潘澤鍇，朱名日，張振升

（桂林電子科技大學(xué) 計算機與控制學(xué)院，桂林 541004）

0 引言

煮糖是蔗糖制煉工藝過程中關(guān)鍵的一環(huán)，蔗糖結(jié)晶過程是國內(nèi)糖廠生產(chǎn)過程中唯一沒有全面實現(xiàn)自動控制的生產(chǎn)過程。國內(nèi)至今是依靠人工經(jīng)驗進行手動操作，人為因素對白砂糖的質(zhì)量影響十分明顯，相同條件下不同熟練程度的操作人員所煮出來糖的質(zhì)量亦有差別；其次由于煮糖水平的差異，常常不能實現(xiàn)以較低的能耗獲得較高的煮糖效率及最好的白砂糖質(zhì)量。再加上國內(nèi)傳統(tǒng)設(shè)計制造的結(jié)晶罐內(nèi)無強制循環(huán)裝置，罐內(nèi)糖膏循環(huán)不良導(dǎo)致煮糖時間長，能耗高，成品糖色值增加。

國外對煮糖控制的研究較早，并且也取得了較大的進展，像澳大利亞、巴西、泰國、西歐的一些國家糖廠在十幾年前已經(jīng)普遍采用了自動煮糖控制系統(tǒng)。自1961年以來著名學(xué)者Wright、Foster、Broadfoot、Wilson、Schneider等人一直致力于煮糖自控模型研究，根據(jù)物料和能量平衡等推出一系列用于煮糖控制的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計出典型的煮糖控制方案，但是這樣的方法需要準確的檢測出各種參數(shù)還未完全能實現(xiàn)，而且數(shù)學(xué)模型有待進一步完善。

從國內(nèi)外的煮糖控制現(xiàn)狀來看：煮糖自動化的程度不高，這方面的研究有很大的發(fā)展空間。為實現(xiàn)這個工業(yè)過程的自動化設(shè)計，設(shè)計采用一種視覺傳感方法，以圖像處理為技術(shù)基礎(chǔ)建立一個煮糖過程自動控制系統(tǒng)。通過計算蔗糖結(jié)晶圖像的特征值，以數(shù)據(jù)融合的方式和原有自動控制參數(shù)結(jié)合，同時還要考慮在工廠復(fù)雜的環(huán)境中要保持信息的安全連續(xù)傳輸，保持系統(tǒng)控制的實時性問題。因此，在原有設(shè)備實現(xiàn)生產(chǎn)自動化的基礎(chǔ)上，建立一種基于蔗糖結(jié)晶過程的圖像采集與工業(yè)自控系統(tǒng)有其現(xiàn)實的意義。

1 蔗糖結(jié)晶過程模型描述

在整個控制系統(tǒng)中，蔗糖的結(jié)晶過程提供主要的控制依據(jù)，為了得到一致晶體需要實現(xiàn)結(jié)晶過程的連續(xù)化與自動化，即對結(jié)晶過程實現(xiàn)模型化，找出過程晶體生長、成核和結(jié)晶動力學(xué)的完整的表達式，使煮糖過程能根據(jù)煮糖原料的儲存情況、操作條件等的變化，通過工控機自行運算，確定最佳的入料配比，自動控制程序和選定參數(shù)，保證整個結(jié)晶過程都處于最佳狀態(tài)。

根據(jù)蔗糖結(jié)晶過程的變化情況，對結(jié)晶過程模型做相關(guān)的描述，煮糖罐輸入—輸出的關(guān)系如圖1所示。

蔗糖結(jié)晶機理模型方程由以下方程組成：

1） 物料平衡方程

所謂物料平衡計算就是求出作用物量與生成物量（包括變化部分）的恒等關(guān)系。由圖1可知：

（1）在任何時刻煮糖罐中的總質(zhì)量為：

M=S+W+I+X

2）蔗糖晶體生成關(guān)系式

在本模型中，所采用的結(jié)晶體線性生長速率G是采用Wright教授研究提出數(shù)學(xué)表達式：

其中，OS-蔗糖溶液臨界飽和度；活化能Eact與溫度有關(guān)，表達式為：Eact=62.76-0.8368(T-60)；R=8.32；Wright教授估計了三個與晶體生長相關(guān)的參數(shù)：P1=7.148，P2=0.04，P3=-1.75。

3）階距平衡關(guān)系式。

其中，μ1—晶體粒度分布1階距；μ2—晶體粒度分布2階距；μ3—晶體粒度分布3階距；G蔗糖晶體線性生長速率。

由蔗糖結(jié)晶過程模型可知，影響晶體成長的主要因素有濃度效應(yīng)(S)、溫度效應(yīng)(T)、流動效應(yīng)(F)和雜質(zhì)效應(yīng)(I)，量變表現(xiàn)在濃度的增加，質(zhì)變表現(xiàn)在相變，兩者的總和便形成外形的變化。變化的過程又伴隨著系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)移。所以研究結(jié)晶的形成，要以濃度、物相和能量變化三方面來進行考察。而這三個方面的變化在圖像都會顯現(xiàn)出來，設(shè)想找到一種針對此結(jié)晶圖像變化過程的數(shù)學(xué)算法得到合理控制參數(shù)，對實現(xiàn)過程的自動控制大有裨益。

2 蔗糖結(jié)晶圖像采集系統(tǒng)建模

由蔗糖結(jié)晶過程模型描述可知，蔗糖結(jié)晶是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，這個過程包括傳熱又包含傳質(zhì)，當(dāng)中受多方面的因數(shù)影響，人們采用電導(dǎo)儀法、γ射線法、計算過飽和度控制方法都存在不足之處，電導(dǎo)儀法中電極和糖膏接觸，會逐漸形成積垢和被腐蝕，影響測定結(jié)果；γ射線法存在輻射，對人體產(chǎn)生傷害；計算過飽和度法對傳感器要求較高。

2.1 蔗糖圖像采集模塊

針對上述方法存在的缺陷，本文設(shè)計一種非接觸式檢測方法，利用嵌入式開發(fā)平臺和CMOS圖像傳感器采集蔗糖結(jié)晶不同階段圖片進行圖像處理，提取圖像的特征值反饋控制系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)融合的方式和原有參數(shù)結(jié)合實現(xiàn)蔗糖結(jié)晶過程的自動化控制。從實際情況出發(fā)，設(shè)計出現(xiàn)場環(huán)境模型如圖2所示。

圖2 圖像采集處理模型

在蔗糖結(jié)晶過程中，鍋爐內(nèi)的晶體在不停攪拌作用下，不停的依附在鍋爐壁的透明玻璃片上，鍋爐外光學(xué)鏡頭把圖像放大，COMS圖像傳感器將現(xiàn)場環(huán)境的蔗糖圖像信號經(jīng)相位放大、同步信號分離、亮度/色度信號分離和A/D變換等處理，轉(zhuǎn)換成以二進制的數(shù)字信號輸出。數(shù)字信號流直接輸入到嵌入式處理器的圖像數(shù)據(jù)采集單元中，單元內(nèi)部將捕獲的圖像數(shù)據(jù)以DMA(Direct Memory Access，直接存儲器訪問)方式傳輸?shù)絻?nèi)存中，通過液晶屏在平臺的接口送液晶屏LCD顯示。在整個過程中，硬件層工作方式由應(yīng)用層操作界面發(fā)出，嵌入式平臺通過系統(tǒng)內(nèi)核互通相應(yīng)模塊控制參量，嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核在整個系統(tǒng)中起到中樞的作用。

此外，鍋爐周圍在生產(chǎn)過程中溫度較高，圖像采集儀器外圍加裝相應(yīng)的隔熱裝置。要采集到質(zhì)量高的圖片，還應(yīng)對光源加以限制，除了增加光的強度以外，采用鍍膜鏡頭減少光線反射，提高圖像的亮度和對比度；調(diào)節(jié)鏡頭焦距能夠增加圖像清晰度，消除圖像模糊的現(xiàn)象。煮糖罐內(nèi)的蔗糖晶體在不同階段依附在鍋爐壁狀況是不一樣的，包括流速，濃度、溫度、粘度、純度和雜質(zhì)都可通過圖像體現(xiàn)出來，因此對不同時間的蔗糖圖像進行處理，提取圖像特征值就可以為后續(xù)的自動化控制提供參數(shù)依據(jù)。

2.2 蔗糖圖像處理模塊

依據(jù)蔗糖結(jié)晶圖像的特點，本系統(tǒng)設(shè)計圖像處理算法核心是針對蔗糖顆粒圖像分割以后的特征提取。依據(jù)蔗糖結(jié)晶圖像的特點，前期運用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的膨脹、腐蝕運算作預(yù)處理，采用基于遺傳算法的Otsu閾值分割算法進行特征分離，提取特征值。最后利用類間方差值判定對參數(shù)歸類控制，設(shè)計的圖像處理模塊如圖3所示。

圖3 圖像處理流程圖

在蔗糖的圖像處理過程中，以數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在圖像的消噪、增強等方面的應(yīng)用為基礎(chǔ)，利用基于遺傳算法的Otsu閾值分割方法處理蔗糖結(jié)晶顆粒圖像以得到其二值化圖像，然后再從圖像中提取目標(biāo)的顆粒面積、周長、形狀指數(shù)等，檢測實時采集圖像中的單位顆粒參數(shù)與實際是否符合，采用Otsu閾值圖像分割適應(yīng)度函數(shù)中類間方差值F(t)作為判斷依據(jù)：

其中，μ0(t)、μ1(t)分別為目標(biāo)顆粒和閾值部分的概率，ω0(t)、ω1(t)分別為目標(biāo)顆粒和閾值部分的均值。由Otsu閾值分割出來的目標(biāo)顆粒參數(shù)和閾值空間兩部分構(gòu)成局部差，方差是灰度分布均勻性的一種度量，類間方差F(t)要落在一定的閾值范圍之內(nèi)才符合優(yōu)化控制的需求，把控制參數(shù)送控制系統(tǒng)比較判定后，工控機向無線傳感器發(fā)送控制命令，實現(xiàn)結(jié)晶罐內(nèi)的強制循環(huán)。這樣圖像處理模塊就為蔗糖煮糖環(huán)節(jié)實現(xiàn)自動控制提供了一個有效的技術(shù)保障。

3 煮糖結(jié)晶過程控制系統(tǒng)建模

煮糖自動控制系統(tǒng)的基本原理是總結(jié)糖的結(jié)晶過程原理、建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)經(jīng)驗預(yù)先設(shè)置好煮糖相關(guān)參數(shù)的工藝曲線，根據(jù)各相關(guān)參數(shù)采集點反饋回來的信息按設(shè)定曲線自動調(diào)節(jié)相關(guān)物料，自動控制強制循環(huán)裝置、液位、真空度、蒸汽壓力、和糖漿錘度等，以達到結(jié)晶顆粒均勻可控，采用較低的能耗獲得較高的煮糖效率及白砂糖質(zhì)量的效果。

蔗糖結(jié)晶過程是一個非線性、慢時變、多變量控制過程，要建立其機理模型非常困難。為了克服傳統(tǒng)建模的不準確性，找出過程的合適輸入-輸出關(guān)系，本設(shè)計采用了對煮糖結(jié)晶過程進行Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模。引用Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場系統(tǒng)建立一種自回歸模型，其模型的差分方程可以表示為：

式中，μ(t)是輸出向量，x(t)是輸入向量，m，n分別是輸入和輸出的時間時滯因子，f是非線性函數(shù)。利用實際的輸出x和Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出之間的誤差來調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，最終期望用來反映x。

圖4 蔗糖結(jié)晶過程控制流程圖

根據(jù)Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型機理，本設(shè)計在機械自動取樣（即代替人工取樣）的基礎(chǔ)之上，建立基于圖像處理的過程控制系統(tǒng)流程圖4所示：結(jié)晶過程模型，得出影響結(jié)晶的因素；然后對蔗糖結(jié)晶圖像采集與控制進行系統(tǒng)建模，通過對結(jié)晶過程圖像處理，計算特征值，提取目標(biāo)的面積、周長、形狀指數(shù)等，為過程自動化控制提供參數(shù)依據(jù)；最后以工控機為核心，將控制命令通過智能傳感器向控制節(jié)點發(fā)送，結(jié)點又將所獲取的控制信息反饋到工控機，真正實現(xiàn)整個過程自動控制。達到了節(jié)約能耗，減少勞動力，降低生產(chǎn)成本，提高效率，提高白砂糖的產(chǎn)量和質(zhì)量目的，有效地提升了企業(yè)的核心競爭力目的。

實際生產(chǎn)中，圖像處理模塊參數(shù)x(t)是輸入向量，CAM現(xiàn)場總線發(fā)出命令μ(t)是輸出向量。原來技術(shù)工人用采樣器抽出煮糖罐內(nèi)的糖膏樣本放在玻璃板上觀察和用手摸感觸，判斷蔗糖晶體的相對數(shù)量、疏密程度、生長情況以及糖膏母液的濃度、黏度和吸收狀況等，然后手動控制原蜜、甲稀和水的加入量，促使蔗糖顆粒結(jié)晶。本設(shè)計的圖像處理算法可以比較準確的計算出單位面積內(nèi)的蔗糖顆粒面積、周長、形狀指數(shù)等，將所獲參數(shù) 與從原來設(shè)定的參數(shù) 相結(jié)合綜合分析，對罐內(nèi)的蔗糖結(jié)晶實際情況進行預(yù)測和判斷，通過工控CPU向智能傳感器發(fā)送控制命令參數(shù)μ(t)，工控模塊通過CAM總線形式連接起來，對加原蜜伺服、加糖漿伺服、加熱水伺服和自動取樣、模式識別微波檢測裝置等進行實時監(jiān)控，并將控制信息實時反饋給工控機對系統(tǒng)進行修正。在結(jié)晶罐內(nèi)不斷的強制循環(huán)，最終達到生產(chǎn)出高質(zhì)的糖產(chǎn)品、節(jié)約能源、提高生產(chǎn)效率目的。

4 結(jié)論

本文以蔗糖結(jié)晶過程為依據(jù)，首先描述蔗糖

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