基于視覺識別的反應進程智能調控系統及其在溴素生產中的應用

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、醫藥等行業普遍使用的化工原料，我國溴素產能占世界產能的10%，居于世界第三，主要集中于有著特殊鹵水資源優勢的萊州灣地區［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，生產高品質的溴素產品意義重大［2］。 我國溴素行業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品的品質和工藝的提取效率。我國QB/T 2021—1994 規定了工業溴的化學指標，其中優級溴的氯含量應不大于0.05%［4］。 實現蒸餾工藝的自動、精準、穩定控制，能夠有效提升整個溴素生產工藝的能源利用率、產品提取率和產品品質。 溴素傳統蒸餾塔為玻璃塔，近年來聚四氟襯里塔成為溴素生產的主流蒸餾設備［5］，不管是哪種類型的蒸餾塔，傳統的調節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，根據顏色調節氯氣加入量［6］，這種方式受環境光線和工人經驗影響較大，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中的應用已經十分廣泛，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、大數據預警分析及產品品質檢測等場景［7］，在節省人工的同時可提升工業控制的自動化水平，也是非接觸式檢測的優選方法。

筆者根據目前溴素生產操作與管控模式，提出基于工業視覺的顏色智能識別系統替代人眼判斷，以保證生產效率和產品品質。

1 系統設計

如圖1 所示，溴素蒸餾工藝自動分析控制系統由補光設備、視覺識別模塊、數據傳輸模塊、上位機分析系統和控制執行系統組成。 根據現場環境布署穩定可靠的光源，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境影響。 視覺識別模塊采集蒸餾塔內的反應進程圖像信息，經數據傳輸模塊遠傳至控制系統和上位機。 中控室采用工控機，配置雙網卡冗余架構，通過光纖或者國標工業網線實現智能視覺與工控機之間的數據傳輸，上位機對數據進行分析處理后將信號發回控制系統進行自動調節。

圖1 溴素蒸餾工藝自動分析控制系統框圖

系統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，將各參數信息協同管控。 首先穩定蒸汽壓力和塔頂溫度，然后對識別的反應進程設置最優調節范圍。 現場反應進程識別數值高于最優調節范圍時，代表氯氣加入量處于過量狀態，上位機控制系統做出判斷，減小氯氣調節閥開度；反之，增大氯氣調節閥開度。

2 視覺識別程序及其功能設計

工控機安裝C++ Visual Studio 2012 開發平臺實現智能視覺接口通信，為保證數據通信的高速與穩定，數據采用1 GiB/s 通信架構。 采用智能數學算法模型原理， 把現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據［9］，為后工序執行層設備自動調節提供數據依據。

智能視覺識別及控制系統（圖2）運行時，先依據溴素品質和生產經驗，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。 在系統運行過程中進行自動調整和系統自學習，最終設置系統保護的上限和下限 （包括母液流量、蒸汽閥門開度及氯氣閥門開度等）后，實現系統的自動運行。

圖2 蒸餾工藝智能視覺識別及控制系統界面

如圖3 所示，溴素生產過程中，視窗界面顏色越深、數值越小，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，提升溴素產率。 然而氯氣通入太多會使產品中氯含量過多，導致產品品質下降。 因此，在工藝控制中存在一個平衡點，在保證產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。 而本系統能夠實現如下功能：

a. 將圖片顏色轉換為數字量化指標，同時協同控制關鍵參數，提高控制的準確性和平穩性；

b. 實時數據監控管理， 生產過程顏色指標、閥門開度等信息曲線管理；

c. 自動控制管理， 數值上傳至現場DCS 或PLC 系統，建立無縫數據對接，實現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良參考值對比，根據對比結果進行閥門開度控制（高于優良值關閉，低于優良值打開）。

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。 首先根據計算閾值判斷是否需要變頻采集，如果閾值在可控范圍內，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范圍內只進行一次，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器加1，否則計數器清零。 對計數器進行判斷，如果超過預設值，則修改保護上、下限，否則繼續后續流程。 閥門未到保護限制，則判斷閾值是否在可控范圍內，在可控范圍內則閥門開度不變，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

本系統并沒有采用PID 調節， 原因是PID調節會針對實時變化做出實時糾正性調節，容易造成過度調節，導致生產不穩定［12］。

本項目通過采集實時圖像， 分析顏色深度，自主開發算法， 不僅可以控制氯氣閥門開度，還可以調節閥門動作的頻率。 由于采集的視窗內有流動的液體，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。 在顏色區間范圍內，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 現場應用

在應用本系統前， 塔頂溫度控制不精確，經常出現“冒頂”現象，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境污染，并危及現場工人的人身安全；由于控制不精確導致溴素品質不穩定，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已在多家溴素廠投用，選取某現場兩個月的生產數據，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，將一段時間內每天的數據求平均后繪制曲線，如圖6 所示。

圖6 溴素蒸餾工藝生產自動調控數據

系統投用后，生產運行穩定，現場母液溴含量在37.0～41.4 kg/m3、母液流量在3.2～3.3 L/h，通過系統的自動控制，保證氯氣流量在10.4 ～11.7 L/h 內， 并隨著母液溴含量的波動而自動進行小幅調控。 生產各項指標都控制在一個非常平穩、合理的范圍內：蒸汽壓力穩定在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操作方式，節省了物料成本約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定在0.01%以內， 保證產品100%處于優級水平。

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（將產品氯含量穩定在0.01%以內）和提取率（降低蒸餾排廢溴含量，將排廢中溴含量穩定在0.13 kg/m3以內）；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工作人員設置，節省了人工成本；同時保證企業符合安全環保要求，實現人員與現場分離，保證生產安全，消除工藝控制不當導致的“冒頂”現象，減少了氯氣排放，經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不僅適用于溴素蒸餾工藝，在化工生產過程中有顏色變化以及界面區分的工藝都可以應用，不僅適用于間歇性生產過程，對于連續化生產過程更為適用。 下一步將繼續深入研發本技術在連續化生產過程中的實際應用。