一种基于气泡状态量化的旋转蒸馏自适应控制方法与流程

本发明涉及含能胶料旋转蒸馏控制，具体地说是一种基于气泡状态量化的旋转蒸馏自适应控制方法。

背景技术：

1、含能胶料（如硝化棉基推进剂浆料、复合改性双基推进剂胶料等）的旋转蒸馏工序是在真空加热条件下对承装物料的蒸馏瓶旋转蒸发，进而从胶料中脱除过量的溶剂（如丙酮、乙酸乙酯、乙醇等溶剂），使胶料浓度达到工艺要求。其中在蒸馏过程中，溶剂沸腾产生的气泡特征能够直接反映蒸馏状态，具体为：气泡过少，真空度过低或温度不足，脱溶不充分，易导致成品溶剂残留超标；气泡过多且剧烈，真空度过高或温度过高，蒸馏瓶易发生“暴沸”，此时胶料可瞬间喷溅进入冷凝器，不仅会导致物料损失，还可能堵塞设备甚至引发爆炸。

2、现有技术中，旋转蒸馏仪普遍采用人工目测+手动调节真空阀的方式进行控制，也即操作人员透过防爆观察窗，凭经验判断蒸馏瓶内产生的气泡大小、数量和沸腾剧烈程度，然后手动旋转真空调节阀调节瓶内真空度或调节水浴锅的加热功率。该方式存在以下缺陷：

3、一：主观性强，一致性差。不同人员判断标准不一，并且同一人员在不同班次也会因疲劳、注意力等因素产生判断偏差。经实际工艺测试，工艺批次间气泡覆盖率变异系数（cv）通常高达15%～20%。

4、二：控制响应滞后。从人工观察到手动调节，再到真空系统响应，通常延迟达10～30秒，极易错过最佳调控窗口。

5、三：气泡状态无法量化。现有技术中由于气泡状态缺乏量化指标，无法形成闭环控制，更无法与mes等上层系统进行数据联动。

6、四：人员在现场长时间观察，违反了很多企业要求的“无人化”生产安全原则。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于气泡状态量化的旋转蒸馏自适应控制方法，其将蒸馏过程中获得的气泡覆盖率、气泡数量、气泡平均面积（也即气泡平均尺寸）、沸腾剧烈度等特征实时量化输出，从而将传统“人工目测+经验判断”的模糊工艺转变为可编程的数字化闭环控制，不仅提升了工艺一致性，也降低了调节控制的延迟时间，同时还可以最大限度的避免了暴沸事故发生，保障了蒸馏安全。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

3、一种基于气泡状态量化的旋转蒸馏自适应控制方法，包括如下步骤：

4、步骤一：对蒸馏瓶内部的气泡原始图像进行采集；

5、步骤二：从气泡原始图像中提取roi区域，然后对roi区域进行预处理获得气泡待分析图像；

6、步骤三：对气泡待分析图像进行气泡特征提取，具体为：

7、步骤3.1：基于动态阈值分割对气泡待分析图像进行处理，并获得最终二值图；

8、步骤3.2：在最终二值图中标记连通域并通过计算获得气泡特征，其中气泡特征包括：

9、一：气泡数量nb=连通域个数；

10、二：气泡覆盖率c=(σai)/aroi，其中σai为最终二值图中的所有气泡总面积，aroi为步骤二中的roi区域面积；

11、三：气泡平均面积aavg=(σai)/nb；

12、四：沸腾剧烈度 f：将最终二值图划分为n×n的网格，并计算每个网格的lbp直方图方差，然后取平均值作为f值，f值越高代表沸腾越剧烈；

13、步骤四：根据气泡覆盖率 c和沸腾剧烈度 f调节蒸馏瓶真空度，其中气泡覆盖率c维持在目标区间[clow, chigh]内，同时限制沸腾剧烈度f不超过最大设定值fmax，另外气泡覆盖率c随时间t的变化率不超过设定值；

14、步骤五：当蒸馏瓶真空度调节不能将气泡覆盖率c稳定在目标区间时，同时调节浸没蒸馏瓶底部的水浴锅温度。

15、步骤一中，图像采集单元中的防爆工业相机实时采集蒸馏瓶内的液面及液面上方的气泡原始图像，并将所述气泡原始图像发送至图像处理单元的处理系统中。

16、所述图像采集单元包括led光源和偏振滤光片，其中防爆工业相机镜头轴线与蒸馏瓶液面法线夹角控制在15°～20°，led光源与防爆工业相机镜头同轴安装，偏振滤光片设于防爆工业相机的镜头前，同时led光源前也加装正交方向的偏振片。

17、步骤二中，气泡原始图像通过图像处理单元进行预处理，具体为：

18、步骤2.1：roi区域提取，确定蒸馏瓶内液面所在的指定范围内的区域为roi区域；

19、步骤2.2：对roi区域进行去噪和增强处理；

20、步骤2.3：获得经过上述处理后的roi区域的0°和90°偏振图像，两者相减后得到气泡待分析图像。

21、步骤3.1具体为：

22、步骤3.1.1：获得全局像素二值化阈值t0；

23、步骤3.1.2：对气泡待分析图像中的每个像素，分别计算其设定邻域的均值μ和标准差σ；

24、步骤3.1.3：根据下式（1）计算自适应像素阈值t1：

25、t1=μ+m×σ （1）；

26、上式（1）中，m取值范围为-5～-10；

27、步骤3.1.4：根据t0和t1获得最终二值图，其中气泡待分析图像中既大于t0、又大于t1的像素点形成所述最终二值图。

28、步骤四中：

29、当c＜clow且f＜最小设定值fmin时，与蒸馏瓶连通的真空泵变频器频率f增加，进而提高蒸馏瓶的抽气速率和内部真空度；

30、当c＞chigh或f＞最大设定值fmax时，与蒸馏瓶连接的真空泵管路上的放气阀打开到设定开度，进而降低蒸馏瓶真空度；

31、当c随时间t的变化率大于设定值时，也即dc/dt大于设定值时，真空泵管路上的放气阀自动全开。

32、步骤五中，水浴锅温度根据下式（2）调节：

33、δtbath=kt×（c-ctarget） （2）；

34、上式（2）中，δtbath为水浴锅的温度变化量，c为气泡覆盖率，kt为变化比例因子，其为负值，ctarget为气泡覆盖率的目标值，ctarget=(clow+chigh)/2。

35、8、根据权利要求1所述的基于气泡状态量化的旋转蒸馏自适应控制方法，其特征在于：所述蒸馏瓶瓶口与旋转蒸馏仪的管口对接，并且蒸馏瓶底部浸入水浴锅中，所述蒸馏瓶通过所述旋转蒸馏仪带动旋转蒸馏。

36、本发明的优点与积极效果为：

37、1、本发明将蒸馏过程中的气泡覆盖率、气泡数量、气泡平均面积（也即气泡平均尺寸）、沸腾剧烈度等特征实时量化输出，从而将传统“人工目测+经验判断”的模糊工艺转变为可编程的数字化闭环控制，不仅满足了无人化生产要求，还提升了工艺一致性，其中经实际工艺检测，批次间气泡覆盖率变异系数从人工方式的约18%可以降至约5%左右，工艺一致性获得显著提升。

38、2、本发明从图像采集、特征提取到真空调节控制的总延迟时间≤2秒，远低于人工响应的10～30秒，响应速度大幅度提升。

39、3、本发明通过监测气泡覆盖率c的变化率（dc/dt），可在暴沸前兆出现时自动快速全开放气阀，其中经实际工艺检测，这可以使暴沸事故减少80%以上。

40、4、本发明通过维持气泡覆盖率c在目标区间[clow, chigh]内，同时限制沸腾剧烈度f不超过最大设定值fmax，再配合上述气泡覆盖率c的变化率监测，这能够更为全面的保证蒸馏过程的安全进行。

41、5、本发明融合偏振差分去反射、形态学重建去挂料、clahe增强等传统图像处理方法，能够保证在瓶壁挂料、水雾等工况下，气泡识别准确率仍保持在较高水平（比如92%以上），相对于纯阈值分割的识别准确率（比如65%），本发明能够有效确保系统控制的可靠性。

42、6、本发明所有的气泡特征值、蒸馏瓶真空度、水浴锅温度以及各种控制指令均可以实时存入本地数据库，并可以通过接口上传至mes与安全态势平台，这可以为后续工艺优化、事故分析及质量管理体系提供完整的视觉证据链与数据支撑。