CN101655700A - 一种废物热解的形貌学控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于废物资源化利用领域和控制学技术领域，具体涉及一种废物热解的形貌学控制系统及方法。包括图像采集单元、图像分析计算单元、执行控制单元、反应器、观测窗、驱动机构、开关或开度操作机构和加热器功率调节机构组成，图像采集单元；图像采集单元由摄像头、数据采集板卡、传输线缆组成，图像分析计算单元由图像数字化预处理模块、图像分割和阈值处理模块和图像识别和统计模块依次连接组成，策略控制单元由参数一控制策略模块、参数二控制策略模块和参数三控制策略模块组成。当热解过程中物料形貌变化表征达到一定的程度时，通过调节所述废物热解系统的运行参数来控制热解过程，加快废物朝着所希望的产品方向的热解反应进程，减少异常反应状况，如结焦等现象。本发明结构简单，控制方便，易于实现。

Description

一种废物热解的形貌学控制系统及方法

技术领域

本发明属于废物资源化利用领域和控制学技术领域，具体涉及一种废物热解的形貌学控制系统及方法。

背景技术

对废塑料和污泥等废物的热化学处理有焚烧和热解等方法。其中，热解(隔氧或者欠氧，分别对应油化或气化)自废物中制取燃料油和燃料气，是实现废物资源化的一种重要方法。与焚烧相比，热解避免了二噁英的困扰，更为经济并具有更好的环保效果，但由于工艺复杂，控制难度大，目前国内大型工程应用很少；国外有限的热解示范工程，也存在这样或者那样的问题，但是最主要的问题还是过程控制问题，例如废塑料和污泥在热裂解时如果温度和氧量控制不当，轻则无法得到较好品质的产物，重则会发生爆炸。相对焚烧来说，热解的控制要复杂得多。

与焚烧有明亮的火焰相比，热解过程中无氧气参与或者欠氧，因而没有火焰和光亮产生。目前所有此类热解反应监控系统的过程控制参数大都是依靠反应容器(反应釜)内的压力、温度等物理参数进行设定或解算得到，尚无根据反应物自身的化学反应动态过程中的变化状态进行控制的方法。现有技术中由于控制手段欠缺，废物热解过程控制手段普遍存在调节动作滞后，产品的品质难以保证的问题。

由于图像信息分析领域的进展，形貌学技术逐渐开始应用在一些领域，如食品加工、物件检测等。比如专利号CN200610012113.9公开了一种基于RGB复合模型的柑橘分理分级的方法。该方法采用了视觉系统和处理数字图像的计算机，利用图像对水果进行分级，但是没有形成系统的控制方法。而且水果表面形貌不涉及跟随反应过程发生动态变化，且水果的图像和本发明所涉及的废弃物热解图像有本质不同。又如专利号CN200710059735.1公开了一种陶瓷加工表面损伤检测系统，可以检测先进陶瓷和其他相关材料的表面损伤类型等参数。但是该专利不涉及任何过程控制方面的功能，不涉及任何陶瓷表面发生相变等动态变化。再如专利申请号CN200410018012.3涉及到炉膛燃烧温度图像检测方法，利用现有CCD摄像采集及计算机处理系统获得火焰彩色图像，再将其转换为灰度图像，经过计算后得出温度图像。该专利的目的是得到炉膛的燃烧温度分布的检测方法，与结合物料反应过程中自身的形貌特征进行控制的内容实质完全不同。

目前对废物热裂解和气化的理论和实验研究成果表明，在裂解或气化过程中废物会在一定的温度、压力和气氛下逐渐热解融化并在较高的温度下气化。特别是垃圾中的废塑料在受热融化过程中有较明显的形貌变化，反应过程的不同阶段会有不同的形貌特征。在工程实际中，根据对物料形貌特征的经验就可对当前反应状况进行良好的判断。对反应过程中可能出现的异常反应，如结焦等严重影响连续生产并可能损害反应器的情况，采用图像识别能快速有效的判断并通过执行机构调节，则可保证物流稳定畅通，让碳化降到最低，为废物裂解和气化控制流量和质量创造良好条件，使反应朝着理想方向发展，对废物热解工艺的推广和应用具有普遍意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种废物热解的形貌学控制系统及方法。

本发明提出的废物热解的形貌学控制系统，包括图像采集单元1、图像分析计算单元2、执行控制单元3、反应器4、观测窗5、驱动机构6、开关或开度操作机构7和加热器功率调节机构8组成，其中：

图像采集单元1通过数字信号线连接图像分析计算单元2，图像分析计算单元2通过数字信号线连接执行控制单元3，控制策略单元3分别通过控制信号线连接驱动机构6、开关或开度操作机构7和加热器功率调节机构8，反应器4上设有观测窗5，观测窗5通过模拟信号线连接图像采集单元1；

图像采集单元1由摄像头9、数据采集板卡10、传输线缆11组成，摄像头9放置于观察窗5上，对反应器4内的反应状况进行摄像，摄像头9通过传输线缆11连接数据采集板卡10，图像采集单元1用于反应器4特定的观察点的物料形貌变化进行跟踪摄像和传输，通过摄像头9对反应器内物料的当前外貌开关进行摄像，以设定频率将图片传输到图像分析计算单元2；

图像分析计算单元2由图像数字化预处理模块12、图像分割和阈值处理模块13和图像识别和统计模块14依次连接组成，数据采集板卡10通过数字信号线连接图像数字化预处理模块12，图像分析计算单元2对图像采集单元1传出的实时图像中物料形貌变化，计算形貌表征的量化指标或特征值等进行分析，将该图像信息数字化预处理、图像分割和图像识别统计；

策略控制单元3根据计算量化指标和特征值参数调节驱动机构、开关或开度操作机构和加热器功率等操作，由参数一控制策略模块15、参数二控制策略模块16和参数三控制策略模块17组成，参数一控制策略模块15连接驱动机构6，参数二控制策略模块16连接开关或开度操作机构7，参数三控制策略模块17连接加热器功率调节机构8，参数一控制策略模块15控制驱动机构6完成由物料推动活塞机构或类似机构的行程，参数二控制策略模块16控制开关或开度操作机构17用于包括阀的开关控制和开度控制，参数三控制策略模块17控制加热器功率调节机构8的供热。

本发明中，所述观测窗的数量视具体情况而定。

本发明提出的废物热解的形貌学控制方法，具体步骤如下：

(1)将废物如废塑料、污泥等投入反应器中后，对反应器各段或主反应段内观察点的物料形貌变化通过观测窗上的摄像头进行实时跟踪摄像；

(2)按设定频率(如每秒一张)在线提取实时图像，摄像头9将数据传输到数据采集卡10；

(3)数据采集卡10将图像传递给图像分析单元2进行数字化处理；

(4)图像分析单元2分析图像中的物料形貌变化，得到形貌表征量化的特征值；引入反应器温度、压力、反应时间等辅助信号计算物料反应状况的指标值；

(5)判断特征值是否在正常范围之内，以及是否已经超过报警范围；

(6)若特征值在正常范围之内，记录物料停留时间，加热器功率，运行形貌变化趋势分析程序；根据设定指标值执行控制策略，包括驱动机构动作，阀门动作，热量增减等控制操作，从而改变物料停留反应时间、进料和出料和加热器功率等过程；若特征值在正常范围之外，在判断特征参数是否超过高低报警区间；未超过报警区间则执行控制策略单元改变反应器内物料停留反应时间，加热器功率以及进料和出料操作；若超过报警区间则进行报警和紧急处理程序；

(7)判断反应器工作状态是否正常，若正常，则继续执行第(2)步，从而循环执行；若不正常则结束本控制系统控制。

本发明的优点在于：

1.对本应有领域来说，主要在于反应过程中物料的形貌是最早和最及时反映反应进行状态的基本参数，相对于在反应器(釜)内的温度/压力/产物组分等参数信号的监测而言，对形貌的监测是最及时和最准确的手段。所以，对反应物形貌的监测是控制反应进行的最佳手段。

2.对本应有领域来说，在反应过程中出现异常状况，如结焦、堵塞等，在现有的控制中很难及时察觉并做出反应。例如，对于含有多种不同种类和杂质的物料，由于各类物质的物理化学特性差异，很难通过温度、压力等信号得知当前反应是否正常。而通过应用本发明的控制系统和方法，可以及时得到报警信息，及时处理，并且可以起到一定的预防作用。

3.对本应有领域来说，本发明的控制系统和方法，对反应设备具有更宽的适应性。对各类不通处理能力的反应器都可以灵活匹配而无需重大改变。

4.对本应有领域来说，由于本发明的控制系统和方法采用的控制信号是物料形貌变化。而物料形貌变化仅是反映系统目前工作状况的状态量，根据此信号所形成的反馈不构成反应过程本身的强耦合关系。所以，具有高度稳定性和可观测性。相反，以主要采用温度信号的控制系统为例，由于温度信号本身一般就是反应器所要控制的参数，所以必须考虑实际控制系统中物料与反应器本身的温度惯性及其复杂的强耦合关系。那么必然会导致控制算法复杂，参数整定困难，还往往需要采用对象模型简化等措施。

5.对本应有领域来说，本发明的控制系统和方法的测量手段不需要引出任何物质或在反应物料中插入任何传感器，所以完全不会对反应过程本身有任何干扰。

附图说明

图1是根据本发明用于废物热解反应器的控制系统功能结构图。

图2是示出图1中基于形貌学的图像监控系统功能结构图。

图3是基于形貌学的热解控制系统进行调节物料热解处理步骤的流程图。

图中标号：1为图像采集单元，2为图像分析计算单元，3为控制策略单元，4为反应器，5为观测窗，6为驱动机构，7为开关或开度操作机构，8为加热器功率调节机构。9为摄像头，10为数据采集板卡，11为传输线缆，12为图像数字化预处理模块，13为图像分割和阈值处理模块，14为图像识别和统计模块，15为参数一控制策略模块，16为参数二控制策略模块，17为参数三控制策略模块。

具体实施方式

本发明的应用领域将通过下面的详细描述变得显而易见。应该理解，本发明所公开的详细说明、具体实施例以及指导应用的优选实施例仅仅是为了解释说明而并不是为了限制本发明的保护范围。

以下将结合具体实施例详细地给出本发明的实施方案。

实施例1：

如图1和图2所示，本发明用于废物热解过程的控制系统包括：图像采集单元1、图像分析计算单元2、控制策略单元3、反应器4、观测窗5、开关或开度操作机构7以及加热器功率调节机构8。其中，计算机图像监测系统部分包括了图像采集单元1、图像分析计算单元2和控制策略单元3。

图像采集单元1由摄像头9、数据采集板卡10、传输线缆11组成，摄像头9放置在观察窗5对反应状况进行摄像，传输线缆11用于将摄像头9连接到数据采集板卡10上，图像采集单元1用于反应器4特定的观察点的物料形貌变化进行跟踪摄像和传输；

图像分析计算单元2由图像数字化预处理模块12、图像分割和阈值处理模块13和图像识别和统计模块14依次连接组成，用于分析由摄像头9付出的实时图像中物料形貌变化，计算形貌表征的量化指标或特征值等，图像数字化预处理模块12、图像分割和阈值处理模块13和图像识别和统计模块14之间利用数字信号传输；

策略控制单元3由参数一控制策略模块15、参数二控制策略模块16和参数三控制策略模块17组成，参数一控制策略模块15连接驱动机构6，参数二控制策略模块16连接开关或开度操作机构7，参数三控制策略模块17连接加热器功率调节机构8，参数一控制策略模块15控制驱动机构6完成由物料推动活塞机构或类似机构的行程，参数二控制策略模块16控制开关或开度操作机构17用于包括阀的开关控制和开度控制，参数三控制策略模块17控制加热器功率调节机构8的供热。参数一控制策略模块15、参数二控制策略模块16和参数三控制策略模块17并列在策略控制单元3内可弹性调整，彼此之间无直接连接关系。

图像采集单元1用于对反应器内物料的当前外貌形态进行摄像，并且以设定频率将高清图片传输到图像分析计算单元2；整个热解过程中采用无损连续摄像，将录像录制到硬盘等形式的存储器中；在图像分析计算单元2得到当前分析图像信息之后，将该图像信息数字化预处理、图像分割和图像识别统计等子功能。

图像的信息数字化预处理的目的是改善图像质量和进行图像识别。例如可以先将图像转换为BMP图像格式，然后分成两步进行识别。

先对彩色图像或者由颜色明暗分别的图像进行颜色模式识别。对物料表面图像进行一定分辨率模式下的颜色分析。通过前后图像对比分析，估计异常反应区例如废塑料的结焦区或者污泥的碳化区域的面积。根据物料反应停留时间，反应器加热面温度和可能的测温等辅助信息，判断反应异常进行的程度。判定异常反应区后，根据设定值的灵敏度范围进行报警或启动紧急处理控制策略。紧急处理控制策略可以包括诸如驱动执行机构快速将当前反应器(或反应段)内的物料推移到当前反应器(段)外；降低加热器供热功率；打开排气阀门，停止进料等措施。

第二步将彩色图像或明暗图像转换为灰度图像。转化后各像素的亮度值应考虑人眼对各种颜色的敏感程度不同，所以计算时加权系数不同。这里采用如下算法：

R(r)＝G(g)＝B(b)＝1/3×(0.3×R₀(r)+0.59×G₀(g)+0.11B₀(b))  (1)

而且，不同的热解阶段可采用不同的灰度转化算法对图像进行锐化以改善图像质量。然后，可以通过将图像的原始灰度分布均匀散布于最大允许的灰度分布空间，拉大灰度值之间的动态范围，从而增强图像的整体对比度，实现此目的的一个可以利用的方法是直方图均衡化(histogram equalization)，即灰度均衡化方法，此外还使用基于拉普拉斯锐化算法的图像锐化方法等多种算法。

由于锐化增强了图像的边缘，增强了图像信号的高频成分，但实际图像总是存在噪声的影响。如果前期噪声预处理不好，那么得到的结果也不会满意。所以，必须对图像进行滤波，以便能达到更理想的处理状态。为了提高系统的自适应性，特别是热解反应中不断变化的图像滤波要求，采用自适应鲁棒中值滤波。这是一种基于中值滤波的改进滤波方法，在去噪的同时能较好地保持图像中的细节。自适应鲁棒滤波中值滤波的定义写成Ψ的函数形式，即：

$\underset{i=1}{\overset{2N+1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\ψ}(Y_{\mathrm{med}},X_i-Y_k)=0---\left(2\right)$

其中，Y_k表示输入序列{X_i}经重新排序，按中位k的输出。X_i是随机变量；Ψ定义为：

$\mathrm{\&psi;}\left(t\right)=\frac{\mathrm{dS}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\left\{\begin{array}{cc}+P& t>P\\ t& -p<t<P\\ -P& t<-P\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，S(t)为鲁棒化目标函数。P的值根据滤波带通窗内误差估计调节。一般P取1.5-3倍的信号方差σ即可。

由(2)式根据鲁棒滤波器参照值Y_med值，由域统计量P值，可得输出量Y_k。

图像分割，是在得到锐化和去噪的灰度图像后，要适应系统快速稳定的要求，分割算法必须能够基于图像形貌有一定的自适应调节能力。例如，可采用基于直方图分析的自适应工程阈值分割算法。也可用分割算法结合最大方差法，减少阈值的偏差，提供系统的处理速度和鲁棒性能。

图像的识别和统计是根据分割后的图像获得当前物料反应程度。其中，正在进行反应的物料表面的形貌学特征，例如表面固液状态和光滑程度等识别是控制动作的直接动因。在气化、裂解等反应过程中，废弃物会逐渐减少。其中对固体物质的面积减少的趋势判定也作为判定指标之一。在图像处理系统里，像素纵向数值和横向数值所代表的实际长度也往往不相等。一般需经过标定程序把每个像素转换成实际代表的面积，然后计算出如反应区域的固液面积、分布程度和当前热解速度等参数值。

在得到图像的信息分析计算综合值之后，控制策略单元3可根据流程图3所示的步骤采取不同的控制策略。从图2中可以看到，本示例中的控制策略单元可包括对应三种参数的执行机构控制策略，分别为驱动机构行程控制策略，阀门开度控制策略，加热器供热功率的控制策略等。在不同的系统中还可具备报警(紧急)控制策略，催化剂等反应辅料的供给控制策略，目标方案模式更改控制策略等多种组合或特殊目的的控制手段。结合图1所示，例如在本例控制系统的驱动机构6是活塞推动机构或柱塞推动机构。在一定加热温度下，反应器内裂解或气化进行到该阶段内的废物已经充分热解的时刻，剩下的物料也不再发生形貌上大的变化。这时推动机构将反应物推出当前反应容器空间，从而可以接收新的废物进入。若出现异常反应现象，如结焦现象，则根据权衡参考反应温度设定值，物料停留时间，热解程度等信号，决定是否暂时减少供热量，或者启动驱动执行机构等。例如机构7可以是阀门的开度操作控制策略，一般主要是控制进料阀、出渣阀和气体输出阀等阀体动作操作。比如根据工艺设定参考值(此值可以根据制取反应产物是主要需要气体还是液体等因素来确定)，从供料阀内定时添加一定量新物料，从排渣阀排出废渣。可根据当前反应物的特征可准确判定当前反应阶段，而通过精确开闭气体输出阀则可得到不同反应阶段下的气化产物。机构8的控制主要采用图像分析特征值参数，同时参考反应温度、压力等控制控制参数对加热器功率进行调节。其中加热器可以采用燃烧供热，也可以是电加热、热交换等方式供热。在图1中，控制信号可采用标准电信号，也可以是气动控制信号或两者结合。对于驱动机构6，控制信号可采用机构行程动作信号，同时返回机构行程的反馈信号。对于开关或开度操作机构7，控制信号可采用阀门开度(开关)控制信号，同时返回开度(开关)反馈信号；对于加热器功率调节机构8，控制信号可采用加热器的功率状态信号，同时返回当前加热器功率反馈信号。反馈信号在控制策略中，与图像分析特征值结合起来进行系统控制。

观察窗5表示摄像头9安装位置。在反应器上可以在多个关键点同时采用多个观察窗5进行摄像，这时图像采集手段是利用具有多路输入功能的图像采集卡进行摄像。

控制流程参看图3。控制系统开始工作时，其控制流程如下：

(1)先对各个模块进行自检，模块本身无损坏则进入下一步，否则提示报警。

(2)在自检通过后初始化各类控制设备和测量设备的参数。图像采集单元1提取实时图像，摄像头9通过视频线缆11传输到数据采集卡10。

(3)数据采集卡10将图像传递给图像数字化预处理模块12进行图像数字化处理，并计算当前图像信息的特征值。在执行过程中引入反应器温度、压力等辅助信号作为计算中的部分参数。

(4)实时特征值与设定范围进行比较，若特征值在工艺设定的正常范围内，则说明反应还在正常进行中，执行下一步正常时操作，否则执行异常操作。再进一步判断特征值是否已经超过报警范围，然后进行下一步操作。

(5)若特征值在正常范围内，则调用实时数据库模块记录此刻的物料停留时间，控制反馈参数(如加热器功率、阀门开度)等，并运行形貌变化分析程序。此程序在比较一段时间内反应物料的形貌变化差别，若形貌变化很小(例如小于3％或某个设定值)，说明反应已经很充分了，则提供准备推走当前物料的提示信号。在驱动机构动作启动前，还需参考反应器温度、压力等参数的影响。这些逻辑判定分别封装在各个控制策略模块里，通过触发事件来响应实时监测的信号。若特征值已经不在设定的正常范围内，则进一步判定是否达到报警值。

若在某种故障或特殊条件下，反应速度很快，造成特征值超过报警区域，则需要启动报警和执行紧急处理策略。此类策略需要根据具体的反应器处理规模大小、工艺实施手段等具体制定有效措施。这类措施的主要目的是防止热解中的反应异常如结焦、堵塞甚至爆管等事故。

在没有到报警区域的情况下，改变物料的停留时间来触发驱动机构动作策略，同时改变加热器功率来改变反应温度和温升，并采用进料出料等操作使出口产品的质量稳定，反应过程达到预期效果。

(7)在策略动作周期后，判断是否反应器运行是否正常运行。若正常运行则执行返回步骤2，继续提取新的图像信息。否则就结束当前控制，或调动退出操作。

现在本领域技术人员可以从本发明公开内容的广泛教导而形成的前叙描述中的控制系统，也能够实施各种变形。因此，尽管公开内容与具体实施例相关，但本发明的真正的保护范围不应被限制，因为其他修改的技术方案对于研究了附图、说明书和随后的权利要求书的内容的本领域技术人员而言是显而易见的。

Claims (2)

1、一种废物热解的形貌学控制系统，包括图像采集单元(1)、图像分析计算单元(2)、执行控制单元(3)、反应器(4)、观测窗(5)、驱动机构(6)、开关或开度操作机构(7)和加热器功率调节机构(8)组成，其特征在于：

图像采集单元(1)通过数字信号线连接图像分析计算单元(2)，图像分析计算单元(2)通过数字信号线连接执行控制单元(3)，控制策略单元(3)分别通过控制信号线连接驱动机构(6)、开关或开度操作机构(7)和加热器功率调节机构(8)，反应器(4)上设有观测窗(5)，观测窗(5)通过模拟信号线连接图像采集单元(1)；

图像采集单元(1)由摄像头(9)、数据采集板卡(10)、传输线缆(11)组成，摄像头(9)放置于观察窗(5)上，对反应器(4)内的反应状况进行摄像，摄像头(9)通过传输线缆(11)连接数据采集板卡(10)，图像采集单元(1)用于反应器(4)特定的观察点的物料形貌变化进行跟踪摄像和传输，通过摄像头(9)对反应器内物料的当前外貌开关进行摄像，以设定频率将图片传输到图像分析计算单元(2)；

图像分析计算单元(2)由图像数字化预处理模块(12)、图像分割和阈值处理模块(13)和图像识别和统计模块(14)依次连接组成，数据采集板卡(10)通过数字信号线连接图像数字化预处理模块(12)，图像分析计算单元(2)对图像采集单元(1)传出的实时图像中物料形貌变化，计算形貌表征的量化指标或特征值进行分析，将该图像信息数字化预处理、图像分割和图像识别统计；

策略控制单元(3)根据计算量化指标和特征值参数调节驱动机构、开关或开度操作机构和加热器功率操作，由参数一控制策略模块(15)、参数二控制策略模块(16)和参数三控制策略模块(17)组成，参数一控制策略模块(15)连接驱动机构(6)，参数二控制策略模块(16)连接开关或开度操作机构(7)，参数三控制策略模块(17)连接加热器功率调节机构(8)，参数一控制策略模块(15)控制驱动机构(6)完成由物料推动活塞机构或类似机构的行程，参数二控制策略模块(16)控制开关或开度操作机构(17)用于包括阀的开关控制和开度控制，参数三控制策略模块(17)控制加热器功率调节机构(8)的供热。

2、一种如权利要求1所述的废物热解的形貌学控制方法，其特征在于具体步骤如下：

①将废物投入反应器中后，对反应器各段或主反应段内观察点的物料形貌变化通过观测窗上的摄像头进行实时跟踪摄像；

②按设定频率在线提取实时图像，摄像头(9)将数据传输到数据采集卡(10)；

③数据采集卡(10)将图像传递给图像分析单元(2)进行数字化处理；

④图像分析单元(2)分析图像中的物料形貌变化，得到形貌表征量化的特征值；引入反应器温度、压力、反应时间辅助信号计算物料反应状况的指标值；

⑤判断特征值是否在正常范围之内，以及是否已经超过报警范围；

⑥若特征值在正常范围之内，记录物料停留时间，加热器功率，运行形貌变化趋势分析程序；根据设定指标值执行控制策略，包括驱动机构动作，阀门动作，热量增减控制操作，从而改变物料停留反应时间、进料和出料和加热器功率过程；若特征值在正常范围之外，在判断特征参数是否超过高低报警区间；未超过报警区间则执行控制策略单元改变反应器内物料停留反应时间，加热器功率以及进料和出料操作；若超过报警区间则进行报警和紧急处理程序；

⑦判断反应器工作状态是否正常，若正常，则继续执行第②步，从而循环执行；若不正常则结束本控制系统控制。

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