红外回转窑燃烧胴体温度监测系统的设计与实现

刘 童 张 倩 李国丽 王群京 徐 勇

(1.安徽大学 a.电气工程与自动化学院；b.教育部电能质量工程研究中心；c.工业节电与电能质量控制协同创新中心；d.高节能电机及控制技术国家地方联合工程实验室；2.合肥金星机电科技发展有限公司)

红外回转窑燃烧胴体温度监测系统的设计与实现

刘 童1a，1b张 倩1a，1c李国丽1a，1d王群京1a，2徐 勇2

(1.安徽大学 a.电气工程与自动化学院；b.教育部电能质量工程研究中心；c.工业节电与电能质量控制协同创新中心；d.高节能电机及控制技术国家地方联合工程实验室；2.合肥金星机电科技发展有限公司)

采用红外扫描系统对回转窑燃烧胴体温度进行实时监测的周期较长，所得温度场数据量很大，直接进行传输，效率较低且易出错。为此设计红外回转窑燃烧胴体温度监测系统，介绍系统的构成和原理；采用基于LZ77数据压缩算法的程序对回转窑温度场数据进行传输，并使解压后的数据与原始温度场数据保持一致；同时，设计并实现了工业窑炉燃烧过程的监测界面，包括燃烧过程中各种气体浓度、温度场数据等信息。实践证明：该系统达到了设计要求。

胴体温度监测 回转窑 红外扫描 LZ77数据压缩算法 监测界面

回转窑是工业窑炉燃烧过程中的关键工艺设备，对回转窑燃烧胴体温度进行监测的常用方法有：人工看火测温、全辐射高温计及热电偶监测等。采用这些方法得到的测量值波动较大且快，不能精确反映回转窑胴体温度。随着生产和科技的不断发展，回转窑燃烧胴体温度监测技术也在不断进步。红外成像技术第1次运用到回转窑温度监测系统是在瑞典，此后国内红外测温技术也得到较快发展，应用也比较广泛。红外测温技术作为回转窑燃烧胴体温度监测系统的一部分，它在测温时不需要直接接触被测燃烧胴体，并且能够达到实时监测和自动控制的目的。与其他监测方法相比其测温精确度高且测温范围广，同时测温时的反应速度很快。可以利用红外测温技术的这些优点来在线监测和诊断水泥领域的大多数故障。由于它安全可靠且寿命长，在工业生产过程中已经成为节约能源和提高经济效益的重要手段[1，2]。

将红外扫描技术应用于回转窑燃烧胴体温度监测系统，可以及时向操作人员提供回转窑胴体表面温度的分布以及大量窑内、窑皮和窑衬信息，如窑皮生长是否均匀，窑皮的变化是否可控以及窑皮或窑衬的脱落位置[3]，操作人员根据相关信息对回转窑进行相应的操作，防止窑衬和窑胴体的损坏，避免“红窑”事故的发生，提高了回转窑的工作效率，进而帮助企业提高经济效益[4]。

红外回转窑胴体温度扫描装置可以对窑胴体温度实现连续在线监测，笔者设计的实验系统中温度场数据尺寸1024×768，更新频率为每次20s，扫描点数每线1 250点，直接进行数据传输，传输效率较低并且容易出错。笔者将得到的温度场数据由LZ77算法压缩后传送至上位机，上位机收到数据后进行解压分析，并在屏幕上显示二维伪彩色图像。同时，将窑炉燃烧过程中的气体用烟气分析仪进行检测，在屏幕上以折线图的形式实时显示当前各种气体浓度值。并且采用相关视频设备对燃烧现场进行实时监控。胴体扫描温度场伪彩色图像、气体浓度数据、实时曲线及现场视频等都集中显示在燃烧过程多光谱分析仪信息综合平台上。

1 系统构成和原理

1.1 系统总体构成和功能

工业窑炉燃烧过程监测系统(图1)可对燃烧过程中的O2、NH3、NO、NO2、SO2、CO及CO2等气体浓度以及回转窑胴体温度场数据进行分析，并归纳其特点。从位于窑头罩部的看火测温主机观测回转窑内的温度场；位于胴体侧面的胴体扫描仪主机通过扫描获得二维温度场数据；被动式傅里叶红外多组分烟气分析仪检测SO2、CO和CO2的浓度；主动式傅里叶红外多组分烟气分析仪检测SO2、CO、CO2、NO和NO2的浓度；抽取式激光光谱主机检测O2浓度；对射式激光光谱主机检测NH3浓度。以上温度与气体浓度信息基于Modbus TCP/IP通信协议从各个主机传输到工控机中并显示在燃烧过程多光谱分析仪信息综合平台上，然后通过相关设备将经传输获得的各种气体浓度和温度场数据转换成对应的模拟量并推送到DCS系统。

图1 工业窑炉燃烧过程监测系统硬件拓扑结构

1.2 回转窑燃烧胴体温度监测系统

1.2.1 系统构成

回转窑燃烧胴体温度监测系统(图2)采用红外扫描技术对回转窑燃烧过程的胴体温度进行监测。

二维温度场红外辐射测温仪是整个回转窑燃烧胴体温度监测系统的关键设备，它是通过对发热源向外辐射的红外能量进行快速检测的非接触式温度测量仪表。

系统中的GS-SCAN5型二维温度场红外辐射测温仪主要由机芯、垂直旋转机构和手柄3部分组成。其中红外辐射测温仪机芯内置红外探测器模块、光学多次反射模块、水平旋转装置和信号处理电路；垂直旋转机构主要由旋转台和角度旋转定位装置组成。其测温原理是：首先通过光学多次反射模块采集被测目标发射的红外辐射能量，并由红外探测器将所采集信息进行光电转换，之后将电信号放大处理后通过计算机网口输出。

图2 红外回转窑燃烧胴体监测系统

步进电机扫描装置主要由步进电机、步进电机驱动器、光电编码器及测速装置等组成。二维温度场红外辐射测温仪在步进电机的带动下以步进转角扫描方式测温。红外辐射测温仪在扫描时需要进行轴向定位和圆周定位。轴向定位可以通过光电编码器反馈其位置信息实现。而圆周定位是根据回转窑自身转动时采集到的速度信息计算确定的。

监控显示系统的功能主要是实时显示最终的回转窑温度信息，它主要由工控机和显示器构成。数据采集模块将采集到的回转窑温度数据信息发送至工控机，工控机接收后进行处理，最后通过显示器以画面形式实时显示。

1.2.2 系统原理

回转窑燃烧胴体温度监测系统对回转窑胴体表面温度进行实时在线测量。基于上述红外测温原理，红外辐射测温仪在电机的驱动下做同步快速步进转角扫描运动。扫描得到的温度场数据传送给工控机进行处理后，监控显示系统将实时显示处理后的数据和图像信息，便于操作人员观察。

同步快速步进扫描技术提高了测温的精确度[5]。首先将回转窑燃烧胴体需要做温度监测的部分沿胴体轴向表面划分为若干个段面，每个段面再沿圆周方向划分为若干个温度测量元，每个测量元的温度通过红外辐射测温仪进行监测。红外辐射测温仪在步进电机扫描装置的驱动下，对回转窑燃烧胴体沿轴向快速扫描测温，由于每个测量元在二维空间中都有固定的坐标位置，同时利用回转窑的自身转动，可以完成对每个段面圆周上各测量元的温度监测。数据采集模块将各个测量元的温度信号和坐标位置信号送入工业窑炉燃烧过程监测系统中的胴体扫描主机，胴体扫描主机将温度场数据压缩后，传输给燃烧过程多光谱分析仪信息显示平台，经解压缩和运算处理后绘制出画面信息以伪彩色图的形式在界面上显示出来。

1.3 温度伪彩色图的构成原理

燃烧过程多光谱分析仪信息综合平台是基于C#语言开发的。其中温度伪彩色图就是将回转窑胴体展开，以不同颜色标记胴体表面温度分布情况。显示温度伪彩色图利用软件中的相关控件创建色标。首先用C# VS2010中的Color类创建色标带，用到了Colorl类的9个属性(Color.Magenta，Color.Red，Color.Orange，Color.Yellow，Color.LawnGreen，Color.MediumSpringGreen，Color.Cyan，Color.Blue，Color.DarkKhaki)，由下至上分别对应色标的9个色带，色标值在0～2553范围内。定义温度场数据测量最大值550℃，最小值70℃，并划分若干个色标区间。利用Color.FromArgb方法将采集到的温度场数据转换为色标值(表1)，并在燃烧过程多光谱分析仪信息综合平台上的指定位置以伪彩色的形式显示。

表1 温度值与色标带对应关系

2 LZ77压缩算法

2.1 LZ77压缩算法原理

胴体扫描主机若直接将大量的温度场数据传输给信息显示平台处理，则传输效率较低且容易出现乱码。

基于统计的数据压缩编码，如Huffman编码[6]，需要得到先验知识——信源的字符频率，然后进行压缩。但是在大多数情况下，此类先验知识是很难预先获得的。因此，需要一种更为通用的数据压缩编码。

Jacob Ziv和Abraham Lempel在1977年提出的LZ77压缩是一种基于字典和滑动窗的无损压缩技术，广泛应用于通信传输中[7]。该算法的主要思想是利用滑动窗口进行压缩。在压缩过程中编码器为被压缩的字符序列开一个窗口，这个窗口是可以滑动的，在字符串编码过程中，窗口中的数据从右移动到左。可以用一个文本窗口来表示LZ77压缩算法的字典，这个文本窗口由两部分组成，分别是字典窗口和先行缓冲区。字典窗口的存储区域要比先行缓冲区大[8]。文本窗口中的字典窗口是一段固定大小的存储区域，它存储的是刚刚输入的和已经经过编码处理的文本。由于LZ77压缩算法的文本窗口是虚拟的，并且可以跟随压缩进程滑动，所以如果要压缩的文本出现在该窗口中，则输出该文本的位置和长度[9]。在匹配字典窗口中的文本的过程中，所需时间很长，所以字典窗口不能过大，这样才能提高算法的效率。在压缩过程中，需要滑动字典窗口，这样才能在最近的上下文中很容易发现和要编码的文本相匹配的字符串。

以扫描到的一组回转窑胴体温度场数据(604、610、617、605、617、621℃)为例，该窗口模型(图3)分为两部分，左边为字典窗口，存储的是刚刚输入的和经过编码处理的文本；右边是先行缓冲区，也称为前向缓冲存储器，包含了即将编码的文本。图3中字典窗口中的数据“604_610_617”已经得到压缩，而前向缓冲存储器中的数据“605_617_621”将要被压缩。编码器向后扫描字典窗口，寻找与“605_617_621”的第1个数字6相匹配的数字。它在数据617中找到一个“6”，这个“6”相对于字典窗口边界偏移了3个字符。虽然编码器希望在这两个“6”后匹配尽可能长的数字字符串，但是显然此时只有一个数字“6”可以匹配，故匹配长度为1，然后编码器继续反向搜索，试图匹配更多。对于另一个数据“610”，也存在一个数字“6”，它相对于字典窗口后端偏移了7个字符，匹配长度仍为1。而对于数据“604”，其中的数字“6”偏移了11个字符，由于数字“604”中“60”和“605”中的“60”相匹配，所以其匹配长度为2。编码器最终会选择最长的匹配串，如果长度一样就选择最后一个。显然本例中选择的匹配串是“60”。

图3 LZ77压缩算法窗口模型

解压算法的原理与压缩算法有许多相似之处：首先不断地从输入的待解压文件中读入数据，然后滑动字典窗口将它解压还原为压缩前的原始文件。在这个过程中，还要不断地把新的文本加到字典中，使字典得到补充和完善。

2.2 压缩和解压缩算法的实现

根据以上原理，LZ77压缩算法的基本流程概括如下：

a. 从前向缓冲存储器中即将压缩的数据位置开始，在字典窗口中寻找与未编码数据相匹配的字符串，并将窗口滑动，找出最长的匹配字符串，如果找到，则进行步骤b，否则进行步骤c。

b. 输出三元符号组(offset，length，c)，其中offset为字典窗口中与前向缓冲存储器数据相匹配的字符串相对字典窗口边界的偏移量，length为可匹配的数据长度，c为前向缓冲存储器中即将压缩的下一个字符。然后将窗口向后滑动length+1个字符，转回步骤a。

c. 输出三元符号组(0，0，c)，其中c为前向缓冲存储器中即将压缩的下一个字符。然后将字典窗口向后滑动length+1个字符，转回步骤a。

解压算法的流程和压缩算法的流程是相对应的。在解压过程中，需要不断输入三元符号组，并且构建字典窗口。并随着三元符号组的不断输入来滑动字典窗口，直到完成解压。在三元符号组输入的过程中，要还原出压缩前的原始数据，必须在字典窗口中找到相应的匹配字符串，并且输出下一个字符c，如果offset和length都为0则只输出c，如果offset和length不为0，就根据offset和length的值在滑动字典窗口的过程中找到相应的字符，然后输出。

将采集到的温度场数据经LZ77压缩算法压缩后进行传输，传输效率提高，数据解压恢复一致，能够准确反映回转窑燃烧胴体温度场的相关信息。

3 燃烧过程多光谱分析仪信息综合平台

红外回转窑燃烧胴体温度监测系统属于工业窑炉燃烧过程监测系统的一部分，为了更好地反映整个燃烧系统的信息，设计燃烧过程多光谱分析仪信息综合平台，该平台实现了对燃烧过程中相关气体浓度的监控，以基于时间变化的折线图形式在平台界面上显示。为了更有效地获取回转窑内部信息，在本系统基础上采用海康威视编码器视频设备对燃烧现场进行实时监控，监控画面显示在平台界面上。经红外扫描系统扫描得到的温度场数据被胴体扫描主机压缩后，通过Modbus/TCP协议传输[10]到上位机，经解压恢复后，在平台界面上以伪彩色图显示，如图4所示。

图4左半部分为气体浓度监控图，以折线图形式实时显示图中间部分对应的各种气体浓度值。右半部分分别为燃烧现场实时视频监控画面和温度场伪彩色图。操作人员根据综合平台中的画面信息，可以完成对回转窑燃烧胴体温度和燃烧过程中气体浓度的监测，保证整个工业生产安全可靠地进行。

图4 燃烧过程多光谱分析仪信息综合平台

4 实际应用分析

经红外辐射测温仪扫描后，分别生成800×600和400×200两组二维温度场数据，将这两组数据进行压缩后的结果见表2。

表2 基于LZ77算法的温度场数据压缩与解压结果

可见，通过红外扫描得到的温度场数据在经过LZ77压缩算法压缩后进行传输时，传输效率较高且数据恢复准确。

5 结束语

笔者设计实现的回转窑燃烧胴体温度监测系统采用红外扫描系统对回转窑燃烧胴体温度进行实时监测，为燃烧过程中温度场数据提供了准确信息，防止回转窑胴体和窑衬损坏，提高了回转窑的运转率。设计中基于LZ77数据压缩算法程序对回转窑温度场数据进行传输，解压后的数据与原始温度场数据保持一致。胴体扫描温度场伪彩色图像、气体浓度数据、实时曲线及现场视频等都集中显示在燃烧过程多光谱分析仪信息综合平台。系统投运后，数据传输准确且效率有所提高，在节约能源和提高经济效益方面效果显著。

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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

刘童(1993-)，硕士研究生，从事数据传输及压缩，基于C#的监控系统开发工作，1024316402@qq.com。