JP2006275692A - 燃焼状態監視システム及び燃焼状態監視プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】炎を観察することで燃焼状態の良否を総合的に判定できる燃焼状態監視システムを提供すること。
【解決手段】炎色を観察することで燃焼状態の良否を監視する燃焼状態監視システムであって、炎を含むカラー画像を撮影する監視カメラ３と、監視カメラ３により取得したカラー画像データを画像処理する画像処理装置７とを備え、この画像処理装置７は、カラー画像データを構成する各画素の色データと、予め設定している基準色データとを比較する比較手段１３ａと、この比較手段による比較結果に基づいて、燃焼状態の良否を判定する判定手段１３ｄとを備えている。比較手段１３ａによる比較により、基準色データと一致している第１画素群と、基準色データと一致していない第２画素群とに分け、これら分類された画素群により二値化画像データを生成する二値化手段１３ｂを備えていることが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、炎色を観察することで燃焼状態の良否を監視する燃焼状態監視システム及び燃焼状態監視プログラムに関するものである。

かかる炎色を観察すべき対象例として、ジフェニルアミン（ＤＰＡ）プラントのアニリン（ＡＮＲ）加熱炉における燃焼状態を監視するものがあげられる。ＤＰＡプラントは、ＡＮＲを原料にしてＤＰＡを生産するプラントである。まず原料のＡＮＲはＡＮＲ加熱炉で、同プラントの副生アンモニアと補助ＬＰＧを燃料として燃焼・加熱し、反応工程と精製工程を経由して製品ＤＰＡとなる。反応工程で副生するアンモニアは分離した後、前述のＡＮＲ加熱炉の燃料として使用される。

このようにＡＮＲ加熱炉は、副生アンモニアを主燃料とし、補助燃料にＬＰＧを使用しているが、燃焼状態により反応温度を調整しており、この燃焼状態がＤＰＡ製品の収率・品質等に大きく影響する。従って、ＡＮＲ加熱炉における燃焼状態の監視は、運転管理の重要な項目の１つとなっている。
特開平６−６６６４１号公報

ＡＮＲ加熱炉では、副生アンモニアを主体にＬＰＧを補助燃料としてバーナーで燃焼させているが、燃焼状態が正常である場合は炎は輝白色をしており、炎の形状は円錐形をしている。これに対して、バーナーに煤等の異物が付着すると炎の形状が悪くなり、ＡＮＲの加熱が不良となり、正常な反応温度を維持できなくなる。副生アンモニアには僅かな有機物が含まれており、これが煤の発生原因であり、脱アンモニア塔が不調になると、含有する有機物量が増加して、煤の発生も増加する。発生した煤は、ＡＮＲ加熱管に付着して熱伝達を悪くするだけでなく、バーナーや加熱管の劣化を促進する。

一方、燃焼状態が異常になると、ＮＯ_xの生産量が増加し、排ガス中のＮＯ_x濃度が増加して、環境にも悪影響を与える。また、燃焼状態が異常になると、炎の形状が変形したり、炎の色が黄色味を帯び、煤の発生が増加すると一部分が黒色を示す。よって、炎の形状や色を監視することで、燃焼状態の異常を検知できるものと考えられる。

このような炎の監視は、現在、目視により作業者が行っており、その監視作業が負担になったり判定にバラツキが生じるなどの問題が生じている。なお、炎の状態を監視する装置として、特許文献１に開示される炉内脱硝反応温度監視装置が提案されている。この装置は、脱硝用バーナの火炎域を観測するためのイメージファイバとカラーカメラを備え、カメラの出力はデコーダにより赤・緑の色成分に分解されて、メモリに入力される。そして、各画素の温度を二色温度法で求め、予め設定した複数の温度以上の面積頻度を計数する。これにより、炉内温度を監視する。

かかる方法は、炉内温度に基づいて判定するものであり、それ以外の要素、例えば、炎の形状についての異常を正確に判定することは難しいと考えられる。本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、炎を観察することで燃焼状態の良否を総合的に判定できる燃焼状態監視システムを提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る燃焼状態監視システムは、
炎色を観察することで燃焼状態の良否を監視する燃焼状態監視システムであって、
炎を含むカラー画像を撮影する撮影装置と、
撮影装置により取得したカラー画像データを画像処理する画像処理装置とを備え、
この画像処理装置は、
カラー画像データを構成する各画素の色データと、予め設定している基準色データとを比較する比較手段と、
この比較手段による比較結果に基づいて、燃焼状態の良否を判定する判定手段とを備えていることを特徴とするものである。

かかる構成による燃焼状態監視システムの作用・効果を説明する。このシステムは、炎色を観察することで燃焼状態の良否を観察するものであり、撮影装置により炎を含むカメラ画像データを取得し、これを画像処理装置により画像処理することで、燃焼状態の良否を判定する。具体的には、カメラ画像データを構成する各画素の色データを予め設定している基準色データとを比較する。この基準色データは、例えば、正常な状態における炎を撮影することで得ることができ、正常である基準色データと各画素の位置データとを比較することで良否を判定することができる。かかる比較手法によれば、炎の色の変化や形状の変化など、総合的に燃焼状態の異常を検出することができる。その結果、炎を観察することで燃焼状態の良否を総合的に判定できる燃焼状態監視システムを提供することができる。

本発明において、前記比較手段による比較により、基準色データと一致している第１画素群と、基準色データと一致していない第２画素群とに分け、これら分類された画素群により二値化画像データを生成する二値化手段を備えていることが好ましい。

比較手段による比較方法として、基準色データと一致しているか否かにより、第１画素群と第２画素群にグループ分けする方法が考えられる。これにより、画像データを構成する画素群を２グループに分けることができ、燃焼状態が異常である第２画素群の状態を監視することができる。なお、基準色データと一致しているか否かについては、完全一致のみではなく、基準色データに対してある程度の幅を持たせて比較することができる。

本発明において、前記判定手段は、前記第１画素群または第２画素群の画素数に基づいて、良否を判定することが好ましい。

基準色データと一致している画素数が多ければ、正常な第１画素群の画素数は必然的に増えることになる。従って、第１画素群あるいは第２画素群の画素数に基づいて、良否を判定することができる。

本発明に係る基準色データは、前記撮影装置により撮影されたカラー画像データを構成する各画素の色データに基づいて設定されることが好ましい。

基準色データは、撮影装置により実際に撮影した画像に基づいて設定することが好ましい。つまり、目視により正常な状態であると判断された炎の画像を取得し、これに基づいて、各画素の色データ（Ｒ，Ｇ，Ｂの各色データ）を基準色データとして設定する。これにより、基準色データを正確に設定できると共に、必要に応じて基準色データの更新も容易に行うことができる。

上記課題を解決するため本発明に係る燃焼状態監視プログラムは、
炎を撮影した撮影装置により得られたカラー画像データを構成する各画素の色データと、予め設定している基準色データとを比較する処理と、
この比較手段による比較結果に基づいて、燃焼状態の良否を判定する処理とをコンピュータに実行させることを特徴とするものである。

本発明において、前記比較する処理により、基準色データと一致している第１画素群と、基準色データと一致していない第２画素群とに分け、これら分類された画素群により二値化画像データを生成する処理を実行することが好ましい。この場合、前記第１画素群または第２画素群の画素数に基づいて、良否を判定する処理を実行することが好ましい。

かかる燃焼状態監視プログラムの作用・効果は、既に説明した通りである。

本発明に係る燃焼状態監視システムの好適な実施形態を図面を用いて説明する。図１は、燃焼状態監視システムの概要を示す模式図である。

＜システムの構成＞
図１において、加熱炉１として、ジフェニルアミン（ＤＰＡ）プラントのアニリン（ＡＮＲ）加熱炉が例示されている。このＡＮＲ加熱炉１で、副生アンモニアと補助ＬＰＧを燃料として燃焼・加熱し、その後工程へ送られる。監視対象である炎２を撮影するための監視カメラ３（撮影装置に相当）が設けられている。加熱炉１は、耐火レンガにより包囲されており、その一部に内部を観察するためのサイトグラス４が設けられており、このサイトグラス４を介して炎２の画像を撮影することができる。なお、炎２の背後には、白色の耐火レンガ５が配置されている。これによって、炎色を判定しやすくしている。

監視カメラ３の前面には、コールドミラーが配置されていて、これにより、炎２の輻射熱をカットする。また、冷却装置も配置されており、監視カメラ３の環境温度が上がらないようにしている。監視カメラ３は、全体が外光遮断ボックス６により遮蔽されており、炎２の画像を撮影するときに外光によるノイズを極力抑えるようにする。

監視カメラ３により取得されたカメラ画像信号は、監視室へと送られる。画像処理装置７は、監視カメラ３からカラー画像データを取得してこれを画像処理することで、燃焼状態の良否を判定する機能を有する。画像処理装置７の詳細は後述する。モニター８は、監視カメラ３により撮影した画像や画像処理された画像を表示する。オペレータは、このモニター８を見ながら、加熱炉１における燃焼状態を監視することができる。

ＤＰＡ加熱炉制御装置９は、加熱炉１に対する稼動状態を制御する機能を有する。画像処理装置７により、炎２の異常状態が検出された場合、炎異常信号がＤＰＡ加熱炉制御装置９へと送信される。また、ＤＰＡ加熱炉制御装置９から画像処理装置７へは、加熱炉１に対する運転信号もしくは停止信号が送信される。これらの信号により、オペレータはモニター８により、現在加熱炉１が運転されているのか停止した状態であるのかを確認することができる。

＜画像処理装置の構成＞
次に、画像処理装置７の機能について図２のブロック図により説明する。監視カメラ３により得られる画像信号は、モニター８へ送信され、撮影した画像がそのままモニター画面に表示される。また、得られたアナログの画像信号に基づいて画像処理を行うため、まず、画像信号をＹ／Ｃ分離部１０へと送信する。これにより、画像信号を輝度信号と色信号に分離する。これら分離された色信号はＲＧＢ変換レコーダ１１に送信され、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の色信号に変換される。これらＲ，Ｇ，Ｂの各信号は、更に２５６階調分解部１２に送信され、色データが各色８ビットのカラー画像データに変換される。このカラー画像データは、色抽出部１３へと送信される。

なお、画像処理装置７において画像処理を行う領域は、画像の全領域ではなく、炎が存在する領域のみでよい。このような領域設定は、キーボードやマウス等による入力操作により行うことができ、必要に応じて設定変更も可能である。全画像ではなく、必要な領域のみを画像処理することで処理時間を短縮し、効率良く画像処理を行うことができる。

比較手段１３ａは、取得されたカラー画像データと基準色データ設定部１４に設定されている基準色データとを比較する。基準色データ設定部１４には、予め正常な状態の炎の色のカラー画像データが登録されている。この基準色データも監視カメラ３により撮影される画像から獲得できるものである。

二値化手段１３ｂは、比較手段１３ａによる比較結果に基づいて、カラー画像データを二値化して二値化画像データを生成する。すなわち、取得されたカラー画像データを構成する各画素の色データを基準色データと比較して、一致しているか否かを判断し、一致していれば「１」とし一致していなければ「０」とする。例えば、基準色データの（Ｒ_s，Ｇ_s，Ｂ_s）の各色データが（２２，２０，６０）であるとすれば、これと各画素の色データ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）とを比較し、例えば、Ｒ_s×０．８＜Ｒ＜×Ｒ_s１．２ Ｇ_s×０．８＜Ｇ＜Ｇ_s×１．２ Ｂ_s×０．８＜Ｂ＜Ｂ_s×１．２ を満たしていれば、基準色データに一致しているものと判断して「１」とすることができる。基準色データとどの程度の一致度であれば「１」とするかに付いては、適宜決めることができる。

ミキサー部１５は、監視画像と、二値化手段１３ｂにより得られる二値化画像とを合成処理する機能を有する。ミキサー部１５により合成された画像信号は、ワイプ処理部１６によりワイプ処理が行われモニター８に表示される。モニター画面には、図番Ａで示す領域が画像処理された領域として示されている。従って、モニター８には、画像処理を行っていない監視画像と、一部が画像処理された監視画像の両方が表示されることになる。そのため２つのモニター８を設けても良いし、１つのモニター８の画面を２分割して、夫々の監視画像を表示させても良い。監視室のオペレータは、これらの監視画像を見ながら、炎の燃焼状態を観察することができる。

画素数カウント部１３ｃは、基準色データと一致していると判断された第１画素群の画素数をカウントする。すなわち、「１」であると判断された画素の個数をカウントする。判定手段１３ｄは、この画素数に基づいて、燃焼状態が異常であるか否かを判定することができる。なお、画素数のカウントは、基準色データと一致していないと判断された第２画素群の画素数をカウントすることで判定するようにしても良い。

判定手段１３ｄによる判定基準としては、例えば、予め適正なレベルの画素数を設定しておき、カウントされた画素数が設定値以上であるか否かに基づいて、正常であると判断することができる。

信号出力部１７は、判定手段１３ｄにより燃焼状態が異常であると判定された場合に、炎異常信号をＤＰＡ加熱炉制御装置９に送信する。判定手段１３ｄにより異常であると判定された場合、直ちに異常信号を送信するようにしても良いが、所定回数以上、連続して異常が検出された場合に初めて異常信号を送信するようにすることが好ましい。これにより、確実性の高い異常信号を送信することができる。

＜燃焼状態監視フロー＞
次に、図１，２に示す画像処理装置７により燃焼状態を監視する時の処理手順を図３のフローチャートにより説明する。

まず加熱炉１の運転を開始する（＃１）。監視カメラ３監視カメラの画像信号を取り込み、画像処理装置７へ入力する（＃２，３）。画像信号は、Ｙ／Ｃ分離部１０で色信号と輝度信号に分解された後、ＲＧＢ変換デコーダ１１により色信号は、各色の色信号が抽出される。これらの色信号は、２５６階調分解部１２において、Ｒ，Ｇ，Ｂ各８ビットのカラー画像データに変換される（＃４）。デジタルのカラー画像データに変換されるのは、全画像のうちの予め設定された領域のみに対して行われる。

カラー画像データを構成する各色データと基準色データとを比較手段１３ａにより比較する（＃５）。これにより、色データの一致度を判定する。一致しているか否かの判定は既に述べたように、各色データが基準色データに対して所定の範囲（例えば、±２０％）に入っていれば一致しているものと判定可能である。もちろん、完全に一致しているという判断基準によるものでもよい。

基準色データと一致しているものと判定された画素群（第１画素群）と、基準色データと一致していないと判定された画素群（第２画素群）とに分けて、画像データを二値化処理する（＃６）。二値化処理されて得られた二値化画像は、図２で説明したように、領域Ａで示される範囲に表示される。

図４は、実際に炎を撮影して得られた監視画像を示すものである。（ａ）は画像処理を行っていない原画像を示している。図中、白線で囲われた領域が画像処理を行う領域として設定されている。（ｂ）は白線の領域内に二値化画像が表示されている画像を示している。二値化画像において、白く表示されている領域は、第１画素群に相当し、基準色データと一致していると判断された領域である。黒く表示されている領域は、第２画素群に相当し、基準色データと一致していないと判定された領域である。

次に、画素数カウント部１３ｃの機能に基づき、第１画素群の画素数をカウントする（＃７）。判定手段１３ｄは、このカウント結果に基づいて、燃焼状態が異常であるか否かを判定する（＃８）。判定基準としては、種々の方法が考えられる。例えば、第１画素群の画素数が、所定レベル以上であるか否かにより、異常か否かを判定することができる。また、画像処理された領域内における第１画素群が占める割合（％）に基づいて、異常か否かを判定できる。例えば、５０％以上を第１画素群が占めている場合は、正常であると判定できる。このような判定基準は、固定されたものではなく、加熱炉１の運転条件に応じて設定変更することができる。また、監視カメラ３の設置位置が変動した場合も、適宜、判定基準を変更することができる。

また、判定手段１３ｄにより異常であると判定された場合、直ちに異常信号を出力するのではなく、例えば、５回連続して異常が検出された場合に、異常信号を制御装置９に出力することが好ましい（＃９，１０）。このような異常信号を出力させる判定基準についても、適宜設定変更することができる。

モニター８に表示される原画像については、監視カメラ３から常にリアルタイムで連続的に入力されてくる画像信号に基づいて表示されるものであるが、画像処理される領域については、連続的ではなく、所定時間ごとに色抽出を行って表示させるものでも良い。例えば、数秒毎、１０秒毎、のように画像処理を行うタイミングを設定することができる。また、基準色データの設定も適宜のタイミングで更新することができる。

＜別実施形態＞
本実施形態では、アニリン加熱炉における燃焼状態を監視する場合を説明したが、これに限定されるものではなく、他の加熱炉における燃焼状態を監視する場合にも本発明は応用できるものである。

色抽出部１３の機能は、コンピュータソフトウェアの機能により実現できるものであるが、その一部もしくは全部をハードウェアに置き換えて構成することもできる。

燃焼状態監視システムの概要を示す模式図 画像処理装置の機能を示すブロック図 燃焼状態を監視する時の処理手順を示すフローチャート モニターに表示される画像を示す図

符号の説明

１ アニリン加熱炉
２ 炎
３ 監視カメラ
４ サイトグラス
７ 画像処理装置
８ モニター
９ ＤＰＡ加熱炉制御装置
１０ Ｙ／Ｃ分離部
１１ ＲＧＢ変換デコーダ
１２ ２５６階調分解部
１３ 色変換部
１３ａ 比較手段
１３ｂ 二値化手段
１３ｃ 画素数カウント部
１３ｄ 判定手段
１４ 基準色データ設定部
１７ 信号出力部
Ａ 領域

Claims (7)

1. 炎色を観察することで燃焼状態の良否を監視する燃焼状態監視システムであって、
   炎を含むカラー画像を撮影する撮影装置と、
   撮影装置により取得したカラー画像データを画像処理する画像処理装置とを備え、
   この画像処理装置は、
   カラー画像データを構成する各画素の色データと、予め設定している基準色データとを比較する比較手段と、
   この比較手段による比較結果に基づいて、燃焼状態の良否を判定する判定手段とを備えていることを特徴とする燃焼状態監視システム。
2. 前記比較手段による比較により、基準色データと一致している第１画素群と、基準色データと一致していない第２画素群とに分け、これら分類された画素群により二値化画像データを生成する二値化手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼状態監視システム。
3. 前記判定手段は、前記第１画素群または第２画素群の画素数に基づいて、良否を判定することを特徴とする請求項２に記載の燃焼状態監視システム。
4. 基準色データは、前記撮影装置により撮影されたカラー画像データを構成する各画素の色データに基づいて設定されるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃焼状態監視システム。
5. 炎色を観察することで燃焼状態の良否を監視する燃焼状態監視プログラムであって、
   炎を撮影した撮影装置により得られたカラー画像データを構成する各画素の色データと、予め設定している基準色データとを比較する処理と、
   この比較手段による比較結果に基づいて、燃焼状態の良否を判定する処理とをコンピュータに実行させることを特徴とする燃焼状態監視プログラム。
6. 前記比較する処理により、基準色データと一致している第１画素群と、基準色データと一致していない第２画素群とに分け、これら分類された画素群により二値化画像データを生成する処理を実行することを特徴とする請求項５に記載の燃焼状態監視プログラム。
7. 前記第１画素群または第２画素群の画素数に基づいて、良否を判定する処理を実行することを特徴とする請求項６に記載の燃焼状態監視プログラム。

Images