宋亦能，王健安

(1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.上海亞泰儀表有限公司，上海 200444)

0 引言

工業(yè)物理信息系統(tǒng)的關(guān)鍵核心共性技術(shù)在于面向復(fù)雜輸入和工藝過程，通過智能感知、智能協(xié)同決策[1]、數(shù)據(jù)分析等系統(tǒng)技術(shù)的集成應(yīng)用，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過程進(jìn)行智能控制與實(shí)時(shí)優(yōu)化。

對(duì)于工業(yè)中復(fù)雜的理化反應(yīng)過程，處理對(duì)象成分非常復(fù)雜、隨機(jī)性大、無法定值定量分析，對(duì)其有效的控制是非常值得研究的問題。針對(duì)當(dāng)今環(huán)境的嚴(yán)峻形勢(shì)，對(duì)于生活垃圾的無污染處理是可持續(xù)發(fā)展重要的一環(huán)。垃圾處理本身是一項(xiàng)非常復(fù)雜的理化反應(yīng)過程。實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的垃圾裂解反應(yīng)，這與以零污染、變廢為寶為目標(biāo)以及如何進(jìn)行復(fù)雜理化反應(yīng)有效控制的目標(biāo)吻合。

本文選取了具有重大社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，具備理化反應(yīng)高度復(fù)雜性和基于生產(chǎn)過程無人化要求的智能生活垃圾無害化綜合處理系統(tǒng)為對(duì)象，開展對(duì)控制復(fù)雜理化反應(yīng)過程的研究。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

垃圾處理終極目標(biāo)是以無害的方式將垃圾轉(zhuǎn)化為清潔資源，也就是將城市生活垃圾、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等各類有機(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為有資源價(jià)值的油、氣、炭，實(shí)現(xiàn)零污染、零排放。國內(nèi)外機(jī)構(gòu)對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了一系列的探討。

華東理工大學(xué)周慧敏開發(fā)了一套利用熱裂解技術(shù)處理生活垃圾，得到氣體和液態(tài)烴類燃料的工業(yè)化裝置。使用低熔點(diǎn)鹽溶液作為熱載體對(duì)生活垃圾進(jìn)行熱裂解，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)進(jìn)料，避免了熱裂解過程中的傳熱不均勻，大大提高了熱裂解的處理效率。該文設(shè)計(jì)的工業(yè)化裝置可以對(duì)混合生活垃圾進(jìn)行熱裂解回收，無需進(jìn)行垃圾分類[2]。

杭州電子科技大學(xué)楊洋以衢州某公司的二期工程為背景，討論了廢棄塑料裂解煉油過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。利用可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)、工控機(jī)、組態(tài)軟件和現(xiàn)場(chǎng)的多類型傳感器，組建廢棄塑料裂解煉油過程控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。利用紫金橋(Real Bridge)組態(tài)軟件，開發(fā)了與廢棄塑料裂解煉油化工工藝流程相匹配的組態(tài)界面系統(tǒng)。同時(shí)，為了獲得良好的人機(jī)交互，特別設(shè)計(jì)了系統(tǒng)狀態(tài)顯示、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表、組態(tài)界面切換等功能。利用Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)釜中原料遠(yuǎn)程顯示，將組態(tài)王(Kingview)作為組態(tài)軟件系統(tǒng)的冷冗余，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值滑窗濾波處理。建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的裂解反應(yīng)燃油體預(yù)測(cè)模型。利用熱風(fēng)流量調(diào)節(jié)閥門和無擾PID算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)釜內(nèi)溫度某段溫度的控制[3]。

青島匯?？萍紝?shí)業(yè)有限公司李超訓(xùn)將生活垃圾分類，堆肥、腐熟后制成有機(jī)復(fù)混肥料；分揀出塑料、橡膠進(jìn)行催化解聚制取混合鍋爐燃料；利用原料恒溫熔化投料機(jī)、催化裂解反應(yīng)釜，塑料和橡膠可以共混解聚，也可以單獨(dú)解聚；有機(jī)物料如紙殼等可進(jìn)行再生處理，還可利用燃油燃燒器以及行之有效的技術(shù)措施防止二次污染[4]。

中國動(dòng)力工程學(xué)會(huì)環(huán)保技術(shù)與裝備專業(yè)委員會(huì)及上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院的陶邦彥等人設(shè)計(jì)裝置內(nèi)采用非均向加熱，完成裂解轉(zhuǎn)化過程。整個(gè)生產(chǎn)過程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制下的連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行，設(shè)計(jì)過程全程監(jiān)控，裂化油自動(dòng)分離收集。在一定的熱環(huán)境下，通過還原引發(fā)劑的作用，將高分子有機(jī)物裂解轉(zhuǎn)化成資源態(tài)的低分子有機(jī)物[5]。

杭州電子科技大學(xué)申請(qǐng)的中國專利CN103336539B公開了一種廢塑料裂解反應(yīng)釜的壓力平衡控制方法。采用預(yù)測(cè)控制和動(dòng)態(tài)前饋補(bǔ)償相結(jié)合的復(fù)合控制方法，進(jìn)行廢塑料裂解反應(yīng)釜的壓力平衡控制[6]。河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院為滿足化工企業(yè)品種多樣和工藝條件復(fù)雜的生產(chǎn)要求，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制，設(shè)計(jì)了一套間歇反應(yīng)裝置雙路控制系統(tǒng)。該裝置通過閥門的切換選擇合適工藝和路線進(jìn)行合成生產(chǎn)，以滿足產(chǎn)品在試中控制參數(shù)調(diào)節(jié)和工藝參數(shù)優(yōu)化2個(gè)不同時(shí)期的需要[7]。

上海弘和環(huán)?？萍加邢薰旧暾?qǐng)的中國專利CN101845310A為一種涉及生物質(zhì)裂解轉(zhuǎn)化的煉制轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)，尤指一種主要用于城市生活垃圾無害化能源轉(zhuǎn)化處理及生物質(zhì)能源煉制轉(zhuǎn)化處理的城市生活垃圾裂解轉(zhuǎn)換等處理方法，主要解決生物質(zhì)轉(zhuǎn)化處理裝置的設(shè)計(jì)及煉制轉(zhuǎn)化工藝技術(shù)等有關(guān)技術(shù)問題[8]。HEINRICH、JUERGEN等申請(qǐng)的德國專利DE102007056353是一種生活垃圾、商業(yè)垃圾、工業(yè)廢棄物的處理工序，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的再利用和能源的自供應(yīng)[9]。杭州恒明環(huán)境技術(shù)有限公司申請(qǐng)的國際專利W02013143450Al介紹一種城市生活垃圾處理和利用系統(tǒng)工藝，不需要對(duì)垃圾進(jìn)行分級(jí)處理，不像垃圾填埋工藝那樣占用大量土地和向大氣排放垃圾降解過程釋放的各種有毒有害和溫室氣體，也不像目前垃圾焚燒工藝或現(xiàn)有熱解氣化那樣向大氣排放大量二噁英等有毒有害物質(zhì)及煙塵[10]。D.O.Onyango和J.W.Kaluli評(píng)估了肯尼亞城市固體廢物熱解過程[11]。

研究現(xiàn)狀表明，目前國內(nèi)外已有一些文獻(xiàn)探討城市生活垃圾等混合態(tài)物質(zhì)還原裂解的控制系統(tǒng)，與本文的做法類似。除此之外，本文采用非量化自平衡調(diào)節(jié)控制、彈性邊界(彈性帶寬)控制，對(duì)多態(tài)矩陣式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效的平衡控制。

2 無氧裂解過程的智能感知與決策控制方案

本文主要需建立一套面向矩陣反應(yīng)釜理化反應(yīng)過程的機(jī)電集成設(shè)備，研發(fā)具備智能感知、數(shù)據(jù)分析和在線優(yōu)化控制策略系統(tǒng)共性技術(shù)的智能控制方法及應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)通過部署有線與無線異構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)同時(shí)采集多個(gè)反應(yīng)釜內(nèi)的實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)。智能控制器根據(jù)該傳感器網(wǎng)絡(luò)所收集的反應(yīng)過程參數(shù)、溫度和壓力等信息，實(shí)時(shí)調(diào)整裂解過程參數(shù)，防止反應(yīng)釜和工藝過程故障。通過對(duì)收集的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步大數(shù)據(jù)分析，生成該多個(gè)反應(yīng)釜的技術(shù)反應(yīng)通道模型，通過信息可視化還原技術(shù)優(yōu)化反應(yīng)通道。根據(jù)技術(shù)反應(yīng)通道、壓力信息和溫度信息優(yōu)化實(shí)際反應(yīng)通道技術(shù)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)矩陣反應(yīng)釜的智能控制，達(dá)到工藝優(yōu)化和系統(tǒng)自愈。本項(xiàng)目特別針對(duì)生物質(zhì)裂解的全過程，研制出其模仿人類消化道的過程，建立還原的逆反應(yīng)過程。在適當(dāng)反應(yīng)溫度、時(shí)間、鍵激活和還原環(huán)境條件下，使各類有機(jī)物大分子裂解轉(zhuǎn)化成基本小分子；在無氧、無還原劑的條件下，實(shí)現(xiàn)將生物質(zhì)從“碳水”轉(zhuǎn)化為“碳?xì)洹钡墓こ袒耐蛔儯粚⑦@些物質(zhì)按其物理性質(zhì)分類收集，最終獲得天然氣、石油、煤炭等地球石化類再生資源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，減少資源消耗。

2.1 研究?jī)?nèi)容

①無氧低溫裂解過程數(shù)據(jù)采集方法。

研究反應(yīng)釜內(nèi)部署多種傳感器組網(wǎng)方法，以滿足對(duì)無氧低溫裂解中的反應(yīng)過程參數(shù)、壓力、溫度等多維數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的要求。

②無氧低溫裂解過程數(shù)據(jù)分析方法。

研究無氧低溫裂解檢測(cè)數(shù)據(jù)挖掘方法，使用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)反應(yīng)過程參數(shù)、壓力、溫度等多維度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，模擬不同分子量有機(jī)物在生物質(zhì)中的比例，尋找高效的、相對(duì)完全裂解的過程特征表述。

③無氧低溫裂解分析在線優(yōu)化控制方法。

通過復(fù)雜理化處理系統(tǒng)多維度數(shù)據(jù)的挖掘和建模，對(duì)多個(gè)反應(yīng)釜入料、壓力、溫度、反應(yīng)過程采集數(shù)據(jù)的協(xié)同控制，在線對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，形成適應(yīng)于通用型矩陣反應(yīng)釜的非量化自平衡技術(shù)的彈性邊界控制方法和計(jì)算機(jī)仿真。該方法提升了裂解生成物的質(zhì)量以及無氧低溫裂解過程的效率，為擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域打下基礎(chǔ)。

智能感知與決策控制技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 智能感知與決策控制技術(shù)路線圖

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

非量化生物質(zhì)處理系統(tǒng)處理垃圾的具體方法主要包括以下步驟。

(1)啟動(dòng)非量化生物質(zhì)處理系統(tǒng)。該過程包括將垃圾輸入非量化生物質(zhì)處理系統(tǒng)中串聯(lián)連接的第一至第五反應(yīng)釜中、監(jiān)測(cè)其溫度和壓力、對(duì)反應(yīng)釜內(nèi)進(jìn)行成像、檢測(cè)非量化生物質(zhì)處理系統(tǒng)的進(jìn)料情況等。

(2)根據(jù)非量化生物質(zhì)處理系統(tǒng)本身的參數(shù)、第一至第五反應(yīng)釜內(nèi)的溫度和壓力等信息，確定反應(yīng)釜技術(shù)反應(yīng)通道。

(3)根據(jù)第一至第五反應(yīng)釜在預(yù)設(shè)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的溫度和壓力的變化情況，和多個(gè)反應(yīng)釜在預(yù)設(shè)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的溫度和壓力偏離技術(shù)反應(yīng)通道的大小等信息，確定第一至第五反應(yīng)釜的實(shí)際反應(yīng)通道。

(4)第一至第五反應(yīng)釜的實(shí)際反應(yīng)通道，結(jié)合反應(yīng)釜內(nèi)的溫度和壓力控制非量化生物質(zhì)處理系統(tǒng)。

控制方法流程如圖2所示。

圖2 控制方法流程圖

其中，步驟(4)可以進(jìn)一步包含以下步驟。

①判斷第一至第五反應(yīng)釜的溫度和壓力是否處于實(shí)際反應(yīng)通道內(nèi)。

②若第一至第五反應(yīng)釜的溫度和壓力都處于實(shí)際反應(yīng)通道內(nèi)，保持當(dāng)前檢測(cè)所述多個(gè)反應(yīng)釜的溫度和壓力的頻率，不改變所述非量化生物質(zhì)處理系統(tǒng)的工作狀態(tài)，再次執(zhí)行步驟①。

③若至少有一個(gè)反應(yīng)釜的溫度和/或壓力處于所述實(shí)際反應(yīng)通道外，增加監(jiān)測(cè)這一反應(yīng)釜的溫度和壓力的頻率，并轉(zhuǎn)到步驟④。

④判斷實(shí)際反應(yīng)通道外的溫度和/或壓力能否回歸。

⑤若反應(yīng)釜的溫度能夠回到實(shí)際反應(yīng)通道內(nèi)，則不改變所述非量化生物質(zhì)處理系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

⑥若反應(yīng)釜的溫度不能夠回歸到實(shí)際反應(yīng)通道內(nèi)，則需要相應(yīng)的改變非量化生物質(zhì)處理系統(tǒng)的工作狀態(tài)。針對(duì)不同的參數(shù)不能回歸，具體的改變非量化生物質(zhì)處理系統(tǒng)的工作狀態(tài)的方式可以是多樣的。

2.3 系統(tǒng)研究要點(diǎn)與方案優(yōu)化

基于復(fù)雜理化處理系統(tǒng)智能感知與決策控制共性技術(shù)，設(shè)計(jì)了多態(tài)混合有機(jī)物裂解處理系統(tǒng)中的非量化自平衡系統(tǒng)。由于生物質(zhì)的形狀、成分無法量化，傳統(tǒng)的定值、定量等目標(biāo)控制方式已無法滿足該無氧裂解的控制要求。

生物質(zhì)從陽光中吸取能量，從大氣中吸收二氧化碳，用無害且又便利的方法提取生物質(zhì)能，不但能有效降低人類對(duì)化石類能源物質(zhì)的依賴，還可將部分溫室氣體重新轉(zhuǎn)化為能源，真正實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”的目標(biāo)。

從原理上講，人類利用自然資源生產(chǎn)產(chǎn)品，必須采用量化控制、精確控制技術(shù)得到所需的物質(zhì)和產(chǎn)品。當(dāng)廢棄物混合體資源再生利用時(shí)，物質(zhì)成分非量化，控制也必須適應(yīng)非量化。

本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下。

①采用復(fù)雜理化處理系統(tǒng)智能感知與決策控制共性技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于非量化自平衡技術(shù)的彈性邊界控制方法。該方法被應(yīng)用于矩陣反應(yīng)釜的智能控制，如生物質(zhì)無氧低溫裂解控制，通過結(jié)合多個(gè)反應(yīng)釜內(nèi)壓力、溫度等信息，實(shí)現(xiàn)無氧低溫裂解過程控制實(shí)時(shí)優(yōu)化。

②通過在矩陣反應(yīng)釜內(nèi)部署有線與無線異構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全過程信息實(shí)時(shí)采集。進(jìn)一步通過部署分布式智能控制器，對(duì)多個(gè)矩陣反應(yīng)釜內(nèi)部采集的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)被控設(shè)備各過程參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

③通過收集的被控設(shè)備內(nèi)部傳感器數(shù)據(jù)與控制器過程數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，并運(yùn)用多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與深度學(xué)習(xí)方法建立被控設(shè)備內(nèi)部反應(yīng)過程模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制參數(shù)的在線優(yōu)化。

3 無氧裂解過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

目前，根據(jù)所研究的智能感知與決策控制方案，設(shè)計(jì)了一款非量化自平衡系統(tǒng)控制裝置，實(shí)現(xiàn)了多態(tài)混合有機(jī)物裂解處理。該裝置被成功應(yīng)用于城市生活垃圾處理，實(shí)現(xiàn)了將生活垃圾變廢為寶、重新資源化的目標(biāo)。

生活垃圾優(yōu)化處理裝置如圖3所示。主要的無氧裂解還原反應(yīng)在多態(tài)矩陣式反應(yīng)釜中進(jìn)行。其模仿人類消化道的過程，建立還原的逆反應(yīng)過程。在適當(dāng)反應(yīng)溫度、時(shí)間、鍵激活和還原環(huán)境條件下，使各類有機(jī)物大分子裂解轉(zhuǎn)化成基本小分子；在無氧、還原劑的條件下，實(shí)現(xiàn)將生物質(zhì)從“碳水”轉(zhuǎn)化為“碳?xì)洹钡墓こ袒耐蛔?；將這些物質(zhì)按其物理性質(zhì)分類收集，最終獲得“油、氣、碳”類資源物質(zhì)。其中，通過減速機(jī)構(gòu)和交流變頻電機(jī)為模仿腸道消化蠕動(dòng)提供動(dòng)力；通過水油氣分離裝置將反應(yīng)過程中產(chǎn)生的水、氣、油三態(tài)物質(zhì)分離，可燃?xì)怏w存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣罐中，裂解油儲(chǔ)存在油罐，生物碳和無機(jī)質(zhì)渣由生物碳收集裝置分別回收處理。

圖3 生活垃圾優(yōu)化處理裝置示意圖

不同于傳統(tǒng)的生物質(zhì)裂解過程，生活垃圾的成分不定，其控制過程不能采用傳統(tǒng)的定溫度、定壓力、定輸出等熱工參數(shù)的目標(biāo)控制方式。通過反應(yīng)釜內(nèi)多傳感器智能感知數(shù)據(jù)，采用彈性邊界方式作為反應(yīng)的方法。引入多元熱工參數(shù)彈性邊界后，通過選擇適當(dāng)?shù)膹椥韵禂?shù)，能夠得到合理的彈性通道。首先根據(jù)裂解過程的反應(yīng)變化關(guān)系，推導(dǎo)多元熱工參數(shù)的系數(shù)矩陣，并按拉格朗日中值定理，確定彈性邊界、彈性系數(shù)的取值范圍，取得裂解過程最優(yōu)化。彈性邊界方式如圖4所示。

圖4 彈性邊界方式示意圖

圖4中，傳統(tǒng)控制通道理論中的中值和邊界值均為明確，具有確定性；彈性邊界通道控制方法中的中值和邊界值均為不確定值，模擬人體對(duì)血管內(nèi)血壓的控制，對(duì)于邊界值的彈性波動(dòng)的動(dòng)能進(jìn)行控制。通過改變反應(yīng)速度、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力等參數(shù)，最終將整個(gè)反應(yīng)過程保持在穩(wěn)定、連續(xù)、優(yōu)化的過程中。

整個(gè)裂解還原的過程是在多態(tài)矩陣式反應(yīng)釜中進(jìn)行，采用了彈性邊界原理作為反應(yīng)的控制方法。該過程對(duì)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的要求非常高，需要每個(gè)反應(yīng)釜都有良好的受控狀態(tài)，應(yīng)對(duì)異常狀態(tài)的調(diào)節(jié)能力、處理能力，還需要對(duì)前后矩陣的反應(yīng)狀態(tài)作出相關(guān)性反應(yīng)。此外，它對(duì)于控制器的運(yùn)算速度、網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求，都有很高的要求。傳統(tǒng)的分散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)在這方面有所欠缺。本發(fā)明采用了開放分布式控制器和智能傳感器，使這方面得到解決。分布式控制器不同于傳統(tǒng)意義上的PLC，包含了更多對(duì)于底層的運(yùn)算邏輯能力、路由能力，可以應(yīng)對(duì)異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)和動(dòng)態(tài)重構(gòu)的要求，是真正意義上的末梢控制單元，聯(lián)通底層控制網(wǎng)絡(luò)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)。智能傳感器和開放分布式控制器組成了神經(jīng)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，并通過減速機(jī)構(gòu)和交流變頻電機(jī)來對(duì)矩陣反應(yīng)釜進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的控制；開放分布式控制器和上位控制器組成更高級(jí)的分布式控制群，對(duì)整個(gè)多態(tài)矩陣式反應(yīng)釜進(jìn)行控制。

目前，該技術(shù)在實(shí)際的生產(chǎn)試點(diǎn)中，取得了非常好的成果。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，彈性邊界控制方法很好的起到了保護(hù)設(shè)備的作用，并使不能被量化的反應(yīng)可以持續(xù)、穩(wěn)定、優(yōu)化地連續(xù)生產(chǎn)。分布式控制器和智能傳感器組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)控制群也很好地實(shí)現(xiàn)了該控制方法。目前已經(jīng)投產(chǎn)的設(shè)備單線日處理生活垃圾100 T，平均每噸生活垃圾平均可產(chǎn)出裂化油10～30 kg，生物碳100～150 kg，可燃?xì)怏w100～120 m3，并且對(duì)環(huán)境達(dá)到“零排放”標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

通過智能感知與控制決策方案的研究與應(yīng)用，采用了非量化自平衡垃圾處理系統(tǒng)，可將生活垃圾轉(zhuǎn)化為可觀的碳?xì)滟Y源，達(dá)到了遏制環(huán)境污染的目的。智能化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用，能有效提高經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，有著很好的發(fā)展前景。