CN111932710A - 一种火电机组输煤皮带智能巡检设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种火电机组输煤皮带智能巡检设备及方法，包括双光谱摄像机、红外热像仪、煤粉浓度检测仪、拾音器和核心控制器，其中，所述核心控制器分别与双光谱摄像机、红外热像仪、煤粉浓度检测仪和拾音器连接；本系统以非接触监控的方式工作，不影响输煤皮带正常上煤，同时配合数据分析和处理，实现输煤皮带全方位无死角覆盖，准确定位故障点，系统结构简单，运行成本低。

Description

一种火电机组输煤皮带智能巡检设备及方法

技术领域

本发明涉及火电站自动控制技术领域，具体涉及一种火电机组输煤皮带智能巡检设备及方法。

背景技术

火电站输煤系统是保证机组稳定运行的基础，如果输煤系统运行不稳定，则会导致发电机组有随时停机的可能，给电力生产造成巨大破坏。煤是电力生产的原料，通过输煤皮带把燃煤安全送到锅炉内燃烧，才能将热能源源不断地转换成电能。如果输煤系统不能够稳定的将煤送到锅炉煤仓内部，锅炉就有可能因为没有燃料供应而停运。火电机组用煤量巨大，所以煤场都选择建设在靠近交通便利的位置，从煤场到锅炉的距离往往比较远，这样就需要通过多级输煤皮带进行输送。为了安全连续输煤，火电站在每一段输煤皮带都安排有专职人员进行巡检，但是输煤皮带作业环境负责，粉尘污染严重，给工作人员带来巨大的安全风险，也影响火电机组的安全生产。目前人工巡检面临的主要问题和局限：

1、传统人工巡检方式无法对输煤系统进行实时巡检，而且在输煤皮带运行过程中高风险区域和人工无法到达的区域无法进行巡检，极容易发生设备故障，造成输煤皮带故障停运。

2、运行过程中，人工巡检无法判断输煤皮带是否有损伤和裂痕，无法对输煤系统的煤粉浓度、噪音作为定量判断，巡检工作不能够精细化进行，容易造成漏检，威胁输煤皮带的稳定运行，进而威胁火电机组的安全生产。

3、传统巡检方式，无法精确感知输煤皮带的温度数据及托辊温度数据，无法判断煤流的阴燃、托辊卡涩等故障。

4、由于输煤系统距离长，通过多级皮带才能够将燃煤输送到锅炉煤仓，电厂需要在每级皮带安排专职的巡检人员，浪费了大量的人力和经济成本，由于输煤皮带工作区域的风险高，也给巡检人员的人身生命安全造成威胁。

发明内容

本发明的目的在于提供一种火电机组输煤皮带智能巡检设备及方法，解决了现有的火电机组输煤皮带通过人工进行巡检，导致工作效率低、准确率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明提供的一种火电机组输煤皮带智能巡检设备，包括双光谱摄像机、红外热像仪、煤粉浓度检测仪、拾音器和核心控制器，其中，所述核心控制器分别与双光谱摄像机、红外热像仪、煤粉浓度检测仪和拾音器连接；所述双光谱摄像机用于采集视域下的图像，并传输至核心控制器；所述红外热像仪用于采集视域内的温度，并将采集到的热像视频流传输至核心控制器；所述煤粉浓度检测仪用于采集工作区域内的煤粉浓度，并传输至核心控制器；所述拾音器用于采集工作区域内的声音数据，并传输至核心控制器；核心控制器用于将接收到的数据进行处理，并将处理结果传输至外部系统。

优选地，所述核心控制器通过以太网线分别与双光谱摄像机和红外热像仪连接；所述核心控制器通过RS485总线分别与煤粉浓度检测仪连接；所述核心控制器通过3.5mm音频线与拾音器连接；所述核心控制器通过指令接口连接外部系统。

优选地，所述核心控制器还连接有扬声器。

优选地，所述核心控制器还连接电源管理模块，所述电源管理模块设置有5V、12V和48V三个电压等级的电源接口，其中，所述双光谱摄像机、红外热像仪、煤粉浓度检测仪和拾音器均与电源管理模块的12V电源接口连接；核心控制器与电源管理模块的5V电源接口连接。

一种火电机组输煤皮带智能巡检方法，基于所述的一种火电机组输煤皮带智能巡检设备，包括以下步骤：

分别采集视域内的图像数据、温度数据、煤粉浓度数据和声音数据；

将采集到的图像数据生成图像视频流传输至外部系统；

将采集到的温度数据生成热像视频流，将该热像视频流均分为若干帧热图像；之后将每帧热图像生成温度的一个全局三元组和九个子区域三元组，之后将该一个全局三元组和九个子区域三元组传输至外部系统；

将采集到的煤粉浓度数据传输至外部系统；

将采集到的声音数据和时间标签进行打包，形成工作区噪声综合数据，之后将该工作区噪声综合数据传输至外部系统。

优选地，将该热像视频流均分为若干帧热图像具体方法是：每间隔200毫秒从热像视频流中提取一帧热图像，形成若干帧热图像。

优选地，将每帧热图像生成温度的一个全局三元组和九个子区域三元组，具体方法是：

S1，将提取到的每帧热图像转化成二维温度矩阵；

S2，计算S1中得到的二维温度矩阵对应的温度最大值、温度最小值和温度平均值，得到该帧热图像视域内的温度范围，之后将该帧热图像对应的温度最大值、温度最小值和温度平均值组成三元组，且该三元组的存储顺序为温度最大值、温度最小值和温度平均值，得到一个全局三元组；

将该二维温度矩阵在二维空间内平均分割成九个子区域，并计算每个子区域对应的温度最大值、温度最小值和温度平均值，之后将每个子区域的温度最大值、温度最小值和温度平均值生成三元组，进而得到九个子区域三元组。

优选地，将采集到的温度值、煤粉浓度值和噪声值分别与预设的输煤皮带安全运行的最高温度值、最大煤粉浓度值和最大噪音值进行比对，之后根据比对结果生成报警信息，具体地：

当采集到的噪声值大于最大噪音值时，生成工作区噪音报警信息；

当采集到的煤粉浓度值大于最大煤粉浓度值时，生成工作区煤粉浓度报警信息；

当采集到的温度值大于最高温度值时，生成工作区温度异常报警信息；

将生成的工作区噪音报警信息、工作区煤粉浓度报警信息和工作区温度异常报警信息均按照如下字段进行组织，包括标志字段、事件类型字段、数据长度字段和数据字段，其中：

标志字段长度为1个字节，值为0x45；

事件类型字段的长度为1个字节，按如下取值：工作区噪音报警值为0x01；工作区煤粉浓度报警值为0x02；工作区温度异常值为0x03；

数据长度字段的长度为4个字节，其值为数据字段的实际长度；

数据字段的长度为8个字节，分别为噪声值和测量时间、煤粉浓度值和测量时间、以及温度值和测量时间。

优选地，所述外部系统向核心控制器发送在线命令，该在线命令包括校验头、指令字、参数长度、参数值和校验尾，其中，校验头和检验尾均为单字节校验，检验头取值为十六进制0x55；检验尾取值为十六进制0xAA；指令字包括ADJ和LOU，ADJ为双光摄像机及红外热像仪调整拍摄方向和变焦指令；LOU为音频广播指令。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种火电机组输煤皮带智能巡检设备及方法，能够实现对输煤皮带进行实时巡检，相比传统的人工巡检更及时可靠，而且可以巡检人工无法到达的区域和高风险区域，保证了输煤皮带的安全稳定运行；该系统通过热像仪、双光摄像机、煤粉浓度检测仪、拾音器对输煤皮带进行多维信息采集和分析，监控输煤皮带的运行，及时发现输煤皮带的异常并向外部系统发出报警信息；输煤皮带在煤炭在运输过程中，因为煤炭本身的阴燃或摩擦生热等原因会导致温度异常，该系统通过热像仪能够准确监测到整个传送带上温度变化和分布，当出现异常高温时，第一时间输出温度数据和异常信号，防止故障扩大化，损坏设备；本系统以非接触监控的方式工作，不影响输煤皮带正常上煤，同时配合数据分析和处理，实现输煤皮带全方位无死角覆盖，准确定位故障点，系统结构简单，运行成本低。

进一步的，将每帧热图像生成一个全局三元组和九个子区域三元组，其目的是为了稀释温度场的数据密度，对温度场进行区域划分，可以减少数据量。

进一步的，报警信息包括标志字段和事件类型字段，能够迅速的解析出报警事件的类型，报警的数据。

进一步的，外部系统在线命令的格式要求，实现了不同在线命令的格式统一，统一在线命令格式必然带来解析快速的优点，同时，该格式要求进行了初步的校验，对于错误指令进行丢弃，通过首尾校验，完成了指令的校验。

附图说明

图1是本发明涉及的系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种火电机组输煤皮带智能巡检设备，包括双光谱摄像机1、红外热像仪2、煤粉浓度检测仪3、拾音器4、扬声器5、核心控制器6、驱动模块7和电源管理模块8，其中，所述双光谱摄像机1、红外热像仪2、煤粉浓度检测仪3、拾音器4、扬声器5和驱动模块7均与核心控制器6连接。

所述双光谱摄像机1、红外热像仪2、煤粉浓度检测仪3、拾音器4、扬声器5、核心控制器6和驱动模块7均与电源管理模块8连接。

所述核心控制器6通过以太网线分别与双光谱摄像机1和红外热像仪2连接。

所述核心控制器6通过RS485总线分别与煤粉浓度检测仪3和驱动模块7连接。

所述核心控制器6通过3.5mm音频线分别与拾音器4和扬声器5连接。

所述核心控制器6通过无线通信接口连接外部系统。

所述无线通信接口支持802.11b/g/n协议。

所述电源管理模块8设置有5V、12V和48V三个电压等级的电源接口，其中，所述双光谱摄像机1、红外热像仪2、煤粉浓度检测仪3、拾音器4和扬声器5根据设备的供电电压需要选择与电源管理8的12V或者24V电源接口连接；核心控制器6采用5V供电，与电源管理模块8的5V电源接口连接；驱动模块7采用48V供电，与电源管理模块8的48V电源接口连接。

所述核心控制器通过数据接口向外部系统提供实时数据；通过指令接口接收来自外部系统的在线指令。

数据接口包括6种数据类型，分别为图像视频流，以D1标记；热像视频流，以D2标记；温度三元组，以D3标记；煤粉浓度数据，以D4标记；工作区噪声综合数据，以D5标记；报警信息，以D6标记。核心控制器在将数据发送给外部系统时，首先在数据接口发送数据类型标记：D1,D2，D3,D4,D5或者D6，通知外部系统要接收的数据类型。

双光谱摄像机1用于采集视域内的图像，每秒钟采集25个图像帧，并按照H.264的格式生成图像视频流,记为D1，之后传输至核心控制器6，核心控制器6用于将接收到的D1通过无线通信接口向外部实时发送。

外部系统可以通过无线通信接口连接智能巡检设备访问该图像视频流D1。

红外热像仪2用于采集视域内的温度数据，并按照H.264的格式生成热像视频流，记作D2，之后传输至核心控制器6，核心控制器6用于将热像视频流进行处理，之后通过无线通信接口转发给外部系统。

核心控制器6将热像视频流进行处理的具体方法是：

首先，核心控制器6每间隔200毫秒从红外热像仪2的热像视频流D2提取一帧热图像；

其次，将提取到的每帧热图像转化成二维温度矩阵；

然后，计算二维温度矩阵对应的温度最大值、温度最小值和温度平均值，得到当前红外热像仪视域的温度范围，之后将该二维温度矩阵对应的温度最大值、温度最小值和温度平均值组成三元组，温度最大值、温度最小值和温度平均值按照4个字节模拟量进行存储，且该三元组的存储顺序为温度最大值、温度最小值和温度平均值，得到全局三元组；

接着，将该二维温度矩阵在二维空间内平均分割成九个子区域，并计算每个子区域的温度最大值、温度最小值和温度平均值；

接着，将每个子区域的温度最大值、温度最小值和温度平均值生成三元组；

接着，对每个子区域的温度最大值、温度最小值和温度平均值按照4个字节模拟量进行存储，且每个三元组的存储顺序为温度最大值、温度最小值和温度平均值，这样每个三元组共计12个字节长度；

最后，每帧热图像生成1个全局三元组和9个子区域三元组，9个子区域温度三元组按照划分时从左向右，从上向下的顺序存储。

通过10个三元组充分反映了输煤皮带的总体温度和各个子区域的温度分布，10个三元组的数据长度共计120个字节，记为D3，核心控制器将120个字节通过无线通信接口发送给外部系统使用。

煤粉浓度检测仪3用于采集工作区域内的煤粉浓度数据，记为D4，通过RS485总线传输给核心控制器6，其中：

核心控制器6内部运行Modbus主站协议，煤粉浓度检测仪3以Modbus从站形式接入到核心控制器6，核心控制器6通过Modbus协议实时读取煤粉浓度检测仪测量到的煤粉浓度数据D4，核心控制器通过无线通信接口将煤粉浓度数据D4发送给外部系统使用。

拾音器4用于每间隔500毫秒采集工作空间内的声音数据，然后通过双声道音频3.5mm输入接口发送给核心控制器6，声音数据按照四字节长度存储在核心控制器6内，同时核心控制器6接收到声音数据后立即记录采集声音的时间戳，该时间戳以四字节长度存储，形成八字节长度的工作区噪声综合数据，记为D5，核心控制器6将该工作区噪声综合数据D5通过无线通信接口向外部系统发送。

扬声器5用于将机器人收到的外部语音数据向机器人部署的控件广播，通知处于广播区域内的人。

报警信息的计算及生成描述如下：

核心控制器6内部存储有输煤皮带安全运行的最大噪音值Lmax、最大煤粉浓度值Mmax、最高温度值Nmax，核心控制器6从拾音器、煤粉浓度检测仪和热像仪采集到输煤皮带的实时的噪音L、煤粉浓度M和温度N后，按照如下方式生成报警信息：

当L>Lmax，生成工作区噪音报警，数据字段为噪声值T和测量时间，数据长度为8；

当M>Mmax,生成工作区煤粉浓度报警,数据字段为煤粉浓度值M和测量时间，数据长度为8；

当N>Nmax，生成工作区温度异常报警,数据字段为温度值N和测量时间，数据长度为8。

核心控制器6通过无线通信接口对外部系统提供输煤皮带工作状况的报警信息，记做D6，外部系统在接收到这些报警信息后，应立即发送停止输煤皮带运行的指令。报警信息D6按照如下字段顺序组织，包括标志字段、事件类型字段、数据长度字段和数据字段。

标志字段长度1个字节，值为0x45；

事件类型字段，长度1个字节，按如下取值：0x01,工作区噪音报警；0x02,工作区煤粉浓度报警；0x03,工作区温度异常；

数据长度字段，长度为4个字节，其值给出了数据字段的实际长度；

数据字段存储实际的报警数据。

核心控制器6在指令接口侦听来自外部的在线命令，外部系统发送的在线命令必须按照如下方式进行，在线命令包括校验头、指令字、参数长度、参数值和校验尾。

校验头和检验尾为单字节校验，检验头取值十六进制0x55,检验尾取值十六进制0xAA，核心控制器收到来自外部系统的在线命令后，首先验证校验头和检验尾是否等于0x55和0xAA,如果不相等，则该在线指令为错误的在线指令，如果正确，再进行下一步指令字、参数长度和参数值的分析计算，首先读取三个字符的指令字，按照如下进行指令分类：

当指令字为ADJ时，为双光摄像机及红外热像仪调整拍摄方向和变焦指令，核心控制器依据参数长度读取参数值，对参数值按照分析如下：

首先，读取1个字节标志，该标志为1代表控制双光摄像机，为2时代表控制红外热像仪；

接着，2个字节角度值和1个字节的焦距值，核心控制器解析完成后的角度值调整双光摄像机或者红外热像仪的角度，按照焦距值调整双光摄像机或者红外热像仪的拍摄焦距；

当指令字为MOV时，为智能巡检设备的移动方向、速度和距离的指令，核心控制器依据参数长度读取参数值，对参数值按照分析如下，1字节移动方向，1代表在轨道正向运动，2代表在轨道反向运动，1字节的速度值和4字节的距离值，分析完成后，核心控制器控制驱动模块按照移动方向、速度和距离在轨道上运动。

当指令字为LOU时，为音频广播指令，核心控制器根据音频长度读取音频内容，该音频内容立即通过音频3.5mm输出接口输出到扬声器，扬声器将接收到音频数据向智能巡检设备的工作区域广播。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、智能巡检设备可以对输煤皮带进行实时巡检，相比传统的人工巡检更及时可靠，而且可以巡检人工无法到达的区域和高风险区域，保证了输煤皮带的安全稳定运行。

2、智能巡检设备搭载了多种传感器，包括热像仪、双光摄像机、煤粉浓度检测仪、拾音器等，可以对输煤皮带进行多维信息采集和分析，监控输煤皮带的运行，及时发现输煤皮带的异常并向外部系统发出报警信息。

3、输煤皮带在煤炭在运输过程中，因为煤炭本身的阴燃或摩擦生热等原因会导致温度异常，智能巡检设备通过热像仪可以准确监测到整个传送带上温度变化和分布，当出现异常高温时，第一时间输出温度数据和异常信号，防止故障扩大化，损坏设备。

4、智能巡检设备携带的智能传感器都以非接触监控的方式工作，不影响输煤皮带正常上煤，同时配合数据分析和处理，实现输煤皮带全方位无死角覆盖，准确定位故障点，系统结构简单，运行成本低。

实施例

如附图1所示，双光谱摄像机和红外热热像仪均采用云台安装方式，水平旋转角度为0度到360度，垂直旋转角度为90度，可以方便进行视域调整，双光谱摄像机采用防水防尘外壳，可选择型号为DS-2CD3T25D的高清双光摄像头；红外热像仪要求规格满足如下，图像分辨率为水平像素点384，垂直像素点288，波长8到14微米，测温点数量为110592，可选择型号为Fotric 626的热像仪；煤粉浓度检测仪可采用具有RS485接口粉尘浓度传感器；拾音器和扬声器可采用工业用有源声音传感器和扩音器，供电电压24V；核心控制器6的处理器可选择Zynq7010；驱动模块7采用单轴电机，供电电压48V,在巡检轨道上进行运动，电源管理模块8采用菲尼克斯的电源适配器，可提供5V,12V，24V和48V的供电电压。

Claims (9)

1.一种火电机组输煤皮带智能巡检设备，其特征在于，包括双光谱摄像机(1)、红外热像仪(2)、煤粉浓度检测仪(3)、拾音器(4)和核心控制器(6)，其中，所述核心控制器(6)分别与双光谱摄像机(1)、红外热像仪(2)、煤粉浓度检测仪(3)和拾音器(4)连接；所述双光谱摄像机(1)用于采集视域下的图像，并传输至核心控制器(6)；所述红外热像仪(2)用于采集视域内的温度，并将采集到的热像视频流传输至核心控制器(6)；所述煤粉浓度检测仪(3)用于采集工作区域内的煤粉浓度，并传输至核心控制器(6)；所述拾音器(4)用于采集工作区域内的声音数据，并传输至核心控制器(6)；核心控制器(6)用于将接收到的数据进行处理，并将处理结果传输至外部设备。

2.根据权利要求1所述的一种火电机组输煤皮带智能巡检设备，其特征在于，所述核心控制器(6)通过以太网线分别与双光谱摄像机(1)和红外热像仪(2)连接；所述核心控制器(6)通过RS485总线分别与煤粉浓度检测仪(3)连接；所述核心控制器(6)通过3.5mm音频线与拾音器(4)连接；所述核心控制器(6)通过指令接口连接外部系统。

3.根据权利要求1所述的一种火电机组输煤皮带智能巡检设备，其特征在于，所述核心控制器(6)还连接有扬声器。

4.根据权利要求1所述的一种火电机组输煤皮带智能巡检设备，其特征在于，所述核心控制器(6)还连接电源管理模块(8)，所述电源管理模块(8)设置有5V、12V和48V三个电压等级的电源接口，其中，所述双光谱摄像机(1)、红外热像仪(2)、煤粉浓度检测仪(3)和拾音器(4)均与电源管理模块(8)的12V电源接口连接；核心控制器(6)与电源管理模块(8)的5V电源接口连接。

5.一种火电机组输煤皮带智能巡检方法，其特征在于，基于权利要求1-4中任一项所述的一种火电机组输煤皮带智能巡检设备，包括以下步骤：

分别采集视域内的图像数据、温度数据、煤粉浓度数据和声音数据；

将采集到的图像数据生成图像视频流传输至外部系统；

将采集到的温度数据生成热像视频流，将该热像视频流均分为若干帧热图像；之后将每帧热图像生成温度的一个全局三元组和九个子区域三元组，之后将该一个全局三元组和九个子区域三元组传输至外部系统；

将采集到的煤粉浓度数据传输至外部系统；

将采集到的声音数据和时间标签进行打包，形成工作区噪声综合数据，之后将该工作区噪声综合数据传输至外部系统。

6.根据权利要求5所述的一种火电机组输煤皮带智能巡检方法，其特征在于，将该热像视频流均分为若干帧热图像具体方法是：每间隔200毫秒从热像视频流中提取一帧热图像，形成若干帧热图像。

7.根据权利要求5所述的一种火电机组输煤皮带智能巡检方法，其特征在于，将每帧热图像生成温度的一个全局三元组和九个子区域三元组，具体方法是：

S1，将提取到的每帧热图像转化成二维温度矩阵；

S2，计算S1中得到的二维温度矩阵对应的温度最大值、温度最小值和温度平均值，得到该帧热图像视域内的温度范围，之后将该帧热图像对应的温度最大值、温度最小值和温度平均值组成三元组，且该三元组的存储顺序为温度最大值、温度最小值和温度平均值，得到一个全局三元组；

将该二维温度矩阵在二维空间内平均分割成九个子区域，并计算每个子区域对应的温度最大值、温度最小值和温度平均值，之后将每个子区域的温度最大值、温度最小值和温度平均值生成三元组，进而得到九个子区域三元组。

8.根据权利要求5所述的一种火电机组输煤皮带智能巡检方法，其特征在于，将采集到的温度值、煤粉浓度值和噪声值分别与预设的输煤皮带安全运行的最高温度值、最大煤粉浓度值和最大噪音值进行比对，之后根据比对结果生成报警信息，具体地：

当采集到的噪声值大于最大噪音值时，生成工作区噪音报警信息；

当采集到的煤粉浓度值大于最大煤粉浓度值时，生成工作区煤粉浓度报警信息；

当采集到的温度值大于最高温度值时，生成工作区温度异常报警信息；

将生成的工作区噪音报警信息、工作区煤粉浓度报警信息和工作区温度异常报警信息均按照如下字段进行组织，包括标志字段、事件类型字段、数据长度字段和数据字段，其中：

标志字段长度为1个字节，值为0x45；

事件类型字段的长度为1个字节，按如下取值：工作区噪音报警值为0x01；工作区煤粉浓度报警值为0x02；工作区温度异常值为0x03；

数据长度字段的长度为4个字节，其值为数据字段的实际长度；

数据字段的长度为8个字节，分别为噪声值和测量时间、煤粉浓度值和测量时间、以及温度值和测量时间。

9.根据权利要求8所述的一种火电机组输煤皮带智能巡检方法，其特征在于，所述外部系统向核心控制器(6)发送在线命令，该在线命令包括校验头、指令字、参数长度、参数值和校验尾，其中，校验头和检验尾均为单字节校验，检验头取值为十六进制0x55；检验尾取值为十六进制0xAA；指令字包括ADJ和LOU，ADJ为双光摄像机及红外热像仪调整拍摄方向和变焦指令；LOU为音频广播指令。

Images