一种基于红外遮挡原理的给煤机下煤口湿煤积堵预警系统及方法与流程

本技术属于工业自动化检测，具体涉及一种基于红外遮挡原理的给煤机下煤口湿煤积堵预警系统及方法。

背景技术：

1、给煤机是火力发电厂、煤矿及化工等行业中物料输送系统的关键设备，其下煤口的畅通与否直接影响整个生产系统的安全稳定运行。随着燃煤电厂煤种日益复杂多样，高水分煤、湿黏煤的掺烧比例不断增加，给煤机下煤口湿煤积堵问题愈发突出。湿煤因含水量高、黏性大，在通过下煤口时极易附着于管壁并逐渐堆积，导致通流面积缩小甚至完全堵塞。一旦发生严重积堵，轻则引起给煤机跳闸、磨煤机联跳，导致机组负荷波动；重则可能引发制粉系统停运甚至安全事故。因此，对给煤机下煤口湿煤积堵状态进行及时、准确的监测与预警，具有重要的工程应用价值。

2、目前，针对给煤机堵煤的检测与预警，现有技术主要存在以下几方面问题：

3、接触式机械堵煤开关可靠性差，误报与拒动频发。传统给煤机堵煤检测多采用挡板接触式堆煤传感器，其依靠煤料堆积推动挡板动作以触发开关信号。然而，由于下煤口工作环境恶劣、煤粉污染严重，挡板转轴容易卡涩，导致开关频繁误动或拒动。误报会造成制粉系统不必要的停运，影响机组带负荷能力；拒动则使积堵持续恶化直至严重堵塞后才被发现，错过了最佳处理时机。部分改进方案采用非接触式超声波测距传感器替代机械开关，但仍受限于单点测量的局限性，无法全面反映下煤口内部的积堵分布状态。

4、现有非接触式检测手段难以实现积堵高度的定量判定与分级预警。近年来出现了基于声敏技术、视觉检测及雷达物位传感等非接触式堵煤检测方案。声敏检测依赖煤流撞击管壁产生的声音信号，易受环境噪声干扰；视觉检测受煤尘、光照条件影响严重，且下煤口内部空间狭小、光线不足，摄像头难以获得清晰的成像画面；雷达物位传感器同样受煤尘附着和物料表面形态影响，测量精度难以保证。更重要的是，上述方案多为单点测量，无法获取积堵在纵向高度上的连续分布信息，难以实现从轻度黏附到重度堵塞的分级预警。

5、现有检测系统缺乏对湿煤黏性变化的自适应能力。煤料的含水率随季节、煤源、天气等因素动态变化，含水率升高时湿煤黏性显著增大，积堵风险急剧上升。然而，现有堵煤检测方案均采用固定阈值进行报警判断，当煤质发生变化时，固定阈值既无法在湿煤工况下及时预警（阈值偏高导致漏报），也无法在干煤工况下避免因过于灵敏而产生的误报。这种“一刀切”的判定方式严重制约了预警系统的适应性和可靠性。

6、综上所述，亟需一种能够实现下煤口积堵状态的多层立体化检测、积堵高度的定量判定、基于湿煤黏性的自适应预警以及分级处置与反馈优化的给煤机下煤口湿煤积堵预警系统及方法。

技术实现思路

1、本技术提供一种基于红外遮挡原理的给煤机下煤口湿煤积堵预警系统及方法，旨在解决现有技术误报与拒动频发，难以实现积堵高度的定量判定与分级预警，缺乏对湿煤黏性变化的自适应能力的问题。

2、第一方面，一种基于红外遮挡原理的给煤机下煤口湿煤积堵预警系统，所述系统包括：

3、多层红外对射阵列监测模块，沿给煤机下煤口纵向分布的多层红外对射单元分别发射并接收红外光束，实时检测各层红外光束的遮挡状态，每层红外对射单元独立输出遮挡信号；

4、信号调理与采集模块，与所述多层红外对射阵列监测模块的各层输出端分别对应连接，对各层红外接收管输出的原始电信号进行前置放大、滤波整形和模数转换处理，将遮挡状态编码为遮挡等级信号后输出；

5、湿煤含水率检测模块，安装于给煤机下煤口上游，在煤料进入下煤口之前实时检测煤料含水率，并对含水率检测值进行温度补偿校正后输出校正后的含水率数据；

6、动态锚框自适应校准模块，与所述信号调理与采集模块信号连接，读取预设时间窗口内存储的历史遮挡率数据和含水率数据，对遮挡状态特征进行动态聚类分析，生成适应当前煤质特性和工况条件的最优判定锚框参数；

7、数据处理与预警模块，分别与所述信号调理与采集模块、所述湿煤含水率检测模块、所述动态锚框自适应校准模块信号连接，根据所述遮挡等级信号计算各层遮挡率，根据所述校正后的含水率数据和环境温度计算湿煤黏性系数，结合所述最优判定锚框参数生成动态预警阈值，将各层遮挡率与所述动态预警阈值进行比对以判定预警等级，并输出预警信号；

8、预警执行与反馈模块，与所述数据处理与预警模块信号连接，接收所述预警信号，根据预警等级执行声光报警、向上位机发送预警信息以及向给煤机控制系统发送联锁控制信号，并将人工处置结果反馈至所述动态锚框自适应校准模块用于锚框参数的迭代优化。

9、可选的，所述多层红外对射阵列监测模块包括沿给煤机下煤口纵向间隔布置的至少三层红外对射单元，每层红外对射单元包含一组红外发射管阵列和一组红外接收管阵列，所述红外发射管阵列与所述红外接收管阵列在水平方向上一一对应形成多束相互平行的对射式红外探测光路；

10、所述红外发射管采用脉冲调制方式工作，所述红外接收管实时采集接收光强度信号并转换为电信号输出至所述信号调理与采集模块。

11、可选的，所述信号调理与采集模块包括前置放大单元、滤波整形单元、模数转换单元和遮挡状态编码单元；

12、各层红外接收管的输出信号经独立屏蔽电缆送入各自独立的信号调理通道，所述前置放大单元将红外接收管输出的电流信号转换为电压信号，所述滤波整形单元对前置放大后的信号进行滤波去噪和波形整形处理，所述模数转换单元对各通道整形后的信号进行同步采样和数字化转换，所述遮挡状态编码单元根据各层红外接收管的光强衰减程度将遮挡状态编码为多层级遮挡等级信号并以并行数据格式输出至所述数据处理与预警模块。

13、可选的，所述湿煤含水率检测模块包括近红外水分检测单元、温度补偿单元和含水率数据输出单元；

14、所述近红外水分检测单元采用近红外反射式水分传感器实时检测煤料含水率；

15、所述温度补偿单元内置温度校正模型，将检测到的环境温度参数代入预置的校正公式对含水率检测值进行实时校正；

16、所述含水率数据输出单元将校正后的含水率数据转换为标准工业信号格式传输至所述数据处理与预警模块。

17、可选的，所述动态锚框自适应校准模块包括历史数据存储单元、聚类分析单元和锚框更新单元；

18、所述历史数据存储单元用于存储预设时间窗口内的各层遮挡率数据、含水率数据及设备运行参数；

19、所述聚类分析单元采用聚类算法对历史数据中的遮挡状态特征进行动态聚类分析，提取各类的聚类中心；

20、所述锚框更新单元在每个预设周期或检测到含水率变化超过预设阈值时触发所述聚类分析单元执行聚类分析，根据聚类结果更新判定锚框参数，并将更新后的锚框参数输出至所述数据处理与预警模块。

21、可选的，所述数据处理与预警模块包括：

22、遮挡率计算单元，设置于所述数据处理与预警模块的信号输入端，从所述信号调理与采集模块接收各层遮挡等级信号，对各层中被判定为遮挡的光束数量进行累加统计，分别计算各层遮挡率；

23、积堵高度判定单元，接收所述遮挡率计算单元输出的各层遮挡率数据，根据各层遮挡率的空间分布状态判定当前物料堆积的纵向延伸高度及形态特征；

24、湿煤黏性系数计算单元，从所述湿煤含水率检测模块获取当前煤料含水率，从温度补偿单元获取当前环境温度，计算当前工况下的湿煤黏性系数；

25、动态阈值生成单元，接收所述动态锚框自适应校准模块输出的最优判定锚框参数和所述湿煤黏性系数计算单元输出的湿煤黏性系数，根据当前湿煤黏性系数与参考黏性系数的比值对各基准阈值进行缩放，生成当前工况下的动态预警阈值集合；

26、分级预警判定单元，接收所述遮挡率计算单元输出的各层遮挡率数据和所述动态阈值生成单元输出的动态预警阈值集合，将各层遮挡率与各预警阈值进行逐层比对，判定当前积堵状态所属预警等级；

27、预警信号输出单元，接收所述分级预警判定单元的判定结果，根据预警等级生成对应的预警信号并输出至所述预警执行与反馈模块。

28、可选的，所述预警执行与反馈模块包括：

29、声光报警单元，接收所述数据处理与预警模块传送的预警等级信号，根据预警等级驱动外部的声光报警器发出不同频率和强度的声光报警信号；

30、上位机通信单元，通过无线发射模块或工业以太网将预警信号、积堵高度、含水率数据实时上传至上位机监控系统；

31、设备联锁控制单元，在接收到的预警等级达到最高预警等级时，自动向给煤机控制系统发送联锁控制信号，实现设备的自动保护停机或降速运行；

32、反馈校正单元，接收上位机或现场操作人员的人工确认信号及处理结果反馈，将反馈数据传送至所述动态锚框自适应校准模块用于后续锚框参数的迭代优化。

33、第二方面，一种基于红外遮挡原理的给煤机下煤口湿煤积堵预警方法，应用于所述的基于红外遮挡原理的给煤机下煤口湿煤积堵预警系统，所述方法包括：

34、s1：多层红外对射监测数据采集，沿给煤机下煤口纵向分布的多层红外对射单元分别发射并接收红外光束，实时检测各层红外光束的遮挡状态，每层红外对射单元独立输出遮挡信号至信号调理与采集模块；

35、s2：信号调理与遮挡率计算，所述信号调理与采集模块对各层红外接收管输出的电信号依次进行前置放大、滤波整形和模数转换处理，根据各层红外接收管的光强衰减程度将遮挡状态编码为多层级遮挡等级信号，然后分别统计各层中被遮挡的光束数量并计算各层遮挡率；

36、s3：煤料含水率实时检测，湿煤含水率检测模块通过近红外反射式水分传感器实时检测给煤机输送带上煤料的含水率，同时通过温度传感器采集环境温度，对含水率检测值进行温度补偿校正，输出校正后的含水率数据；

37、s4：动态锚框自适应校准，动态锚框自适应校准模块读取预设时间窗口内存储的历史遮挡率数据和含水率数据，采用聚类算法对遮挡状态特征进行动态聚类分析，生成适应当前煤质特性和工况条件的最优判定锚框参数；

38、s5：湿煤黏性系数计算与动态阈值生成，数据处理与预警模块接收所述校正后的含水率数据和环境温度，计算湿煤黏性系数，并结合所述最优判定锚框参数生成动态预警阈值集合；

39、s6：分级预警判定，将当前各层遮挡率与所述动态预警阈值集合进行比对，判定当前积堵状态所属预警等级，并根据各层遮挡率的分布状态判定当前物料积堵高度；

40、s7：预警执行，根据s6的判定结果执行相应动作：一级预警时启动声光报警器发出低频间歇报警信号并向上位机发送轻度积堵预警信息；二级预警时启动声光报警器发出中频连续报警信号并向上位机发送中度积堵预警信息及积堵高度数据；三级预警时启动声光报警器发出高频紧急报警信号、向上位机发送重度积堵紧急预警信息并自动向给煤机控制系统发送停机联锁信号；

41、s8：反馈与锚框迭代优化，接收上位机或现场操作人员的人工确认信号及积堵处理结果反馈，将反馈数据纳入历史数据集，在下一周期的聚类分析中参与锚框参数的迭代优化。

42、可选地，所述s4中，所述聚类分析在每个预设周期自动触发执行，或在检测到含水率变化超过预设阈值时触发执行；所述动态锚框自适应校准模块在更新锚框参数时，采用加权递推方式实现平滑过渡，以本轮聚类分析得到的新锚框参数与上一轮锚框参数的加权和作为更新后的锚框参数。

43、相比现有技术，本技术至少具有以下有益效果：

44、本技术沿给煤机下煤口纵向间隔布置至少三层红外对射单元，每层由多束平行红外光束构成水平方向的平面探测光幕。通过多层、多光束的阵列式布局，可对下煤口内部物料堆积状态进行立体化、全方位的实时监测。当某一层位发生物料堆积时，该层对应位置的红外光束被遮挡，接收端光强信号随之衰减。通过逐层扫描各层遮挡率的空间分布，可精确判定积堵的纵向延伸高度及形态特征（底部堆积、局部架桥或满管堵塞），实现了从定性检测到定量测量的跨越。

45、本技术采用多光束互射式结构，相邻光束间距配置为小于湿煤物料的最小特征尺寸（优选50mm至80mm），确保湿煤物料堆积时至少遮挡两束以上的红外光束。结合脉冲调制发射与同步解调接收技术，有效滤除环境光干扰和煤尘飘落引起的瞬态信号波动，显著提高了检测的信噪比和可靠性。同时，各层遮挡率计算采用滑动窗口平均处理，进一步消除了大块物料瞬时通过等偶发干扰引起的误报。

46、本技术通过近红外水分检测模块实时获取入炉煤料的含水率数据，并结合环境温度计算湿煤黏性系数。在此基础上，利用动态锚框自适应校准模块对历史监测数据进行无监督聚类分析，自动识别不同煤质和工况条件下的遮挡状态分布规律，生成适应当前煤质特性的最优判定锚框。动态阈值生成单元根据当前黏性系数与参考黏性系数的比值实时缩放各级预警阈值，湿煤工况下自动降低阈值以提高预警灵敏度，干煤工况下自动升高阈值以避免误报。

47、本技术将积堵状态划分为正常、一级预警（轻度积堵）、二级预警（中度积堵）和三级预警（重度积堵）四个等级。各级预警对应不同频率和强度的声光报警信号，便于运行人员根据警报等级快速判断积堵严重程度。三级预警时自动触发设备联锁停机，防止事故扩大。分级预警机制使系统能够在积堵发展初期即发出预警，为运行人员预留了充分的处置时间，有效避免了积堵恶化至严重堵塞后才被发现的问题。