基于多传感器融合的反应釜清釜与放料控制方法及系统与流程

本发明属于化工反应釜自动化，尤其涉及一种基于多传感器融合的反应釜清釜与放料控制方法及系统。

背景技术：

1、反应釜是化工、医药、精细化工、食品加工等流程工业中用于物料混合、反应、合成的工艺设备。生产批次切换或工艺检修过程中，釜壁挂料清理、釜底残留物料排放、人员进釜检修是不可或缺的工序环节，其作业效率与安全管控水平直接影响生产连续性与现场作业人员的人身安全。

2、目前多数化工生产场景仍以人工进釜高压冲洗为主要清釜方式，作业人员需进入密闭受限的釜内空间，手持高压水枪对釜壁与釜底进行逐区域冲洗。该方式不仅作业强度大、清洗效率低，且作业人员全程面临有毒有害物料侵害、高压水流误伤、密闭空间窒息等多重安全风险，属于化工行业高危作业范畴，易引发人员伤亡安全事故。部分规模化企业采用固定式高压清洗装置实现半自动清釜，但此类装置普遍采用预设固定轨迹、恒定喷射压力的全域冲洗模式，无法根据釜内物料残留的实际分布位置与厚度动态调整清洗参数，既存在薄料区域过度清洗造成的水资源与能耗浪费，也易出现厚料区域、边角位置清洗不彻底需二次返工的问题，清洁质量与作业效率难以兼顾。

3、现有自动化清釜方案多采用单一视觉传感器或单一超声波传感器进行残留识别。其中单一视觉检测易受釜内雾气、光线昏暗、物料反光等环境因素干扰，难以准确获取残留物料的厚度信息；单一超声波检测虽可测量残留厚度，但无法准确勾勒残留区域的平面分布边界，两类检测方式均难以独立提供完整的釜内残留全域分布数据，无法为靶向精准清洗提供可靠的决策依据。在放料管控方面，现有反应釜放料过程中的搅拌装置多采用固定转速运行，无法根据放料流量的实时变化自适应调整搅拌频率。当釜内物料粘度较高、存在大块团聚物料时，放料口易出现物料架桥、堵塞问题，导致放料流量波动剧烈；流量过小会大幅延长放料时长、拖累生产节拍，流量过大则易造成后续物料输送管路过载、溢料等问题，影响生产过程的稳定性。在进釜作业安全管控方面，现有多数企业的断电确认、釜内气体吹扫、有害气体检测、作业许可签发等环节依赖人工逐项核查确认，流程执行规范性依赖人员责任心，存在联锁管控缺失、漏检误判、流程倒置等安全隐患，易因有害气体残留、设备误启动等原因引发安全事故，难以满足受限空间作业的全流程自动化联锁管控要求。

4、综上，现有反应釜清釜与放料控制技术存在清釜作业自动化程度低，残留检测精度不足，放料搅拌无法自适应调节，进釜作业安全联锁体系不完善等技术缺陷，无法同时满足高效生产与本质安全的双重需求。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种基于多传感器融合的反应釜清釜与放料控制方法及系统，解决现有反应釜清釜与放料控制技术存在清釜作业自动化程度低，残留检测精度不足，放料搅拌无法自适应调节，进釜作业安全联锁体系不完善的问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于多传感器融合的反应釜清釜与放料控制方法，包括以下步骤：

3、釜内状态感知：通过可伸入反应釜内部的视觉传感器与超声波传感器执行多源数据融合检测，获取釜壁刮料残留与釜底大块物料残留的全域分布状态，并将所述全域分布状态作为清釜作业的决策输入；

4、靶向清釜调控：基于所述全域分布状态匹配对应的清洗执行参数，调控高压水枪的喷射角度、喷射压力与行走轨迹，对反应釜内表面的残留区域执行靶向清洗作业；

5、放料自适应搅拌：在反应釜放料作业过程中，实时采集放料口的放料流量数据，以所述放料流量数据为反馈量，通过搅拌频率自适应算法动态匹配搅拌机构的运转频率，维持放料过程的流量稳定；

6、进釜安全联锁：当触发人员进釜作业需求时，按预设安全时序依次执行断电联锁、釜内气体吹扫与有害气体浓度检测，当所有安全指标均达标后授予进釜作业权限，以对进釜作业联锁管控。

7、作为基于多传感器融合的反应釜清釜与放料控制方法优选方案，所述视觉传感器与所述超声波传感器集成于可升降旋转的检测支架末端，全域扫描的空间覆盖范围满足柱坐标模型：

8、

9、式中，为传感器的可扫描空间区域；分别为釜内柱坐标系下的径向、周向与轴向坐标；为反应釜的内半径；为反应釜的内高度；检测支架通过周向旋转与轴向升降的复合运动，实现釜内全区域扫描。

10、作为基于多传感器融合的反应釜清釜与放料控制方法优选方案，通过空间坐标配准与加权融合模型进行所述多源数据融合，具体包括：

11、建立视觉像素坐标与釜内三维空间坐标的投影映射关系，坐标变换公式为：

12、

13、式中，为深度尺度因子，由反应釜本体几何约束与超声波测距数据联合确定；为3×4维视觉传感器投影矩阵，包括传感器内参数、安装位姿外参数及釜体坐标系变换参数；u、v为残留点在视觉图像中的像素坐标；为釜内残留点在反应釜本体坐标系下的三维空间坐标；

14、将超声波传感器检测的残留厚度数据与视觉识别的位置数据进行空间配准后加权融合，得到残留厚度的融合估计值：

15、

16、式中，为空间坐标处物料残留厚度的融合估计值；为视觉传感器识别得到的该位置残留厚度；为超声波传感器检测得到的该位置残留厚度；分别为视觉检测与超声波检测的权重系数，且满足。

17、作为基于多传感器融合的反应釜清釜与放料控制方法优选方案，基于所述全域分布状态匹配对应的清洗执行参数，调控高压水枪的喷射角度、喷射压力与行走轨迹过程中，所述高压水枪的喷射压力与行走进给速度根据所述全域分布状态中的残留特征自适应匹配，满足如下调控模型：

18、喷射压力调控公式：

19、

20、式中，为空间坐标处的高压水枪喷射压力；为基础清洗压力；为压力增益系数；为该位置的物料残留融合厚度；

21、喷射轨迹进给速度调控公式：

22、

23、式中，为空间坐标处高压水枪的行走进给速度；为基准进给速度；为速度衰减系数；为该位置邻域内的残留覆盖率。

24、作为基于多传感器融合的反应釜清釜与放料控制方法优选方案，所述高压水枪的末端喷嘴位姿通过多自由度机械臂调控，喷嘴的空间位姿变换满足齐次变换关系：

25、

26、式中，为喷嘴相对于机械臂基座的齐次变换矩阵，用于描述喷嘴的空间位置与喷射姿态；为机械臂第个关节对应的齐次变换矩阵；为第个关节的转动角度；为机械臂的自由度总数。

27、作为基于多传感器融合的反应釜清釜与放料控制方法优选方案，所述搅拌频率自适应算法采用增量式闭环调节模型，搅拌频率的实时调整增量满足如下公式：

28、

29、；

30、式中， 为第时刻相对于第时刻的搅拌频率调整增量；分别为第时刻的放料流量偏差值；为流量偏差，为预设目标放料流量；为第时刻检测到的实际放料流量；为比例调节系数；为积分调节系数；为微分调节系数。

31、作为基于多传感器融合的反应釜清釜与放料控制方法优选方案，所述进釜作业的安全合格判定采用多指标联合判定模型，判定逻辑满足关系式：

32、

33、式中，为进釜安全许可判定结果，表示判定合格、授予作业权限，表示判定不合格、禁止进釜；为釜内有害气体实际浓度；为有害气体安全浓度阈值；为釜内实际氧气浓度；分别为氧气浓度的安全下限与上限；为断电状态标志位，表示反应釜动力回路已断开。

34、作为基于多传感器融合的反应釜清釜与放料控制方法优选方案，还包括，清釜作业完成后执行效果复核，通过清洁度量化指标进行判定，计算公式如下：

35、釜内残留覆盖率：

36、

37、釜内最大残留厚度：

38、

39、清洁度合格判定条件为：

40、且

41、式中，为釜内物料残留覆盖率；为反应釜内表面全域；为坐标处的残留区域指示函数，存在残留时取值为1，无残留时取值为0；为反应釜内表面总面积；为全域内最大残留厚度；为残留覆盖率合格阈值；为最大残留厚度合格阈值。

42、作为基于多传感器融合的反应釜清釜与放料控制方法优选方案，还包括，放料作业完成的判定采用持续流量零值时序检测模型，满足判定逻辑：

43、

44、式中，为放料完成标志位，表示放料作业完成；为时刻的放料瞬时流量；为流量首次降至零的时刻；为预设的持续判定时长。

45、本发明还提供基于多传感器融合的反应釜清釜与放料控制系统，采用上述的基于多传感器融合的反应釜清釜与放料控制方法，包括：

46、釜内状态感知单元，用于通过可伸入反应釜内部的视觉传感器与超声波传感器执行多源数据融合检测，获取釜壁刮料残留与釜底大块物料残留的全域分布状态，并将所述全域分布状态作为清釜作业的决策输入；

47、靶向清釜调控单元，用于基于所述全域分布状态匹配对应的清洗执行参数，调控高压水枪的喷射角度、喷射压力与行走轨迹，对反应釜内表面的残留区域执行靶向清洗作业；

48、放料自适应搅拌单元，用于在反应釜放料作业过程中，实时采集放料口的放料流量数据，以所述放料流量数据为反馈量，通过搅拌频率自适应算法动态匹配搅拌机构的运转频率，维持放料过程的流量稳定；

49、进釜安全联锁单元，用于当触发人员进釜作业需求时，按预设安全时序依次执行断电联锁、釜内气体吹扫与有害气体浓度检测，当所有安全指标均达标后授予进釜作业权限，以对进釜作业联锁管控。

50、本发明具有如下优点：

51、本发明采用视觉与超声波多传感器融合检测方式，可同时获取釜内残留的位置分布与厚度信息，弥补了单一传感器检测维度单一、易受环境干扰的不足，为清洗作业提供完整可靠的决策依据；基于残留分布状态自适应调控高压水枪的喷射角度、压力与行走轨迹，实现靶向清洗，在保障清洗洁净度的同时避免全域恒压冲洗造成的水资源与能源浪费；全程无需作业人员进入釜内作业，彻底替代人工高危清釜工序，有效降低受限空间作业的人员伤亡风险。

52、本发明通过放料流量实时反馈与搅拌频率自适应算法联动，可根据釜内物料排放状态动态调整搅拌转速，针对高粘度物料、大块团聚物料等工况主动优化搅拌强度，有效缓解放料口物料架桥、堵塞问题，平滑放料流量波动，避免因流量异常引发的后续工序过载、溢料等生产异常，保障放料工序与下游输送工序的连续稳定运行，优化整体生产节拍。

53、本发明将断电联锁、气体吹扫、浓度检测与作业许可纳入统一联锁管控逻辑，按照预设安全时序自动执行各环节工序，避免人工管控模式下易出现的流程倒置、漏检误判、责任落实不到位等问题；采用多指标联合判定机制核验进釜条件，任一指标不达标均阻断进釜权限，从机制上消除有害气体残留、设备误启动等安全隐患，满足化工受限空间作业的严格安全管控要求。