CN108613460A - 一种基于图像识别测霜技术的空气源热泵控霜方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于图像识别测霜技术的空气源热泵控霜方法，机组控制器发出指令控制空气源热泵机组切换至制热模式运行，同时图像处理控制器控制摄像探头开启；摄像探头按时间间隔对室外换热器翅片表面进行拍摄，并将图像信号传输到图像处理控制器中；对图像信号进行像素点灰度识别；对图像结霜像素点进行程度识别；对输出结果进行乘积处理；图像处理控制器向机组控制器传达除霜信号，机组控制器控制机组进行除霜操作；将图像信号传输到图像处理控制器中，图像处理控制器对接收的图像进行滤波、锐化以及灰度处理；对图像信号进行像素点灰度识别；本发明避免结霜不均的干扰，能够准确有效的反映霜量，可有效控制空气源热泵机组的除霜操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型除霜控制方法，具体地说，涉及一种基于图像识别测霜技术的空气源热泵除霜控制方法，属于除霜技术领域。
背景技术
结霜是影响空气源热泵机组运行效率的关键问题，随着换热器表面霜层的存在与生长，空气流过翅片管的阻力加大，流量减少，传热热阻增加，造成机组的制热性能衰减，严重时出现机组停机，因此周期性的除霜操作必不可少。现有除霜控制技术按照除霜判断依据的不同，大致可分为三大类：
1)基于“软测量”思想间接判断霜层程度的控霜方法：温度-时间除霜控制法、定时除霜控制法、空气压差除霜控制法、自修正除霜控制法等；
2)基于“直接测量”思想直接测量霜层厚度的控霜方法：激光技术测量霜层厚度、显微成像技术观测霜层厚度、千分尺技术测量霜层厚度等；
3)基于“人工智能”思想智能判断霜层程度的控霜方法：模糊智能除霜控制技术、综合结霜指数(FI)进行判断的除霜控制技术、模糊自修正除霜控制技术等。
然而，理想除霜的前提是对霜层的准确感知并有效监测霜层的生长，目前，通过测量结霜条件或结霜副产物中的一个或多个变量作为依据的“软测量”控霜方法尚不能对结霜过程进行全面认知与监测；考虑多因素的智能控霜方法由于对结霜过程的理论研究尚不充分，工作量大且准确的样本不易获得等问题，使得控制精度不高；而基于“直接测量”思想的控霜方法，是解决“误除霜”事故最有效的方法，但目前受到操作空间、环境条件、造价等因素制约，尚未广泛投入使用。因此，空气源热泵机组在实际运行过程中，经常出现“无霜除霜”和“有霜不除”的“误除霜”事故。“误除霜”导致的后果不仅表现在能源浪费、供热不足以及室内热舒适性降低等方面，严重时还会出现高压侧压力超过系统高压保护值，压缩机功率急剧上升，造成压缩机烧毁的恶性事故。
中国专利CN200910033545.1(南京理工大学)公开了一种基于图像识别技术的空气源热泵除霜系统及其控制方法，该专利的主要技术特色在于首次提出了利用图像识别方法反映结霜情况的思路，但是该方案存在一些技术不足，由于只设定了一个结霜阈值p，导致图像识别结果仅表征霜层面积占比，未能识别霜层密度。在结霜不均匀的情况下，不能真实反映结霜量。因此该方案存在较大的技术局限性。
同理，专利CN201710704639.1(天津大学)公开了一种基于图像处理及热气旁通的空气源热泵除霜系统及方法，该专利技术特色在于对图像识别方案做了进一步优化，采用多阈值分割将霜层按照程度进行划分，在原理上能够有效的提高测霜准确性。但实际结霜中，机组换热面霜层密度分布极不规律，仅以三个表征值反映霜层分布不均仍存在较大误差，也未能达到量化霜量的效果。同时在技术层面上，针对结霜特性不同的机组，表征值的确定需要大量的实验数据与修正，因此需要提出一种新的方法对其进行克服。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于图像识别测霜技术的空气源热泵除霜控制方法，能够对结霜过程进行准确监测，可有效控制机组除霜操作，解决现有空气源热泵控霜方法中“误除霜”问题，保证供暖机组的高效运行。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于图像识别测霜技术的空气源热泵除霜控制系统，包括空气源热泵机组，摄像探头以及图像处理控制器。上述摄像探头安装在空气源热泵室外换热器机柜上，用于拍摄室外换热器翅片表面结霜情况；上述摄像探头与图像处理控制器相连；上述图像处理控制器与机组控制器相连，用于传达结除霜控制信号；机组控制器用于控制压缩器、四通换向阀、节流装置和室外风机的起停。
本发明提供的一种基于图像识别测霜技术的空气源热泵除霜控制方法，首先设定结霜灰度阈值f与结霜量阈值x，然后进行以下步骤：
(1)机组控制器发出指令控制空气源热泵机组切换至制热模式运行，同时图像处理控制器控制摄像探头开启；
(2)摄像探头按时间间隔每30s对室外换热器翅片表面进行拍摄，并将图像信号传输到图像处理控制器中，图像处理控制器对接收的图像进行滤波、锐化以及灰度处理；
(3)对图像信号进行像素点灰度识别，以结霜灰度阈值f为标准，灰度值大于等于f的像素点判定为结霜点，灰度值小于f的像素点判定为非结霜点。将结霜像素点个数除以总像素点个数，结果作为结霜面积系数x1；
(4)对图像结霜像素点进行程度识别，将每个结霜像素点灰度值相加再除以结霜像素点个数，计算结霜灰度平均值。将该平均值输出为特征值，作为结霜程度系数x2；
(5)对步骤3)和步骤4)的输出结果进行乘积处理，结果记为x3，当x3大于或等于结霜量阈值x时，顺序执行步骤6)；否则，返回步骤2)；
(6)图像处理控制器向机组控制器传达除霜信号，机组控制器控制机组进行除霜操作；
(7)摄像探头按时间间隔每15s对室外换热器翅片表面进行拍摄，并将图像信号传输到图像处理控制器中，图像处理控制器对接收的图像进行滤波、锐化以及灰度处理；
(8)对图像信号进行像素点灰度识别，计算结霜面积系数x1；当x1为0时，图像处理控制器向机组控制器传达退出除霜信号，机组控制器控制机组退出除霜，返回步骤1)，进行下一个结除霜循环；否则，继续执行步骤6)；
本发明的有益效果是：(1)通过对霜层的面积与密度的识别，避免结霜不均的干扰，能够准确有效的反映霜量，可有效控制空气源热泵机组的除霜操作；(2)可避免空气源热泵机组“误除霜”事故的发生；(3)图像识别传感器信号输出灵敏、可重复性强；(4)成本低廉、操作简单、适用性较强。
附图说明
图1是本发明的一种基于图像识别测霜技术的空气源热泵控霜原理图；
图2是本发明的一种基于图像识别测霜技术的空气源热泵控霜流程图。
具体实施方式
下面结合附图针对本发明作进一步实例描述：
结合图1，本发明的一种基于图像识别测霜技术的空气源热泵除霜控制系统，包括压缩机1，四通换向阀2，室内侧换热器3，节流装置4，室外侧换热器5，气液分离器6，摄像探头7以及图像处理控制器8，机组控制器9。
其中，气液分离器6的出口与压缩机1的进气口相连，压缩机1的排气口与四通换向阀2的进气口相连，四通换向阀2的回气口与气液分离器6的入口相连；四通换向阀2的另外两个接口分别与室内侧换热器3的第一接口和室外侧换热器5的第一接口相连，节流装置4的两端分别与室内侧换热器3的第二接口和室外侧换热器5的第二接口相连；摄像探头7安装在空气源热泵室外换热器的机柜上，摄像探头7用于拍摄室外换热器翅片表面结霜情况，并与图像处理控制器8相连；图像处理控制器8与机组控制器9相连，机组控制器9控制压缩机1，四通换向阀2，节流装置4和室外侧换热器5风机的启停。
摄像探头7为摄像机或红外摄像头。
结合图2，本发明的一种基于图像识别测霜技术的空气源热泵除霜控制方法，首先，用f(x，y)表示结霜图像在其空间坐标(x，y)处的灰度值，灰度值集合G＝{0，1，2，…，255}，设定结霜灰度阈值f＝45，结霜量阈值x根据机组实际结除霜性能设定，详细实施步骤如下：
步骤1)机组控制器9发出指令控制空气源热泵机组切换至制热模式运行，压缩机1、四通换向阀2、节流装置4、室外侧换热器5的风机开启，同时图像处理控制器8控制摄像探头7开启；
步骤2)摄像探头7按时间间隔每30s对室外侧换热器5翅片表面进行拍摄，并将图像信号传输到图像处理控制器8中，图像处理控制器8对接收的图像进行滤波、锐化以及灰度处理；
步骤3)对图像信号进行像素点灰度识别，以结霜灰度阈值f＝45为标准，灰度值大于等于45的像素点判定为结霜点，灰度值小于45的像素点判定为非结霜点。将结霜像素点个数n除以总像素点个数N，结果作为结霜面积系数x1，具体计算方法为：
x1＝n/N
步骤4)对图像结霜像素点进行程度识别，将每个结霜像素点灰度值f1，f2…fn相加再除以结霜像素点个数n，计算结霜灰度平均值fave。设定机组理论结霜灰度最大值fave,max＝255的特征值为1，其余时刻灰度平均值以此为依据输出为特征值，作为结霜程度系数x2，具体计算方法为：
fave＝(f1+f2+....+fn)/n
令fave,max＝1
x2＝fave/fave,max
步骤5)对步骤3)和步骤4)的输出结果进行乘积处理，结果记为x3，当x3大于或等于结霜量阈值x时，顺序执行步骤6)；否则，返回步骤2)，具体计算方法为：
x3＝x1·x2
步骤6)图像处理控制器8向机组控制器9传达除霜信号，机组控制器9控制机组进行除霜操作，四通换向阀2换向，室外侧换热器5的风机停止。
步骤7)摄像探头7按时间间隔每15s对室外侧换热器5翅片表面进行拍摄，并将图像信号传输到图像处理控制器8中，图像处理控制器8对接收的图像进行滤波、锐化以及灰度处理；
步骤8)对图像信号进行像素点灰度识别，计算结霜面积系数x1，方法与步骤3)相同；当x1为0时，图像处理控制器8向机组控制器9发送退出除霜信号，机组控制器9控制机组退出除霜，返回步骤1)，进行下一个结除霜循环；否则，继续执行步骤6)；
本发明的实施实例可有效控制空气源热泵机组的除霜操作，避免“误除霜”事故的发生，提高空气源热泵机组稳定高效的运行。
Claims (4)
1.一种基于图像识别测霜技术的空气源热泵除霜控制方法，其特征在于：首先设定结霜灰度阈值f与结霜量阈值x，然后进行以下步骤：
(1)机组控制器发出指令控制空气源热泵机组切换至制热模式运行，同时图像处理控制器控制摄像探头开启；
(2)摄像探头按时间间隔每30s对室外换热器翅片表面进行拍摄，并将图像信号传输到图像处理控制器中，图像处理控制器对接收的图像进行滤波、锐化以及灰度处理；
(3)对图像信号进行像素点灰度识别，以结霜灰度阈值f为标准，灰度值大于等于f的像素点判定为结霜点，灰度值小于f的像素点判定为非结霜点；将结霜像素点个数除以总像素点个数，结果作为结霜面积系数x1；
(4)对图像结霜像素点进行程度识别，将每个结霜像素点灰度值相加再除以结霜像素点个数，计算结霜灰度平均值；将该平均值输出为特征值，作为结霜程度系数x2；
(5)对步骤3)和步骤4)的输出结果进行乘积处理，结果记为x3，当x3大于或等于结霜量阈值x时，顺序执行步骤6)；否则，返回步骤2)；
(6)图像处理控制器向机组控制器传达除霜信号，机组控制器控制机组进行除霜操作；
(7)摄像探头按时间间隔每15s对室外换热器翅片表面进行拍摄，并将图像信号传输到图像处理控制器中，图像处理控制器对接收的图像进行滤波、锐化以及灰度处理；
(8)对图像信号进行像素点灰度识别，计算结霜面积系数x1；当x1为0时，图像处理控制器向机组控制器传达退出除霜信号，机组控制器控制机组退出除霜，返回步骤1)，进行下一个结除霜循环；否则，继续执行步骤6)。
2.一种基于图像识别测霜技术的空气源热泵除霜控制系统，其特征在于：包括压缩机(1)，四通换向阀(2)，室内侧换热器(3)，节流装置(4)，室外侧换热器(5)，气液分离器(6)，摄像探头(7)以及图像处理控制器(8)，机组控制器(9)；
其中，气液分离器(6)的出口与压缩机(1)的进气口相连，压缩机(1)的排气口与四通换向阀(2)的进气口相连，四通换向阀(2)的回气口与气液分离器(6)的入口相连；四通换向阀(2)的另外两个接口分别与室内侧换热器(3)的第一接口和室外侧换热器(5)的第一接口相连，节流装置(4)的两端分别与室内侧换热器(3)的第二接口和室外侧换热器(5)的第二接口相连；摄像探头(7)安装在空气源热泵室外换热器的机柜上，摄像探头(7)用于拍摄室外换热器翅片表面结霜情况，并与图像处理控制器(8)相连；图像处理控制器(8)与机组控制器(9)相连，机组控制器(9)控制压缩机(1)，四通换向阀(2)，节流装置(4)和室外侧换热器(5)风机的启停。
3.根据权利要求2所述的一种基于图像识别测霜技术的空气源热泵除霜控制方法，其特征在于：摄像探头(7)为摄像机或红外摄像头。
4.根据权利要求1所述的一种基于图像识别测霜技术的空气源热泵除霜控制方法，其特征在于：一种基于图像识别测霜技术的空气源热泵除霜控制方法，首先，用f(x，y)表示结霜图像在其空间坐标(x，y)处的灰度值，灰度值集合G＝{0，1，2，…，255}，设定结霜灰度阈值f＝45，结霜量阈值x根据机组实际结除霜性能设定，详细实施步骤如下：
步骤1)机组控制器(9)发出指令控制空气源热泵机组切换至制热模式运行，压缩机(1)、四通换向阀(2)、节流装置(4)、室外侧换热器(5)的风机开启，同时图像处理控制器(8)控制摄像探头(7)开启；
步骤2)摄像探头(7)按时间间隔每30s对室外侧换热器(5)翅片表面进行拍摄，并将图像信号传输到图像处理控制器(8)中，图像处理控制器(8)对接收的图像进行滤波、锐化以及灰度处理；
步骤3)对图像信号进行像素点灰度识别，以结霜灰度阈值f＝45为标准，灰度值大于等于45的像素点判定为结霜点，灰度值小于45的像素点判定为非结霜点；将结霜像素点个数n除以总像素点个数N，结果作为结霜面积系数x1，具体计算方法为：
x1＝n/N
步骤4)对图像结霜像素点进行程度识别，将每个结霜像素点灰度值f1，f2…fn相加再除以结霜像素点个数n，计算结霜灰度平均值fave；设定机组理论结霜灰度最大值fave,max＝255的特征值为1，其余时刻灰度平均值以此为依据输出为特征值，作为结霜程度系数x2，具体计算方法为：
fave＝(f1+f2+....+fn)/n
令fave,max＝1
x2＝fave/fave,max
步骤5)对步骤3)和步骤4)的输出结果进行乘积处理，结果记为x3，当x3大于或等于结霜量阈值x时，顺序执行步骤6)；否则，返回步骤2)，具体计算方法为：
x3＝x1·x2
步骤6)图像处理控制器(8)向机组控制器(9)传达除霜信号，机组控制器(9)控制机组进行除霜操作，四通换向阀(2)换向，室外侧换热器(5)的风机停止；
步骤7)摄像探头(7)按时间间隔每15s对室外侧换热器(5)翅片表面进行拍摄，并将图像信号传输到图像处理控制器(8)中，图像处理控制器(8)对接收的图像进行滤波、锐化以及灰度处理；
步骤8)对图像信号进行像素点灰度识别，计算结霜面积系数x1，方法与步骤3)相同；当x1为0时，图像处理控制器(8)向机组控制器(9)发送退出除霜信号，机组控制器(9)控制机组退出除霜，返回步骤1)，进行下一个结除霜循环；否则，继续执行步骤6)。
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