和向大氣排放垃圾降解過程釋放的各種有毒有害和溫室氣體，也不像目前垃圾焚燒工藝或現有熱解氣化那樣向大氣排放大量二噁英等有毒有害物質及煙塵[10]。D.O.Onyango和J.W.Kaluli評估了肯尼亞城市固體廢物熱解過程[11]。

研究現狀表明，目前國內外已有一些文獻探討城市生活垃圾等混合態物質還原裂解的控制系統，與本文的做法類似。除此之外，本文采用非量化自平衡調節控制、彈性邊界(彈性帶寬)控制，對多態矩陣式轉換系統實現有效的平衡控制。

2 無氧裂解過程的智能感知與決策控制方案

本文主要需建立一套面向矩陣反應釜理化反應過程的機電集成設備，研發具備智能感知、數據分析和在線優化控制策略系統共性技術的智能控制方法及應用，在實現通過部署有線與無線異構的傳感器網絡同時采集多個反應釜內的實時過程數據。智能控制器根據該傳感器網絡所收集的反應過程參數、溫度和壓力等信息，實時調整裂解過程參數，防止反應釜和工藝過程故障。通過對收集的數據作進一步大數據分析，生成該多個反應釜的技術反應通道模型，通過信息可視化還原技術優化反應通道。根據技術反應通道、壓力信息和溫度信息優化實際反應通道技術參數，以實現矩陣反應釜的智能控制，達到工藝優化和系統自愈。本項目特別針對生物質裂解的全過程，研制出其模仿人類消化道的過程，建立還原的逆反應過程。在適當反應溫度、時間、鍵激活和還原環境條件下，使各類有機物大分子裂解轉化成基本小分子；在無氧、無還原劑的條件下，實現將生物質從“碳水”轉化為“碳氫”的工程化的突變；將這些物質按其物理性質分類收集，最終獲得天然氣、石油、煤炭等地球石化類再生資源，實現可持續發展，減少資源消耗。

2.1 研究內容

①無氧低溫裂解過程數據采集方法。

研究反應釜內部署多種傳感器組網方法，以滿足對無氧低溫裂解中的反應過程參數、壓力、溫度等多維數據實時采集的要求。

②無氧低溫裂解過程數據分析方法。

研究無氧低溫裂解檢測數據挖掘方法，使用機器學習對反應過程參數、壓力、溫度等多維度數據進行分析，模擬不同分子量有機物在生物質中的比例，尋找高效的、相對完全裂解的過程特征表述。

③無氧低溫裂解分析在線優化控制方法。

通過復雜理化處理系統多維度數據的挖掘和建模，對多個反應釜入料、壓力、溫度、反應過程采集數據的協同控制，在線對多個參數進行調整，形成適應于通用型矩陣反應釜的非量化自平衡技術的彈性邊界控制方法和計算機仿真。該方法提升了裂解生成物的質量以及無氧低溫裂解過程的效率，為擴大應用領域打下基礎。

智能感知與決策控制技術路線如圖1所示。

圖1 智能感知與決策控制技術路線圖

2.2 系統設計方案

非量化生物質處理系統處理垃圾的具體方法主要包括以下步驟。

(1)啟動非量化生物質處理系統。該過程包括將垃圾輸入非量化生物質處理系統中串聯連接的第一至第五反應釜中、監測其溫度和壓力、對反應釜內進行成像、檢測非量化生物質處理系統的進料情況等。

(2)根據非量化生物質處理系統本身的參數、第一至第五反應釜內的溫度和壓力等信息，確定反應釜技術反應通道。

(3)根據第一至第五反應釜在預設時長內的溫度和壓力的變化情況，和多個反應釜在預設時長內的溫度和壓力偏離技術反應通道的大小等信息，確定第一至第五反應釜的實際反應通道。

(4)第一至第五反應釜的實際反應通道，結合反應釜內的溫度和壓力控制非量化生物質處理系統。

控制方法流程如圖2所示。

圖2 控制方法流程圖

其中，步驟(4)可以進一步包含以下步驟。

①判斷第一至第五反應釜的溫度和壓力是否處于實際反應通道內。

②若第一至第五反應釜的溫度和壓力都處于實際反應通道內，保持當前檢測所述多個反應釜的溫度和壓力的頻率，不改變所述非量化生物質處理系統的工作狀態，再次執行步驟①。

③若至少有一個反應釜的溫度和/或壓力處于所述實際反應通道外，增加監測這一反應釜的溫度和壓力的頻率，并轉到步驟④。

④判斷實際反應通道外的溫度和/或壓力能否回歸。

⑤若反應釜的溫度能夠回到實際反應通道內，則不改變所述非量化生物質處理系統的工作狀態。

⑥若反應釜的溫度不能夠回歸到實際反應通道內，則需要相應的改變非量化生物質處理系統的工作狀態。針對不同的參數不能回歸，具體的改變非量化生物質處理系統的工作狀態的方式可以是多樣的。

2.3 系統研究要點與方案優化

基于復雜理化處理系統智能感知與決策控制共性技術，設計了多態混合有機物裂解處理系統中的非量化自平衡系統。由于生物質的形狀、成分無法量化，傳統的定值、定量等目標控制方式已無法滿足該無氧裂解的控制要求。

生物質從陽光中吸取能量，從大氣中吸收二氧化碳，用無害且又便利的方法提取生物質能，不但能有效降低人類對化石類能源物質的依賴，還可將部分溫室氣體重新轉化為能源，真正實現“節能減排”的目標。

從原理上講，人類利用自然資源生產產品，必須采用量化控制、精確控制技術得到所需的物質和產品。當廢棄物混合體資源再生利用時，物質成分非量化，控制也必須適應非量化。

本文主要創新點如下。

①采用復雜理化處理系統智能感知與決策控制共性技術，設計了一種基于非量化自平衡技術的彈性邊界控制方法。該方法被應用于矩陣反應釜的智能控制，如生物質無氧低溫裂解控制，通過結合多個反應釜內壓力、溫度等信息，實現無氧低溫裂解過程控制實時優化。

②通過在矩陣反應釜內部署有線與無線異構的傳感器網絡，實現全過程信息實時采集。進一步通過部署分布式智能控制器，對多個矩陣反應釜內部采集的信息進行實時處理，實現被控設備各過程參數的動態調整。

③通過收集的被控設備內部傳感器數據與控制器過程數據進行大數據分析，并運用多層神經網絡與深度學習方法建立被控設備內部反應過程模型，實現對控制參數的在線優化。

3 無氧裂解過程控制系統設計與應用

目前，根據所研究的智能感知與決策控制方案，設計了一款非量化自平衡系統控制裝置，實現了多態混合有機物裂解處理。該裝置被成功應用于城市生活垃圾處理，實現了將生活垃圾變廢為寶、重新資源化的目標。

生活垃圾優化處理裝置如圖3所示。主要的無氧裂解還原反應在多態矩陣式反應釜中進行。其模仿人類消化道的過程，建立還原的逆反應過程。在適當反應溫度、時間、鍵激活和還原環境條件下，使各類有機物大分子裂解轉化成基本小分子；在無氧、還原劑的條件下，實現將生物質從“碳水”轉化為“碳氫”的工程化的突變；將這些物質按其物理性質分類收集，最終獲得“油、氣、碳”類資源物質。其中，通過減速機構和交流變頻電機為模仿腸道消化蠕動提供動力；通過水油氣分離裝置將反應過程中產生的水、氣、油三態物質分離，可燃氣體存儲在儲氣罐中，裂解油儲存在油罐，生物碳和無機質渣由生物碳收集裝置分別回收處理。

圖3 生活垃圾優化處理裝置示意圖

不同于傳統的生物質裂解過程，生活垃圾的成分不定，其控制過程不能采用傳統的定溫度、定壓力、定輸出等熱工參數的目標控制方式。通過反應釜內多傳感器智能感知數據，采用彈性邊界方式作為反應的方法。引入多元熱工參數彈性邊界后，通過選擇適當的彈性系數，能夠得到合理的彈性通道。首先根據裂解過程的反應變化關系，推導多元熱工參數的系數矩陣，并按拉格朗日中值定理，確定彈性邊界、彈性系數的取值范圍，取得裂解過程最優化。彈性邊界方式如圖4所示。

圖4 彈性邊界方式示意圖

圖4中，傳統控制通道理論中的中值和邊界值均為明確，具有確定性；彈性邊界通道控制方法中的中值和邊界值均為不確定值，模擬人體對血管內血壓的控制，對于邊界值的彈性波動的動能進行控制。通過改變反應速度、反應溫度、反應壓力等參數，最終將整個反應過程保持在穩定、連續、優化的過程中。

整個裂解還原的過程是在多態矩陣式反應釜中進行，采用了彈性邊界原理作為反應的控制方法。該過程對傳統的控制系統的要求非常高，需要每個反應釜都有良好的受控狀態，應對異常狀態的調節能力、處理能力，還需要對前后矩陣的反應狀態作出相關性反應。此外，它對于控制器的運算速度、網絡的實時性要求，都有很高的要求。傳統的分散控制系統(distributed control system,DCS)在這方面有所欠缺。本發明采用了開放分布式控制器和智能傳感器，使這方面得到解決。分布式控制器不同于傳統意義上的PLC，包含了更多對于底層的運算邏輯能力、路由能力，可以應對異構通信網絡響應和動態重構的要求，是真正意義上的末梢控制單元，聯通底層控制網絡和中樞神經系統。智能傳感器和開放分布式控制器組成了神經反應網絡，并通過減速機構和交流變頻電機來對矩陣反應釜進行實時動態的控制；開放分布式控制器和上位控制器組成更高級的分布式控制群，對整個多態矩陣式反應釜進行控制。

目前，該技術在實際的生產試點中，取得了非常好的成果。在整個系統運行過程中，彈性邊界控制方法很好的起到了保護設備的作用，并使不能被量化的反應可以持續、穩定、優化地連續生產。分布式控制器和智能傳感器組成的異構網絡控制群也很好地實現了該控制方法。目前已經投產的設備單線日處理生活垃圾100 T，平均每噸生活垃圾平均可產出裂化油10～30 kg，生物碳100～150 kg，可燃氣體100～120 m3，并且對環境達到“零排放”標準。

4 結束語

通過智能感知與控制決策方案的研究與應用，采用了非量化自平衡垃圾處理系統，可將生活垃圾轉化為可觀的碳氫資源，達到了遏制環境污染的目的。智能化技術在工業生產的應用，能有效提高經濟效益，實現可持續發展，有著很好的發展前景。