基于蔗糖結(jié)晶過(guò)程的圖像采集與控制研究

潘澤鍇，朱名日，張振升

（桂林電子科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與控制學(xué)院，桂林 541004）

0 引言

煮糖是蔗糖制煉工藝過(guò)程中關(guān)鍵的一環(huán)，蔗糖結(jié)晶過(guò)程是國(guó)內(nèi)糖廠生產(chǎn)過(guò)程中唯一沒(méi)有全面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的生產(chǎn)過(guò)程。國(guó)內(nèi)至今是依靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手動(dòng)操作，人為因素對(duì)白砂糖的質(zhì)量影響十分明顯，相同條件下不同熟練程度的操作人員所煮出來(lái)糖的質(zhì)量亦有差別；其次由于煮糖水平的差異，常常不能實(shí)現(xiàn)以較低的能耗獲得較高的煮糖效率及最好的白砂糖質(zhì)量。再加上國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的結(jié)晶罐內(nèi)無(wú)強(qiáng)制循環(huán)裝置，罐內(nèi)糖膏循環(huán)不良導(dǎo)致煮糖時(shí)間長(zhǎng)，能耗高，成品糖色值增加。

國(guó)外對(duì)煮糖控制的研究較早，并且也取得了較大的進(jìn)展，像澳大利亞、巴西、泰國(guó)、西歐的一些國(guó)家糖廠在十幾年前已經(jīng)普遍采用了自動(dòng)煮糖控制系統(tǒng)。自1961年以來(lái)著名學(xué)者Wright、Foster、Broadfoot、Wilson、Schneider等人一直致力于煮糖自控模型研究，根據(jù)物料和能量平衡等推出一系列用于煮糖控制的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)出典型的煮糖控制方案，但是這樣的方法需要準(zhǔn)確的檢測(cè)出各種參數(shù)還未完全能實(shí)現(xiàn)，而且數(shù)學(xué)模型有待進(jìn)一步完善。

從國(guó)內(nèi)外的煮糖控制現(xiàn)狀來(lái)看：煮糖自動(dòng)化的程度不高，這方面的研究有很大的發(fā)展空間。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)工業(yè)過(guò)程的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)采用一種視覺(jué)傳感方法，以圖像處理為技術(shù)基礎(chǔ)建立一個(gè)煮糖過(guò)程自動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)計(jì)算蔗糖結(jié)晶圖像的特征值，以數(shù)據(jù)融合的方式和原有自動(dòng)控制參數(shù)結(jié)合，同時(shí)還要考慮在工廠復(fù)雜的環(huán)境中要保持信息的安全連續(xù)傳輸，保持系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。因此，在原有設(shè)備實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，建立一種基于蔗糖結(jié)晶過(guò)程的圖像采集與工業(yè)自控系統(tǒng)有其現(xiàn)實(shí)的意義。

1 蔗糖結(jié)晶過(guò)程模型描述

在整個(gè)控制系統(tǒng)中，蔗糖的結(jié)晶過(guò)程提供主要的控制依據(jù)，為了得到一致晶體需要實(shí)現(xiàn)結(jié)晶過(guò)程的連續(xù)化與自動(dòng)化，即對(duì)結(jié)晶過(guò)程實(shí)現(xiàn)模型化，找出過(guò)程晶體生長(zhǎng)、成核和結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的完整的表達(dá)式，使煮糖過(guò)程能根據(jù)煮糖原料的儲(chǔ)存情況、操作條件等的變化，通過(guò)工控機(jī)自行運(yùn)算，確定最佳的入料配比，自動(dòng)控制程序和選定參數(shù)，保證整個(gè)結(jié)晶過(guò)程都處于最佳狀態(tài)。

根據(jù)蔗糖結(jié)晶過(guò)程的變化情況，對(duì)結(jié)晶過(guò)程模型做相關(guān)的描述，煮糖罐輸入—輸出的關(guān)系如圖1所示。

蔗糖結(jié)晶機(jī)理模型方程由以下方程組成：

1） 物料平衡方程

所謂物料平衡計(jì)算就是求出作用物量與生成物量（包括變化部分）的恒等關(guān)系。由圖1可知：

（1）在任何時(shí)刻煮糖罐中的總質(zhì)量為：

M=S+W+I+X

2）蔗糖晶體生成關(guān)系式

在本模型中，所采用的結(jié)晶體線性生長(zhǎng)速率G是采用Wright教授研究提出數(shù)學(xué)表達(dá)式：

其中，OS-蔗糖溶液臨界飽和度；活化能Eact與溫度有關(guān)，表達(dá)式為：Eact=62.76-0.8368(T-60)；R=8.32；Wright教授估計(jì)了三個(gè)與晶體生長(zhǎng)相關(guān)的參數(shù)：P1=7.148，P2=0.04，P3=-1.75。

3）階距平衡關(guān)系式。

其中，μ1—晶體粒度分布1階距；μ2—晶體粒度分布2階距；μ3—晶體粒度分布3階距；G蔗糖晶體線性生長(zhǎng)速率。

由蔗糖結(jié)晶過(guò)程模型可知，影響晶體成長(zhǎng)的主要因素有濃度效應(yīng)(S)、溫度效應(yīng)(T)、流動(dòng)效應(yīng)(F)和雜質(zhì)效應(yīng)(I)，量變表現(xiàn)在濃度的增加，質(zhì)變表現(xiàn)在相變，兩者的總和便形成外形的變化。變化的過(guò)程又伴隨著系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)移。所以研究結(jié)晶的形成，要以濃度、物相和能量變化三方面來(lái)進(jìn)行考察。而這三個(gè)方面的變化在圖像都會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，設(shè)想找到一種針對(duì)此結(jié)晶圖像變化過(guò)程的數(shù)學(xué)算法得到合理控制參數(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程的自動(dòng)控制大有裨益。

2 蔗糖結(jié)晶圖像采集系統(tǒng)建模

由蔗糖結(jié)晶過(guò)程模型描述可知，蔗糖結(jié)晶是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程包括傳熱又包含傳質(zhì)，當(dāng)中受多方面的因數(shù)影響，人們采用電導(dǎo)儀法、γ射線法、計(jì)算過(guò)飽和度控制方法都存在不足之處，電導(dǎo)儀法中電極和糖膏接觸，會(huì)逐漸形成積垢和被腐蝕，影響測(cè)定結(jié)果；γ射線法存在輻射，對(duì)人體產(chǎn)生傷害；計(jì)算過(guò)飽和度法對(duì)傳感器要求較高。

2.1 蔗糖圖像采集模塊

針對(duì)上述方法存在的缺陷，本文設(shè)計(jì)一種非接觸式檢測(cè)方法，利用嵌入式開發(fā)平臺(tái)和CMOS圖像傳感器采集蔗糖結(jié)晶不同階段圖片進(jìn)行圖像處理，提取圖像的特征值反饋控制系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合的方式和原有參數(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)蔗糖結(jié)晶過(guò)程的自動(dòng)化控制。從實(shí)際情況出發(fā)，設(shè)計(jì)出現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境模型如圖2所示。

圖2 圖像采集處理模型

在蔗糖結(jié)晶過(guò)程中，鍋爐內(nèi)的晶體在不停攪拌作用下，不停的依附在鍋爐壁的透明玻璃片上，鍋爐外光學(xué)鏡頭把圖像放大，COMS圖像傳感器將現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的蔗糖圖像信號(hào)經(jīng)相位放大、同步信號(hào)分離、亮度/色度信號(hào)分離和A/D變換等處理，轉(zhuǎn)換成以二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)輸出。數(shù)字信號(hào)流直接輸入到嵌入式處理器的圖像數(shù)據(jù)采集單元中，單元內(nèi)部將捕獲的圖像數(shù)據(jù)以DMA(Direct Memory Access，直接存儲(chǔ)器訪問(wèn))方式傳輸?shù)絻?nèi)存中，通過(guò)液晶屏在平臺(tái)的接口送液晶屏LCD顯示。在整個(gè)過(guò)程中，硬件層工作方式由應(yīng)用層操作界面發(fā)出，嵌入式平臺(tái)通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)核互通相應(yīng)模塊控制參量，嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核在整個(gè)系統(tǒng)中起到中樞的作用。

此外，鍋爐周圍在生產(chǎn)過(guò)程中溫度較高，圖像采集儀器外圍加裝相應(yīng)的隔熱裝置。要采集到質(zhì)量高的圖片，還應(yīng)對(duì)光源加以限制，除了增加光的強(qiáng)度以外，采用鍍膜鏡頭減少光線反射，提高圖像的亮度和對(duì)比度；調(diào)節(jié)鏡頭焦距能夠增加圖像清晰度，消除圖像模糊的現(xiàn)象。煮糖罐內(nèi)的蔗糖晶體在不同階段依附在鍋爐壁狀況是不一樣的，包括流速，濃度、溫度、粘度、純度和雜質(zhì)都可通過(guò)圖像體現(xiàn)出來(lái)，因此對(duì)不同時(shí)間的蔗糖圖像進(jìn)行處理，提取圖像特征值就可以為后續(xù)的自動(dòng)化控制提供參數(shù)依據(jù)。

2.2 蔗糖圖像處理模塊

依據(jù)蔗糖結(jié)晶圖像的特點(diǎn)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖像處理算法核心是針對(duì)蔗糖顆粒圖像分割以后的特征提取。依據(jù)蔗糖結(jié)晶圖像的特點(diǎn)，前期運(yùn)用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的膨脹、腐蝕運(yùn)算作預(yù)處理，采用基于遺傳算法的Otsu閾值分割算法進(jìn)行特征分離，提取特征值。最后利用類間方差值判定對(duì)參數(shù)歸類控制，設(shè)計(jì)的圖像處理模塊如圖3所示。

圖3 圖像處理流程圖

在蔗糖的圖像處理過(guò)程中，以數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在圖像的消噪、增強(qiáng)等方面的應(yīng)用為基礎(chǔ)，利用基于遺傳算法的Otsu閾值分割方法處理蔗糖結(jié)晶顆粒圖像以得到其二值化圖像，然后再?gòu)膱D像中提取目標(biāo)的顆粒面積、周長(zhǎng)、形狀指數(shù)等，檢測(cè)實(shí)時(shí)采集圖像中的單位顆粒參數(shù)與實(shí)際是否符合，采用Otsu閾值圖像分割適應(yīng)度函數(shù)中類間方差值F(t)作為判斷依據(jù)：

其中，μ0(t)、μ1(t)分別為目標(biāo)顆粒和閾值部分的概率，ω0(t)、ω1(t)分別為目標(biāo)顆粒和閾值部分的均值。由Otsu閾值分割出來(lái)的目標(biāo)顆粒參數(shù)和閾值空間兩部分構(gòu)成局部差，方差是灰度分布均勻性的一種度量，類間方差F(t)要落在一定的閾值范圍之內(nèi)才符合優(yōu)化控制的需求，把控制參數(shù)送控制系統(tǒng)比較判定后，工控機(jī)向無(wú)線傳感器發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶罐內(nèi)的強(qiáng)制循環(huán)。這樣圖像處理模塊就為蔗糖煮糖環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制提供了一個(gè)有效的技術(shù)保障。

3 煮糖結(jié)晶過(guò)程控制系統(tǒng)建模

煮糖自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本原理是總結(jié)糖的結(jié)晶過(guò)程原理、建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先設(shè)置好煮糖相關(guān)參數(shù)的工藝曲線，根據(jù)各相關(guān)參數(shù)采集點(diǎn)反饋回來(lái)的信息按設(shè)定曲線自動(dòng)調(diào)節(jié)相關(guān)物料，自動(dòng)控制強(qiáng)制循環(huán)裝置、液位、真空度、蒸汽壓力、和糖漿錘度等，以達(dá)到結(jié)晶顆粒均勻可控，采用較低的能耗獲得較高的煮糖效率及白砂糖質(zhì)量的效果。

蔗糖結(jié)晶過(guò)程是一個(gè)非線性、慢時(shí)變、多變量控制過(guò)程，要建立其機(jī)理模型非常困難。為了克服傳統(tǒng)建模的不準(zhǔn)確性，找出過(guò)程的合適輸入-輸出關(guān)系，本設(shè)計(jì)采用了對(duì)煮糖結(jié)晶過(guò)程進(jìn)行Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模。引用Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)建立一種自回歸模型，其模型的差分方程可以表示為：

式中，μ(t)是輸出向量，x(t)是輸入向量，m，n分別是輸入和輸出的時(shí)間時(shí)滯因子，f是非線性函數(shù)。利用實(shí)際的輸出x和Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出之間的誤差來(lái)調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，最終期望用來(lái)反映x。

圖4 蔗糖結(jié)晶過(guò)程控制流程圖

根據(jù)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型機(jī)理，本設(shè)計(jì)在機(jī)械自動(dòng)取樣（即代替人工取樣）的基礎(chǔ)之上，建立基于圖像處理的過(guò)程控制系統(tǒng)流程圖4所示：結(jié)晶過(guò)程模型，得出影響結(jié)晶的因素；然后對(duì)蔗糖結(jié)晶圖像采集與控制進(jìn)行系統(tǒng)建模，通過(guò)對(duì)結(jié)晶過(guò)程圖像處理，計(jì)算特征值，提取目標(biāo)的面積、周長(zhǎng)、形狀指數(shù)等，為過(guò)程自動(dòng)化控制提供參數(shù)依據(jù)；最后以工控機(jī)為核心，將控制命令通過(guò)智能傳感器向控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送，結(jié)點(diǎn)又將所獲取的控制信息反饋到工控機(jī)，真正實(shí)現(xiàn)整個(gè)過(guò)程自動(dòng)控制。達(dá)到了節(jié)約能耗，減少勞動(dòng)力，降低生產(chǎn)成本，提高效率，提高白砂糖的產(chǎn)量和質(zhì)量目的，有效地提升了企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力目的。

實(shí)際生產(chǎn)中，圖像處理模塊參數(shù)x(t)是輸入向量，CAM現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)出命令μ(t)是輸出向量。原來(lái)技術(shù)工人用采樣器抽出煮糖罐內(nèi)的糖膏樣本放在玻璃板上觀察和用手摸感觸，判斷蔗糖晶體的相對(duì)數(shù)量、疏密程度、生長(zhǎng)情況以及糖膏母液的濃度、黏度和吸收狀況等，然后手動(dòng)控制原蜜、甲稀和水的加入量，促使蔗糖顆粒結(jié)晶。本設(shè)計(jì)的圖像處理算法可以比較準(zhǔn)確的計(jì)算出單位面積內(nèi)的蔗糖顆粒面積、周長(zhǎng)、形狀指數(shù)等，將所獲參數(shù) 與從原來(lái)設(shè)定的參數(shù) 相結(jié)合綜合分析，對(duì)罐內(nèi)的蔗糖結(jié)晶實(shí)際情況進(jìn)行預(yù)測(cè)和判斷，通過(guò)工控CPU向智能傳感器發(fā)送控制命令參數(shù)μ(t)，工控模塊通過(guò)CAM總線形式連接起來(lái)，對(duì)加原蜜伺服、加糖漿伺服、加熱水伺服和自動(dòng)取樣、模式識(shí)別微波檢測(cè)裝置等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將控制信息實(shí)時(shí)反饋給工控機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修正。在結(jié)晶罐內(nèi)不斷的強(qiáng)制循環(huán)，最終達(dá)到生產(chǎn)出高質(zhì)的糖產(chǎn)品、節(jié)約能源、提高生產(chǎn)效率目的。

4 結(jié)論

本文以蔗糖結(jié)晶過(guò)程為依據(jù)，首先描述蔗糖

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