紅外回轉窯燃燒胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

劉 童 張 倩 李國麗 王群京 徐 勇

(1.安徽大學 a.電氣工程與自動化學院；b.教育部電能質量工程研究中心；c.工業(yè)節(jié)電與電能質量控制協(xié)同創(chuàng)新中心；d.高節(jié)能電機及控制技術國家地方聯(lián)合工程實驗室；2.合肥金星機電科技發(fā)展有限公司)

紅外回轉窯燃燒胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

劉 童1a，1b張 倩1a，1c李國麗1a，1d王群京1a，2徐 勇2

(1.安徽大學 a.電氣工程與自動化學院；b.教育部電能質量工程研究中心；c.工業(yè)節(jié)電與電能質量控制協(xié)同創(chuàng)新中心；d.高節(jié)能電機及控制技術國家地方聯(lián)合工程實驗室；2.合肥金星機電科技發(fā)展有限公司)

采用紅外掃描系統(tǒng)對回轉窯燃燒胴體溫度進行實時監(jiān)測的周期較長，所得溫度場數(shù)據(jù)量很大，直接進行傳輸，效率較低且易出錯。為此設計紅外回轉窯燃燒胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)，介紹系統(tǒng)的構成和原理；采用基于LZ77數(shù)據(jù)壓縮算法的程序對回轉窯溫度場數(shù)據(jù)進行傳輸，并使解壓后的數(shù)據(jù)與原始溫度場數(shù)據(jù)保持一致；同時，設計并實現(xiàn)了工業(yè)窯爐燃燒過程的監(jiān)測界面，包括燃燒過程中各種氣體濃度、溫度場數(shù)據(jù)等信息。實踐證明：該系統(tǒng)達到了設計要求。

胴體溫度監(jiān)測 回轉窯 紅外掃描 LZ77數(shù)據(jù)壓縮算法 監(jiān)測界面

回轉窯是工業(yè)窯爐燃燒過程中的關鍵工藝設備，對回轉窯燃燒胴體溫度進行監(jiān)測的常用方法有：人工看火測溫、全輻射高溫計及熱電偶監(jiān)測等。采用這些方法得到的測量值波動較大且快，不能精確反映回轉窯胴體溫度。隨著生產(chǎn)和科技的不斷發(fā)展，回轉窯燃燒胴體溫度監(jiān)測技術也在不斷進步。紅外成像技術第1次運用到回轉窯溫度監(jiān)測系統(tǒng)是在瑞典，此后國內(nèi)紅外測溫技術也得到較快發(fā)展，應用也比較廣泛。紅外測溫技術作為回轉窯燃燒胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，它在測溫時不需要直接接觸被測燃燒胴體，并且能夠達到實時監(jiān)測和自動控制的目的。與其他監(jiān)測方法相比其測溫精確度高且測溫范圍廣，同時測溫時的反應速度很快?？梢岳眉t外測溫技術的這些優(yōu)點來在線監(jiān)測和診斷水泥領域的大多數(shù)故障。由于它安全可靠且壽命長，在工業(yè)生產(chǎn)過程中已經(jīng)成為節(jié)約能源和提高經(jīng)濟效益的重要手段[1，2]。

將紅外掃描技術應用于回轉窯燃燒胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)，可以及時向操作人員提供回轉窯胴體表面溫度的分布以及大量窯內(nèi)、窯皮和窯襯信息，如窯皮生長是否均勻，窯皮的變化是否可控以及窯皮或窯襯的脫落位置[3]，操作人員根據(jù)相關信息對回轉窯進行相應的操作，防止窯襯和窯胴體的損壞，避免“紅窯”事故的發(fā)生，提高了回轉窯的工作效率，進而幫助企業(yè)提高經(jīng)濟效益[4]。

紅外回轉窯胴體溫度掃描裝置可以對窯胴體溫度實現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測，筆者設計的實驗系統(tǒng)中溫度場數(shù)據(jù)尺寸1024×768，更新頻率為每次20s，掃描點數(shù)每線1 250點，直接進行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸效率較低并且容易出錯。筆者將得到的溫度場數(shù)據(jù)由LZ77算法壓縮后傳送至上位機，上位機收到數(shù)據(jù)后進行解壓分析，并在屏幕上顯示二維偽彩色圖像。同時，將窯爐燃燒過程中的氣體用煙氣分析儀進行檢測，在屏幕上以折線圖的形式實時顯示當前各種氣體濃度值。并且采用相關視頻設備對燃燒現(xiàn)場進行實時監(jiān)控。胴體掃描溫度場偽彩色圖像、氣體濃度數(shù)據(jù)、實時曲線及現(xiàn)場視頻等都集中顯示在燃燒過程多光譜分析儀信息綜合平臺上。

1 系統(tǒng)構成和原理

1.1 系統(tǒng)總體構成和功能

工業(yè)窯爐燃燒過程監(jiān)測系統(tǒng)(圖1)可對燃燒過程中的O2、NH3、NO、NO2、SO2、CO及CO2等氣體濃度以及回轉窯胴體溫度場數(shù)據(jù)進行分析，并歸納其特點。從位于窯頭罩部的看火測溫主機觀測回轉窯內(nèi)的溫度場；位于胴體側面的胴體掃描儀主機通過掃描獲得二維溫度場數(shù)據(jù)；被動式傅里葉紅外多組分煙氣分析儀檢測SO2、CO和CO2的濃度；主動式傅里葉紅外多組分煙氣分析儀檢測SO2、CO、CO2、NO和NO2的濃度；抽取式激光光譜主機檢測O2濃度；對射式激光光譜主機檢測NH3濃度。以上溫度與氣體濃度信息基于Modbus TCP/IP通信協(xié)議從各個主機傳輸?shù)焦た貦C中并顯示在燃燒過程多光譜分析儀信息綜合平臺上，然后通過相關設備將經(jīng)傳輸獲得的各種氣體濃度和溫度場數(shù)據(jù)轉換成對應的模擬量并推送到DCS系統(tǒng)。

圖1 工業(yè)窯爐燃燒過程監(jiān)測系統(tǒng)硬件拓撲結構

1.2 回轉窯燃燒胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)

1.2.1 系統(tǒng)構成

回轉窯燃燒胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)(圖2)采用紅外掃描技術對回轉窯燃燒過程的胴體溫度進行監(jiān)測。

二維溫度場紅外輻射測溫儀是整個回轉窯燃燒胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵設備，它是通過對發(fā)熱源向外輻射的紅外能量進行快速檢測的非接觸式溫度測量儀表。

系統(tǒng)中的GS-SCAN5型二維溫度場紅外輻射測溫儀主要由機芯、垂直旋轉機構和手柄3部分組成。其中紅外輻射測溫儀機芯內(nèi)置紅外探測器模塊、光學多次反射模塊、水平旋轉裝置和信號處理電路；垂直旋轉機構主要由旋轉臺和角度旋轉定位裝置組成。其測溫原理是：首先通過光學多次反射模塊采集被測目標發(fā)射的紅外輻射能量，并由紅外探測器將所采集信息進行光電轉換，之后將電信號放大處理后通過計算機網(wǎng)口輸出。

圖2 紅外回轉窯燃燒胴體監(jiān)測系統(tǒng)

步進電機掃描裝置主要由步進電機、步進電機驅動器、光電編碼器及測速裝置等組成。二維溫度場紅外輻射測溫儀在步進電機的帶動下以步進轉角掃描方式測溫。紅外輻射測溫儀在掃描時需要進行軸向定位和圓周定位。軸向定位可以通過光電編碼器反饋其位置信息實現(xiàn)。而圓周定位是根據(jù)回轉窯自身轉動時采集到的速度信息計算確定的。

監(jiān)控顯示系統(tǒng)的功能主要是實時顯示最終的回轉窯溫度信息，它主要由工控機和顯示器構成。數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的回轉窯溫度數(shù)據(jù)信息發(fā)送至工控機，工控機接收后進行處理，最后通過顯示器以畫面形式實時顯示。

1.2.2 系統(tǒng)原理

回轉窯燃燒胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)對回轉窯胴體表面溫度進行實時在線測量。基于上述紅外測溫原理，紅外輻射測溫儀在電機的驅動下做同步快速步進轉角掃描運動。掃描得到的溫度場數(shù)據(jù)傳送給工控機進行處理后，監(jiān)控顯示系統(tǒng)將實時顯示處理后的數(shù)據(jù)和圖像信息，便于操作人員觀察。

同步快速步進掃描技術提高了測溫的精確度[5]。首先將回轉窯燃燒胴體需要做溫度監(jiān)測的部分沿胴體軸向表面劃分為若干個段面，每個段面再沿圓周方向劃分為若干個溫度測量元，每個測量元的溫度通過紅外輻射測溫儀進行監(jiān)測。紅外輻射測溫儀在步進電機掃描裝置的驅動下，對回轉窯燃燒胴體沿軸向快速掃描測溫，由于每個測量元在二維空間中都有固定的坐標位置，同時利用回轉窯的自身轉動，可以完成對每個段面圓周上各測量元的溫度監(jiān)測。數(shù)據(jù)采集模塊將各個測量元的溫度信號和坐標位置信號送入工業(yè)窯爐燃燒過程監(jiān)測系統(tǒng)中的胴體掃描主機，胴體掃描主機將溫度場數(shù)據(jù)壓縮后，傳輸給燃燒過程多光譜分析儀信息顯示平臺，經(jīng)解壓縮和運算處理后繪制出畫面信息以偽彩色圖的形式在界面上顯示出來。

1.3 溫度偽彩色圖的構成原理

燃燒過程多光譜分析儀信息綜合平臺是基于C#語言開發(fā)的。其中溫度偽彩色圖就是將回轉窯胴體展開，以不同顏色標記胴體表面溫度分布情況。顯示溫度偽彩色圖利用軟件中的相關控件創(chuàng)建色標。首先用C# VS2010中的Color類創(chuàng)建色標帶，用到了Colorl類的9個屬性(Color.Magenta，Color.Red，Color.Orange，Color.Yellow，Color.LawnGreen，Color.MediumSpringGreen，Color.Cyan，Color.Blue，Color.DarkKhaki)，由下至上分別對應色標的9個色帶，色標值在0～2553范圍內(nèi)。定義溫度場數(shù)據(jù)測量最大值550℃，最小值70℃，并劃分若干個色標區(qū)間。利用Color.FromArgb方法將采集到的溫度場數(shù)據(jù)轉換為色標值(表1)，并在燃燒過程多光譜分析儀信息綜合平臺上的指定位置以偽彩色的形式顯示。

表1 溫度值與色標帶對應關系

2 LZ77壓縮算法

2.1 LZ77壓縮算法原理

胴體掃描主機若直接將大量的溫度場數(shù)據(jù)傳輸給信息顯示平臺處理，則傳輸效率較低且容易出現(xiàn)亂碼。

基于統(tǒng)計的數(shù)據(jù)壓縮編碼，如Huffman編碼[6]，需要得到先驗知識——信源的字符頻率，然后進行壓縮。但是在大多數(shù)情況下，此類先驗知識是很難預先獲得的。因此，需要一種更為通用的數(shù)據(jù)壓縮編碼。

Jacob Ziv和Abraham Lempel在1977年提出的LZ77壓縮是一種基于字典和滑動窗的無損壓縮技術，廣泛應用于通信傳輸中[7]。該算法的主要思想是利用滑動窗口進行壓縮。在壓縮過程中編碼器為被壓縮的字符序列開一個窗口，這個窗口是可以滑動的，在字符串編碼過程中，窗口中的數(shù)據(jù)從右移動到左。可以用一個文本窗口來表示LZ77壓縮算法的字典，這個文本窗口由兩部分組成，分別是字典窗口和先行緩沖區(qū)。字典窗口的存儲區(qū)域要比先行緩沖區(qū)大[8]。文本窗口中的字典窗口是一段固定大小的存儲區(qū)域，它存儲的是剛剛輸入的和已經(jīng)經(jīng)過編碼處理的文本。由于LZ77壓縮算法的文本窗口是虛擬的，并且可以跟隨壓縮進程滑動，所以如果要壓縮的文本出現(xiàn)在該窗口中，則輸出該文本的位置和長度[9]。在匹配字典窗口中的文本的過程中，所需時間很長，所以字典窗口不能過大，這樣才能提高算法的效率。在壓縮過程中，需要滑動字典窗口，這樣才能在最近的上下文中很容易發(fā)現(xiàn)和要編碼的文本相匹配的字符串。

以掃描到的一組回轉窯胴體溫度場數(shù)據(jù)(604、610、617、605、617、621℃)為例，該窗口模型(圖3)分為兩部分，左邊為字典窗口，存儲的是剛剛輸入的和經(jīng)過編碼處理的文本；右邊是先行緩沖區(qū)，也稱為前向緩沖存儲器，包含了即將編碼的文本。圖3中字典窗口中的數(shù)據(jù)“604_610_617”已經(jīng)得到壓縮，而前向緩沖存儲器中的數(shù)據(jù)“605_617_621”將要被壓縮。編碼器向后掃描字典窗口，尋找與“605_617_621”的第1個數(shù)字6相匹配的數(shù)字。它在數(shù)據(jù)617中找到一個“6”，這個“6”相對于字典窗口邊界偏移了3個字符。雖然編碼器希望在這兩個“6”后匹配盡可能長的數(shù)字字符串，但是顯然此時只有一個數(shù)字“6”可以匹配，故匹配長度為1，然后編碼器繼續(xù)反向搜索，試圖匹配更多。對于另一個數(shù)據(jù)“610”，也存在一個數(shù)字“6”，它相對于字典窗口后端偏移了7個字符，匹配長度仍為1。而對于數(shù)據(jù)“604”，其中的數(shù)字“6”偏移了11個字符，由于數(shù)字“604”中“60”和“605”中的“60”相匹配，所以其匹配長度為2。編碼器最終會選擇最長的匹配串，如果長度一樣就選擇最后一個。顯然本例中選擇的匹配串是“60”。

圖3 LZ77壓縮算法窗口模型

解壓算法的原理與壓縮算法有許多相似之處：首先不斷地從輸入的待解壓文件中讀入數(shù)據(jù)，然后滑動字典窗口將它解壓還原為壓縮前的原始文件。在這個過程中，還要不斷地把新的文本加到字典中，使字典得到補充和完善。

2.2 壓縮和解壓縮算法的實現(xiàn)

根據(jù)以上原理，LZ77壓縮算法的基本流程概括如下：

a. 從前向緩沖存儲器中即將壓縮的數(shù)據(jù)位置開始，在字典窗口中尋找與未編碼數(shù)據(jù)相匹配的字符串，并將窗口滑動，找出最長的匹配字符串，如果找到，則進行步驟b，否則進行步驟c。

b. 輸出三元符號組(offset，length，c)，其中offset為字典窗口中與前向緩沖存儲器數(shù)據(jù)相匹配的字符串相對字典窗口邊界的偏移量，length為可匹配的數(shù)據(jù)長度，c為前向緩沖存儲器中即將壓縮的下一個字符。然后將窗口向后滑動length+1個字符，轉回步驟a。

c. 輸出三元符號組(0，0，c)，其中c為前向緩沖存儲器中即將壓縮的下一個字符。然后將字典窗口向后滑動length+1個字符，轉回步驟a。

解壓算法的流程和壓縮算法的流程是相對應的。在解壓過程中，需要不斷輸入三元符號組，并且構建字典窗口。并隨著三元符號組的不斷輸入來滑動字典窗口，直到完成解壓。在三元符號組輸入的過程中，要還原出壓縮前的原始數(shù)據(jù)，必須在字典窗口中找到相應的匹配字符串，并且輸出下一個字符c，如果offset和length都為0則只輸出c，如果offset和length不為0，就根據(jù)offset和length的值在滑動字典窗口的過程中找到相應的字符，然后輸出。

將采集到的溫度場數(shù)據(jù)經(jīng)LZ77壓縮算法壓縮后進行傳輸，傳輸效率提高，數(shù)據(jù)解壓恢復一致，能夠準確反映回轉窯燃燒胴體溫度場的相關信息。

3 燃燒過程多光譜分析儀信息綜合平臺

紅外回轉窯燃燒胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)屬于工業(yè)窯爐燃燒過程監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，為了更好地反映整個燃燒系統(tǒng)的信息，設計燃燒過程多光譜分析儀信息綜合平臺，該平臺實現(xiàn)了對燃燒過程中相關氣體濃度的監(jiān)控，以基于時間變化的折線圖形式在平臺界面上顯示。為了更有效地獲取回轉窯內(nèi)部信息，在本系統(tǒng)基礎上采用?？低暰幋a器視頻設備對燃燒現(xiàn)場進行實時監(jiān)控，監(jiān)控畫面顯示在平臺界面上。經(jīng)紅外掃描系統(tǒng)掃描得到的溫度場數(shù)據(jù)被胴體掃描主機壓縮后，通過Modbus/TCP協(xié)議傳輸[10]到上位機，經(jīng)解壓恢復后，在平臺界面上以偽彩色圖顯示，如圖4所示。

圖4左半部分為氣體濃度監(jiān)控圖，以折線圖形式實時顯示圖中間部分對應的各種氣體濃度值。右半部分分別為燃燒現(xiàn)場實時視頻監(jiān)控畫面和溫度場偽彩色圖。操作人員根據(jù)綜合平臺中的畫面信息，可以完成對回轉窯燃燒胴體溫度和燃燒過程中氣體濃度的監(jiān)測，保證整個工業(yè)生產(chǎn)安全可靠地進行。

圖4 燃燒過程多光譜分析儀信息綜合平臺

4 實際應用分析

經(jīng)紅外輻射測溫儀掃描后，分別生成800×600和400×200兩組二維溫度場數(shù)據(jù)，將這兩組數(shù)據(jù)進行壓縮后的結果見表2。

表2 基于LZ77算法的溫度場數(shù)據(jù)壓縮與解壓結果

可見，通過紅外掃描得到的溫度場數(shù)據(jù)在經(jīng)過LZ77壓縮算法壓縮后進行傳輸時，傳輸效率較高且數(shù)據(jù)恢復準確。

5 結束語

筆者設計實現(xiàn)的回轉窯燃燒胴體溫度監(jiān)測系統(tǒng)采用紅外掃描系統(tǒng)對回轉窯燃燒胴體溫度進行實時監(jiān)測，為燃燒過程中溫度場數(shù)據(jù)提供了準確信息，防止回轉窯胴體和窯襯損壞，提高了回轉窯的運轉率。設計中基于LZ77數(shù)據(jù)壓縮算法程序對回轉窯溫度場數(shù)據(jù)進行傳輸，解壓后的數(shù)據(jù)與原始溫度場數(shù)據(jù)保持一致。胴體掃描溫度場偽彩色圖像、氣體濃度數(shù)據(jù)、實時曲線及現(xiàn)場視頻等都集中顯示在燃燒過程多光譜分析儀信息綜合平臺。系統(tǒng)投運后，數(shù)據(jù)傳輸準確且效率有所提高，在節(jié)約能源和提高經(jīng)濟效益方面效果顯著。

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LIU Tong1a,1b, ZHANG Qian1a,1c, LI Guo-li1a,1d, WANG Qun-jing1a,2, XU Yong2
(1a.CollegeofElectricalEngineeringandAutomation; 1b.EngineeringResearchCenterofPowerQuality,TheMinistryofEducation; 1c.CollaborativeInnovationCenterofIndustrialEnergy-savingandPowerQualityControl; 1d.NationalEngineeringLaboratoryofEnergy-savingMotor&ControlTechnique,AnhuiUniversity;2.HefeiGoldStarElectromechanicalTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.)

Considering the long monitoring period, the huge data volume from temperature field, the low efficiency and error-prone of direct transmission incurred by adopting infrared scanning system to monitor rotary kiln’s burning body temperature at real time, an infrared monitoring system for this kiln was designed and the system structure and working principle thereof were introduced. Having LZ77 data compression algorithm-based program adopted to transmit the kiln temperature field data and making the decomposed data coincide with the original thermal field data, and in addition, the combustion process’s monitoring interface for industrial kilns was designed and implemented, including the gas concentrations in the combustion process and the information of thermal fields. Practices prove this system as the design required.

kiln body temperature monitoring, rotary kiln, infrared scanning, LZ77 data compression algorithm, monitoring interface

TH811

B

1000-3932(2017)07-0673-06

2016-12-07,

2017-04-07)

DesignandImplementationofTemperatureMonitoringSystemforInfraredRotaryKilnBurningBody

劉童(1993-)，碩士研究生，從事數(shù)據(jù)傳輸及壓縮，基于C#的監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)工作，1024316402@qq.com。