隨著我國電力工業(yè)的迅速發(fā)展，電站單機(jī)容量不斷增大。大型機(jī)組不僅需要檢測全爐膛火焰，還需檢測單個燃燒器火焰。目前常規(guī)鍋爐火焰檢測器存在如下問題；(1)火焰燃燒區(qū)域位置漂移影響檢測的可靠性；(2)用火焰閃爍頻率定值判斷方法不能適應(yīng)鍋爐負(fù)荷大范圍變化要求；(3)不提供火焰圖像信息，無法真正了解爐內(nèi)燃燒真實(shí)狀況。
    對此，筆者設(shè)計了1套采用數(shù)字圖像處理技術(shù)的200 MW機(jī)組電站鍋爐火焰圖像檢測系統(tǒng)，并提出了檢測區(qū)域可變的火焰圖像檢測算法。系統(tǒng)不僅提高了火焰檢測的可靠性，且提供了燃燒的可視信息，為優(yōu)化燃燒提供了平臺。
1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能
    火焰圖像檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。200MW機(jī)組鍋爐共有16只燃煤燃燒器，火焰圖像檢測器是插裝在鍋爐二次風(fēng)道中對燃燒器進(jìn)行火焰檢測的關(guān)鍵部件，主要由光纖傳像束、彩色攝像機(jī)和冷卻系統(tǒng)組成。檢測器的圖像信號經(jīng)視頻分配器分配后分成兩路：一路通過視頻矩陣和畫面圖像分割器送至上位機(jī)和延時錄像機(jī)；一路送至相應(yīng)下位機(jī)。
    上位機(jī)采用內(nèi)含視頻采集卡、通信卡和繼電器卡的工業(yè)控制機(jī)作為操作站，并通過共享器連接兩套鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器，1套安置在控制柜中，1套放置在操作臺上，富通新能源銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的木屑生物質(zhì)顆粒燃料。
    為掌握全爐膛燃燒狀況并進(jìn)行燃燒的診斷，將全爐膛圖像信號接進(jìn)上位機(jī)。
    上位機(jī)操作站主要完成火焰燃燒狀況實(shí)時顯示、滅火與故障報警、記錄與事故追蹤、燃燒器火焰直方圖、燃燒歷史強(qiáng)度顯示、燃燒器或全爐膛火焰溫度場顯示和溫度場偏移實(shí)時診斷。
    系統(tǒng)采用RS-232C實(shí)現(xiàn)內(nèi)部通信。上位機(jī)與視頻矩陣通信選擇相應(yīng)火焰圖像顯示，通過與圖像分割器通信可選擇圖像單畫面或多畫面顯示方式。上位機(jī)與下位機(jī)通信傳送火焰檢測初始區(qū)域、最大區(qū)域和各類閾值參數(shù)，同時下位機(jī)檢測結(jié)果上報。
    下位機(jī)同樣采用內(nèi)含視頻采集卡和繼電器卡的工業(yè)控制機(jī)。每臺下位機(jī)負(fù)責(zé)4個燃燒器火焰燃燒檢測，火焰檢測結(jié)果作為保護(hù)和報警信號通過1/0繼電器卡輸出至PLC，由PLC鎖存后再輸出到爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)。同時通信至上位機(jī)。
下位機(jī)沒有使用內(nèi)部看門狗電路，而采用外部PLC對其工作狀態(tài)監(jiān)測。這是因?yàn)楫?dāng)下位機(jī)死機(jī)、重新啟動或其它故障時，繼電器輸出狀態(tài)的不確定會使FSSS系統(tǒng)誤動作，采用PLC在下位機(jī)非正常狀態(tài)時能輸出上一正常時刻的火焰檢測結(jié)果，防止錯誤信號輸出，同時對下位機(jī)發(fā)出硬件復(fù)位信號。
2、軟件設(shè)計
    系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)、下位機(jī)及PLC軟件三大部分。上下位機(jī)中的應(yīng)用軟件是在Windows9X/NT操作系統(tǒng)環(huán)境下，利用Visual C++6.O開發(fā)。
    由于上位機(jī)要實(shí)現(xiàn)火焰實(shí)時監(jiān)視、初步實(shí)時診斷和滅火與故障報警及記錄等功能，其表現(xiàn)為要進(jìn)行顯示、管理、診斷和通信等任務(wù)，有些任務(wù)要并行處理，因此采用多線程序設(shè)計。在系統(tǒng)用戶界面線程中，顯示和管理任務(wù)按命令方式處理，同時在該線程中創(chuàng)建一個子線程處理燃燒診斷。在通信任務(wù)中分主動通信和被動通信，主動通信是指由上位機(jī)提出的與下位機(jī)及其它設(shè)備的通信要求，在編程中采用用戶界面線程中的命令方式處理。被動通信是由下位機(jī)發(fā)出的與上位機(jī)的通信要求，通過工作者線程完成通信任務(wù)。
    下位機(jī)主要由兩個處理程序組成，一是通信中斷處理程序，完成各種參數(shù)傳輸。另一個是火焰檢測處理程序，由時間中斷觸發(fā)，在該程序中，當(dāng)檢測結(jié)果與上次檢測不一致時才與上位機(jī)通信，但每次檢測結(jié)果都輸出到PLC，同時發(fā)脈沖至PLC，復(fù)位PLC中的監(jiān)測記時器。
    PLC編程思想是：在規(guī)定的時間內(nèi)有下位機(jī)脈沖輸出，則讀人下位機(jī)輸出狀態(tài)，并將其鎖存后輸出；如無脈沖輸出則發(fā)出復(fù)位信號，同時在一定時間內(nèi)輸出原鎖存狀態(tài)直至下位機(jī)正常。如在規(guī)定的恢復(fù)時間內(nèi)，下位機(jī)還是無法正常工作則PLC輸出報警信號。
    圖2為本系統(tǒng)上位機(jī)一運(yùn)行畫面。
3、火焰檢測算法
3.1火焰圖像特性
    煤粉火焰分未燃燒區(qū)、初燃燒區(qū)、燃燒區(qū)和火焰尾跡等區(qū)域，圖3為包含這4個區(qū)域的火焰圖像。另外火焰圖像并不照滿整個檢測圖面，圖像上有未照射黑區(qū)。
    火焰圖像具有以下特征：(1)在黑區(qū)內(nèi)，像素上的R、G、B3個色度值都很低；(2)在火焰未燃區(qū)（黑龍區(qū)）內(nèi)，R、G、B3個色度值較低，但R值比黑區(qū)的尺值要高些；(3)在燃燒區(qū)內(nèi)，R、G、B都很高；(4)當(dāng)有物體擋住鏡頭或光纖斷路等故障時，圖像R、G、B特性與黑區(qū)內(nèi)的R、G、B特性一致。
    燃燒器滅火時有兩種情況：一是斷粉熄火，這時背景火焰進(jìn)入檢測圖像中，檢測到圖像特性呈現(xiàn)出火焰燃燒區(qū)特性，在檢測時要注意這種“偷火”現(xiàn)象；另一種是噴粉滅火，圖像中大部分為“黑龍”，圖像特性就是火焰未燃區(qū)的特性，富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。