一种中药精油提取的智能控制系统及方法与流程

1.本发明涉及中药前处理中的提取工艺控制领域，特别是涉及一种中药精油提取的智能控制系统及方法。


背景技术：

2.挥发油或精油，是具有挥发性不溶于水的小分子成分的总称，一般药品称挥发油，化妆品称精油。挥发油是药材中活性较强的一类成分。目前制药企业最常用的挥发油提取方法是蒸馏法，但配套的蒸馏提取设备功能单一，而药材本身属性差异较大，对应的蒸馏提取工艺要求也不同，配套设备不能满足需求；而且目前配套的蒸馏提取设备还存在提取周期长、药材利用率低、能耗高、得油率低等问题。
3.cn108543327a公开了一种挥发油智能提取收集分离设备，包括提取罐、冷凝器、分油器。蒸汽管路分成直通蒸汽管路和夹套蒸汽管路分别连接提取罐底部和上部；提取罐顶部通过收集管道与冷凝器上端连接，冷凝器下端通过进管道与分油器连接，分油器上部通过回流管路与提取罐连接，分离后的溶剂可回流至提取罐进行循环水煮提取；还可通过分油器上部的溶剂排放回收管路直接排放回收，真空泵通过真空管道ⅰ与缓冲罐底部连接，缓冲罐中部通过真空管道ⅱ与冷凝器连接。本技术在此基础上进一步改进，以实现中药提取工艺的自动化和智能化，提高工艺稳定性和产品质量。


技术实现要素：

4.本发明主要解决的技术问题是提供一种中药精油提取的智能控制系统及方法，可以有效缩短提取过程消耗的时间和蒸汽量，减少因人为凭经验操作而造成的误差和提油效果不稳定，从而实现中药提取工艺的自动化和智能化，提高稳定性和产品质量。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种中药精油提取的智能控制系统，包括提取罐、冷凝器、分油器、蒸汽发生器、冻水循环机、真空泵、蒸汽流量pid调节器；提取罐的进气口通过管道连接蒸汽发生器、提取罐的排气口连接冷凝器的进气口，冷凝器的排液口连接分油器的进液口，冷凝器的排气口连接真空泵，与提取罐连通的蒸汽进气管上安装蒸汽流量调节阀、蒸汽流量传感器和蒸汽温度传感器，所述蒸汽流量传感器测量进入所述提取罐内的蒸汽流量，所述蒸汽温度传感器测量所述蒸汽发生器出口温度。所述蒸汽流量pid调节器与所述蒸汽流量传感器相连，所述蒸汽流量pid调节器与所述蒸汽流量调节阀相连，所述蒸汽流量调节阀控制进入所述提取罐的蒸汽量；所述冷凝器中安装冷凝器温度传感器，所述冷凝器温度传感器测量所述冷凝器出口温度；冷凝水温度调节器与冷凝器温度传感器相连，所述冷凝水温度调节器连接冻水循环机，冻水循环机向冷凝器供应循环水，并通过冷凝水温度调节器控制冷凝器中循环水的温度。
6.进一步优选，所述蒸汽进气管分两路进入提取罐，一路连接提取罐底部，另一路连接提取罐上部。
7.进一步优选，所述提取罐连接溶剂输送管，溶剂输送管上安装溶媒流量传感器，所
述溶媒流量传感器测量进入所述提取罐的溶媒流量。
8.进一步优选，所述提取罐中安装提取罐温度传感器和提取罐压力传感器，所述提取罐温度传感器测量所述提取罐罐内温度，所述提取罐压力传感器测量所述提取罐罐内压力。
9.本发明还提供一种中药精油提取的智能控制方法，通过蒸汽流量pid调节器和蒸汽流量传感器控制提取罐的蒸汽量，所述蒸汽流量pid调节器的输出直接反馈给蒸汽流量调节阀，保持提取罐的蒸汽量在设定值允许范围内；通过冷凝水温度调节器和冷凝器温度传感器控制冷凝器出口的温度，所述冷凝水温度调节器的输出反馈给冻水循环机，保持冷凝器出口的循环水温度在设定值允许范围内。
10.进一步优选，所述蒸汽流量pid调节器和蒸汽流量传感器通过分段式pid控制算法控制进入提取罐的蒸汽流量。
11.进一步优选，当蒸汽流量设定值与实际值偏差过大时，直接将输出调到最大，即蒸汽流量调节阀开度设置为100%。
12.进一步优选，当偏差进入允许范围后，自动启动分段式pid控制算法，从而能够快速而精准的控制蒸汽流量，保证提取罐的提取工艺温度达到要求。
13.进一步优选，蒸汽流量pid调节器和冷凝水温度调节器共同作用保证提取过程中提取罐内的温度、压力在允许范围内，维持其动态平衡，使得同一批次质量均一可控。
14.进一步优选，所述分段式pid控制算法包括稳定控制、连续控制以及大波动整定，稳定控制时只需要根据传感器在测量点反馈的模拟量转换的数值做出相应微调变化即，在连续控制当中需要不断地利用plc不断地刷新数据更新，及时做出相应的输出数值；在大波动整定中则需要手动设置pi数值，根据反馈响应的速度调整至适应的pi数值；在稳定控制中，pid 控制器调节输出值，使回路偏差e为零，回路输出m(t)是比例项、积分项和微分项的函数：输出=比例项+积分项+微分项；m(t) = k
c* e + k
c0
∫
t edt + m
initial +k
c * de/dt式中，m（t）为回路输出，t为时间；kc为回路增益；e为回路偏差；m
initial
为pid 控制器调节输出值；k
c0
为回路偏差e为零的回路增益；在连续控制中，控制方程如下：m
n = mpn+min+mdn式中，mn为采样时间 n 时回路输出的计算值；mpn为采样时间n时回路输出的比例项值；min为采样时间n时回路输出的积分项值；mdn为采样时间n时回路输出的微分项值；mp
n = k
c * (sp
n-pvn)其中：kc为回路增益，spn为采样时间n时的设定值，pvn为采样时间n时的过程变量；mi
n = kc*ts/ti* (sp
n-pvn)+mx其中：ts为回路采样时间，ti为积分时间；mx为采样时间n-1时的积分项值，mx是积分项的所有先前值之和；每次计算完min后，使用可调整或限定的min值更新偏置；偏置的初始值设为第一次计算回路输出之前的pid 控制器调节输出值m
initial
；mdn= kc*td/ts*((sp
n-pvn)-(sp
n-1-pv
n-1
))或：mdn= kc*td/ts*(pv
n-1-pvn)
其中，td为回路的微分周期。
15.本发明的有益效果是：通过蒸汽流量pid调节器和冷凝水温度调节器共同作用来保证提取罐内的压力、温度在一个恒定范围内，可以实现提取过程的质量均一控制。本发明一改以往控制提取罐温度的策略，可以有效缩短提取过程消耗的时间和蒸汽量，从而实现中药提取工艺的节能减排，提高稳定性和产品质量。
附图说明
16.图1是本发明的中药精油提取的智能控制系统一较佳实施例的示意图。
17.附图中各部件的标记如下：1、提取罐，2、冷凝器，3a、一级分油器，3b、二级分油器，4、冻水循环机，5、真空缓冲罐，6、真空泵，7、蒸汽发生器，8、溶剂回流管。
具体实施方式
18.下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
19.参阅图1，一种中药精油提取的智能控制系统，包括提取罐1、冷凝器2、分油器、蒸汽发生器7、冻水循环机4、真空泵6、蒸汽流量pid调节器；提取罐1的进气口通过管道连接蒸汽发生器7、提取罐1的排气口连接冷凝器2的进气口，冷凝器2的排液口连接分油器的进液口，冷凝器2的排气口连接真空缓冲罐5后再连接真空泵6；分油器的溶剂回流管8连接提取罐1的溶剂回流口;蒸汽进气管分两路进入提取罐1，一路连接提取罐1底部，另一路连接提取罐1上部，蒸汽进气管上安装蒸汽流量调节阀、蒸汽流量传感器和蒸汽温度传感器，所述蒸汽流量传感器测量进入所述提取罐内的蒸汽流量，所述蒸汽温度传感器测量所述蒸汽发生器出口温度。蒸汽流量pid调节器与所述蒸汽流量传感器相连，所述蒸汽流量pid调节器与所述蒸汽流量调节阀相连，所述蒸汽流量调节阀控制进入所述提取罐的蒸汽量，提取罐1的顶部连接溶剂输送管，溶剂输送管上安装溶媒流量传感器，所述溶媒流量传感器测量进入所述提取罐的溶媒流量；提取罐1中安装提取罐温度传感器和提取罐压力传感器，所述提取罐温度传感器测量所述提取罐罐内温度，所述提取罐压力传感器测量所述提取罐罐内压力；冷凝器2中安装冷凝器温度传感器，所述冷凝器温度传感器测量冷凝器出口温度；冷凝水温度调节器与冷凝器温度传感器相连，所述冷凝水温度调节器连接冻水循环机4，冻水循环机4向冷凝器2供应循环水，并通过冷凝水温度调节器控制冷凝器2中循环水的温度。
20.分油器由一级分油器3a和二级分油器3b构成，一级分油器3a连接冷凝器2的出口，一级分油器3a设有一级排污管ⅰ、一级轻油出口管ⅱ、重油出口管ⅲ，重油出口管ⅲ连接二级分油器3b，二级分油器3b设有二级轻油出口管ⅳ，二级级排污管
ⅴ
、溶剂出口管ⅵ，溶剂出口管ⅵ连接溶剂回流管8。
21.一种中药精油提取的智能控制方法，通过蒸汽流量pid调节器和蒸汽流量传感器控制提取罐1的蒸汽量，所述蒸汽流量pid调节器的输出直接反馈给蒸汽流量调节阀，保持提取罐1的蒸汽量在设定值允许范围内；通过冷凝水温度调节器和冷凝器温度传感器控制冷凝器2出口的温度，所述冷凝水温度调节器的输出通过modbus通讯反馈给冻水循环机4，保持冷凝器2出口的循环水温度在设定值允许范围内。
22.在本发明一个较佳实施例中，所述蒸汽流量pid调节器和蒸汽流量传感器通过分段式pid控制算法控制进入提取罐的蒸汽流量。
23.在本发明一个较佳实施例中，分段pid控制：即当蒸汽流量设定值与实际值偏差过大时，直接将输出调到最大，即蒸汽流量调节阀开度设置为100%；当偏差进入允许范围后，程序将自动启动分段式pid控制算法，从而能够快速而精准的控制蒸汽流量，保证提取罐的提取工艺温度达到要求。
24.在本发明一个较佳实施例中，通过蒸汽流量pid调节器和冷凝水温度调节器共同作用保证提取过程中提取罐1内的温度、压力等在允许范围内，维持其动态平衡，使得同一批次质量均一可控。蒸汽流量pid调节器能够保证提取罐内提取温度达到工艺设定值，最大效率的将药材中的挥发油通过蒸汽带入冷凝器2中。通过冷凝水温度调节器，保证冷凝循环水的温度自动达到工艺要求值，最大效率的将挥发油从提取液气体中冷凝下来，从而最大程度的收集到挥发油。
25.当被控对象即蒸汽流量的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须利用经验和现场调试来确定，这时需要用到数字模型pid自动控制。
26.分段式pid控制算法包括稳定控制、连续控制以及大波动整定，稳定控制时只需要根据传感器在测量点反馈的模拟量转换的数值做出相应微调变化即可，在连续控制当中需要不断地利用plc不断地刷新数据更新，及时做出相应的输出数值。在大波动整定中则需要手动设置pi数值，根据反馈响应的速度调整至适应的pi数值。
27.1、在稳定控制中：pid控制器调节输出值，使回路偏差e为零。回路偏差e是设定值（所需工作点）与过程变量（实际工作点）之差。pid控制的原理基于以下方程，回路输出m(t)是比例项、积分项和微分项的函数（输出=比例项+积分项+微分项）：m(t)=k
c*
e+k
c0
∫
t
edt+m
initial
+k
c*
de/dt式中，m（t）为回路输出（时间t的函数）；kc为回路增益，控制输出变化幅度；e为回路偏差（设定值与过程变量之差）；m
initial
为pid控制器调节输出值；k
c0
为回路偏差e为零的回路增益。
28.2、在连续控制中：要在plc中执行该控制函数，必须将连续函数量化为偏差值的周期采样，并随后计算输出（输出=比例项+积分项+微分项）：mn=kc*en+ki*en+m
initial
+kd*(e
n-e
n-1
)式中，mn为采样时间n时回路输出的计算值；en为采样时间n时的回路偏差值；e
n-1
采样时间n-1时的回路偏差值；ki为积分项的比例常量；kd为微分项的比例常量。
29.积分项是从第一次采样到当前采样所有偏差项的函数。微分项是当前采样和前一次采样的函数，而比例项仅是当前采样的函数。在plc中，存储偏差项的所有采样既不实际，也没有必要。因为从第一次采样开始，每次对回路偏差进行采样时plc都必须计算输出值，因此仅需存储前一回路偏差值和前一积分项值。由于plc解决方案具有重复特性，因此可以简化在任何采样时间都必须求解的方程。简化方程如下：mn=kc*en+ki*en+mx+kd*(e
n-e
n-1
)式中，mn为采样时间n时回路输出的计算值；en为采样时间n时的回路偏差值；e
n-1
采样时间n-1时的回路偏差值；ki为积分项的比例常量；kd为微分项的比例常量。mx为采样时
间n-1时的积分项值。
30.以上公式对于计算过于繁琐，故cpu 使用以上简化方程的改进方程计算回路输出值，改进的方程如下：m
n = mpn+min+mdn式中，mn为采样时间n时回路输出的计算值；mpn为采样时间n时回路输出的比例项值；min为采样时间n时回路输出的积分项值；mdn为采样时间n时回路输出的微分项值；mp 是回路增益kc与回路偏差e的乘积，其中，回路增益kc控制输出计算的灵敏度，回路偏差e是给定采样时间时的设置值sp与过程变量pv之差。cpu求解mpn所采用的方程如下：mp
n = k
c * (sp
n-pvn)其中：spn为采样时间n时的设定值，pvn为采样时间n时的过程变量；min与一段时间内的回路偏差e之和成比例。cpu求解积分项所采用的方程如下：mi
n = kc*ts/ti* (sp
n-pvn)+mx其中：ts为回路采样时间,ti为积分时间。采样时间n-1 时的积分项值mx是积分项的所有先前值之和。每次计算完min后，使用可调整或限定的min值更新偏置。偏置的初始值通常设为第一次计算回路输出之前的pid 控制器调节输出值m
initial
。
31.mdn与回路偏差变化成比例。计算mdn所采用的方程如下：mdn= kc*td/ts*((sp
n-pvn)-(sp
n-1-pv
n-1
))为避免由于设定值变化而导致微分作用激活引起输出发生阶跃变化或跳变，对此方程进行了改进，假定设定值为常数,即spn=sp
n-1
。这样，将计算过程变量的变化而不是回路偏差的变化，如下所示：mdn= kc*td/ts*((sp
n-pvn)-(sp
n-1-pv
n-1
))或：mdn= kc*td/ts*(pv
n-1-pvn)其中，td为回路的微分周期（也称为微分时间或速率）；必须保存过程变量供下次计算微分项使用。在第一次采样时，pv
n-1
的值初始化为等于pvn。通过多次积累换算出回路输出的误差值，调整sumerror的累计误差，实现抗饱和积分。
32.冷凝水温度调节器由plc发送冷凝水温度控制指令给冻水循环机4，由冻水循环机4内部自行控制温度，输出的冷凝水达到要求的输出值，从而保证工艺平衡，将蒸汽带进冷凝管道的提取液冷凝下来，获得所需要的挥发油。

技术特征：
1.一种中药精油提取的智能控制系统，包括提取罐、冷凝器、分油器、蒸汽发生器、冻水循环机、真空泵、蒸汽流量pid调节器；提取罐的进气口通过管道连接蒸汽发生器、提取罐的排气口连接冷凝器的进气口，冷凝器的排液口连接分油器的进液口，冷凝器的排气口连接真空泵，与提取罐连通的蒸汽进气管上安装蒸汽流量调节阀、蒸汽流量传感器和蒸汽温度传感器，所述蒸汽流量传感器测量进入所述提取罐内的蒸汽流量，所述蒸汽温度传感器测量所述蒸汽发生器出口温度；其特征在于：所述蒸汽流量pid调节器与所述蒸汽流量传感器相连，所述蒸汽流量pid调节器与所述蒸汽流量调节阀相连，所述蒸汽流量调节阀控制进入所述提取罐的蒸汽量；所述冷凝器中安装冷凝器温度传感器，所述冷凝器温度传感器测量所述冷凝器出口温度；冷凝水温度调节器与冷凝器温度传感器相连，所述冷凝水温度调节器连接冻水循环机，冻水循环机向冷凝器供应循环水，并通过冷凝水温度调节器控制冷凝器中循环水的温度。2.根据权利要求1所述的中药精油提取的智能控制系统，其特征在于，所述蒸汽进气管分两路进入提取罐，一路连接提取罐底部，另一路连接提取罐上部。3.根据权利要求1所述的中药精油提取的智能控制系统，其特征在于，所述提取罐连接溶剂输送管，溶剂输送管上安装溶媒流量传感器，所述溶媒流量传感器测量进入所述提取罐的溶媒流量。4.根据权利要求1所述的中药精油提取的智能控制系统，其特征在于，所述提取罐中安装提取罐温度传感器和提取罐压力传感器，所述提取罐温度传感器测量所述提取罐罐内温度，所述提取罐压力传感器测量所述提取罐罐内压力。5.一种中药精油提取的智能控制方法，其特征在于，通过蒸汽流量pid调节器和蒸汽流量传感器控制提取罐的蒸汽量，所述蒸汽流量pid调节器的输出直接反馈给蒸汽流量调节阀，保持提取罐的蒸汽量在设定值允许范围内；通过冷凝水温度调节器和冷凝器温度传感器控制冷凝器出口的温度，所述冷凝水温度调节器的输出反馈给冻水循环机，保持冷凝器出口的循环水温度在设定值允许范围内。6.根据权利要求5所述的一种中药精油提取的智能控制方法，其特征在于，所述蒸汽流量pid调节器和蒸汽流量传感器通过分段式pid控制算法控制进入提取罐的蒸汽流量。7.根据权利要求6所述的一种中药精油提取的智能控制方法，其特征在于，当蒸汽流量设定值与实际值偏差过大时，直接将输出调到最大，即蒸汽流量调节阀开度设置为100%。8.根据权利要求7所述的一种中药精油提取的智能控制方法，其特征在于，当偏差进入允许范围后，启动分段式pid控制算法，从而快速而精准的控制蒸汽流量，保证提取罐的提取工艺温度达到要求。9.根据权利要求5所述的一种中药精油提取的智能控制方法，其特征在于，蒸汽流量pid调节器和冷凝水温度调节器共同作用保证提取过程中提取罐内的温度、压力在允许范围内，维持其动态平衡，使得同一批次质量均一可控。10.根据权利要求8所述的一种中药精油提取的智能控制方法，其特征在于，所述分段式pid控制算法包括稳定控制、连续控制以及大波动整定，稳定控制时只需要根据传感器在测量点反馈的模拟量转换的数值做出相应微调变化即，在连续控制当中需要不断地利用plc不断地刷新数据更新，及时做出相应的输出数值；在大波动整定中则需要手动设置pi数值，根据反馈响应的速度调整至适应的pi数值；
在稳定控制中，pid 控制器调节输出值，使回路偏差e为零，回路输出m(t)是比例项、积分项和微分项的函数：输出=比例项+积分项+微分项；m(t) = k
c* e + k
c0
∫
t edt + m
initial
+k
c * de/dt式中，m（t）为回路输出，t为时间；k
c
为回路增益；e为回路偏差；m
initial
为pid 控制器调节输出值；k
c0
为回路偏差e为零的回路增益；在连续控制中，控制方程如下：m
n = mp
n
+mi
n
+md
n
式中，m
n
为采样时间 n 时回路输出的计算值；mp
n
为采样时间n时回路输出的比例项值；mi
n
为采样时间n时回路输出的积分项值；md
n
为采样时间n时回路输出的微分项值；mp
n = k
c * (sp
n-pv
n
)其中：k
c
为回路增益，sp
n
为采样时间n时的设定值，pv
n
为采样时间n时的过程变量；mi
n = k
c
*t
s
/t
i
* (sp
n-pv
n
)+mx其中：t
s
为回路采样时间，t
i
为积分时间；mx为采样时间n-1时的积分项值，mx是积分项的所有先前值之和；每次计算完mi
n
后，使用可调整或限定的mi
n
值更新偏置；偏置的初始值设为第一次计算回路输出之前的pid 控制器调节输出值m
initial
；md
n
= k
c
*t
d
/t
s
*((sp
n-pv
n
)-(sp
n-1-pv
n-1
))或：md
n
= k
c
*t
d
/t
s
*(pv
n-1-pv
n
)其中，t
d
为回路的微分周期。

技术总结
本发明公开了一种中药精油提取的智能控制系统及方法，该系统设有蒸汽流量PID调节器、冷凝水温度调节器，采用此系统进行中药精油提取的智能控制，通过蒸汽流量PID调节器和蒸汽流量传感器控制进入提取罐的蒸汽量，冷凝水温度调节器和冷凝器温度传感器控制冷凝器出口的药液温度，二者共同作用来保证提取罐内的压力、温度在一个恒定范围内，可以实现提取过程的质量均一控制。本发明一改以往控制提取罐温度的策略，可以有效缩短提取过程消耗的时间和蒸汽量，从而实现中药提取工艺的节能减排，提高稳定性和产品质量。高稳定性和产品质量。高稳定性和产品质量。


技术研发人员：易兵 管剑 黎加辉 刘健
受保护的技术使用者：江西赫柏康华制药设备有限公司
技术研发日：2022.03.21
技术公布日：2022/4/15