一种基于动态PCA蒸发结晶固液分离系统及方法与流程

本发明涉及蒸发结晶工艺中固液分离领域，具体为一种基于动态pca蒸发结晶固液分离系统及方法。

背景技术：

矿井水和煤化工废水“零排放”和资源化工程中一个关键点就是蒸发结晶后的结晶盐饱和溶液的固液分离过程。该过程是否通畅，直接影响到整个工程的稳定运行，以及前端回用水量和处理水量。

现阶段，矿井水和工业废水“零排放”和资源化工程蒸发结晶工艺经常出现由于进入离心分离机的物料固含量过稀，导致了离心分离机不能将固液两相分离，后续的干燥设备结块，迫使整个结晶工艺停车，清理干燥设备。严重影响了整个“零排放”及资源化工程连续、稳定的运行，加大了工作量。有部分矿井水和工业废水“零排放”工程将进入离心分离机前旋流器的规模放大，保证进入离心分离机的含固量，从而保证了离心分离机长周期稳定运行。但是，该技术路线会导致旋流器到离心分离机之间管道堵塞，需要频繁的清洗管道，同样也不利于整个“零排放”及资源化系统的稳定运行，没有从根本上解决蒸发结晶工艺固液分离的问题。

此外，传统的pca模型没有考虑变量在时间序列上的变化，从而导致部分信息缺失。

技术实现要素：

针对现有矿井水和工业废水“零排放”及资源化技术中蒸发结晶工艺无法有效的分离固液两项，以及常规的pca模型没有考虑变量在时间序列上的变化，从而导致部分信息缺失的问题，本发明提供一种基于动态pca蒸发结晶固液分离系统及方法，该结构简单，操作方便，采用云计算技术，提高了数据获取的可靠性和兼容性，同时也降低了计算成本，监测控制更加准确、更具适应性，提高了蒸发结晶工艺运行稳定性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于动态pca蒸发结晶固液分离系统，包括控制器和固液分离单元；

固液分离单元包括自上而下设置的蒸发结晶工艺设备、旋流器、离心分离机和干燥设备；其中，旋流器的输入端上还连接设置有待分离物料装置；旋流器和离心分离机的输出端分别还连接在蒸发结晶工艺设备的输入端上；

控制器的输入端分别连接图像采集模块和信号输入模块，控制器的输出端分别连接图像预处理模块和数据处理模块；图像采集模块的输入端分别连接第一高清摄像头和第二高清摄像头；信号输入模块的输入端分别连接第一流量仪表、第一tds分析仪表、第一温度仪表、第一压力仪表以及第二流量仪表、第二tds分析仪表、第二温度仪表和第二压力仪表；

第一高清摄像头装配在旋流器上，第二高清摄像头装配在离心分离机的物料出口，所述第一流量仪表、第一tds分析仪表、第一温度仪表、第一压力仪表设置在待分离物料装置的出口端，所述第二流量仪表、第二tds分析仪表、第二温度仪表和第二压力仪表设置在离心分离机的进口端。

优选的，控制器上设置人机交互模块，人机交互模块输入端连接控制器的输出端，用于显示第一高清摄像头和第二高清摄像头中所获取的图像，以及显示第一流量仪表、第一tds分析仪表、第一温度仪表、第一压力仪表以及第二流量仪表、第二tds分析仪表、第二温度仪表和第二压力仪表、图像预处理模块和数据处理模块的信号信息。

优选的，控制器的输出端经监测模块连接监测器，所述监测器分别装配在旋流器和离心分离机的物料出口输出端上。

优选的，旋流器的输出端设有旋流器出口不合格物料自动阀门和旋流器出口合格物料自动阀门；所述旋流器出口不合格物料自动阀门连接蒸发结晶工艺设备；所述旋流器出口合格物料自动阀门连接离心分离机的输入端。

优选的，离心分离机的输出端设有离心分离机出口合格物料自动阀门和离心分离机出口不合格物料自动阀门；离心分离机出口不合格物料自动阀门连接蒸发结晶工艺设备；离心分离机出口合格物料自动阀门连接干燥设备。

一种基于动态pca蒸发结晶固液分离方法，基于上述所述的基于动态pca蒸发结晶固液分离系统，包括如下步骤，

步骤1，获取待分离物料装置中的物料基本信息以及旋流器内的物料图像信息；

步骤2，将获取到的物料图像信息通过图像预处理技术进行降噪预处理；

步骤3，将待分离物料装置中的物料基本信息和旋流器内去噪后的图像信息进行构建动态信息处理，获得动态信息；

步骤4，将待分离物料装置的物料基本信息、预处理后的旋流器内的物料图像信息和动态信息通过数据处理对旋流器内的物料进行筛分，正常固液可分离的物料进入离心分离机执行步骤4，固液不可分离的物料返回蒸发结晶工艺设备蒸发浓缩后重新执行步骤；

步骤5，获取离心分离机进口物料基本信息和离心分离机出口的物料图像信息，并对获取的物料图像信息通过图像预处理技术进行降噪处理；

步骤6，将离心分离机进口的物料基本信息和离心分离机出口去噪后的图像信息进行构建动态信息处理，获得动态信息；

步骤7，将离心分离机进口的物料基本信息、降噪处理后的离心分离机出口物料图像信息和动态信息通过数据处理对离心分离机出口的物料进行筛分，正常固液可分离的物料进入干燥设备，分离工作结束；固液不可分离的物料返回蒸发结晶工艺设备蒸发浓缩后重新执行步骤；

动态信息是通过将物料的基本信息和图像信息进行熵运算获取。

优选的，图像预处理技术包括高斯滤波、均值滤波、中值滤波、最小均方差滤波、gabor滤波。

优选的，旋流器内和离心分离机出口的物料均采用动态pca模型进行筛分，具体方法如下：

建立第一pca模型和第二pca模型

将所述待分离物料装置的物料基本信息、降噪处理后的旋流器内物料图像信息和动态信息输入至第一pca模型，第一pca模型输出监测值t12，其中监测值t12对应控制限值t1l2；

当监测值t12小于控制限值t1l2时，物料进入离心分离机；

当监测值t12大于控制限值t1l2时，物料返回蒸发结晶工艺设备；

将所述离心分离机进口物料的基本信息、降噪处理后的离心分离机出口物料图像信息和动态信息输入至第二pca模型，第二pca模型输出监测值t22，其中监测值t22对应控制限值t2l2；

当监测值t22值小于控制限值t2l2时，物料进入干燥设备；

当监测值t22值大于控制限值t2l2时，物料返回蒸发结晶工艺设备。

进一步的，第一pca模型和第二pca模型均选取主元贡献率大于85％的主元进行建模。

进一步的，控制限值t1l2是利用同一蒸发结晶工艺可分离物料的基本信息、旋流器内的物料图像信息和动态信息训练第一pca模型得到的；

控制限值t2l2是利用同一蒸发结晶工艺可分离的离心分离机进口物料基本信息、离心分离机出口物料图像信息和动态信息训练第二pca模型得到的。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种基于动态pca蒸发结晶固液分离系统，控制器对固液分离单元进行有效的控制监测，图像采集模块分别获取旋流器和离心分离机的物料图像，并通过旋流器和离心分离机的物料基本信息在数据处理模块中通过动态pca模型可分析时间序列上物料的基本信息和图像信息的变化，使所述输出结果贴合实际情况，使得监测控制更加准确、更具适应性，并可将不合格的物料重返蒸发结晶工艺设备，避免含固量偏低物料进入干燥设备并结块，保证蒸发结晶工艺连续、稳定运行的作用，提高了蒸发结晶工艺运行稳定性。

进一步的，控制器上设置人机交互模块，便于操作者在进行固液分离作业时对设备内图像信息情况以及物料基本情况进行有效观测。

进一步的，控制器的输出端经监测模块连接监测器，通过根据待分离物料的监测值t12与控制限t1l2对比，获得旋流器出口物料的控制策略；通过根据离心分离机出口物料的监测值t22与控制限t2l2对比，获得离心分离机出口物料的控制策略，提高了物料筛分效率。

进一步的，旋流器的输出端设有旋流器出口不合格物料自动阀门和旋流器出口合格物料自动阀门，旋流器出口不合格物料自动阀门连接蒸发结晶工艺设备，保证蒸发结晶工艺连续、稳定运行的作用；旋流器出口合格物料自动阀门连接离心分离机的输入端，便于旋流器与离心分离机之间的分离作业。

进一步的，离心分离机的输出端设有离心分离机出口合格物料自动阀门和离心分离机出口不合格物料自动阀门，离心分离机出口不合格物料自动阀门连接蒸发结晶工艺设备，保证蒸发结晶工艺连续、稳定运行的作用；离心分离机出口合格物料自动阀门连接干燥设备，便于离心分离机与干燥设备之间的分离作业。

一种基于动态pca蒸发结晶固液分离方法，通过pca模型建模变量中增加了熵变量捕捉物料原始信息和图像信息的动态变化，使得监测控制系统更贴合实际运行。此外，本发明采用云计算技术，提高了数据获取的可靠性和兼容性，同时也降低了计算成本。

附图说明

图1为本发明中基于动态pca蒸发结晶固液分离系统结构示意图；

图2为本发明中基于动态pca蒸发结晶固液分离方法流程示意图；

图3为本发明中控制器的结构示意图。

图中：1-旋流器；2-第一高清摄像头；3-旋流器出口不合格物料自动阀门；4-旋流器出口合格物料自动阀门；5-离心分离机；6-第二高清摄像头；7-离心分离机出口合格物料自动阀门；8-离心分离机出口不合格物料自动阀门；9-第一流量仪表；10-第一tds分析仪表；11-第一温度仪表；12-第一压力仪表；13-第二流量仪表；14-第二tds分析仪表；15-第二温度仪表；16-第二压力仪表；17-蒸发结晶工艺设备；18-干燥设备；19-待分离物料装置；20-控制器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明提供了一种基于动态pca蒸发结晶固液分离系统，如图1所示，包括控制器20和固液分离单元；

所述固液分离单元包括自上而下设置的蒸发结晶工艺设备17、旋流器1、离心分离机5和干燥设备18；其中，旋流器1的输入端上还连接设置有待分离物料装置19；旋流器1和离心分离机5的输出端分别还连接在蒸发结晶工艺设备17的输入端上；

根据图3所示，控制器20的输入端分别连接图像采集模块和信号输入模块，控制器20的输出端分别连接图像预处理模块和数据处理模块；所述图像采集模块的输入端分别连接第一高清摄像头2和第二高清摄像头6；信号输入模块的输入端分别连接第一流量仪表9、第一tds分析仪表10、第一温度仪表11、第一压力仪表12以及第二流量仪表13、第二tds分析仪表14、第二温度仪表15和第二压力仪表16；

第一高清摄像头2装配在旋流器1上，第二高清摄像头6装配在离心分离机5的物料出口，所述第一流量仪表9、第一tds分析仪表10、第一温度仪表11、第一压力仪表12设置在待分离物料装置19的出口端，所述第二流量仪表13、第二tds分析仪表14、第二温度仪表15和第二压力仪表16设置在离心分离机5的进口端。

控制器20上设置人机交互模块，人机交互模块输入端连接控制器的输出端，用于显示第一高清摄像头2和第二高清摄像头6中所获取的图像，以及显示第一流量仪表9、第一tds分析仪表10、第一温度仪表11、第一压力仪表12以及第二流量仪表13、第二tds分析仪表14、第二温度仪表15和第二压力仪表16、图像预处理模块和数据处理模块的信号信息。

控制器20的输出端经监测模块连接监测器，所述监测器分别装配在旋流器1和离心分离机5的物料出口输出端上。

旋流器1的输出端设有旋流器出口不合格物料自动阀门3和旋流器出口合格物料自动阀门4；所述旋流器出口不合格物料自动阀门3连接蒸发结晶工艺设备17；所述旋流器出口合格物料自动阀门4连接离心分离机5的输入端。

离心分离机的输出端设有离心分离机出口合格物料自动阀门7和离心分离机出口不合格物料自动阀门8；所述离心分离机出口不合格物料自动阀门8连接蒸发结晶工艺设备17；所述离心分离机出口合格物料自动阀门7连接干燥设备18。

根据图2所示，一种基于动态pca蒸发结晶固液分离方法，基于上述所述的基于动态pca蒸发结晶固液分离系统，包括如下步骤，

步骤1，获取待分离物料装置19中的物料基本信息以及旋流器1内的物料图像信息；

步骤2，将获取到的物料图像信息通过图像预处理技术进行降噪预处理得到动态信息；

步骤3，将待分离物料装置19中的物料基本信息和旋流器1内去噪后的图像信息进行构建动态信息处理，获得动态信息；

步骤34，将待分离物料装置19的物料基本信息、预处理后的旋流器1内的物料图像信息和动态信息通过数据处理对旋流器1内的物料进行筛分，正常固液可分离的物料进入离心分离机5执行步骤4，固液不可分离的物料返回蒸发结晶工艺设备10蒸发浓缩后重新执行步骤1；

步骤45，获取离心分离机5进口物料基本信息和离心分离机5内出口的物料图像信息，并对获取的物料图像信息通过图像预处理技术进行降噪预处理得到动态信息；

步骤6，将离心分离机5进口的物料基本信息和离心分离机5出口去噪后的图像信息进行构建动态信息处理，获得动态信息；

步骤57，将离心分离机5进口的物料基本信息、预降噪处理后的离心分离机出口物料图像信息和动态信息通过数据处理对离心分离机5内出口的物料进行筛分，正常固液可分离的物料进入干燥设备18，分离工作结束；固液不可分离的物料返回蒸发结晶工艺设备10蒸发浓缩后重新执行步骤1；

动态信息是通过将待分离物料的基本信息和图像信息进行熵运算获取。

图像预处理技术包括高斯滤波、均值滤波、中值滤波、最小均方差滤波、gabor滤波。

旋流器1内和离心分离机5出口的物料均采用动态pca模型进行筛分，具体方法如下：

建立第一pca模型和第二pca模型

将所述待分离物料装置19的物料基本信息、降噪处理后的旋流器内物料图像信息和动态信息输入至第一pca模型，第一pca模型输出监测值t12，其中监测值t12对应控制限值t1l2；

当监测值t12小于控制限值t1l2时，物料进入离心分离机5；

当监测值t12大于控制限值t1l2时，物料返回蒸发结晶工艺设备17；

将所述离心分离机5进口物料的基本信息、降噪处理后的离心分离机5出口物料图像信息和动态信息输入至第二pca模型，第二pca模型输出监测值t22，其中监测值t22对应控制限值t2l2；

当监测值t22小于第二控制限值t2l2时，物料进入干燥设备18；

当监测值t22大于第二控制限值t2l2时，物料返回蒸发结晶工艺设备17。

第一pca模型和第二pca模型均选取主元贡献率大于85％的主元进行建模。

控制限值t1l2是利用同一蒸发结晶工艺可分离物料的基本信息、旋流器内的物料图像信息和动态信息训练第一pca模型得到的；

控制限值t2l2是利用同一蒸发结晶工艺可分离的离心分离机进口物料基本信息、离心分离机出口物料图像信息和动态信息训练第二pca模型得到的。

其中物料基本信息包括物料的溶解性总固体(totaldissolvedsolid,tds)，温度，压力和体积流量。旋流器1内的物料图像信息是通过第一高清摄像头2拍摄获取。离心分离机5出口物料图像信息是通过第二高清摄像头6拍摄获取。

在基于动态pca蒸发结晶固液分离方法通过建立图像预处理模型、熵变量构建模型、第一pca模型和第二pca模型进行蒸发结晶固液分离；

通过可分离物料的基本信息、图像信息和动态信息可更新控制限值t1l2和控制限值t2l2，具体方法为将最新可分离物料的基本信息、图像信息和动态信息替代原有模型中时间较久可分离物料的基本信息、图像信息和动态信息获取更新后的控制限值t1l2和控制限值t2l2；

本发明中图像采集模块和信号输入模块：获取待分离物料的基本信息、离心分离机5进口物料基本信息、旋流器1内的物料图像信息、离心分离机5出口物料图像信息和动态信息。

数据处理模块：将可分离物料的基本信息、预处理后的旋流器内物料图像信息和动态信息输入至第一pca模型输出控制限值t1l2。将所述离心分离机进口可分离物料基本信息、预处理后的离心分离机出口物料图像信息和动态信息输入至第二pca模型输出控制限值t2l2。

监测模块：待分离物料的基本信息、旋流器内的物料图像信息和动态信息输入至第一pca模型，所述第一pca模型输出监测值t12，若待分离物料的监测值t12没有超过控制限值t1l2，旋流器出口物料送至离心分离机，反之，旋流器出口物料返回前端蒸发结晶工艺。将离心分离机进口物料、离心分离机出口物料图像信息和动态信息输入至第二pca模型，所述第二pca模型输出监测值t22，若离心分离机出口物料的监测值t22没有超过控制限值t2l2，则送至干燥设备；反之，则返回蒸发结晶工艺。

实施例

本实施例提供一种基于动态pca蒸发结晶固液分离方法，具体步骤如下：

s101：获取x组可分离物料的基本信息和旋流器内的物料图像信息，所述可分离物料的基本信息包括物料的溶解性总固体，温度，压力和体积流量。所述旋流器内的物料图像信息是通过高清摄像头拍摄获取；

s102：将图像信息通过预处理技术进行降噪处理，输出a个xm×n矩阵，所述图像预处理技术包括，但不限于高斯滤波、均值滤波、中值滤波、最小均方差滤波、gabor滤波；

s103：将预处理后的a个xm×n矩阵转换为xa×mn矩阵，并与物料的基本信息合并，形成xa×(mn+4)矩阵。所述可分离物料的基本信息和旋流器内的物料图像信息每隔5分钟上传一次，1小时上传12次信息。将1小时上传的12次信息，即：x12×(mn+4)矩阵做熵运算，得到动态信息xa×(mn+4)矩阵；

具体公式如下：

k为观测时间序列长度，取值12；pi为单个时刻的观测信息。

s104：将可分离物料的基本信息、去噪后旋流器内的物料图像信息和动态信息合并生成xa×2(mn+4)矩阵。对所述xa×2(mn+4)矩阵进行标准化处理：

具体公式如下：

其中，xi为变量原始值，ui为变量的均值，σi为变量的标准差。

求解协方差矩阵：

其中，cov(x)为x的协方差矩阵。

求解协方差矩阵的特征值，并将其从大到小进行排列：

cov(x)pi＝λipi；i＝1，2，……，2(mn+4)；

λ1≥λ2≥λ≥λ2(mn+4)；

其中，λi为特征值，pi为特征向量，∧为特征值矩阵，p为荷载矩阵。

选取主元贡献率大于85％的主元构建pca模型。

其中，k为主元贡献率大于85％的主元个数。

原始矩阵x经主元变换后可表示为：

x＝t1p1t+t2p2t+……+tkpkt+e；

其中，ti为得分向量，e为残差矩阵；

生成控制限值t1l2：

其中，a为检验水平，取值0.95，fk,n-1,a为检验水平为a，自由度为k，n-1的条件下f分布的临界值。

s105：获取实时待分离物料的基本信息和旋流器内的物料图像信息，所述可分离物料的基本信息包括物料的溶解性总固体，温度，压力和体积流量。所述旋流器内的物料图像信息是通过高清摄像头拍摄获取；

s106：将图像信息通过预处理技术进行降噪处理，输出ym×n矩阵，所述图像预处理技术与训练数据采用预处理技术一致；

s107：将预处理后的ym×n矩阵转换为y1×mn矩阵，并与物料的基本信息合并，形成ya×(mn+4)矩阵。所述可分离物料的基本信息和旋流器内的物料图像信息每隔5分钟上传一次，1小时上传12次信息。采样实时点信息和之前11个信息合并成y12×(mn+4)矩阵做熵运算，得到动态信息y1×(mn+4)矩阵；

s108：将待分离物料的基本信息、去噪后旋流器内的物料图像信息和动态信息合并生成y1×2(mn+4)矩阵。对所述y1×2(mn+4)矩阵进行标准化处理：

其中，yi为待测变量原始值，uyi为训练变量的均值，σyi为训练变量的标准差。

s109：根据荷载矩阵p生成待分离信息的得分向量t。

s110：生成待分离物料的监测值t12：

t12＝tλ-1tt＝ypλ-1ptyt；

s111：对比监测值t12和控制限值t1l2。所述监测值t12＜控制限值t1l2，待分离物料进入后续离心分离机，反之返回前端蒸发结晶工艺。

s112：第二pca模型计算过程同s101～s111，本发明不在赘述。

由上述技术方案可知，本发明提供的一种基于动态pca蒸发结晶固液分离方法，所述第一pca模型输出控制限值t1l2，待分离物料的监测值t12小于控制限值t1l2时，待分离物料可以继续分离，反之不能分离，返回前端。第二pca模型输出控制限值t2l2，待离心分离机出口物料的监测值t22小于控制限值t2l2时，离心分离机出口物料可以继续分离，反之不能分离，返回前端。同时，控制限值t1l2和控制限值t2l2可以根据最新可分离物料的信息进行更新，贴合实际情况，使得监测控制更加准确和更具适应性，保证蒸发结晶工艺稳定运行。

本发明的控制器中，图像采集模块和信号输入模块：获取待分离物料的基本信息、离心分离机5进口物料基本信息、旋流器1内的物料图像信息、离心分离机5出口物料图像信息和动态信息。其中物料基本信息为第一流量仪表9、第一tds分析仪表10、第一温度仪表11、第一压力仪表12以及第二流量仪表13、第二tds分析仪表14、第二温度仪表15和第二压力仪表16上传至信号输入模块上，第一高清摄像头2和第二高清摄像头6的图像信息上传至图像采集模块上；

数据处理模块：建立动态变量构建模块将所述物料信息和图像信息通过熵计算，构建动态信息。建立pca模型模块，将物料信息、图像信息、动态信息输入至预设的第一pca模型或第二pca模型，所述第一pca模型输出监测值t12；第二pca模型输出监测值t22。

监测模块：根据待分离物料的监测值t12与控制限值t1l2对比，以及离心分离机出口物料的监测值t22与控制限值t2l2对比，获得控制策略。

在第一pca模型中，若监测值t12＜控制限值t1l2，开启旋流器出口合格物料自动阀门4，关闭旋流器出口不合格物料自动阀门3；若监测值t12＞控制限值t1l2，开启旋流器出口不合格物料自动阀门3，关闭旋流器出口合格物料自动阀门4。

在第二pca模型中，若监测值t22＜控制限值t2l2，开启离心分离机出口合格物料自动阀门7，关闭离心分离机出口不合格物料自动阀门8；若监测值t22＞控制限值t2l2，开启离心分离机出口不合格物料自动阀门8，关闭离心分离机出口合格物料自动阀门7。

本发明中待分离物料生成的t2值，经过第一pca模型输出监测值t12；待分离物料生成的t2值经过第二pca模型输出监测值t22。

在优选的实施例中，构建pca模块，建立所述pca模型。

在优选的实施例中，所述pca模型的主元贡献率选为85％。

在优选的实施例中，还包括：

pca模型更新，将最新可分离物料的信息输入至训练数据，替换时间久远的物料信息，生成最新pca模型。