一种添加剂非稳态生产环节的精细监测方法与系统

技术领域

本发明涉及自动控制与监测技术，尤其涉及一种添加剂非稳态生产环节的精细监测方法与系统。

背景技术

非稳态生产过程是间歇过程中工序多阶段、模态多并存的特殊情况，在化工生产中，部分中间物与反应物的制备环节会出现非稳态生产过程。现有技术提出了一些对非稳态过程的模拟和分析方法，例如《带多台侧反应器的间歇反应精馏生产氯化苄非稳态模拟与过程设计》（高校化学工程学报.2015）等。虽然添加剂的含量较少但是对反映过程影响较大，如果没有对非稳态生产过程进行有效控制，必然会导致不同批次生产的反应物或中间物的质量不高，严重的情况下会导致生产安全事故的出现。由于非稳态生产过程的监控具有较强的动态性，非线性的变化特点导致难以通过宏观监测手段对生产环节进行监测。CN104932263B公开了一种多阶段间歇过程的最小运行时间控制方法，通过多次迭代学习确定各个阶段的总体最小运行时间，减少了时间成本的投入。但是现有技术中，多操作模态与批次内的质量控制问题难以得到解决，可调参数的多样性改变容易导致反应阶段评估不准确的问题产生。添加剂的非稳态生产环境的外部影响因素较多，反应阶段可多次细分，涉及到pH值、温度、物质的量浓度等多个可变参数，如何对非稳态生产环节的各个时段进行区分，并在反应无效状态下进行指示是现有技术改进的重点方向。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种添加剂非稳态生产环节的精细监测方法。该方法对添加剂非稳态生产环节进行有效划分，通过构建多维矩阵的方式确定不同反应物生产阶段的反应门限值，并通过聚类中心的判断方法进行定量识别，通过多次迭代优化更新关键参数，通过多次迭代更新确定非稳态生产环节的反应阶段，并识别对应反应阶段内当前反应状态是否正常。进一步的，本发明还提供了一种用于实现添加剂非稳态生产环节的精细监测方法的监测系统。

本申请的发明目的通过以下技术手段实现：

一种添加剂非稳态生产环节的精细监测方法，包括以下步骤：

步骤1：将至少两种的第一原料加入第一反应釜中，通过非稳态过程T

步骤2：设定松弛因子β=1和迭代周期k=1，在时刻t

步骤3：将至少两种的第二原料加入第二反应釜中，通过非稳态过程T

步骤4：在时刻t

步骤5：若迭代周期k下，反应门限值满足τ

步骤6：通过第一反应数据X

步骤7：控制器设定迭代周期k之前的非稳态过程T

步骤8：处理器生成稳定反应期内不同时刻下的第一反应数据X

步骤9：若第一反应数据集U

步骤10：结束第一反应釜和第二反应釜的化学反应，将基础组分与添加剂组分加入混合器。

在本发明中，第一参数G

在本发明中，第二参数G

在本发明中，反应门限值τ

在本发明中，第一反应数据和第二反应数据均为残差相关矩阵，其中，第一反应数据由非稳态过程T

在本发明中，稳定反应期内基于第一反应数据X

在本发明中，过渡反应期内基于第一反应数据X

一种用于实现添加剂非稳态生产环节精细监测方法的监测系统，包括：第一反应釜、第二反应釜、控制器、处理器、存储器、第一传感器、第二传感器，指示器，混合器，

第一反应釜用于将第一原料反应得到基础组分；

第二反应釜用于将第二原料反应得到添加剂组分；

第一传感器根据第一采样点记录反应釜中反应过程的第一参数；

第二传感器根据第二采样点记录第二反应釜中反应过程的第二参数；

控制器用于记录第一传感器与第二传感器采集的第一参数与第二参数；

处理器用于生成稳定反应期内的第一反应数据集，生成过渡反应期内第二反应数据集；

存储器记录有第一反应数据与第二反应数据的数量与反应门限值，能够修改第一反应数据与第二反应数据的数量以及反应门限值。

指示器为具有高电平触发、低电平中断特性的定时电路组成，在满足触发条件时，LED灯亮、发出提出音报警；

混合器用于接收基础组分与添加剂组分。

实施本发明的添加剂非稳态生产环节的精细监测方法与系统，具有以下有益效果：通过添加剂非稳态生产环节中的两个反应阶段进行动态建模，优化传感器监测得到的参数信息，并根据参数的变化与操作过程寻找最佳的最优化的在线监测方法，减少了由于同一设备不同性质制备原料、不同量的制备原料在线监测中所存在的重复性较差的问题。此外，运用本发明所述的监控方法与系统，提高了不同生产批次之间的衔接性，侧面提高了添加剂的生产效率。

附图说明

图1为一种典型的非稳态生产过程的示意图；

图2为本发明的添加剂非稳态生产环节的精细监测方法的流程图；

图3为本发明的添加剂非稳态生产环节生产线的示意图；

图4为本发明通过残差相关矩阵分解得到反应门限值流程的示意图；

图5为用于实现本发明的添加剂非稳态生产环节精细监控方法的监测系统的硬件框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在ANSI/ISA-88.01标准体系中，将一定量的物料按照既定的加工顺序与方法，在同一个设备或者多个设备中进行加工，从而获取相对固定质量或批次产品的加工过程，由于物料反应过程中的温度细微变化、物料批次性质的改变、物料精确质量的改变，都会造成整体生产过程出现非稳态的状况。在添加剂生产的过程中，在有限持续时间的运行周期内循环多个自动化生产批次而获得批量的产品。因此，添加剂生产的过程本身就是具有时变的工作化流程，外部压力、溶液pH值、有机物含量等都会导致生产环节呈现出非稳定的生产状态。一种典型的非稳态生产环节如图1，由于该过程影响因素多，监测难度大。

不同添加剂生产的配方不同，在设备工作状态恒定的情况下，为了对非稳态生产环节进行在线监测，确定稳定反应期与过渡反应期的时段划分点，在单个批次的生产周期内，当在线监测到非稳态生产环节中第一反应数据集超过反应门限值的情况下，说明生产系统存在故障，需要及时停止生产过程，避免后续生产的反应物不满足添加剂的配方要求，影响最终生产得到添加剂的质量。

非稳态生产环节中可调参数的变化可以根据不同时段内变量之间的相关关系进行优化确认，且在同一个操作时段内，添加剂各个参数的相关性具有较高的相似性。在不考虑更高精密度的前提下，添加剂在细分的操作时段内，涉及的参数值被看作是不变的。本发明的精细监测方法，解决了非稳态生产环节中参数改变对时段判定的影响，用于本实施例中抗应激促生长添加剂生产中非稳态生产环节的精细监测方法，具体实施步骤参照图2，包括以下步骤：

步骤1：参照图3，分别设置两条添加剂生产线，分别在添加剂生产线上设置第一反应釜与第二反应釜，第一反应釜中安装有第一传感器，第二反应釜中安装有第二传感器，第一反应釜用于γ-氨基丁酸的制备过程，第二反应釜用于精制复合植物籽实粉的制备过程，反应后得到的基础组分与添加剂组分经传送带称重后混合，并执行下一步生产过程。

在本实施例中，第一传感器中包含多个传感器单元，具有多参数采样功能，任意一传感器单元中包含传感控制电路，传感控制电路由CMOS电路与P型管构成，在高电平状态下截止，传感器不工作；低电平状态下导通，传感器第一工作。

步骤2：将谷氨酸钠、葡萄糖发芽糙米、复合乳酸菌加入反应釜中，制备得到γ-氨基丁酸的非稳态过程T

残差相关矩阵为添加剂生产所有批次内所有包含的变量在特定迭代周期下的数据集合。特殊的，本实施例考虑的更多是批次等长的情况，对于部分不等长的批次，可以采用现有技术中的批次同步方法对各个批次进行规整化处理。

步骤3：控制器设定松弛因子β=1和迭代周期 k=1，在时刻t

在本实施例中，迭代周期 k，参照图4，经过标准化处理后的残差相关矩阵X

在本实施例中，第一参数G

步骤4：将牛磺酸、扁桃仁提取物、籽粒苋籽实粉加入第二反应釜中，制备得到精制复合植物籽实粉的非稳态过程T

步骤5：在时刻t

在本实施例中，控制器对残差相关矩阵X

在本实施例中，第二参数G

步骤6：在迭代周期k下，反应门限值满足τ

增加残差相关矩阵数量的依次添加能够保证本实施例所提取的第一参数、第二参数在迭代周期k下具有同一的变量相关关系，若残差相关矩阵X

步骤7：基于负载矩阵P

在本实施例中，在迭代周期k之前的第一采样点下，任意两个负载矩阵P

迭代周期k之前的第一采样点取得多个样本点，对任意一待评估样本点r定义一单 位密度ρ，

矩阵之间欧式距离的最大值。如果待评估样本点r有最大的单位密度ρ

在本实施例中，以迭代周期k作为标准划分稳定反应期与过渡反应期会受到松弛因子β的影响，若松弛因子β的选择偏大，变量相关关系存在差异的迭代周期无法划分到同一个时段内，导致时段划分的结果不具有参考价值；若松弛因子β选择偏小，导致变量相关关系在两个连续且相邻的两个迭代周期内划分不够精确，导致时段划分存在噪声干扰。因此，需要判定松弛因子β选取的合理性。聚类中心的数量N=f(k)，在不同的迭代次数内，迭代周期k不断变化，以迭代周期k为自变量的函数随着迭代周期k在固定步长△k增大而线性增大，说明聚类中心数量从1逐渐到多个的临界点，此时所选取的松弛因子β为最优选；若随着迭代周期k在固定步长△k增大而没有变化，f(k)为常值，说明该次迭代中所选取的松弛因子β非最优选，需要更新后再进入迭代验证过程。

步骤8：以k为分界点，记录迭代周期k之前的非稳态过程为稳定反应期，该稳定反应期内的第一反应数据集为U1，记录迭代周期k之后的非稳态过程为过渡反应期，该过渡反应期内的第一反应数据集为U2。

在稳定反应期内，控制器将残差相关矩阵X

控制器将残差相关矩阵X

步骤9：若第一反应数据集U1的最大值U1

步骤10：γ-氨基丁酸与精制复合植物籽实粉进入混合器。

参照图5，一种用于实现添加剂非稳态生产环节的精细监测方法的监控系统，包括：第一反应釜、第二反应釜、控制器、处理器、存储器、第一传感器、第二传感器，指示器，

第一反应釜用于将谷氨酸钠、葡萄糖发芽糙米、复合乳酸菌培养得到γ-氨基丁酸；

第二反应釜用于将牛磺酸、扁桃仁提取物、籽粒苋籽实粉反应得到精制复合植物籽实粉；

第一传感器根据第一采样点记录反应釜中反应过程的第一参数；

第二传感器根据第二采样点记录第二反应釜中反应过程的第二参数；

控制器用于记录第一传感器与第二传感器采集的第一参数与第二参数；

处理器用于生成稳定反应期内的第一反应数据集，生成过渡反应期内第二反应数据集；

存储器记录有第一反应数据、第二反应数据的数量与反应门限值，能够修改第一反应数据、第二反应数据的数量以及反应门限值。

指示器为具有高电平触发、低电平中断特性的定时电路组成，在满足触发条件时，LED灯亮、发出提出音报警。

混合器用于接收γ-氨基丁酸与精制复合植物籽实粉，混合后进入下一反应阶段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。