基于視覺(jué)識(shí)別的溴素蒸餾自動(dòng)加氯技術(shù)應(yīng)用

倫紹普，楊在春，王玉強(qiáng)，孫自永

(山東?；煞萦邢薰?溴素廠，山東 濰坊 262737)

1 前言

溴素是重要的化工原料之一，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著十分重要的作用，溴及溴產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥中間體、溴系阻燃劑、油田化學(xué)品、水處理劑等有機(jī)化工及無(wú)機(jī)化工的化合物制備。

目前國(guó)內(nèi)溴素生產(chǎn)的原料主要是地下鹵水資源，海水灘涂晾曬及電廠循環(huán)水。制溴廠多位于偏僻、人員少的沿海鹽場(chǎng)處，規(guī)模小，自動(dòng)化程度低，特別是溴素蒸餾加氯控制因無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線工藝參數(shù)的測(cè)量，只能“目視、手調(diào)”，手動(dòng)操作。

蒸餾是溴素生產(chǎn)工藝的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)與氯氣反應(yīng)和蒸汽蒸出將溴素提純。蒸餾控制效果的好壞，直接影響著溴素的產(chǎn)量與品質(zhì)。

近年國(guó)家對(duì)企業(yè)安全環(huán)保要求的提升，操作自動(dòng)化、智能化是溴素行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)，溴素蒸餾加氯操作自動(dòng)控制是溴素行業(yè)操作提升的關(guān)鍵一環(huán)。

2 溴素蒸餾加氯自控現(xiàn)狀分析

蒸餾塔作為溴素生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，歷經(jīng)花崗巖塔、陶瓷鎧裝塔、玻璃塔、鋼襯聚四氟乙烯塔等形式。經(jīng)過(guò)十幾年的使用，鋼襯四氟蒸餾塔由于耐腐蝕強(qiáng)，密封性能好，處理能力高，得到廣大廠家的認(rèn)可，現(xiàn)在鋼襯四氟塔已成為溴素生產(chǎn)的主流蒸餾塔設(shè)備。

氯氣加入蒸餾塔后，與氫溴酸迅速反應(yīng)，在塔內(nèi)形成一個(gè)顏色變化明顯的反應(yīng)面，常規(guī)玻璃鋼塔的操作即是觀察反應(yīng)面的位置來(lái)調(diào)節(jié)加氯量，加氯量大，反應(yīng)面高;加氯量小，反應(yīng)面位置低。控制合適的反應(yīng)面高度位置，即可保證產(chǎn)品質(zhì)量及控制蒸餾后稀酸含溴量。但是鋼襯四氟塔在生產(chǎn)操作中不能直觀反映塔內(nèi)物料的反應(yīng)情況，傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)模式為人工觀察蒸餾塔底排除的蒸餾稀酸顏色，憑經(jīng)驗(yàn)根據(jù)顏色判斷調(diào)節(jié)氯氣加入量。反應(yīng)調(diào)節(jié)滯后，顏色變化不明顯，辨識(shí)難，給操作帶來(lái)很大的難度，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)加氯過(guò)量導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量超標(biāo)或加氯不足、蒸餾廢液含溴過(guò)高、蒸出率低的問(wèn)題。

借鑒玻璃蒸餾塔的調(diào)節(jié)方式，采用視覺(jué)識(shí)別的原理可很好地解決溴素鋼襯四氟蒸餾塔加氯自動(dòng)控制技術(shù)。

3 技術(shù)實(shí)施

3.1 鋼襯四氟塔改造增加觀察視鏡

借鑒玻璃蒸餾塔的操作觀察方式，對(duì)鋼襯四氟塔進(jìn)行改造，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估反應(yīng)面位置，在相應(yīng)的塔節(jié)側(cè)壁對(duì)向開(kāi)設(shè)兩個(gè)透明的可視窗(即將此處蒸餾塔節(jié)更換為帶視鏡塔節(jié))，實(shí)現(xiàn)直接觀察反應(yīng)面顏色。將人工觀察鋼襯四氟蒸餾塔底蒸餾后稀酸的顏色，改為更加直觀、靈敏的依據(jù)反應(yīng)面位置及顏色變化來(lái)調(diào)節(jié)加氯量。

將帶視鏡塔節(jié)四氟填料環(huán)更換為透光的玻璃填料環(huán)，觀察視鏡對(duì)面增加LED 射燈進(jìn)行補(bǔ)光，便于觀察反應(yīng)面顏色。

即一個(gè)可視窗用于安裝工業(yè)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，另一個(gè)可視窗安裝補(bǔ)光光源。對(duì)塔身內(nèi)部的反應(yīng)物進(jìn)行補(bǔ)光，使得工業(yè)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)獲取的圖像更清晰。

3.2 溴素蒸餾塔反應(yīng)面視覺(jué)識(shí)別處理系統(tǒng)

蒸餾塔內(nèi)物料反應(yīng)面位置處顏色變化明顯，采用視覺(jué)識(shí)別處理方式，識(shí)別反應(yīng)面顏色的變化，經(jīng)過(guò)軟件處理把圖像信號(hào)采集處理，轉(zhuǎn)換為氯氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，并入DCS 系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)蒸餾氯氣加入量的自動(dòng)控制。

溴素蒸餾塔反應(yīng)面視覺(jué)識(shí)別處理工藝流程(如圖1)。工業(yè)攝像頭實(shí)時(shí)采集可視口處的圖像，然后經(jīng)過(guò)網(wǎng)口通訊傳到控制室的工控機(jī)上，圖像采集卡對(duì)采集到的圖像信息(顏色、灰度、亮度、飽和度等)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)顯示對(duì)應(yīng)的圖像的數(shù)值，而后把處理得到的數(shù)值信號(hào)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)口通訊，傳到設(shè)備間的控制柜，控制柜把傳過(guò)來(lái)的數(shù)值信號(hào)，轉(zhuǎn)換為4 mA ～20 mA 電流信號(hào)，然后傳給DCS，在DCS 上實(shí)時(shí)顯示氯氣閥門的開(kāi)度。在DCS 上通過(guò)自動(dòng)和手動(dòng)切換按鈕，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制過(guò)程的手自動(dòng)切換。

圖1 蒸餾加氯視覺(jué)識(shí)別處理流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of visual identification process for chlorination of distillation

蒸餾塔內(nèi)反應(yīng)物的顏色深度，以視覺(jué)識(shí)別方法對(duì)反應(yīng)物成像進(jìn)行識(shí)別后得到的數(shù)值信號(hào)大小作為判斷基準(zhǔn)。視覺(jué)識(shí)別方法，作用是將圖像中的顏色深淺信息識(shí)別出來(lái)。顏色深度，即深淺信息，通過(guò)顏色深度的轉(zhuǎn)換算法，將視覺(jué)采集獲取的圖像顏色信息轉(zhuǎn)換為顏色深度值。一般而言，顏色越深，顏色深度值的數(shù)值越小，代表氯氣加入不足;反之，顏色越淺，顏色深度值的數(shù)值越大，氯氣加入過(guò)量。

工業(yè)攝像頭采集的是RGB 圖像，RGB 即是代表紅、綠、藍(lán)三個(gè)通道的顏色，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)幾乎包括了人類視力所能感知的所有顏色，是目前運(yùn)用最廣的顏色系統(tǒng)之一，但是方案對(duì)采集的亮度，飽和度等信息有相應(yīng)要求，因此采用HSV 模型進(jìn)行顏色提取。圖像處理的預(yù)處理階段采用高斯濾波對(duì)圖像中的每個(gè)點(diǎn)的像素值計(jì)算，計(jì)算的準(zhǔn)則是，由該點(diǎn)本身灰度值以及其鄰域內(nèi)的其他像素灰度值加權(quán)平均所得，而加權(quán)平均的權(quán)系數(shù)由二維離散高斯函數(shù)采樣并歸一化后所得。把每個(gè)圖像信號(hào)處理為數(shù)字信號(hào)。

顏色識(shí)別處理后，控制策略如圖2。

圖2 視覺(jué)識(shí)別處理系統(tǒng)控制策略圖Fig.2 Control strategy diagram of visual recognition processing system

4 保證措施

(1)生產(chǎn)中氫溴酸流量、蒸汽壓力、氯氣壓力等相關(guān)物料參數(shù)波動(dòng)較大，干擾自控實(shí)施?？稍黾泳彌_罐并聯(lián)動(dòng)自調(diào)閥進(jìn)行控制，保證入塔物料以上參數(shù)穩(wěn)定。

(2)蒸餾加氯的自動(dòng)化過(guò)程控制要求精度高，安全可靠性嚴(yán)，其終端控制元件的準(zhǔn)確、快速調(diào)節(jié)是不可或缺的一環(huán)，加氯調(diào)節(jié)閥的精度、反應(yīng)靈敏度應(yīng)滿足要求。

(3)視覺(jué)識(shí)別對(duì)外界光線變化的影響較大，須將攝像頭與觀察視鏡密閉在一定空間內(nèi)，切斷外界光源。

5 應(yīng)用效果

山東海化股份有限公司溴素廠自試驗(yàn)完成、試運(yùn)行以來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量合格、蒸餾廢液含溴顯著降低。

(1)圖3 為截取的為一個(gè)生產(chǎn)班次的數(shù)據(jù)，顏色最優(yōu)值設(shè)定為30。

圖3 顏色實(shí)際檢測(cè)間與最優(yōu)顏色設(shè)定的值的對(duì)比Fig.3 Comparison of values between actual color detection and optimal color setting

由圖3 可以看出，顏色最優(yōu)值設(shè)定為30 時(shí)，顏色檢測(cè)值主要在15 ～40 區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，滿足最優(yōu)值±15的要求，滿足操作要求。

(2)表1 為一個(gè)月的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(顏色最優(yōu)值設(shè)定為30)。

表1 蒸餾后稀酸含溴與產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of bromine content in dilute acid after distillation and product quality

由表1 可以看出，在設(shè)定的顏色最優(yōu)值下，蒸餾后稀酸含溴平均值約0. 40 kg/m3，控制穩(wěn)定在0.38 kg/m3～0.41 kg/m3之間波動(dòng)，波動(dòng)值小。

產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，含氯量在0.05 %以下，達(dá)到優(yōu)級(jí)溴標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)論

1)蒸餾塔節(jié)增加玻璃視鏡，可準(zhǔn)確觀察蒸餾反應(yīng)面顏色變化，反應(yīng)面位置設(shè)置準(zhǔn)確，可保證蒸餾廢液含溴及產(chǎn)品溴素含氯量在控制指標(biāo)內(nèi)。

2)溴素蒸餾塔反應(yīng)面視覺(jué)識(shí)別處理系統(tǒng)能夠有效識(shí)別反應(yīng)面顏色的變化，經(jīng)過(guò)軟件處理把圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)程序，轉(zhuǎn)換為氯氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，并入DCS 系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)蒸餾氯氣加入量的自動(dòng)控制。

3)自動(dòng)加氯控制的實(shí)施使溴素蒸餾自動(dòng)化控制水平提高，主要參數(shù)自動(dòng)控制，做到人機(jī)分離，從本質(zhì)上保障操作人員安全。

4)自動(dòng)加氯控制的實(shí)施可降低蒸餾后稀酸含溴，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。提高了蒸餾蒸出率，對(duì)于節(jié)約地下鹵水資源，保護(hù)周圍生態(tài)環(huán)境，改善員工工作條件，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，起到了很好的改善作用。