高爐紅外攝像監測系統的設計與實現

馬春芽 李耀輝 趙海豹

摘要： 論述了高爐紅外攝像監測系統的中上位機各個功能的實現技術。該系統主要由三部分組成，即紅外攝像頭、下位機和上位機。紅外攝像頭獲取高爐爐腔的實時圖像，然后通過視頻數據線傳輸給上位機的視頻采集卡并轉換為數字視頻數據后在上位機顯示。系統根據圖像的灰度信息得到爐內的溫度分布情況，并將這些數據保存到數據庫以用于數據分析和問題跟蹤。

關鍵詞： 監測系統； 紅外攝像； 灰度； 高爐

中圖分類號：TP391文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228(2012)07-31-03

0 引言

高爐是一個在高溫高壓條件下冶煉生鐵的密閉反應器[1]。高爐溫度監測裝置有兩種，一種是接觸式的，一種是非接觸式的。接觸式一般是熱電偶溫度傳感器。熱電偶是當前應用最廣泛的測溫元件，各國研究人員對提高靈敏度、保證穩定性方面作了大量的研究[2]。非接觸式溫度監測裝置雖然精度高，但安裝維護費用高。接觸式測溫裝置雖然精度不高，但使用安全并且使用壽命長，因此在高爐溫度監測上應用廣泛。除此之外，爐內實際的氣流分布狀況和裝料制度調整狀況也是需要監測的重要方面。為此，國外企業早在上個世紀80年代初期就開始探索爐喉料面的在線監測方法，曾先后出現了“機械探針式”、超聲波、熱圖像儀、雷達等多種監測料面的設備，但都因難以長時間適應高爐惡劣的作業環境而難以得到推廣應用[3]。

本文詳細介紹了高爐紅外攝像監測系統。該系統利用紅外攝像頭獲取爐腔內的灰度圖像，實時顯示爐內的布料情況和料面的氣流分布情況，在灰度圖的基礎上實現圖像的偽彩，使觀察者可對爐內溫度的高低一目了然，同時，根據圖像的灰度和溫度的關系確定爐內的溫度分布情況。該系統還可以根據爐內爐料的不同調節圖像的相關參數，使由灰度轉化來的溫度誤差盡可能減小。該系統可以適應高爐惡劣的作業環境且經過試運行效果良好。

1 總體方案設計

該系統主要包括三個組成部分：①紅外攝像頭。系統使用紅外攝像頭來獲取爐內影像。紅外攝像頭的體積小，并且其特殊的光學系統能讓系統適應高爐內特殊的環境。由于攝像頭工作在高溫多塵的環境中，為了使其正常工作需要對攝像頭實施保護措施。在本系統中采用的是冷卻水和氮氣。②下位機系統。該系統主要用來實現攝像頭保護措施的監控。由于攝像頭工作在高溫、高壓、高塵、高濕的環境中，這些環境因素都會導致攝像頭不能正常工作，因此對攝像頭要使用冷卻水降溫以及氮氣吹掃鏡頭的保護措施。下位機就是用來監控這些措施的實施。③上位機系統。這一部分主要實現了紅外攝像頭和下位機采集到的數據的實時顯示、處理和存儲。系統的整體框架如圖1所示。

系統的主要功能由上位機完成。下位機將攝像頭的溫度、氮氣壓力值和水壓力值通過485總線傳輸并經過485-RS232轉換接口發送給上位機，攝像頭獲取的視頻線直接傳輸給上位機的多路視頻采集卡進行顯示。在功能實現上，實時數據顯示部分實現串口通信，攝像頭的溫度、氮氣壓力值、水壓力值的顯示。下位機將采集到的上述數據封裝在一個數據幀中并根據規定的協議上傳到上位機，然后由上位機實時顯示這些數據；實時圖像顯示部分將攝像頭獲取的爐內影像經過視頻采集卡轉換成數字圖像并在在上位機上實時顯示；偽彩圖繪制部分將紅外攝像頭得到的灰度圖轉換為偽彩圖，從而使觀察者對爐內情況有直觀的了解；溫度的實時數據及歷史數據顯示部分以米字型規則抽取圖像上的33個點，根據經驗算法將灰度轉化為溫度并在屏幕上實時顯示。現場人員通過這些數據可以對爐腔內的溫度分布情況一目了然。在顯示的同時，系統將溫度數據保存到數據庫。上位機不僅可以顯示實時的溫度并且還可以曲線的形式顯示爐腔內過去任一時間段內的歷史溫度數據。通過調節灰度圖的相關參數，可使得到的溫度與實際值更接近。這主要是因為溫度是由灰度圖的灰度值轉換而來的，圖像的參數如亮度、對比度等對圖像的灰度值均有影響。為了提高溫度的精確性，本系統可以通過調節灰度的基準值使轉換的溫度與實際值有較小的誤差。

2 系統實現

系統利用VC++ 6.0的MFC進行開發而成，其中主程序應用的是多文檔應用程序，圖像的瀏覽、歷史溫度曲線的瀏覽等程序應用的是單文檔應用程序。系統可以實現爐腔內爐料情況的實時顯示、偽彩圖顯示；選定各點的溫度實時顯示及歷史數據顯示，紅外攝像頭的各項參數的實時顯示；通過菜單實現不同爐料的選擇，采樣時間和布料參數的設置。另外，系統還可以實現錄像及歷史視頻的播放等功能。下面詳細介紹系統的各項主要功能的技術實現方法。

2.1 攝像頭的溫度，氮氣壓力值，水壓力值的顯示

紅外攝像裝置安裝在溜槽（或大鐘）的下沿，與料尺位置錯開，先在爐皮上開孔，然后將帶水冷套和球閥的短管焊好，再將攝像槍通過密封環和球閥插入爐內。為了保證攝像頭的正常工作，攝像頭上安裝有溫度傳感器、冷卻水套和氣體防護裝置。該部分的實現是由下位機完成并將上述數據發送給上位機。監測系統主要是通過串口獲取數據并在屏幕上實時顯示出來。

系統首先要初始化窗口，選擇接收數據的串口號，并打開串口，設置并返回數據傳輸速率、奇偶校驗、數據比特和停止比特參數。考慮到數據的傳輸量不是太大，比特率設置為4800，奇偶校驗設置為無。之后系統以二進制方式檢查緩沖區中的數據，每接收八個字節后觸發一次OnComm事件。OnComm事件按照規定的協議從數據中提取出氮氣壓力值、水壓力值和攝像頭的溫度值（其中氮氣壓力值和水壓力值有正常和異常兩種情況，攝像頭溫度值是具體的數值）。氮氣和水壓力值由一個字節表示，其中低四位表示水壓力值，高四位表示氮氣壓力值。攝像頭的溫度值由一個字節表示。當攝像頭溫度超過設定的溫度時，下位機會啟動冷卻水裝置對攝像頭進行降溫。

2.2 實時圖像的顯示與存儲

紅外攝像頭把高爐內的實際生產情況拍攝下來，但所得到的視頻流數據并不能直接使用，必須先進行數字化，本系統采用的是圖碼公司開發的一款專門針對系統開發商的PCI視頻卡。本視頻采集卡提供了功能全面的二次開發包，通過二次開發可以控制圖像的輸入端口，圖像亮度、對比度、色度、灰度等輸入信號，動態截取圖像，以AVI格式進行錄像等等。

程序運行后，首先通過函數DSStream_EnumvideoCaptureDev枚舉計算機上的視頻捕捉卡，得到它們的名字和數量，然后通過函數DSStream_ConnectDevice連接到視頻卡，將卡號傳給控制顯示視頻流的類，并將視頻的顯示窗口設置為顯示視頻流類所創建的窗口，通過執行視頻流類，由視頻捕捉卡獲得的視頻在窗口上正常顯示。

為了將實時的視頻流保存下來，本系統設計了錄像功能。在主窗口的工具欄中設置有開始錄像和停止錄像按鈕，這個功能主要是由OnStartcapture和OnStopCapture兩個函數執行。考慮到計算機的硬盤容量有限，在保存視頻文件時，只保存了七天的錄像內容。若超過七天，程序會自動將七天前的錄像內容刪除，然后繼續保存當前的錄像內容。

2.3 偽彩圖的繪制

顏色的冷暖在一定程度上也表示溫度的高低，因此彩色圖片可以使觀察者更直觀地了解溫度的高低。但是若用真正的彩色圖片來顯示，將會增加程序運行時間，降低程序運行效率。因此我們將該系統保存下來的灰度圖轉化為偽彩圖，采用的是灰度分段定標的方法，即將各像素點的灰度值劃分為不同的區間段，用不同的顏色來描繪各個像素點。

在視頻流的實時顯示，設置有兩個定時器，分別用來保存用于工作人員瀏覽的圖片和部分用于在偽彩圖窗口顯示的圖片。利用HRRSULT DSStream_SaveToJpgFile(int iCardID, LPCTSTR szFileName, int iQuality)函數定時地將當前圖像保存為JPG文件。將保存的用于在偽彩圖框架顯示的圖片通過OleLoadPicture加載到主窗口相應的框架上，并得到該窗口的大小，然后根據灰度圖轉化為偽彩圖的算法繪制偽彩圖。灰度圖轉化為偽彩圖的算法描述如下。

⑴ 將保存的灰度圖顯示在相應的框架上，并得到該框架的大小即長和寬。

⑵ 掃描每個像素點，得到每個像素點的值，保存到數組中。

（3）用函數提取每個像素點的紅綠藍值，根據公式計算出該像素的灰度值。

⑶ 根據灰度分段定標的方法確定該像素點的顏色，并繪制出來。

2.4 瀏覽高爐內的溫度曲線

由于紅外攝像機得到的只是經過轉換的灰度圖，不是直接的溫度數據，因此還要根據相關的參數建立灰度與溫度的對應關系。理論上可以通過輻射定律計算檢測到的溫度值，但在實際的生產中，難以準確獲得輻射定律中的參數。有人提出在爐喉十字測溫的基礎上建立溫度與灰度的對應關系，即用十字測溫裝置采集到的溫度數據來作為標定紅外圖像溫度定標的參考，也就是確定紅外圖像的灰度值與十字測溫裝置采集到的溫度數據的對應關系。

溫度場動態定標算法的基本思想是：根據十字測溫的位置對稱性和基準溫度的數量級別，將灰度分為對應的多個級別，統計圖像中熱電偶附近的灰度值，確定熱電偶基準溫度對應的基準灰度值，基準灰度之間的溫度數值可以通過在對應基準溫度之間線性插值的方法實現。由于基準溫度和基準灰度之間的關聯是動態變化的，因此需要建立溫度——灰度自適應的調整準則，動態地調整基準溫度和灰度的對應轉換關系[4]。在此算法和實踐中積累的經驗的基礎上，此系統得到選定的圓形區域內的33個測溫點的溫度，即在該圓形區域內，測溫點均勻地分布在以圓心為中心的米字型上。然后將每條直徑上的5個點除去圓心分為四組，將每組的平均值及圓點的溫度值存入數據庫中，作為歷史溫度曲線的查詢依據。

系統在所選區域選定33個測溫點，經過處理后，得到20個點的溫度數據并將這20個數據保存在數據庫中。保存的信息包括該點的序列號、溫度值、以及時間。瀏覽高爐內溫度曲線的程序就是通過調用數據庫中的數據畫出溫度曲線，以供觀察者分析使用。

所謂的歷史數據的查詢，即查詢的是程序開始運行到當前系統時間這一階段的數據，因為數據很多，不能一次在畫布上顯示，需要以時間為參數分段進行顯示。鑒于此，本程序以3個小時為單位進行顯示并設計有兩個按鈕和兩個文本框用來控制向前向后翻頁和顯示時間。在畫布上繪制溫度曲線的時候，要考慮時間和位置的對應關系以及溫度和位置的對應關系。剛開始我們就忽略了這個問題，結果畫出來的曲線與實際情況不符合。在前后翻頁這個問題上，有兩個問題需要解決。一是時間的處理，二是曲線的重繪。對于第一個問題，要考慮到各種情況，如每月天數的差異、是否閏年等。在曲線重繪這個問題上，我們考慮了兩種方案，即把整個畫布擦除重新繪制和只是把曲線擦除保留時間軸和溫度軸然后重繪曲線。考慮到程序的運行效率，本程序選擇了后者，只是把曲線擦除然后重繪溫度曲線。實現歷史溫度曲線的瀏覽的流程圖如圖2所示。

系統通過米字型采樣獲取的爐腔內的歷史溫度數據曲線圖的機制由三部分組成：顯示曲線、向前向后選擇時間按鈕以及相應時間段的顯示。測溫點組成的米字型有四條不同顏色的直徑，分別為藍、綠、黃和紅，這四條直徑分別對應曲線圖中從上至下均分的藍、綠、黃、紅四部分。每條直徑上除去中心點之外，都分布有八個選定點，相鄰的兩點用相同的顏色在米字型上標識出來，同樣也分別為藍、綠、黃和紅，中心點用白色標識，然后計算相同顏色的兩點的平均值，這樣每條直徑上得到五個溫度值，分別用藍、綠、黃、紅和白五種顏色表示，即曲線圖中每部分相應的五條溫度曲線；向前向后選擇時間按鈕實現選擇瀏覽時間的功能，并將相應的時間段的時間顯示在相應的靜態文本框中。瀏覽歷史溫度的曲線圖如圖3所示。

3 結束語

本文系統介紹了高爐紅外攝像監測系統的整體結構及各部分的功能實現技術。系統主要分兩大部分：第一部分是數據采集，主要完成紅外攝像頭的各項參數，諸如溫度、制冷水的壓力和氮氣壓力等數據的采集及顯示；第二部分是爐腔內的監測圖像及歷史數據的顯示。系統通過攝像頭獲取高爐內的紅外圖像并經過視頻采集卡轉換為數字圖像并在上位機上顯示，同時根據得到的灰度圖像轉換為選定點的溫度并將其保存到數據庫。從現場實際要求看，系統還存在一些不足，如瀏覽歷史溫度曲線時只能以當前的系統時間為起點，沒有選擇查看相應時間段數據的功能，對此需要完善。另外，偽彩圖的快速生成等也是我們下一步需要研究的主要工作。

參考文獻：

[1] 高征凱,吳蘊英,芮鴻濤,高茜.高爐料面紅外攝像儀及計算機處理系

統的開發應用[J].煉鐵,2001.8.

[2] 劉洋,吳雙,趙永剛.熱電偶溫度傳感器的研究與發展現狀[J].中國儀

器儀表.2003.11.

[3] 刁日升,王戈,劉傳勝,王阿虎.爐頂紅外攝像監控系統在攀鋼高爐上

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[4] 許永華,吳敏,曹衛華,寧志宇.基于圖像灰度統計分布的高爐溫度場

動態定標算法[J].冶金自動化,2007.3.