水泥窯頭監測系統解決方案

摘要：本文根據對水泥回轉窯多年來的監測、檢測的大量數據和經驗，提出一種基于圖像識別系統、窯磚模擬系統、溫度傳遞指數規律為一體的處于同一信息平臺的一個水泥回轉窯監測系統。
１、概述
　　在新型干法水泥生產中，實時監測水泥回轉窯內煅燒情況已變得日益重要。這是因為水泥回轉窯內的煅燒情況直接關系到水泥熟料的產量、質量、原燃料消耗和成本。過高煅燒溫度和過大的熱振蕩不僅燃料消耗很大，甚至有可能對窯襯造成損害，嚴重時將傷及窯胴體。煅燒溫度過低會嚴重影響水泥熟料的質量。
　　水泥回轉窯窯內煅燒情況通常可以通過監測胴體表面溫度、檢測窯頭內火焰溫度及觀察窯內火焰和熟料的狀態等手段多方面了解水泥回轉窯煅燒的信息。目前國內大多新型干法窯都配備了窯胴體表面溫度監測系統、窯頭火焰電視監視系統和比色高溫計。由于這些設備都只能反映水泥回轉窯煅燒過程中在不同階段的局部信息，而這些設備又大多處于相互獨立的工作平臺，不利于操作人員對整個煅燒過程信息作整體的了解和判斷。
　　該系統通過對窯胴體測溫系統、窯頭多媒體火焰監視系統和比色高溫計的合理配置，構建一個平臺將這些設備測量的信息有機的結合起來，即能實時了解掌握水泥回轉窯內煅燒的情況，又能將各設備的關鍵信息，經提取、處理、分析，指導操作人員作相應的操作。
　　窯胴體表面溫度是窯內外多種因素共同作用的結果，通過監測胴體表面溫度、窯頭內火焰溫度及窯內火焰和熟料的狀態，實時了解表面溫度分布及其變化，經處理、分析以后提取出揭示窯內狀況的有用信息，指導操作人員及時采取相應措施，是實現窯經濟運行的有效技術手段。
２、國內應用窯頭監測系統的現狀
　　目前國內眾多水泥企業已經認識到，對窯頭部分多數檢測量的檢測，會給企業帶來可觀的經濟效益。窯胴體表面溫度、電視看火和比色高溫計已經是他們的必選的監測設備。
　　然而就以上三種設備，目前仍然是相互獨立的，甚至都不是同一廠家所提供的，這樣，不僅用戶投資大，維護設備多，而且不利操作人員作整體的了解和判斷。
　　多年來我們一直致力于對水泥窯頭重點監測量的檢測，取得了大量的數據，總結了寶貴的經驗。對它們之間的聯系和相互作用，我們也有所認識，多媒體技術的發展為我們提供了機會。為此，我們在前期研究和使用的基礎上，將三者結合起來，作為一套系統對窯頭做一整體的解決方案，目前，得到比較好的效果。
３、系統的性能指標
　　⑴胴體表面溫度掃描：運用快速線掃描儀，每秒鐘可以得到50條線的溫度值，每條線上有256～512個點的溫度值，掃描轉角從45°到90°，掃描范圍一般為全窯（小于60m），掃描點與點之間的距離為15～30cm，溫度值的精度為±0.5%，窯轉一圈將得到整個窯表面溫度的分布；
　　⑵比色高溫：選用美國高溫兩色紅外溫度計，可變焦距，調試時備有可視目標瞄準鏡，目標對準方便，該溫度計的溫度測量范圍為600～2000℃，精度為±0.5%，響應時間達到7.5ms，溫度值以4～20mA/RS485兩種方式輸出。
　　⑶多媒體看火：利用高溫針空鏡頭，在45°～90°的視場角內，將0.8m～∝范圍中的物體聚光到彩色攝像機的CCD上，彩色攝像機將CCD上的電信號轉換成視頻信號，信噪比 >50db的信號通過同軸電纜接到視頻圖像采集上。
４、系統的組成
　　本監測系統使用的主要設備有：紅外線掃描儀、窯位置編碼器、雙色紅外高溫探頭、視頻圖像集卡、各種保護套、工業級計算機。
　　　
５、系統的工作過程
　　本系統組成比較復雜，附屬設備比較多，為了進一步簡化系統組成，窯胴體表面溫度和火焰溫度的采集都使用RS485信號直接傳送，進入計算機，而不另外加接單片機，作為中間過渡環節。
⑴窯胴體表面溫度監測系統：
　　窯位置編碼器將檢測到的窯旋轉的各個位置信號，傳送到計算機內置的數字量輸入卡，該信號被計算機接受到后，向線掃描儀發出溫度請求信號，線掃描儀將當前采樣的一組溫度信號，經過串行RS485發送到計算機，計算機通過窯同步觸發裝置和窯位置編碼器產生的基準和位置信號，周而復始地采集整個窯的表面溫度，從多層次、多方位、多角度方向來反映窯內的各種情況，從單純的圖形定性描述轉換為兼具定性、定量描述功能的多功能顯示。
　　提供給用戶的信息有：周向溫度曲線、軸向溫度曲線、二維色度展開圖、三維溫度曲線等。
⑵多媒體看火：
　　攝像機實時轉換窯頭內火焰和熟料的情況，考慮實時采集圖像將花費CPU大量的時間，同時考慮到熟料的運動也有一定的時間，我們對攝像機傳送來的視頻信號的采集定在3秒鐘，即，每隔3秒鐘采集一次圖像。
　　采集的圖像在指定的色度、亮度和對比度的前提下，通過圖像識別系統得出火焰的溫度。
⑶比色高溫
　　熟料的溫度將直接由比色高溫計測量，考慮人眼的視覺暫留特性，仍然每隔3秒鐘向比色高溫計請求一次溫度，比色高溫計以RS485的方式傳送溫度到計算機。
　　以時間為坐標，繪出全天的溫度曲線，供用戶參考。
６、系統的判別
　　作為整體解決方案，各種信號全部匯總到計算機這一平臺后，要充分發揮計算機強大的數據處理能力，通過圖像識別系統、窯磚模擬系統、溫度傳遞的指數規律等不同的方面，進一步比較、分析，從而全面揭示出窯皮的實際情況，為操作人員提供了類似內窺鏡的方法。
　　首先，窯胴體表面溫度被實時快速地檢測出來，實時性非常強，從而得到窯表面溫度的分布情況，同時，通過不同型號耐火磚的耐熱性和傳熱性，以及該耐火磚的實際尺寸和使用的時間（耐火磚的參數被提前輸送到計算機），根據熱量傳遞的指數關系，以及前一次綜合分析的結果，統一考慮，模擬出目前窯磚的厚度尺寸；再通過當時的熟料或窯皮的實際溫度，進一步模擬出窯磚的厚度；最后通過多媒體看火圖像得到火焰的溫度值，以及它的形狀，進一步確定，在窯內部火焰被負壓拉至的長度，而得到該長度內火焰對窯磚的影響，從而最終模擬出實際窯皮的大致形狀，通過上述計算機對窯皮情況的綜合分析，最終展現在操作人員面前的是一幅幅窯皮情況的立體展開圖，操作人員通過它可以得到窯內哪一部分窯皮比較厚，哪一部分窯皮比較薄，以及哪一部分窯磚已經被燒蝕等情況，從而作出整體綜合判斷，指導下一步的操作，做到有的放矢。
７、論語
　　本文針對水泥窯窯頭監測設備的需要，在整合各種檢測設備的基礎上，提出了一體化方案，使相互獨立的系統，融為一體，統一考慮，不僅為水泥企業提供優化的解決思路，而且節約成本，為水泥窯實現經濟運行提供了保障。