CN102322434B - 一种用于工频熔炼炉除尘风机节能的控制方法及其控制系统 - Google Patents
一种用于工频熔炼炉除尘风机节能的控制方法及其控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于工频熔炼炉除尘风机节能的控制方法，包括：(1)实时采集熔炼炉内的图像；(2)对图像进行处理，提取特征信息；(3)根据特征信息判定炉内的烟雾浓度等级；(4)根据烟雾浓度等级判定输出频率；(5)根据输出频率控制除尘风机的转速。本发明通过实时获取工频熔炼炉内关于火光亮度和背景清晰度的信息来调节除尘风机的转速，避免了除尘风机长时间处于高速运转状况下工频熔炼的能量消耗；本发明还公开了一种用于工频熔炼炉除尘风机节能的控制系统，包括图像采集单元、图像处理单元和变频调速单元，实时获取熔炼炉内关于火光亮度和背景清晰度信息自动调节除尘风机的转速，减少了工频熔炼的能耗，降低了操作人员的工作强度。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种用于工频熔炼炉除尘风机节能的控制方法及其控制系统。
背景技术
铜作为国民经济、国防军工发展的基础材料和重要战略物资，降低其冶炼过程中的能耗对于提高我国能源利用效率具有重大的战略意义。废杂铜作为不直接依赖新铜矿开发的原材料，其冶炼再生的工频熔炼技术近年来得到了极大的推广，精确控制废杂铜在工频熔炼过程中的能耗将会极大地提高铜资源的循环利用率和资源利用率，符合国家提高能源利用效率的发展规划。
废杂铜成分复杂，通过工频熔炼炉的高温熔炼，熔点低于铜的杂质会随着熔炼产生的高温剧烈燃烧，产生烟气颗粒从熔炼炉顶部的引风通道排出。比如废杂铜中夹杂的油污、锌、包裹铜线的绝缘橡胶或塑料等物质在熔炼炉内的高温中剧烈燃烧，产生浓烈的烟雾；熔点高于铜的杂质会在熔融的铜液里形成固态的浮渣，通过捞渣从铜液中分离，从而实现废杂铜提纯和再生利用。
目前在国内废杂铜的冶炼企业中，对于工频熔炼炉内烟雾的测量主要依靠操作工人的现场目测，不同的工人在经验不同、主观感知不同以及疲劳状况不同的条件下，同样的烟雾情况也有可能给出不同的描述，所以无法客观地量化炉内的烟雾浓度，更无法根据不同的烟雾情况自动地调整除尘风机的转速。
废杂铜在工频熔炼炉的熔炼属于间歇过程，每一炉的熔炼都需要多次加料、搅拌和捞渣等工序。熔炼炉的顶部是烟雾的引风通道，通过除尘风机形成的负压迅速排走炉内的烟雾，防止烟雾扩散。
虽然目前不少冶炼企业都为工频熔炼炉的除尘风机配备了变频调速器，期望工人使用变频调速器来调节除尘风机的速度，降低能耗。但是由于缺乏有效的检测工频熔炼炉烟雾浓度的仪表，对于除尘风机的变频调速还停留在依据工人对炉内烟雾的目测进行手动调速的阶段。由于工人忙于上料、搅拌、捞渣，无法及时而且准确的调整除尘风机的速度，同时因为调速增加了实际的工作强度，所以工人没有积极性去频繁地调节风机转速。于是在实际的生产中，除尘风机恒定高速运行，变频调速器就成了摆设，无法实现节能的目的。
除尘风机恒定高速运行虽能确保烟雾从引风通道迅速排出，但在烟雾浓度较小时，低速即可实现烟雾的迅速排出；在除尘风机无需高速运行的工况下，如果还保持恒定高速运行，不但除尘风机自身浪费大量的电能，而且会带走了大量用于熔炼加热的热量，延长冶炼的时间，造成工频加热电能的巨大浪费；同时，排烟通道的后半段处于恒定的高风压环境，将降低烟雾回收布袋的使用寿命。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种用于工频熔炼炉除尘风机节能的控制方法及其控制系统，实时根据熔炼炉内烟雾的浓度大小，调节除尘风机的转速，实现工频熔炼的节能减排。
一种用于工频熔炼炉除尘风机节能的控制方法，包括如下步骤：
(1)实时采集工频熔炼炉内的图像；
(2)对所述的图像进行图像处理，从图像中提取出火光亮度信息和背景清晰度信息；
(3)根据所述的火光亮度信息和背景清晰度信息，判断确定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级；
(4)根据所述的烟雾浓度等级确定对应的频率信号；
(5)根据所述的频率信号控制除尘风机的转速。
所述的火光亮度信息为图像的像素平均亮度值，所述的背景清晰度信息为图像的边缘像素个数。
所述的步骤(3)中，判断确定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为：先将图像的像素平均亮度值和边缘像素个数分别量化成大小在[0，255]区间和[0，15000]区间内的数值，然后根据以下对应关系进行判定：
当图像的像素平均亮度值在[230，255]内，且边缘像素个数在[0，10]内，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为1；
当图像的像素平均亮度值在[200，230]内，且边缘像素个数在[10，50]内，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为2；
当图像的像素平均亮度值在[150，200]内，且边缘像素个数在[0，100]内，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为3；
当图像的像素平均亮度值在[90，200]内，且边缘像素个数在[500，10000]内，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为4；
当图像的像素平均亮度值在[30，80]内，且边缘像素个数在[20，15000]内，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为5；
当图像的像素平均亮度值在[0，20]内，且边缘像素个数在[0，20]内，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为6；
其余情况，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为7。
优选的技术方案中，所述的步骤(2)中，从图像中提取出火光亮度信息和背景清晰度信息为：通过在图像中选取代表炉内壁的ROI(Region of Interesting，感兴趣区域)，计算出ROI的像素平均亮度值并作为所述的火光亮度信息，对ROI进行Canny算子卷积计算然后统计出ROI的边缘像素个数并作为所述的背景清晰度信息；能够提高计算速度，保证图像运算的实时性。
一种用于工频熔炼炉除尘风机节能的控制系统，包括：
图像采集单元，用于实时采集工频熔炼炉内的图像；
图像处理单元，用于对所述的图像进行处理、计算、判断，并输出频率信号；
变频调速单元，用于根据所述的频率信号控制除尘风机的转速。
所述的图像处理单元，包括：
信息提取软件，用于对所述的图像进行图像处理，并从图像中提取出火光亮度信息和背景清晰度信息；
浓度判断软件，用于根据所述的火光亮度信息和背景清晰度信息，判断确定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级，并输出对应的频率信号；
人机界面软件，用于显示包括所述的火光亮度信息、背景清晰度信息、烟雾浓度等级及其对应的频率值，并接收用户的操作指令对所述的信息提取软件和浓度判断软件进行参数设定。
所述的图像采集单元为工业摄像机；所述的图像处理单元为工业控制计算机；所述的变频调速单元为变频调速器。
所述的工业摄像机采用千兆以太网接口与工业控制计算机实现连接。
所述的工业控制计算机采用RS485串行总线与变频调速器实现连接。
优选的技术方案中，所述的工业控制计算机与三台工业摄像机和三台变频调速器相连；可实现同时对多台工频熔炼炉除尘风机的节能控制。
本发明的有益技术效果为：
(1)本发明通过实时获取工频熔炼炉内关于火光亮度和背景清晰度的信息来调节除尘风机的转速，避免了除尘风机长时间处于高速运转状况下，除尘风机工作于低速时自身的能耗降低，由于除尘风机的能耗与转速为三次方的关系，随着转速的降低，风机能耗会以更大的幅度降低。
(2)本发明通过实时获取工频熔炼炉内关于火光亮度和背景清晰度的信息来调节除尘风机的转速，避免了由于除尘风机长时间处于高速运转状况下，大量地将炉内的热量释放掉；有利于提高加热电能的利用效率，节省电能，缩短熔炼的时间。
(3)本发明通过实时获取工频熔炼炉内关于火光亮度和背景清晰度的信息来调节除尘风机的转速，避免了除尘风机长时间处于高速运转状况下，使得排烟通道承受的高风压间歇性的降低，能够延长烟雾收集布袋的使用寿命，降低更换烟尘收集装置的成本。
(4)本发明的控制系统实时获取工频熔炼炉内关于火光亮度和背景清晰度的信息并自动调节除尘风机的转速，减少操作人员的工作强度，使操作人员可以更专注于炉内的操作，确保安全生产。
附图说明
图1为本发明控制方法的步骤流程示意图。
图2为本发明控制系统的结构示意图。
图3为本发明控制系统的原理示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，一种用于工频熔炼炉除尘风机节能的控制方法，包括如下步骤：
(1)实时采集熔炼炉内的图像。
某时刻，分别采集三台熔炼炉内的图像为图像1、图像2、图像3。
(2)对图像进行处理，提取特征信息。
由于炉内本身无稳定光源，不同光照下采集的图像质量参差不齐，同时又由观察得到，烟尘浓烈之时大多都是炉内剧烈燃烧的情况下出现的。比如在加料时，新料进炉后，有机废料等杂物遇高温，剧烈燃烧，会产生大量黑烟，火焰明亮；搅拌过程中，现场操作工多次搅拌，使铜料加速熔融，在这一搅拌过程中火焰会变旺，锌遇高温挥发，与氧气形成氧化锌粉末，产生大量白烟。捞渣与搅拌情况类似；所以选择炉内火光亮度和背景清晰度这两个因素作为评价烟雾浓度的指标。
直接在图像中捕捉烟的形态来判断烟是比较困难的方法。因为烟的纹理不规则，浓度的变化又会改变其纹理。同时炉内图像也不可能提供纯净的背景来提取烟尘的边界，所以以图案的频率成分为标准。由于炉壁本身是不光滑的，会有很多深浅不同的凹凸。在每个凹凸变化的地方，就是图像中频率较高的部分，故炉壁的图案包含的高频成分更高；相对的，一幅颜色和纹理变化平缓的图，就是低频成分比较多的图。烟雾图像就属于比较典型的低频成分较多的图。由于烟雾纹理本身虽然不规则，但是过渡平缓，灰度分布均匀，所以低频成分多，高频成分少。
因此令图像的像素平均亮度值为火光亮度信息，图像的边缘像素个数为背景清晰度信息；分别对图像1、图像2、图像3进行图像处理(图像1、图像2、图像3的大小为640×480)，从图像中提取出火光亮度信息和背景清晰度信息；即通过在图像中选取代表炉内壁的ROI(ROI的大小为200×150)，计算出ROI的像素平均亮度值并作为火光亮度信息，对ROI进行Canny算子卷积计算然后统计出ROI的边缘像素个数并作为背景清晰度信息。
(3)根据特征信息判定炉内的烟雾浓度等级。
同等光照条件下，在没有烟时，将拍摄的原始图像(设为标准图像)变换到频域，分析其频率特性；当有烟时，烟雾必然会遮盖原始图像的某些部分，被遮盖的部分的高频信息就被烟雾的低频信息所掩盖。在对有烟的图像进行频率特性分析，就会发现低频成分相对原来增多了，而高频成分减少了。通过低频成分增加的多少，就可以判断烟雾的多少了。
在不同光照条件下，由于燃烧越剧烈，其产生的烟雾一般也越多，所以将光照信息作为辅助变量，与低频信息加权组合，共同判断烟雾浓度。
因此，先将ROI的像素平均亮度值和边缘像素个数分别量化成大小在[0，255]区间和[0，15000]区间内的数值(图像1的ROI的像素平均亮度值和边缘像素个数分别为211和23；图像2的ROI的像素平均亮度值和边缘像素个数分别为249和2；图像3的ROI的像素平均亮度值和边缘像素个数分别为6和8)；然后根据表1对应关系进行判定：
表1：图像信息与烟雾浓度和变频调速器输出频率的关系
由表1判定，图像1、图像2、图像3对应的烟雾浓度等级分别为2、1、6。
(4)根据烟雾浓度等级判定输出频率。
通过分级调速；当燃烧极为剧烈的时候，此时必然烟雾很浓，强光极强，图像表现不出任何细节，此时除尘风机应以最大的速度运行；当处于熔融过程时，铜液上被一层渣覆盖，没有明显火花，整个炉内光线微弱，同时也没有烟雾产生，除尘风机可以用最低的速度运行，既节能，又保温；在这里两种情况中间的情况，就根据烟雾的多少和亮度进行分级。
由表1判定，确定图像1、图像2、图像3对应的变频调速器输出频率分别为42Hz、47Hz、30Hz。
(5)根据输出频率控制除尘风机的转速。
根据三台变频调速器的输出频率分别控制三台熔炼炉的除尘风机的转速。
如图2所示，一种用于工频熔炼炉除尘风机节能的控制系统，包括：三台工业摄像机、一台工业控制计算机和三台变频调速器。由于图像处理算法的复杂度，一般一台工业控制计算机控制三台熔炼炉的除尘风机的自动调速。
工业摄像机实时采集工频熔炼炉内的图像，并将图像传送给工业控制计算机。
每台熔炼炉需要一台工业摄像机采集图像；工业摄像机安装在熔炼炉附近的金属横梁上，在熔炼炉顶部需要打开一个直径约为10cm见方的开口，工业摄像机镜头正对着熔炼炉顶部开口。工业摄像机由上往下，通过开口拍摄到熔炼炉内烟雾的图像。镜头与开口的垂直距离约50cm处。
工业摄像机使用德国映美精的80万像素彩色工业摄像机31AG03，该工业摄像机采用80万像素的1/3’CCD图像传感器，逐行全帧扫描方式，有效像素1024(H)×768(V)，采样精度可达8bit，帧速率15帧/秒，输出接口为网络TCP/IP，镜头卡口为C/CS口，体积小巧，易于安装。
由于熔炼炉周围环境温度高、烟雾大，处于非常恶劣的工业环境，所以除了使用风冷保护罩进行高温保护，工业摄像机与炉罩还保持50cm的距离。为了防止炉内的烟气从炉罩开口处溢出，开口面积仅为10cm*10cm。透过该开口使用长焦镜头即可从开口处清晰得观察炉内的火焰和烟雾浓度变化；初期测试调整可以采用变焦镜头，待调整到合适的焦距以后，就可以采用定焦镜头了。
工业控制计算机接收三台工业摄像机提供的图像，对图像进行处理、计算、判断，并向三台变频调速器分别输出对应的频率信号。
工业控制计算机采用研华工业控制计算机，该机采用Intel双核处理器，主频3.0G，1100M网卡，1G内存，160G硬盘，19寸液晶显示器，满足工业现场恶劣环境的要求。
工业控制计算机通过千兆以太网连接分别同步采集三台熔炼炉内的图像的三台工业摄像机；图像采集到以后，及时对图像进行处理分析，从图像中提取出火光亮度信息和背景清晰度信息。
根据火光亮度信息和背景清晰度信息估计炉内的烟雾浓度等级；以烟雾浓度等级信号作为反馈，工业控制计算机采用RS485串行总线连接三台变频调速器，利用变频调速器控制调节三台熔炼炉的除尘风机的转速。
工业控制计算机安装有信息提取软件、浓度判断软件和人机界面软件。
信息提取软件对图像进行图像处理，并从图像中提取出火光亮度信息和背景清晰度信息。
浓度判断软件根据火光亮度信息和背景清晰度信息，判断确定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级，并输出对应的频率信号。
人机界面软件显示火光亮度信息、背景清晰度信息、烟雾浓度等级及其对应的频率值，并接收用户的操作指令对信息提取软件和浓度判断软件进行参数设定。
变频调速器接收工业控制计算机提供的频率信号，并根据频率信号控制除尘风机的转速；三台变频调速器分别与三台熔炼炉的除尘风机相连。
如图3所示，本实施方式通过摄像机采集炉内烟雾图像，并将图像传输到工控机进行处理，提取特征信息(即火光亮度信息和背景清晰度信息)，根据特征信息估计炉内的烟雾浓度等级，以烟雾浓度等级作为闭环反馈控制变频调速器调节除尘风机转速。
Claims (3)
1.一种用于工频熔炼炉除尘风机节能的控制方法，包括如下步骤：
（1）实时采集工频熔炼炉内的图像；
（2）对所述的图像进行图像处理，从图像中提取出火光亮度信息和背景清晰度信息：通过在图像中选取代表炉内壁的ROI，计算出ROI的像素平均亮度值作为所述的火光亮度信息，对ROI进行Canny算子卷积计算然后统计出ROI的边缘像素个数作为所述的背景清晰度信息；
（3）根据所述的火光亮度信息和背景清晰度信息，判断确定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级：先将图像的像素平均亮度值和边缘像素个数分别量化成大小在[0,255]区间和[0,15000]区间内的数值，然后根据以下对应关系进行判定：
当图像的像素平均亮度值在[230,255]内，且边缘像素个数在[0,10]内，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为1；
当图像的像素平均亮度值在[200,230]内，且边缘像素个数在[10,50]内，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为2；
当图像的像素平均亮度值在[150,200]内，且边缘像素个数在[0,100]内，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为3；
当图像的像素平均亮度值在[90,200]内，且边缘像素个数在[500,10000]内，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为4；
当图像的像素平均亮度值在[30,80]内，且边缘像素个数在[20,15000]内，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为5；
当图像的像素平均亮度值在[0,20]内，且边缘像素个数在[0,20]内，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为6；
其余情况，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为7；
（4）根据所述的烟雾浓度等级确定对应的频率信号；
（5）根据所述的频率信号控制除尘风机的转速。
2.一种用于工频熔炼炉除尘风机节能的控制系统，其特征在于，包括：
图像采集单元，用于实时采集工频熔炼炉内的图像；
图像处理单元，用于对所述的图像进行处理、计算、判断，并输出频率信号；所述的图像处理单元，包括：
信息提取软件，用于对所述的图像进行图像处理，并从图像中提取出火光亮度信息和背景清晰度信息：通过在图像中选取代表炉内壁的ROI，计算出ROI的像素平均亮度值作为所述的火光亮度信息，对ROI进行Canny算子卷积计算然后统计出ROI的边缘像素个数作为所述的背景清晰度信息；
浓度判断软件，用于根据所述的火光亮度信息和背景清晰度信息，判断确定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级，并输出对应的频率信号；
其中，判断确定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级的过程为：先将图像的像素平均亮度值和边缘像素个数分别量化成大小在[0,255]区间和[0,15000]区间内的数值，然后根据以下对应关系进行判定：
当图像的像素平均亮度值在[230,255]内，且边缘像素个数在[0,10]内，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为1；
当图像的像素平均亮度值在[200,230]内，且边缘像素个数在[10,50]内，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为2；
当图像的像素平均亮度值在[150,200]内，且边缘像素个数在[0,100]内，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为3；
当图像的像素平均亮度值在[90,200]内，且边缘像素个数在[500,10000]内，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为4；
当图像的像素平均亮度值在[30,80]内，且边缘像素个数在[20,15000]内，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为5；
当图像的像素平均亮度值在[0,20]内，且边缘像素个数在[0,20]内，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为6；
其余情况，则判定工频熔炼炉内的烟雾浓度等级为7；
人机界面软件，用于显示包括所述的火光亮度信息、背景清晰度信息、烟雾浓度等级及其对应的频率值，并接收用户的操作指令对所述的信息提取软件和浓度判断软件进行参数设定；
变频调速单元，用于根据所述的频率信号控制除尘风机的转速。
3.根据权利要求2所述的用于工频熔炼炉除尘风机节能的控制系统，其特征在于：所述的图像采集单元为工业摄像机；所述的图像处理单元为工业控制计算机；所述的变频调速单元为变频调速器。
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