CN205603619U - 高炉料面雷达扫描3d成像装置及其监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高炉料面雷达扫描3D成像装置及其监控系统，其中成像装置安装在高炉上方一侧炉壁上，通过最先进的雷达探测技术和360°全息扫描，在数秒内提供数千个点的高炉料面真实扫描信息，实时监控高炉料面真实状态并生成料面三维图像；采用该成像装置构成的监控系统能够实时在线检测不对称布料状态和物料料面下降速度分布，大幅度提高布料信息反馈，使工艺分析达到了新的高度水平；综上，本实用新型具有实时在线、检测精度高和性能稳定的特点，解决了目前高炉料面高度和表面形状难以精准测量的技术难题，对高炉优化操作、合理布料。

Description

高炉料面雷达扫描3D成像装置及其监控系统

技术领域

本实用新型涉及冶金技术领域，特别涉及一种高炉料面雷达扫描3D成像装置及其监控系统。

背景技术

在冶金行业的高炉炼铁生产过程中，高炉布料是高炉炼铁系统中最重要的环节之一。准确、有效的掌握高炉内料面的分布情况是保证高炉正常生产运行和产品质量的前提条件。

长期以来高炉料面测量一直是个难题。目前高炉料面测量方法大致有三种：

方法一，传统上对封闭高炉料面的监视一般使用机械探尺采集数据，每个高炉有两个机械探尺，探测高炉这两个点的准确位置。机械探尺虽然准确可靠，但采样固定单一，数量只有两个，不能代表整个料面的形状，只能测量单一固定位置的料高；

方法二是在高炉炉体不同的位置上开孔，每个孔装一个安装测距雷达，一般最多不会超过10个，因为过多的开孔会严重影响高炉炉体强度和寿命，这样能大致想象出料面的形状。但是，由于上述两种办法监控点偏少，不能遍布炉顶料面的每一点，造成分析和掌握炉内料面分布的难度很大，只能凭借操作人员的经验来猜测高炉的料面布料和气流状态，给高炉操作带来很大的随意性，无法保证准确性，更谈不上布料操作优化；

方法三采用红外成像技术，对料面表面的红外图像进行分析，通过检测高炉料面的温度分布来间接推算高炉料面的分布，此法虽然可以根据像素值和像素之间的关系构成三维图像，全面反映炉顶料面形状，但实际上存在温度与料面高度并不对应的问题，而且即使对应了温度和高度的关系，也只能定性，无法量化。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种高炉料面雷达扫描3D成像装置、监控系统及其监控方法。

为此，本实用新型技术方案如下：

一种高炉料面雷达扫描3D成像装置，包括雷达探测器、防护套、容置腔体、旋转装置和后盖；其中：

防护套包括防护内套和防护外套，防护外套以与防护内套存在缝隙的形式设置在防护内套外侧，在防护套前端端部设置有一与防护套端面密封连接的环形端盖，在防护外套后端端部设置并固定有一连接法兰且连接法兰的法兰盘盖装在防护套后端端面上，使防护套形成为一具有封闭环空结构且中心形成有通孔的套体；

雷达探测器和旋转装置连接固定并设置在防护内套的内部，雷达探测器设置在防护套前端端部；其中，雷达探测器优选为微波雷达；

防护套后端与容置腔体、后盖依次密封连接，使防护套后端封闭；容置腔体内部与防护套中心通孔连通，后盖中心设有进线口，进线口用穿装雷达探测器和旋转装置的电路连接线路，使其与外接电源连接为雷达探测器和旋转装置供电；

在防护外套后端外壁上设有外层进气口；在容置腔体外壁上设有内层进气口；外层进气口和内层进气口均与冷气气源连接，向防护内套内和防护内套与防护外套之间形成的环空输送冷气，对高炉料面雷达扫描3D成像装置形成双层冷气保护；雷达探测器设置在防护套前端，中心通孔前端形成雷达视窗，使进入防护内套的冷气对雷达探测器和旋转装置进行冷却后从雷达视窗吹出；在防护套的环形端盖上沿圆周方向开设有多个与防护套封闭环空连通的气槽，使进入防护外套中的冷气从气槽吹出进入炉内。

一种高炉料面形状动态监控系统，包括高炉料面雷达扫描3D成像装置、现场控制箱、室内控制箱、显示器、工业计算机、信号转换器和报警装置；

高炉料面雷达扫描3D成像装置通过现场控制箱与工业计算机连接，工业计算机与显示器连接，将扫描的高炉料面信号经现场控制箱输出给工业计算机并由显示器显示出高炉内料面三维形状图形；室内控制箱一端与现场控制箱连接、另一端与工业计算机连接，通过室内控制箱实现对现场控制箱的远程控制；报警装置通过信号转换器连接至工业计算机。

其中，在防护套外壁上设有用于与高炉炉壁连接固定的安装法兰，成像装置与高炉炉壁所成安装角度与高炉内部结构相适应，保证雷达探测器旋转360°的扫描范围覆盖全部高炉料面。

本实用新型公开的炉料面雷达扫描3D成像装置安装在高炉上方一侧炉壁上，通过设置在一保护套内的旋转装置带动微波雷达对炉内料面进行360°全息扫描，在数秒内提供数千个点的高炉料面真实扫描信息，有效实时监控高炉料面真实状态并生成料面三维图像；采用该炉料面雷达扫描3D成像装置构建的监控系统实现实时在线检测不对称布料状态和物料料面下降速度分布，大幅度提高布料信息反馈，配合本申请公开的监控方法中的具体数据处理方法及监控模式使工艺分析达到了新的高度水平；同时，与原有技术相比，通过减少机械运动部件的数量使系统的稳定性得到了最大的提升，同时，在探测状态下，没有任何机械部件会在炉顶突出，不会影响摆动溜槽。

综上，本实用新型具有实时在线、检测精度高和性能稳定的特点，解决了目前高炉料面高度和表面形状难以精准测量的技术难题，对高炉优化操作、合理布料、确保生产安全具有重要意义。

附图说明

图1为本实用新型的高炉料面雷达扫描3D成像装置的结构示意图；

图2为本实用新型的高炉料面雷达扫描3D成像装置在炉壁上的安装结构示意图；

图3为本实用新型的高炉料面形状动态监控系统的结构示意图；

图4为采用本实用新型的高炉料面形状动态监控方法进行图像拟合得到的高炉料面状态的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的说明，但下述实施例绝非对本实用新型有任何限制。

实施例1

如图1示，该高炉料面雷达扫描3D成像装置包括微波雷达探测器101、防护套、容置腔体107、旋转装置108和后盖110；其中，

防护套包括防护内套102和防护外套103，防护外套103以与防护内套102存在缝隙的形式设置在防护内套102外侧，在防护套前端端部设置有一与防护套端面密封连接的环形端盖，在防护外套103后端端部设置并固定有一连接法兰111且连接法兰111的法兰盘盖装在防护套后端端面上，使防护套形成为一具有封闭环空结构且中心形成有通孔的套体；微波雷达探测器101和旋转装置108连接固定并设置在防护内套102的内部，微波雷达探测器101设置在防护套前端端部，防护套后端与容置腔体107、后盖110依次密封连接，使防护套后端封闭，具体地，在容置腔体107上固定有一与连接法兰111相匹配的连接法兰，使容置腔体107和防护套通过两个连接法兰之间的连接形成密封连接；容置腔体107内部与防护套中心通孔连通，后盖110中心设有进线口112；在防护外套103后端侧壁上设有外层进气口105；在容置腔体107侧壁上设有内层进气口106；在防护套的环形端盖上沿圆周方向开设有多个与防护套封闭环空连通的气槽，使进入防护外套中的冷气从气槽吹出进入炉内；在防护套外壁上设有用于与高炉炉壁8连接固定的安装法兰104。

实施例2

如图3所示，一种高炉料面形状动态监控系统，包括实施例1所述的高炉料面雷达扫描3D成像装置1、现场控制箱2、室内控制箱3、显示器4、工业计算机5、信号转换器6和报警装置7；其中：

高炉料面雷达扫描3D成像装置1安装在高炉上方炉壁上，如图2所示，该成像装置1与高炉炉壁所成安装角度与高炉内部结构相适应，保证微波雷达探测器旋转360°的扫描范围覆盖全部高炉料面；微波雷达探测器通过旋转装置带动转动，对炉内全部高炉料面进行覆盖式扫描；

现场控制箱2邻近高炉设置，高炉料面雷达扫描3D成像装置1通过现场控制箱2与工业计算机5连接，通过通讯协议将微波雷达扫描收集到的数据信号传送给工业计算机5；工业计算机5与显示器4连接，将扫描的高炉料面数据信号经工业计算机5数据处理后由显示器4显示出高炉内实时料面三维形状图形；

室内控制箱3、工业计算机5和显示器4设置在中央控制室内，室内控制箱3一端与现场控制箱2连接另一端与工业计算机5连接，构成现场控制箱2与工业计算机5连通的第二条路径，用于通过工业计算机5对室内控制箱3的调节，实现对现场控制箱2的远程控制；

报警装置7通过信号转换器6连接至工业计算机5；当高炉内实时料面三维形状图形超出工艺设定的工艺图形下线时或当冷却介质的参数异常和炉料面雷达扫描3D成像装置1超出温度上线，通过信号转换器6转换为报警信号，报警装置7识别该信号，进行报警，提示操作人员及时处理。

实施例3

一种使用实施例2所述的高炉料面形状动态监控系统对高炉料面实时状态监控系统进行实时监控的方法，包括下述具体步骤：

一、监控工作准备：

按照高炉料面实时状态监控系统结构布置连接各装置并将现场控制箱和室内控制箱调试到正常工作状态，使电源、电气控制、数据通讯正常工作，氮气冷却系统的压力和温度调试正常供给状态；

防护外套103后端侧壁上设置的外层进气口105和容置腔体107侧壁上设置的内层进气口106均与冷却介质连接；具体地，冷却介质采用输送压力为0.40～0.6MPa的有压氮气，使高炉料面雷达扫描3D成像装置的工作温度控制在入口温度≤35℃。通过氮气不停的吹扫，确保雷达探测器在高温、高粉尘的高炉中能够稳定工作。

二、数据收集和图像拟合：

S1、雷达探测器在防护套的保护下通过旋转装置带动雷达旋转对高炉料面表面进行360°全方位扫描，雷达探测器每转动固定的角度，发出的信号扫描不同深度的物料，并根据发射出去信号和返回来信号的时间差来计算雷达探测器与高炉料面的距离，然后将雷达探测器采集得到的数据簇通过通讯协议发送至工业计算机上；

具体地，雷达探测器360°全方位扫描过程中，扫描每经过10°进行一次数据采集，数据采集时间间隔为0.5s，即18s转一周，完成一次完整的料面扫描并将采集的数据传输到工业计算机进行3D料面拟合；每次扫描采集的数据量至少为2000簇；

在数据传输方式上采用硬件和软件相结合的设计思想。雷达探测器采集到的原始数据通过相应的硬件设备，包括天线、混频器、滤波放大电路、D/A模块和A/D模块一系列处理，实现模拟信号到数字信号之间的转换，从而实现数据从硬件设备到软件之间的通讯，为后续对数据的分析处理做好准备；具体地，数据传输方式上通过CAN接口中间经过CAN网关，用网线与电脑连接进行通信。

S2、工业计算机对所接收到雷达探测器发送的数据簇依次进行：

1)去除数据簇中扫描在炉壁上的无用点：

设空间中任意一点P，在雷达探测器为中心的坐标系下的坐标为P(x,y,z)，经过旋转和平移，变换到以Z轴垂直于水平面的坐标系下的坐标为P'(x',y',z')，R为旋转平移矩阵，表达式如下所示：

$R=\[\begin{array}{cccc}\cos \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}-\cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\ψ}& \sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\ψ}+\cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\ψ}& \mathrm{\Δ}x\\ \cos \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}+\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}& \cos \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\ψ}-\sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\ψ}& \mathrm{\Δ}y\\ -\sin \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\φ}\cos \mathrm{\θ}& \mathrm{\Δ}z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\]$

式中，φ、θ、ψ为沿着三个轴向的旋转角度，Δx、Δy、Δz为沿着三个轴向的平移矩阵；

雷达探测器每条扫描线上得到的数据点，进行坐标变换后得到新的坐标值，处理后的数据点的新坐标数值存储在缓冲区，再对下一条扫描线上的数据点进行坐标转换，该条扫描线上的数据坐标点转换完以后和先前保存在缓冲区的数据点进行对比，判断是否是新的扫描线的起始点；缓存区主要包括数据坐标缓存区和数据坐标转换区组成；数据坐标缓存区主要用来存储雷达探测器扫描线上的所有数据点的坐标数据，数据坐标逆变换区用来存放经旋转平移矩阵转换以后的数据点的坐标；

当数据在预处理时，首先对存储到缓冲区的数据坐标进行压缩，然后对于同一条扫描线上的数据进行编号，确保每一条扫描线对应唯一的一个编号；然后对编号以后的扫描线建立空间索引表，索引表的关键字是扫描线的编号，而与关键字对应的就是扫描线上每一个数据点的地址；最后保存上述过程处理后的数据簇；通过以上方法逐个扫描计算，当转换后的坐标值大于阈值，即高炉直径转换后的坐标时，认为此后的扫描点即为扫描在炉壁上的点，对高炉料面的分析没有作用，舍弃这些数据点；

2)采用NURBS曲面全局插值拟合法和最小二乘曲面拟合法相结合的方法对有效数据进行计算处理并得到用于绘制曲面的参数；

该曲面拟合的具体方法为：

1)设定NURBS曲面的次数k和l，并令其权值为1；

2)计算节点矢量U和V；

3)分别在U和V节点矢量上，采用NURBS曲线反算法，求出对应曲面的控制点；

4)筛选ψ[0,90°]的数据点；

5)根据计算所得到的参数包括控制点P_i,j、权值w_i,j、节点矢量U和V以及曲面次数k和l绘制曲面；

其中，NURBS曲面拟合算法以B样条法的基础引入权值因子得到；

B样条曲面法的定义式为：

$p(u,v)=\underset{i=0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{j=0}{\overset{n}{\Σ}}{P}_{i,j}{B}_{i,k}\left(u\right)B_{j,l}\left(v\right),0\≤u,v\≤1$

式中，P_i,j为控制顶点，k和l为B样条曲线的次数，其中k和l取值通过多次数值带入进行选取，直至找到符合图像拟合要求的数值；B_i,k(u)和B_i,l(v)分别为u方向的k次和v方向的l次B样条基函数；

k×l次NURBS曲面拟合算法的定义式为:

$S(u,v)=\frac{\underset{i=0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{j=0}{\overset{n}{\Σ}}{w}_{i,j}{P}_{i,j}{B}_{i,k}\left(u\right)B_{j,l}\left(v\right)}{\underset{i=0}{\overset{m}{\Σ}}\underset{j=0}{\overset{n}{\Σ}}{w}_{i,j}{B}_{i,j}\left(u\right)B_{j,l}\left(v\right)}$

式中，w_i,j是与P_i,j为控制顶点相关联的权值因子，其余参数与B样条曲线定义一致。B_i,k(u)和B_i,l(v)由递推公式决定；

B样条基函数的递推公式的定义式为：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_{i,0}\left(u\right)=\left\{\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right.\\ N_{i,k}\left(u\right)=\frac{u-u_i}{u_{i+k}-u_i}{N}_{i,k-1}\left(u\right)+\frac{u_{i+k+1}-u}{u_{i+k+1}-u_{i+1}}{N}_{i+1,k-1}\left(u\right)\end{array}\right.$

N_j,l(v)的递推公式与上式相对应；

对于控制点P_i,j来说，规定行i变化的方向为u参数方向，列j变化的方向为v参数方向；

u向参数值的数学公式为：

$u_j=\underset{i=0}{\overset{m}{\Σ}}\frac{1}{m+1}{u}_{i,j},(j=0,1,...,n-k+1)$

式中u_i,j是沿着u向第i行控制点P_i,j的规范化参数。同理，可以得到v向参数值的规范化表达式；

进而得到节点矢量U＝[u₀,u₁,…,u_m-k+1]与V＝[v₀,v₁,…,v_n-l+1]。

综上所述，NURBS曲面拟合的过程为根据已知的呈拓扑矩形阵列的控制点阵列，即通过微波雷达扫描得到的原始数据(存储在上述数据坐标缓存区的雷达探测器扫描线上的所有数据点的坐标数据)，形成一个控制网格，反求曲面控制点P_i,j和权值因子w_i,j，

雷达探测器扫描一周，处在同一高度的料面呈环状曲面；为了弥补上文所述的NURBS曲面拟合算法存在的缺陷，进一步地，在上述步骤S1中建立新坐标系(以Z轴垂直于水平面的坐标系)的基础上，对原始数据点进行筛选，把与Z轴夹角ψ的值在[0,90°]范围内的数据点筛选出来，形成一个矩形区域，即把环形曲面拟合问题转化为标准矩形区域曲面进行拟合；

S2、基于OpenGL函数将所得参数绘制成3D视图模型，从而得到物料的实时状态，并通过显示器实时显示；

在实际操作中，软件界面基于VS2008环境，采用C++高级语言和OpenGL语言编程实现；具体地，使用OpenGL的GLU实用程序库中的求值器来对曲线和曲面进行建模，并利用控制点指定曲线或曲面上点按照任意的精确度绘制曲线和曲面；具体地，通过先设置在MFC中的OpenGL运行环境，构造用于曲面构造的基本图形框架，并在此系统中调用GLDraw3DBMP以及GLU库提供的gluNurbsSurface函数完成图形绘制，还原3D视图模型，从而得到物料的实时状态；

利用所得参数绘制3D视图模型详细步骤如下：

1)采用glEnable(GL.NORMAL)函数生成曲面法向量，即节点矢量U和V；

2)调用gluNewNurbsRenderer()函数创建NURBS对象的指针，指向绘制一个NURBS曲面所需要的所有状态信息；

3)输入节点矢量序列，即步骤1)得到的节点矢量U和V；

4)调用gluNurbsProPerty()函数设置NURBS对象属性；

5)调用gluNurbsSurface()和GLDraw3DBMP()等函数生成和绘制出如图4所示的NURBS曲线曲面；

三、数据监测、报警

每次数据处理得到的高炉实际状态图形同时还与通过工艺参数制定的工艺图形对比，当实际输出图形超出工艺设定的工艺图形下线时，通过信号转换器转换为报警信号，由报警装置发出报警提示。

同时，报警装置同时还长期稳定的监视着冷却介质的参数变化和炉料面雷达扫描3D成像装置的工作温度，当冷却介质的参数异常和炉料面雷达扫描3D成像装置超出温度上线及时报警，提示操作人员及时处理。

Claims (4)

1.一种高炉料面雷达扫描3D成像装置，其特征在于，包括雷达探测器(101)、防护套、容置腔体(107)、旋转装置(108)和后盖(110)；其中，防护套包括防护内套(102)和防护外套(103)，防护外套(103)以与防护内套(102)存在缝隙的形式设置在防护内套(102)外侧，在防护套前端端部设置有一与防护套端面密封连接的环形端盖，在防护外套(103)后端端部设置并固定有一连接法兰(111)且连接法兰(111)的法兰盘盖装在防护套后端端面上，使防护套形成为一具有封闭环空结构且中心形成有通孔的套体；雷达探测器(101)和旋转装置(108)连接固定并设置在防护内套(102)的内部，雷达探测器(101)设置在防护套前端端部，防护套后端与容置腔体(107)、后盖(110)依次密封连接，使防护套后端封闭；容置腔体(107)内部与防护套中心通孔连通，后盖(110)中心设有进线口(112)；在防护外套(103)后端侧壁上设有外层进气口(105)；在容置腔体(107)侧壁上设有内层进气口(106)，在防护套的环形端盖上沿圆周方向开设有多个与防护套封闭环空连通的气槽。

2.根据权利要求1的高炉料面雷达扫描3D成像装置，其特征在于，在防护套外壁上设有用于与高炉炉壁连接固定的安装法兰(104)，成像装置与高炉炉壁所成安装角度与高炉内部结构相适应，保证雷达探测器旋转360°的扫描范围覆盖全部高炉料面。

3.根据权利要求1的高炉料面雷达扫描3D成像装置，其特征在于，雷达探测器(101)采用微波雷达。

4.一种高炉料面实时状态监控系统，其特征在于，包括高炉料面雷达扫描3D成像装置(1)、现场控制箱(2)、室内控制箱(3)、显示器(4)、工业计算机(5)、信号转换器(6)和报警装置(7)；其中，

高炉料面雷达扫描3D成像装置(1)通过现场控制箱(2)与工业计算机(5)连接，工业计算机(5)与显示器(4)连接，将高炉料面雷达扫描3D成像装置(1)扫描收集的高炉料面数据通过现场控制箱(2)输出给工业计算机(5)，经数据处理后由显示器(4)显示出高炉内料面三维形状图形；

室内控制箱(3)一端与现场控制箱(2)连接、另一端与工业计算机(5)连接，通过室内控制箱(3)实现对现场控制箱(2)的远程控制；

报警装置(7)通过信号转换器(6)连接至工业计算机(5)。