CN115079659B - 中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数字化控制技术领域，具体涉及一种中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制方法及系统。该方法采集煎药锅上层温度和下层温度共同作为内部温度信息。通过连续采样时刻下的内部温度信息和内部气压信息的变化特征获得内部稳定性指数。通过内部稳定性指数实时变化函数和标准变化函数的第二相似度判断煎药机是否出现蒸发速度异常，进一步根据锅盖边缘不同位置之间的温度获得密封稳定因子，进而控制控制煎药机的停止及锅盖的重新密封。本发明采集参考性强的运行数据，根据运行数据判断存在蒸发速度异常的煎药机，进而根据异常煎药机的蒸汽溢出情况对煎药机进行控制，保证了中药生产浓缩过程中的生产效率与药品的质量。

Description

中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制方法及系统

技术领域

本发明涉及数字化控制技术领域，具体涉及一种中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制方法及系统。

背景技术

中药生产浓缩工艺是中药加工中的必备工艺之一，通过将中药材进行煎煮浓缩进而为后续生产工艺提供原料。煎药机为中药生产浓缩工艺中必备的机械装置，通过煎药机能够在加工过程中严格控制锅内的加热温度和压力，以使得锅内的药液达到理想的产品质量。在现代的制药工厂中，自动化煎药机应用广泛，能够实现全程的自动化药液浓缩过程。在煎药机执行自动化任务时，会因为锅盖控制参数发生异常，导致锅盖密封性异常，在锅盖表面形成多处蒸汽外溢点，进而影响锅内的气压及温度，导致内部的药液的蒸发速度无法达到预期，若继续进行药液浓缩过程，则会导致最终形成的药液无法满足质量要求，影响了药品质量。

在现有技术中，可利用煎药机上安装的温度传感器和压力传感器对煎煮过程进行监控与控制，但是蒸汽外溢点导致的温度变化是非均匀性，直接根据温度信息和压力信息对当前煎煮状态进行判断的话会导致误判和漏判。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制方法及系统，所采用的技术方案具体如下：

本发明提出了一种中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制方法，所述方法包括：

采集煎药机的锅盖边缘温度、煎药锅的内部温度和煎药锅内部的内部气压；所述内部温度包括上层温度和下层温度；

根据连续采样时刻下所述内部温度之间的第一相似度获得内部温度变化因子；根据连续采样时刻下所述内部气压的波动特征获得内部气压稳定因子；根据所述内部温度变化因子和所述内部气压稳定因子获得内部稳定性指数；

根据连续采样时刻内的所述内部稳定性指数获得时序上的变化函数；根据实时变化函数与标准变化函数的第二相似度判断煎药机是否存在蒸发速度异常；

若煎药机存在蒸发速度异常，则根据煎药机锅盖不同位置之间锅盖边缘温度的差异获得密封稳定因子；若密封稳定因子小于预设第一阈值，则控制煎药机停止煎药过程并重新进行锅盖密封。

进一步地，所述根据采样时段内所述上层温度和所述下层温度的第一相似度获得内部温度变化因子包括：

每个采样时刻对应的所述上层温度和所述下层温度构成一个二维的内部温度向量；获取目标采样时刻之前的多个连续其他采样时刻的其他内部温度向量；以所述目标采样时刻的目标内部温度向量与每个所述其他内部温度向量的余弦相似度作为所述第一相似度；以所述第一相似度的平均值作为所述目标采样时刻下的所述内部温度变化因子。

进一步地，所述根据所述采样时段内所述内部气压的波动特征获得内部气压稳定因子包括：

将目标采样时刻下的所述内部气压与所述目标采样时刻之前的多个连续其他采样时刻的内部气压按照时序排列，获得内部气压序列；利用内部气压稳定因子公式获得所述内部气压稳定因子，所述内部气压稳定因子公式包括：

其中，

为目标采样时刻

下的所述内部气压稳定因子，

为内部气压序列

的标准差，

为目标采样时刻

下的所述内部气压，

为煎药机的标准内部气压。

进一步地，所述根据所述内部温度变化因子和所述内部气压稳定因子获得内部稳定性指数包括：

以所述内部温度变化因子和所述内部气压稳定因子的乘积作为所述内部稳定性指数。

进一步地，所述根据连续采样时刻内的所述内部稳定性指数获得时序上的变化函数包括：

利用spline函数在时序上拟合连续采样时刻内的所述内部稳定性指数，获得所述变化函数。

进一步地，所述根据实时变化函数与标准变化函数的第二相似度判断煎药机是否存在蒸发速度异常包括：

以所述实时变化函数与所述标准变化函数的皮尔逊系数作为所述第二相似度；若所述第二相似度小于预设第二阈值，则认为煎药机存在蒸发速度异常。

进一步地，所述根据煎药机锅盖不同位置之间锅盖边缘温度的差异获得密封稳定因子包括：

将煎药机锅盖上不同位置的所述锅盖边缘温度由大到小进行排列，构成锅盖边缘温度序列；根据密封稳定因子公式获得所述密封稳定因子，所述密封稳定因子公式包括：

其中，

为所述密封稳定因子，

为所述锅盖边缘温度序列中第一个元素值，

为所述锅盖边缘温度序列中第n个元素值，n为所述锅盖边缘温度序列中的元素数量，

为所述锅盖边缘温度序列中第二个元素值。

进一步地，所述控制煎药机停止煎药过程并重新进行锅盖密封后还包括：

若重新进行锅盖密封的次数大于第三预设阈值，则反馈维修预警信号。

本发明还提出了一种中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现任意一项中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制方法的步骤。

本发明具有如下有益效果：

本发明实施例考虑到蒸汽外溢点导致的煎药机内部温度变化可能是非均匀的，因此采集煎药机的上层温度和下层温度作为内部温度信息，通过对比连续时刻内的二维的内部温度信息获得内部温度变化因子，避免了直接利用内部温度信息判断温度变化造成的不准确。结合内部气压稳定因子获得内部稳定性指数，通过时序上内部稳定性指数的变化判断煎药机是否存在蒸发速度异常。进一步为了实现控制的精准性，根据煎药机锅盖表面不同位置处的边缘温度之间的差异获得密封稳定性因子，控制密封稳定性因子异常的煎药机停止工作并重新进行锅盖密封，通过对锅盖重新进行密封能够保证煎药机内部的蒸发速度稳定，使得中药生产浓缩过程能够顺利进行，保证了药品质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明一个实施例所提供的一种中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制方法流程图。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制方法及系统，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。

下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制方法及系统的具体方案。

请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制方法流程图，该方法包括：

步骤S1：采集煎药机的锅盖边缘温度、煎药锅的内部温度和煎药锅内部的内部气压；内部温度包括上层温度和下层温度。

因为后续步骤中需要对煎药机锅盖表面不同位置的锅盖边缘温度进行处理，因此在本发明实施例中，对锅盖边缘进行区域划分，将锅盖边缘均匀划分6个采样点，在每个采样点上安装温度探针，利用温度探针反馈的温度数据对每个采样点处的温度进行监测。

需要说明的是，在其他实施方式中，实施者可根据煎药机的煎药锅口径大小自行设置采样点的数量及分布，采样点之间的间距越小，后续反馈的温度信息对于局部升温的表征更加准确。

当煎药机发生密封性异常时，锅内的蒸汽会异常溢出，溢出的蒸汽会带走煎药锅内的热量，进而导致锅内发生温度变化。因为蒸汽溢出导致的温度变化是非均匀性的，因为在密封的锅内煎煮过程形成的蒸汽会分布在锅上层区域中，当出现蒸汽溢出时，锅内的上层温度变化会较为明显，导致下层温度与上层温度出现差距。因此在对锅内温度信息获取时，需要同时获取锅内上层温度和下层温度，将上层温度和下层温度共同作为锅内的温度信息。

如果煎药机发生明显的蒸汽外泄，则最直观的数据为锅内的压力信息，通过煎药锅自带的压力表采集煎药锅内部的内部气压。

在本发明实施例中，获得的所有信息数据的采样频率均为一秒一次。

步骤S2：根据连续采样时刻下内部温度之间的第一相似度获得内部温度变化因子；根据连续采样时刻下内部气压的波动特征获得内部气压稳定因子；根据内部温度变化因子和内部气压稳定因子获得内部稳定性指数。

当煎药机出现密封性异常时，煎药锅内部会出现异常升温状态，内部温度信息和内部压力信息均会相较于相邻连续时刻下的数据发生变化。因此可根据连续时刻下内部温度之间的第一相似度获得内部温度变化因子，具体包括：

每个采样时刻对应的上层温度和下层温度构成一个二维的内部温度向量。获取目标采样时刻之前的多个连续其他采样时刻的其他内部温度向量。以目标采样时刻的目标内部温度向量与每个其他内部温度向量的余弦相似度作为第一相似度。以第一相似度的平均值作为目标采样时刻下的内部温度变化因子。当煎药锅发生异常升温状态时，下层温度会保持正常的升温状态，而上层温度会因为蒸汽溢出导致温度上升较慢，因此二维的内部温度向量能够体现出整体的异常升温状态特征。

需要说明的是，在计算内部温度变化因子时，目标采样时刻之前的连续采样时刻不应过多，因为在煎药过程中药液会逐渐升温，即不同时段的药液具有不同的温度特征，因此在本发明实施例中连续其他采样时刻的数量设置为5，即选取目标采样时刻之前的5秒内的内部温度数据进行内部温度变化因子的计算。

在药液煎煮过程中煎药锅内的气压应稳定在一个标准值的范围，若发生了蒸汽溢出的情况，则导致锅内气压小于标准值，并且气压数据呈现一定的波动特征，蒸汽溢出点越多，气压下降的越快，因此可根据连续采样时刻下内部气压的波动特征获得内部气压稳定因子，具体包括：

将目标采样时刻下的内部气压与目标采样时刻之前的多个连续其他采样时刻的内部气压按照时序排列，获得内部气压序列；利用内部气压稳定因子公式获得内部气压稳定因子，内部气压稳定因子公式包括：

其中，

为目标采样时刻

下的内部气压稳定因子，

为内部气压序列

的标准差，

为目标采样时刻

下的内部气压，

为煎药机的标准内部气压。

内部气压稳定因子公式中，以内部气压序列的标准差作为波动特征，标准差越大说明锅内气压变化越剧烈，则气压越不稳定，内部气压稳定因子越小；以实时的内部气压与标准内部气压的比值表示实时内部气压与标准内部气压之间的差异，比值越大说明实时内部气压越接近标准内部气压，内部气压稳定因子越稳定。需要说明的是，因为蒸汽溢出仅会导致气压下降，因此不会出现实时内部气压远大于标准内部气压的情况。

内部温度变化因子和内部气压稳定因子共同表征了煎药机锅内的稳定性，因此可将二者结合，获得内部稳定性指数。内部温度变化因子和内部气压均与内部稳定性指数呈正相关关系。

优选的，以内部温度变化因子和内部气压的乘积作为内部稳定性指数。

步骤S3：根据连续采样时刻内的所述内部稳定性指数获得时序上的变化函数；根据实时变化函数与标准变化函数的第二相似度判断煎药机是否存在蒸发速度异常。

随着煎药过程中煎药机的升温，锅内的运行特征应在时序上是变化的，内部稳定性指数表示了锅内煎药过程的运行稳定性特征，因此在时序上内部稳定性指数也会呈现一定的变化特征，可获得连续采样时刻内的内部稳定性指数，进而获得时序上的变化函数。

优选的，利用spline函数在时序上拟合连续采样时刻内的所述内部稳定性指数，获得所述变化函数。spline函数为三次样条函数插值，通过对数据点之间的插值，获得一条光滑的变化曲线，spline函数克服了告辞多项式插值可能出现的振荡线性，具有良好的数值稳定性和收敛性。

对实时的中药生产浓缩中对煎药机的数据进行监测，可获得启动到实时的时刻之间的实时变化函数。同理可获得正常煎药机的中药生产浓缩过程中的标准变化函数。实时变化函数越接近标准变化函数，说明当前的煎药过程越稳定，没有出现异常情况。因此可根据实时变化函数与标准变化函数的第二相似度判断煎药机是否存在蒸发速度异常，具体包括：

以实时变化函数与标准变化函数的皮尔逊系数作为第二相似度。若第二相似度小于预设第二阈值，则认为煎药机存在蒸发速度异常。在本发明实施例中，考虑到皮尔逊系数的值域在0到1之间，将第二阈值设置为0.9。需要说明的是，皮尔逊系数为本领域技术人员熟知的技术手段，具体计算方法不再赘述。

步骤S4：若煎药机存在蒸发速度异常，则根据煎药机锅盖不同位置之间锅盖边缘温度的差异获得密封稳定因子；若密封稳定因子小于预设第一阈值，则控制煎药机停止煎药过程并重新进行锅盖密封。

为了实现数字化控制方法，应当考虑蒸发速度异常的煎药机的实际情况，在判断煎药机存在蒸发速度异常后，有可能此时的判断是因为药液特征或者数据波动性导致的，因此仅根据煎药机内部的信息无法实现对煎药机准确的数字化控制。进一步结合煎药机锅盖不同位置之间锅盖边缘温度的差异获得密封稳定因子，不同位置之间锅盖边缘温度的差异越大，说明锅盖上的蒸汽溢出点越多，溢出的蒸汽越严重，对锅内药液蒸发速度的影响越大，其中密封稳定因子与不同位置之间锅盖边缘温度的差异呈负相关关系，具体获取方法包括：

将煎药机锅盖上不同位置的锅盖边缘温度由大到小进行排列，构成锅盖边缘温度序列；根据密封稳定因子公式获得密封稳定因子，密封稳定因子公式包括：

其中，

为密封稳定因子，

为锅盖边缘温度序列中第一个元素值，

为锅盖边缘温度序列中第n个元素值，n为锅盖边缘温度序列中的元素数量，

为锅盖边缘温度序列中第二个元素值。

在密封稳定因子公式中，利用了最大极差和次大极差作为分母，最大极差越大说明蒸汽溢出越严重；若次极差同样较大，则说明锅盖上出现不止一个溢出点，密封稳定因子越小。

若密封稳定因子小于预设第一阈值，则认为此时的蒸汽溢出会影响锅内药液的蒸发速度，则需要控制煎药机停止煎药过程并重新进行锅盖密封。需要说明的是，因为本发明实施例所用的煎药锅为自动化的煎药锅，因此控制过程与重新密封过程均可通过煎药机自动实现，但是考虑到有可能密封异常并非偶发现象，可能是锅盖驱动系统出现损坏异常，因此需要记录煎药机重新密封锅盖的次数，若重新进行锅盖密封的次数大于第三预设阈值，则反馈维修预警信号，通知工作人员对煎药机进行及时检修，避免影响了中药生产效率。

需要说明的是，第一阈值与第三阈值均需要根据中药生产浓缩过程中对煎药机精度的要求进行具体设置，因为不同药液对蒸发速度的需求不同，不同工厂对煎药机的数据控制精度不同，因此第一阈值与第三阈值应在具体实时过程中具体设置。

综上所述，本发明实施例采集煎药锅上层温度和下层温度共同作为内部温度信息。通过连续采样时刻下的内部温度信息和内部气压信息的变化特征获得内部稳定性指数。进一步获得时序上内部稳定性指数的变化函数，通过实时变化函数和标准变化函数的第二相似度判断煎药机是否出现蒸发速度异常。根据存在蒸发速度异常的煎药机锅盖边缘不同位置之间的温度获得密封稳定因子，根据密封稳定因子的大小控制煎药机的停止及锅盖的重新密封。本发明实施例采集参考性强的运行数据，根据运行数据判断存在蒸发速度异常的煎药机，进而根据异常煎药机的蒸汽溢出情况对煎药机进行控制，保证了中药生产浓缩过程中的生产效率与药品的质量。

本发明还提出了一种中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现任意一项中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制方法的步骤。

需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制方法，其特征在于，所述方法包括：

采集煎药机的锅盖边缘温度、煎药锅的内部温度和煎药锅内部的内部气压；所述内部温度包括上层温度和下层温度；

根据连续采样时刻下所述内部温度之间的第一相似度获得内部温度变化因子，具体包括：每个采样时刻对应的所述上层温度和所述下层温度构成一个二维的内部温度向量；获取目标采样时刻之前的多个连续其他采样时刻的其他内部温度向量；以所述目标采样时刻的目标内部温度向量与每个所述其他内部温度向量的余弦相似度作为所述第一相似度；以所述第一相似度的平均值作为所述目标采样时刻下的所述内部温度变化因子；

根据连续采样时刻下所述内部气压的波动特征获得内部气压稳定因子，具体包括：将目标采样时刻下的所述内部气压与所述目标采样时刻之前的多个连续其他采样时刻的内部气压按照时序排列，获得内部气压序列；利用内部气压稳定因子公式获得所述内部气压稳定因子，所述内部气压稳定因子公式包括：

其中，

为目标采样时刻

下的所述内部气压稳定因子，

为内部气压序列

的标准差，

为目标采样时刻

下的所述内部气压，

为煎药机的标准内部气压；

根据所述内部温度变化因子和所述内部气压稳定因子获得内部稳定性指数；

根据连续采样时刻内的所述内部稳定性指数获得时序上的变化函数；根据实时变化函数与标准变化函数的第二相似度判断煎药机是否存在蒸发速度异常；

若煎药机存在蒸发速度异常，则根据煎药机锅盖不同位置之间锅盖边缘温度的差异获得密封稳定因子，具体包括：将煎药机锅盖上不同位置的所述锅盖边缘温度由大到小进行排列，构成锅盖边缘温度序列；根据密封稳定因子公式获得所述密封稳定因子，所述密封稳定因子公式包括：

其中，

为所述密封稳定因子，

为所述锅盖边缘温度序列中第一个元素值，

为所述锅盖边缘温度序列中第n个元素值，n为所述锅盖边缘温度序列中的元素数量，

为所述锅盖边缘温度序列中第二个元素值；

若密封稳定因子小于预设第一阈值，则控制煎药机停止煎药过程并重新进行锅盖密封。

2.根据权利要求1所述的一种中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制方法，其特征在于，所述根据所述内部温度变化因子和所述内部气压稳定因子获得内部稳定性指数包括：

以所述内部温度变化因子和所述内部气压稳定因子的乘积作为所述内部稳定性指数。

3.根据权利要求1所述的一种中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制方法，其特征在于，所述根据连续采样时刻内的所述内部稳定性指数获得时序上的变化函数包括：

利用spline函数在时序上拟合连续采样时刻内的所述内部稳定性指数，获得所述变化函数。

4.根据权利要求1所述的一种中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制方法，其特征在于，所述根据实时变化函数与标准变化函数的第二相似度判断煎药机是否存在蒸发速度异常包括：

以所述实时变化函数与所述标准变化函数的皮尔逊系数作为所述第二相似度；若所述第二相似度小于预设第二阈值，则认为煎药机存在蒸发速度异常。

5.根据权利要求1所述的一种中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制方法，其特征在于，所述控制煎药机停止煎药过程并重新进行锅盖密封后还包括：

若重新进行锅盖密封的次数大于第三预设阈值，则反馈维修预警信号。

6.一种中药生产浓缩过程中蒸发速度的数字化控制系统，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1~5任意一项所述方法的步骤。

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