PL202889B1 - Sposób i urządzenie do nadzorowania procesu termodynamicznego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy sposobu i urządzenie do nadzorowania procesu termodynamicznego.

Znane są sposoby i urządzenia służące do nadzoru procesu spalania wymieniane w opisach patentowych US 5971747, US 6468069, US 6278374 oraz DE 19710206, gdzie w ustalaniu określonych własności procesu ważną rolę odgrywa optyczne rozpoznawanie obrazu procesu spalania. Powstający materiał zdjęciowy przedstawiany przez płomień własny i przez przetransformowane współrzędne rejestrowany jest poprzez co najmniej jedną kamerę i pozwala na definiowanie określonych momentów procesu oraz na odtwarzanie materiału zdjęciowego na ograniczonym funkcjonalnie systemie. Wybrane cechy procesu, i tylko te, są następnie odszukiwane i wykorzystywane do tworzenia modelu procesu.

Informacje zawarte w materiale obrazowym według znanych sposobów są wykorzystywane tylko częściowo. Zadaniem niniejszego wynalazku jest udoskonalenie sposobów oraz urządzeń znanych ze stanu techniki.

Ponieważ u podstaw automatycznego rozpoznawania obrazu, dla co najmniej większej części jego wielkowymiarowej powierzchni, leży problematyka wartości własnej, informacja zawarta w obrazach bez znaczącej utraty informacji może zostać przetransformowana w mało wymiarowy obszar celem późniejszego rozpoznania. Obrazy są wtedy przedstawiane poprzez charakterystyczne cechy obrazu (typu „płomień własny) w oparciu o problematykę wartości własnej. Rozpoznawanie obrazu następuje automatycznie ponieważ dzieje się to z inicjatywy systemu i nie zależy od parametrów wybieranych przez użytkownika systemu.

Pojedyncze zdarzenia mogące znacząco wpływać na proces uwzględnia się przy rozwiązywaniu wartości własnej, tak by w późniejszym rozpoznawaniu obrazów mogły być identyfikowane szybciej.

W powstającym w trakcie nadzorowania procesu termodynamicznego materiale zdjęciowym rejestruje się jednocześnie emisje co najmniej jednego płomienia procesu termodynamicznego we wspólnym ujęciu z produktem przetwarzanym w tym procesie, przy czym cały opis ujęcia poddany jest rozpoznaniu obrazu. Materiał zdjęciowy uwzględnia także emisję ścian przestrzeni spalania.

W materiale zdję ciowym rozpoznawanym w oparciu o problematykę wartoś ci wł asnych, chwilowemu obrazowi przypisuje się zsumowany, pojedynczy obraz dla różnych punktów czasu jako przestrzeń trójwymiarową. Materiał ten przedstawiany jest co najmniej w dużej mierze poprzez płomień własny i przetransformowane współrzędne. Przez płomień własny uwzględniane są również pojedyncze wydarzenia jakim może być pęknięcie opakowania śmieci w spalarce śmieci.

Typowy proces termodynamiczny przebiega w piecu rurowym cementowni, spalarce śmieci lub piecu siłowni. Dane o procesie pochodzące z obrazowego rozpoznawania parametrów procesu są porównywane z wartościami optymalnymi i wykorzystane odpowiednio do regulacji procesu.

Urządzenie do realizacji omawianego sposobu zawierające kamerę do uzyskiwania materiału zdjęciowego obejmuje płomień i produkt w jednym ujęciu oraz zawiera urządzenie do obróbki danych do automatycznego rozpoznawania obrazów. W tym ostatnim zastosowana jest sieć neuronowa.

Typowy proces termodynamiczny służy obróbce produktu, gdzie za pomocą co najmniej jednego płomienia określonego procesu spalania zapewniana i utrzymywana jest konieczna temperatura. Jednoczesne wykreowanie płomienia i produktów za pomocą materiału zdjęciowego, to jest emisji promieniowań płomienia i produktów ma tę zaletę, że informacje o wzajemnym oddziaływaniu płomienia i produktu pozyskiwane są wg jednego sposobu. Pozwala to na ogarnięcie całości rozpoznawania jednym opisem. Szczególnie uwzględniane jest otoczenie płomienia a w tym także ściany przestrzeni spalania t.j. ich emisja. Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na podstawie rysunków obrazujących trzy przykłady zastosowania. Fig. 1 ukazuje częściowy przekrój podstawowego widoku urządzenia do produkcji cementu jako ilustrację dla przykładu pierwszego zastosowania. Na fig. 2 pokazany jest uproszczony obraz urządzenia z fig. 1. Figura 3 jest schematycznym przedstawieniem urządzenia do spalania śmieci jako ilustracja dla przykładu drugiego. Figura 4 jest schematycznym przedstawieniem pieca siłowni jak dla przykładu trzeciego zastosowania w przekroju podłużnym, gdzie fig. 5 jest przekrojem poziomym, zaś fig. 6 jest schematycznym przedstawieniem materiału obrazowego trzeciego przykładu.

We wszystkich trzech przykładach, w urządzeniach przebiegają procesy termodynamiczne, gdzie co najmniej częściowo palne produkty G przy dopływie powietrza L podlegają utlenianiu przy obecności co najmniej jednego płomienia F.

PL 202 889 B1

Proces termodynamiczny powinien być nadzorowany i następnie wyregulowany tak, by wykazywać z jednej strony określoną stabilność a z drugiej strony plastyczność t.j dopasować się do warunków wynikających z założonych celów optymalnych.

Stan urządzenia określają różne parametry procesu, z których niektóre stanowią wielkości nastawcze. Poprzez takie działania jak zmiana wartości nastawczych zmieniany jest stan urządzenia. Dla potrzeb bieżącego nadzoru i regulacji oraz prognozowania przyszłych stanów urządzenia w urządzeniu obróbki danych 1 stosuje się sieć neuronową.

Proces termodynamiczny rejestrowany jest za pomocą co najmniej jednej kamery 3. Kamera 3 jest tak zainstalowana by obejmować zarówno płomień F jak i wypalany produkt G a także pozostałości B i emisję całego otoczenia. Materiał zdjęciowy 5 pobrany przez kamerę 3 zawiera także obraz zdarzeń dotyczących wzajemnego oddziaływania między płomieniem F i produktem G. Materiał zdjęciowy 5 przechodzi przez urządzenie do obróbki danych 1, gdzie z jednej strony ukazany jest bieżący obraz video a z drugiej strony z informacji w materiale 5 pozyskuje się niektóre wartości procesu.

Aby móc obrabiać informację z materiału zdjęciowego 5 bez znaczącej utraty danych tj. móc najpierw kompleksowo dokonać transformacji do mało wymiarowej przestrzeni, sięga się przeważnie do podstaw problematyki wartości własnej tj. do analizy ważnych składowych (Principal Component Analysis). Każdy obraz opisany jest przez jedną z niewielu skalarnych wartości własnych (najczęściej mniej niż 20, przykładowo 8) to znaczy współrzędnych przetransformowanych w nowy układ współrzędnych oraz przez płomienie własne czyli osie współrzędnych na nowy układ współrzędnych, gdzie dominuje największa wartość własna odnosząca się do własnego płomienia. Termin płomień własny rozumiany jest szerzej, gdyż obejmuje nie tylko emisję płomienia F ale i produkty G.

W klasycznej analizie ważnych składowych trzeba ustalić miejsca zerowe charakterystycznych wielomianów matrycy kowariancji. Aby uzyskać system ortonormalnych płomieni własnych, w sieci neuronowej alternatywnie może być zastosowany stochastyczny sposób aproksymacji, gdzie inicjowane są najpierw przypadkowo pierwszeństwa wszystkich neuronów a następnie z materiałem zdjęciowym najpierw adaptuje się pierwszeństwo pierwszego neuronu, następnie drugiego neuronu itd.

Wektorowe płomienie własne okazują się dalej być zwartymi obszarami, gdzie sąsiadujące piksele śledzą także sąsiadujące narożniki w przestrzeni spalania i ich emisję światła mocno korelują. Z wielości pobranych obrazów oprócz niektórych przeciętnych jaskrawości - wybiera się także pojedyncze zdarzenia jako podstawę wektorowych płomieni własnych dla problematyki wartości własnych (jak przykładowo nagła dostawa nowego produktu G).

Dzięki przyjęciu problematyki wartości własnych do wybierania parametrów procesu, w sieci neuronowej uzyskuje się model procesu pozwalający na uzyskiwanie dokładniejszych prognoz. Pojedyncze zdarzenie jest przy takim zapoczątkowaniu szybko rozpoznawane tak, że mogą być zapoczątkowane różne dodatkowe pomiary w celu otrzymania szerszej informacji o aktualnym stanie procesu w oparciu o pojedyncze zdarzenia.

Ponieważ rozpoznawanie obrazu nie zależy już więcej od jakiegoś ustalonego wyboru parametrów lecz od wyselekcjonowanej, wzajemnie dopasowanej informacji z materiału obrazowego 5, możliwe jest zautomatyzowanie rozpoznawania obrazów. Znacznie zredukowane jest przy tym niebezpieczeństwo pominięcia jakiejś istotnej informacji z materiału obrazowego 5.

Jednoczesne uwzględnienie emisji produktów G w materiale obrazowym 5 dostarcza informacji o ich wzajemnym oddziaływaniu z płomieniem G co nie jest osiągalne w żaden inny sposób. W oparciu o materiał obrazowy 5, przyjmując za podstawę problematykę wartości własnych uwzględnia się przemiany w czasie dla różniących się momentów czasowych.

Pierwszy z przykładów zastosowania dotyczy pieca rurowego 11 do wytwarzania cementu w znany sposób. Kamera 3 zainstalowana jest wewnątrz pieca rurowego 11 i pobiera obraz pł omienia F z palnika 13, przetwarzanego produktu G oraz ś cianki 7 z pozostał o ś ciami B.

Urządzenie do przetwarzania danych 1 podaje materiał obrazowy 5 kamery 3 jako podstawę wartości własnej. Sieć neuronowa otrzymuje poza skompresowanymi danymi także informację o strumieniach odpowiednio powietrza L dostarczanego różnymi drogami, paliwa i produktu G. Celem optymalnym jest wysoka wartość współczynnika FCAO powstającego klinkieru K, przy czym wartość FCAO określana jest nie tylko przez stan w piecu rurowym 11 lecz także przez warunki strefy chłodzenia 15. Ponadto mieszanka paliwowa winna być tak dobrana, by możliwe było większe zużycie dużo gorszego paliwa, tj. odpadów. W końcu pozostałości B na ściance 7 pieca rurowego 11 nie powinny być duże.

PL 202 889 B1

Drugi przykład zastosowania dotyczy spalarki śmieci 21. Także tutaj pobierane są obrazy płomienia F i produktu G łącznie za pomocą kamery 3, a zwłaszcza wielu kamer. W specjalnym zastosowaniu do specjalnego spalania śmieci wrzuca się do spalarki śmieci 21 w pewnych odstępach opakowania 23 ze specjalnymi odpadami. Pękanie takich opakowań 23 z powodu wysokiej temperatury jest pojedynczym zdarzeniem, które zgodnie z metodyką wartości własnej jest wg wynalazku szybko rozpoznawalne. Mogą być uruchamiane wtedy dodatkowe różne pomiary jak np. próbne sondaże w celu uzyskania dodatkowych informacji o pojedynczych zdarzeniach. W szczególności wraz z otwarciem klapy pieca w celu wrzucenia opakowania 23 z odpadami startuje kamera do szybkich zdjęć, która dostarcza materiału zdjęciowego 5 na krótko przed i po pojedynczym zdarzeniu.

Trzeci przykład dotyczy siłowni, gdzie do pieca 31 dostarczane jest oprócz powietrza L, paliwo 33 - przykładowo rozdrobniony węgiel - z każdego z narożników. Wewnątrz pieca 31 tworzy się wielki, wirujący płomień. Zainstalowanych jest więcej kamer 3 na trzech różnych wysokościach z jednej strony pieca 31. Każda kamera 3 pobiera obraz płomienia F jak i obszaru doprowadzania paliw 33 w jednym ujęciu tak, że w szczególności wprowadzanie paliwa 33 w płomień F dostarcza interesujących informacji, podczas gdy z reguły przy paliwie 33, w przeciwieństwie do powietrza L, można mierzyć tylko cały strumień z młyna węglowego a nie częściowy strumień pojedynczego obszaru zasilania.

Materiał zdjęciowy 5 wykazuje dwuwymiarowe x-y, pojedyncze zdjęcia kamery 3 zsumowane do jednego obrazu x'-y' w różnych momentach czasu t łącznie z przestrzenią trójwymiarową. Materiał zdjęciowy 5, który jak i w innych przykładach zastosowania jest quasi trójwymiarowy, jest do wykorzystania w opisanej metodyce wartości własnych.

Claims (10)

1. Sposób nadzorowania procesu termodynamicznego w urządzeniu, gdzie powstaje materiał zdjęciowy procesu poddawany następnie rozpoznawaniu obrazu, a u podstaw automatycznej oceny obrazu uwzględniana jest głównie problematyka wartości własnych, znamienny tym, że w materiale zdjęciowym (5) rejestruje się jednocześnie emisje co najmniej jednego płomienia F procesu termodynamicznego we wspólnym ujęciu z produktem G przetwarzanym w tym procesie, przy czym cały opis ujęcia poddany jest rozpoznaniu obrazu.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał zdjęciowy (5) uwzględnia także emisję ścian (7) przestrzeni spalania (11, 21, 31);

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że w materiale zdjęciowym (5) rozpoznawanym w oparciu o problematykę wartości własnych, chwilowemu obrazowi (x, y) przypisuje się zsumowany, pojedynczy obraz (x, y) dla różnych punktów czasu (t) jako przestrzeń trójwymiarową;

4. Sposób według jednego z zastrz. od 1 do 3, znamienny tym, że materiał zdjęciowy (5) przedstawiany jest co najmniej w dużej mierze poprzez płomień własny i przetransformowane współrzędne;

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że również pojedyncze wydarzenia są uwzględniane przez płomień własny;

6. Sposób według zastrz. od 1 do 5, znamienny tym, że proces termodynamiczny przebiega w piecu rurowym (11) cementowni, spalarce śmieci (21) lub piecu (31) siłowni.

7. Sposób według zastrz. 3 i 6, znamienny tym, że pęknięcie opakowania śmieci (23) w spalarce śmieci (21) jest pojedynczym zdarzeniem;

8. Sposób według zastrz. od 1 do 7, znamienny tym, że dane o procesie pochodzące z obrazowego rozpoznawania parametrów procesu są porównywane z wartościami optymalnymi i wykorzystane odpowiednio do regulacji procesu;

9. Urządzenie do nadzorowania procesu termodynamicznego zawierające co najmniej kamerę do uzyskiwania materiału zdjęciowego, znamienne tym, że ujmuje płomień F i produkt G w jednym ujęciu oraz zawiera urządzenie do obróbki danych (1) do automatycznego rozpoznawania obrazów;

10. Urządzenie według zastrz. 9, znamienne tym, że w urządzeniu do obróbki danych (1) zastosowana jest sieć neuronowa.