回转窑监控系统技术方案

项目背景

1.1项目概况

回转窑是指旋转煅烧窑（俗称旋窑），可用于对固体物料进行机械、物理或化学处理，具有煅烧质量好和产品质量高等优点，是建材、冶金、化工、环保等许多生产行业中的重要设备。按照其处理物料的不同，可将回转窑分为水泥回转窑、冶金化工窑和石灰窑，用于煅烧水泥熟料、钢铁厂贫铁矿磁化焙烧、活性石灰和轻烧白云石焙烧等。

回转窑是一个有一定斜度的圆筒状物，斜度为3～3.5%，借助窑的转动来促进料在回转窑内搅拌，使料互相混合、接触进行反应。以水泥回转窑为例，生料粉从窑尾筒体高端下，料管喂入窑筒体内，由于窑筒体的倾斜和缓缓地回转，使物料产生一个即沿着圆周方向翻滚，又沿着轴向从高温向低端移动的复合运动，生料在窑内通过分解，烧成等工艺过程，烧成水泥熟料后从窑筒体的底端卸出，进入冷却机。燃料从窑头喷入，在窑内进行燃烧，使窑内内部温度在1200℃以上，局部温度高达 1300-1400℃。燃烧发出的热量加热生料，使生料煅烧成为熟料，在与物料交换过程中形成的热空气，由窑进料端进入窑系统，最后由烟囱排入大气。

图1.1水泥回转窑结构示意图

在此生产过程中，窑温的控制直接影响原料质量。其一方面是燃烧设备，原料在其中燃烧产生热量；同时也是传热设备，原料吸收气体的热量进行煅烧。另外也是输送设备，将原料从进料端输送到出料端。而燃料燃烧、传热及原料运动三者间必须合理配合，才能使燃料燃烧所产生的热量能在原料通过回转窑（旋窑）的时间内及时传给原料，已到达高产、优质、低消耗的目的。

回转窑的筒体由40mm左右的钢板卷制而成，筒体内镶砌200mm左右的耐火材料，且与水平线成规定的斜度。由于高温和承重的关系，筒体会有椭圆形的变形，会对窑内耐火材料产生压力，随着转窑长时间不间断的运行，内部耐火材料会被侵蚀变薄甚至脱落，或者结圈拉圈，引发安全与生产故障事故。此前，山东一大型水泥生产企业，因为一次回转窑停窑事故，32个小时维修加上产量损失就合300多万。而这动辄几百万的损失，就是因为回转窑烧成带两块硅莫砖脱落引起的红窑造成的。“红窑”是因为某个区域窑体温度过高造成的，处理不及时可能造成窑炉烧穿等大型事故。因此对回转窑建设一套在线温度监控系统是稳定现场热工制度的重要措施，也是优质高产和转窑平安运转的关键。

1.2项目现状

回转窑作为水泥生产过程中的核心设施，窑内燃烧温度和筒体外壁温度对产品的质量和生产安全性至关重要。经现场勘测与交流，目前存在的风险如下：

回转窑内烧成温度直接影响反应进行得是否彻底、有效。反应温度过低，熟料质量不好，转窑被迫减速，单位热耗增加；
回转窑烧成温度过高，易烧坏窑衬材料，影响窑的长期平安运转；
由于熟料易结块，极易造成结圈，并在尾部堆积拉圈，影响产品质量，以致需要停窑除焦，影响设备运行可靠性。
内部耐火材料逐渐侵蚀、脱落，钢板则会直接暴露在高温环境中，软化甚至熔蚀，严重时威胁生产安全，造成非计划停窑或事故。
燃料在转窑内燃烧时，由于回转窑的结构特点，无法采取直接手段测量内部温度分布，无法判断燃烧中心的位置与内部的温度状况，会造成燃烧不充分或燃烧过度。

为了保证回转窑安全高效运行，急需一套行之有效的在线温度监控系统用于转窑的窑内窑外区域，以此提升生产流程的安全性及风险预警能力。监控系统应满足如下几点要求：

进行非接触式测温，对回转窑窑头和窑外进行全面、准确的温度监测，设备运行过程中不影响回转窑正常工作。
高稳定性与适用性：窑内监控设备可在高温条件下稳定工作，且测温范围覆盖窑内正常及异常温度。窑外监控设备可监控整个回转窑筒体；
风险预警与高温报警：可对高温对象实现快速报警；
数据存储：可全程或报警触发录像存储，并可以对以往的历史图像进行查询和回放；
电源供给在全天候的环境下，保证系统不间断供电。

1.3系统特点

采用高性能红外热像仪完成非接触式测温：高炉监控红外热像仪，专门针对窑内高温环境，测温范围高达1600℃；单光舱式热像仪视场角大，覆盖范围广，满足筒体监测所需；
全天候将采集的全辐射红外图像流接入中控室，在实时画面中查看转窑各个区域温度分布以及最高温、最低温与平均温等；
可自定义超温报警、高温区间报警、低温报警、温度区间报警、温度区间外报警5种类型报警方式以及微信或短信两种报警推送方式，告警时给相关负责人发送微信或短信，帮助相关人员及时采取行动；
实时绘制回转窑温度变化曲线,显示外壁温度横剖面和纵剖面各位置最高温变化趋势图，为分析转窑内部结焦或耐火泥脱落位置和状态提供参考；
回转窑每转一周，系统可记录下窑壁外表面平面展开后的温度分布，显示此周不同区域的最高温度值、最低温度值；
可在画面中设定转窑不同距离标识点，表明区域在转窑上的实际位置，让观测人员更好的辨别温度异常点；
自动生成区域最高温温度变化曲线，指导燃烧中心位置调整；
方便用户进行管理，可设置不同人员的使用权限；
系统自检，故障后自动重新连接，支持远程故障处理，保证系统稳定可靠运行。

1.4总结

综上所述，回转窑红外监控系统通过窑内外配合监测，可解决无法获知原料燃烧情况、窑内结圈情况和不能及时发现耐火材料减薄脱落等问题。

窑内，可实时获取内壁温度分布、原料运动轨迹、结圈分布及耐材情况；窑外，可在窑壁因内部耐火材料侵蚀、脱落，甚至到钢板软化、熔蚀之前，发现其早期异常缺陷并进行报警，最大程度避免“红窑”等状况。为工人进行回转窑温度调整、窑体维修去渣等工作提供科学有效的依据。在最终效果上实现稳定、及时、精准的风险预警功能，以此保障生产工艺流程的安全、健康运行。

回转窑监控平台软件

为更好地方便用户对回转窑进行温度监测和监控系统管理，我司特推出回转窑专用客户端软件和“YSIR智能物联网云平台”，以满足不同用户对系统管理的差异化要求。

4.1回转窑专用客户端软件

（1）内壁监控功能

内壁监控功能以视频展示为主，主要包括烧嘴火焰形状监测、区域温度极值显示、窑内球团运动轨迹监测、结圈位置及形状显示、耐材蚀损情况显示。可通过鼠标获取画面中任意点的温度，也可进行监控视频录制。

图4.1内壁实时监控界面截图

（2）外壁监控功能

回转窑筒体外壁监控功能包括回转窑外壁分距离标识功能、可通过鼠标获取画面中任意点的温度，也可进行监控视频录制。

图4.2 回转窑筒体实时监测界面截图

（3）外壁数据分析功能

为了方便用户对整个窑筒体温度有直观的了解，格物优信独家开发了回转窑外壁温度全天候三维连续监测技术。

回转窑外壁表面温度红外连续三维测定技术结合了窑体测温点定位技术、系统温度补偿技术以及红外热像仪，实时显示回转窑运行过程窑体的温度分布情况，实现回转窑全天候三维连续监测，直观展示窑体在运行过程中轴向及圆周方向上的温度信息，同时可显示窑外壁任意位置的具体温度值。窑外壁温度分布云图将窑体表面展开，可实时显示窑体旋转一周时外壁温度分布情况，系统可将窑体轴向和圆周方向温度的最高值和最低值取出单独显示，并具体到每米位置显示圆周方向温度极值。在软件中可从横截面和纵截面显示窑筒体温度，现场操作人员可由此判断窑内高温区位置、结圈生成位置及耐材脱落位置，为现场生产提供直观参考。

高炉监控红外热像仪

回转窑窑内温度监测可采用高炉监控红外热像仪。

设备功能特性

高炉监控红外热像仪是小尺寸、专用型的在线式测温型红外热像仪，专业用于高炉冶金行业等高温工业应用场景。高炉监控红外热像仪是高炉监控的升级型号，产品选用进口探测器，搭配专用的针孔镜头使用工作稳定、性能卓越，配合独有的测温校正算法和易用的用户界面，为金属冶炼、高炉炉况监控提供先进、可靠的测温技术支持。同时该款热像仪具有体积小巧、安装方便、成像清晰、测温范围广以及开窗小，易损部件可更换等优点。高炉监控红外热像仪配有功能丰富的终端软件，可满足用户差异化的应用需求。

高炉监控红外热像仪

采用针孔镜头，防止飞溅且体积小巧，方便安装；
针对行业的算法优化，解决烟尘气流干扰，成像清晰，测温精准，测温范围可达60-1600℃
灵敏度高，运行稳定：温度分辨率高，细微变化及时反应；适应复杂环境，性能稳定。
开窗小，易损部件可更换：超小的红外开窗尺寸，降低高温炉渣溅射概率；溅射损坏后，只需更换部件，降低维护成本。
专业软件提供数据分析和管理：配套专业软件，助力用户更便捷地实现复杂业务应用。
支持快速二次开发：提供简单易用的SDK开发包，无论是单独使用还是二次集成开发，都能满足用户差异化的需求。
设备参数
型号参数

型号	M384D1600ZF3.3
像素尺寸	17um
分辨率	384*288
帧频	50Hz
NETD	≤50mK@25℃
工作波段	8~14um
镜头焦距	3.3mm
视场角	100°×79°
测温范围	60~1600℃
测温精度	±2℃或±2%

通用参数

图像
成像距离	约20倍焦距至无穷远
测温模板	支持全局高低温追踪，支持点、线、多边形测温模板，支持模板内高低温追踪
图像增强	自适应增强、手动增强、细节增强
调色板	白热、黑热、铁红、红饱和等多种调色板
数据
单帧温度	带温度信息的JPG图片格式
温度流	全辐射温度信息存储
视频	H.264标准视频格式，支持RTSP流媒体协议，兼容通用视频播放软件
电气接口
电源	DC 9~15V，典型功耗2.5W@25℃
以太网	标准100/1000M以太网接口，支持TCP、UDP、IP、RTSP、ONVIF等协议，提供SDK开发包
串口	RS485
GPIO	1路磁隔离输入，1路继电器输出
环境参数
工作温度	-10～+60℃
储存温度	-40ºC～+85℃
湿度	非冷凝10%～95%
外壳防护	IP54
抗冲击性	25G
抗振动性	2G
机械参数
重量	300g（含镜头）
尺寸	836(L)×42(W)×42(H)mm，安装圆孔内径需大于59mm（含镜头）
安装	4个M2正面螺纹安装孔，2×4个M3侧面螺纹安装孔

设备外观尺寸

图3.2高炉监控红外热像仪外观尺寸图

3.2单光舱式热像仪

回转窑窑体外壁温度监测可采用格物优信单光舱式热像仪。

（1）设备功能特性

单光舱式热像仪是高性能、高准确度的在线式测温型红外热像仪。选用进口探测器，工作稳定、性能卓越，配合独有的测温校正算法和易用的用户界面，使得单光舱式热像仪成为质量控制、热源监测、安防夜视、设备维护等应用领域的首选产品。

图3.3单光舱式热像仪

非接触式在线实时测温，支持点、线、区域等多种测温对象添加与管理
专利红外算法，支持测温标记，支持铁红、白热、高对比度等多种调色板，打开您的不一样的温度“视界”
无损压缩算法，支持模拟视频、单帧温度、网络视频流、网络温度流等多种数据传输方式
五种温度提醒模式，解放人力，监控更省心
千/百兆以太网数据流输出

（2）设备参数

型号参数

型号	SS-HG-X640D	SS-HG-X384D
红外分辨率	640×480	384×288
像素尺寸	17um
帧频	30Hz	50Hz
NETD	≤50mK@25℃
工作波段	8~14um
视场角	根据现场勘察情况确定
角分辨率	根据现场勘察情况确定
测温范围	60~600℃
测温精度	±2℃或±2%

通用参数

图像
成像距离	约20倍焦距至无穷远
测温模板	支持全局高低温追踪，支持点、线、多边形测温模板，支持模板内高低温追踪
图像增强	自适应增强、手动增强、细节增强、电子倍焦
调色板	白热、黑热、铁红、红饱和等多种调色板
数据
单帧温度	带温度信息的JPG图片格式
温度流	全辐射温度信息存储
视频	H.264标准视频格式，兼容通用视频播放软件
电气接口
电源	DC9~15V，典型功耗2.5W@25℃
以太网	标准100/1000M以太网接口，支持TCP、UDP、IP、RTSP、ONVIF等协议，提供SDK开发包
串口	RS485
GPIO	1路磁隔离输入，1路继电器输出
环境参数
工作温度	-10～+60℃
储存温度	-40ºC～+85℃
湿度	非冷凝10%～95%
外壳防护	IP54
抗冲击性	25G
抗振动性	2G
机械参数
尺寸	240(L)145(W)140(H)mm

YSIR智能物联网云平台

格物优信推出的“YSIR智能物联网云平台”以公司在行业内积累多年的红外软件技术为基础，结合了云计算、人工智能以及物联网等国际前沿科技，旨在为冶金行业客户提供以红外测温为核心的一体化智能物联网解决方案。贯穿冶金工业生产包括从回转窑、烧结、高炉、转炉、冷轧以及热轧等全流程数字化、智能化管理，能极大的满足场景对安全高效、智能生产的需求。

用户可在云端对数据进行管理和分析，通过云平台自定义设置异常的通知方式与通知联系人。YSIR智能物联网云平台通过客户端软件与云端应用的结合，实现了智能化的控制体系，其基具体功能与技术目标如下：

在线测温功能：所有视频图像可全程录像存储，并可以对以往的历史图像进行查询和回放。
独立报警功能：对回转窑窑内和外壁分开设定报警阈值，实现独立测温以及独立报警功能。
风险预警：实时全景监控与高灵敏度特点，发现异常高温时可实现毫秒级报警。
报警类型：分为高温报警和温升报警。高温报警即被测区域超过预设值时报警，温升报警即被测区域温度在某一时间段内出现异常温升时报警，具体数值可根据实际情况设定。
温度补偿：设备可根据现场实际环境温度自动进行温度补偿，以满足不同温度环境下的测温需求。
痕迹管理：对现场所测温度实时写入数据库，并自动生成报表与温度曲线。调取历史温度信息和报警记录，方便于出现问题后进行故障跟踪及事故分析。
非接触测温：在不需要人力巡检的同事也不影响回转窑正常工作的情况下完成温度获取。
报警日志：报警记录与图像同步存储系统。
记录自动清除：当检测到系统存储空间不满10G时系统自动删除最开始历史记录，避免硬盘空间不足导致数据无法存储。
实时显示全辐射热图：值班人员可通过鼠标查看画面任意位置的瞬时温度，对异常情况进行录制、拍照、分析。
高温追踪：自动对热像图整个画面或特定区域进行温升趋势分析，提早发现隐患区域。
温度曲线分析：软件监测回转窑各区域装置外壁温度时可实时显示最高温曲线，通过曲线的变化趋势用于判定此时回转窑各个区域是否异常。
自定义报警阈值：系统可自定义不同报警阈值和等级，协助工作人员对隐患发生的紧急程度和发展态势作出评估。
自动诊断：设备具有网络中断自动检测恢复功能，当设备因断电或者断网导致工作异常，待线路正常后可自行排查问题进行恢复。
远程通知：云平台服务器，可第一时间将现场报警信息通过短信和公众号的方式推送到相应人员手机上，第一时间掌握现场情况；
用户权限管理：软件登录界面需要特定的账号密码，防止现场工人的误操作。