熱成像技術(shù)支持下自動(dòng)巡檢測(cè)溫在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國(guó)網(wǎng)河南省電力公司安陽(yáng)縣供電公司 李兆方

1 引言

熱成像技術(shù)可以通過(guò)紅外線輻射對(duì)物體表面溫度進(jìn)行測(cè)量，適用于各種復(fù)雜環(huán)境，并且具有無(wú)接觸、精度高、測(cè)量快的特點(diǎn)。因此，結(jié)合自動(dòng)巡檢和熱成像技術(shù)，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化、高效、可靠的溫度在線監(jiān)控系統(tǒng)，成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要課題。該系統(tǒng)通過(guò)將熱成像技術(shù)與自動(dòng)巡檢相結(jié)合，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的溫度狀況，及時(shí)預(yù)警溫度異常，保障設(shè)備的正常運(yùn)行和生產(chǎn)安全，同時(shí)也能夠?qū)囟葦?shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，提高生產(chǎn)流程的優(yōu)化和設(shè)備的維護(hù)效率，從而更好地滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的需求。

2 自動(dòng)巡檢測(cè)溫在線監(jiān)控系統(tǒng)總框架

基于熱成像技術(shù)構(gòu)建的自動(dòng)巡檢測(cè)溫在線監(jiān)控系統(tǒng)，其總體框架如圖1所示。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)框架

根據(jù)該框架，針對(duì)其中的控制單元、監(jiān)控單元、數(shù)據(jù)傳輸模塊、成像模塊以及報(bào)警模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 控制單元設(shè)計(jì)

控制單元設(shè)計(jì)的流程主要包括：硬件選型、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)測(cè)試等[1]。

3.1 硬件選型

硬件選型包括熱成像設(shè)備和數(shù)據(jù)采集設(shè)備兩部分。

3.1.1 熱成像設(shè)備選型

在熱成像設(shè)備選型時(shí)需要考慮以下因素。

一是溫度測(cè)量范圍：需要根據(jù)不同監(jiān)測(cè)對(duì)象的溫度范圍選擇合適的熱成像儀器；二是溫度分辨率：分辨率越高，精確度越高，但價(jià)格也越高，需要在精確度和成本之間取得平衡；三是常規(guī)功能：例如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸、圖像處理等，需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。

3.1.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備選型

在數(shù)據(jù)采集設(shè)備選型時(shí)需要考慮以下因素：

一是采集速率：需要選用高速采集卡，并根據(jù)需要進(jìn)行多通道采集；二是數(shù)據(jù)傳輸方式：可以選擇以太網(wǎng)或者USB 等接口，根據(jù)實(shí)際需求選擇；三是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式：可以選擇內(nèi)存存儲(chǔ)或外部存儲(chǔ)器等方式。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集與處理、圖像處理與分析、實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與展示四個(gè)模塊。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

數(shù)據(jù)采集模塊需要對(duì)熱成像儀器采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)濾波、去噪等，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，并將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給下一步的圖像處理模塊進(jìn)行處理。利用快速傅里葉變換，將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)：

式中，X(k)為頻域信號(hào)；X(n)為時(shí)域信號(hào)；N為信號(hào)長(zhǎng)度；k為頻率序號(hào)。

3.2.2 圖像處理與分析

圖像處理模塊需要通過(guò)熱成像圖像處理算法，提取出關(guān)鍵信息，例如最高溫度、平均溫度等，并將處理結(jié)果傳遞給實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警模塊。在進(jìn)行圖像處理時(shí)，為了完成將輸入空間映射到高維特征空間中進(jìn)行分類以及回歸等任務(wù)，引入核函數(shù)概念，其計(jì)算式為：

3.2.3 實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)警

實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊需要將處理結(jié)果進(jìn)行可視化顯示，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備溫度變化情況，并通過(guò)閾值算法或機(jī)器學(xué)習(xí)算法等，實(shí)現(xiàn)異常檢測(cè)和預(yù)警提示功能。

3.2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與展示

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)及處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，以備后續(xù)分析使用。同時(shí)，還需要提供一個(gè)可視化的數(shù)據(jù)展示界面，方便用戶實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)結(jié)果。

4 監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

4.1 確定監(jiān)控范圍

首先需要明確需要監(jiān)測(cè)的工業(yè)生產(chǎn)線的種類和數(shù)量。這一步可以從工業(yè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)流程和產(chǎn)品類型入手，同時(shí)還需要全面考慮生產(chǎn)線現(xiàn)狀和工藝流程，識(shí)別哪些生產(chǎn)線和生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要進(jìn)行在線監(jiān)控，并確定監(jiān)控計(jì)劃。在確定監(jiān)控范圍時(shí)，還需要確定每條生產(chǎn)線中需要監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵點(diǎn)位。

4.2 選型與采購(gòu)

根據(jù)生產(chǎn)線的監(jiān)測(cè)需求，需要仔細(xì)挑選適合的監(jiān)測(cè)設(shè)備和傳感器。設(shè)備的性能指標(biāo)、通信方式、可靠性和穩(wěn)定性等都是選擇設(shè)備時(shí)需要綜合考慮的因素[2]。在選擇設(shè)備時(shí)，還要考慮其在實(shí)際環(huán)境中的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，例如設(shè)備是否容易受到灰塵、水汽等干擾，以及檢測(cè)設(shè)備和傳感器的精度、靈敏度等因素。

4.3 設(shè)計(jì)通信方案

設(shè)計(jì)控制中心與檢測(cè)設(shè)備之間的通信協(xié)議和通信方式，包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)格式等方面的規(guī)劃。在設(shè)計(jì)通信方案時(shí)，需要特別注意數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和有效性，以便確保及時(shí)捕獲異常和危機(jī)，從而避免生產(chǎn)線的不良后果。另外，還需要考慮通信方式的安全性，例如是否需要加密和認(rèn)證等措施，保障系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院屯暾浴?/p>

4.4 數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)

在建立控制中心的數(shù)據(jù)庫(kù)前，需要明確數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)需求，包括選擇適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)介質(zhì)、數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)量的大小和存儲(chǔ)周期等。數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)可以使用各種類型的數(shù)據(jù)庫(kù)。例如，支持實(shí)時(shí)處理和讀取的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)以及文檔和時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫(kù)等都是常用的選擇。

4.5 數(shù)據(jù)處理和分析

對(duì)于數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)后的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行處理和分析，以便發(fā)現(xiàn)異常情況并及時(shí)采取措施。為此需要使用合適的算法和模型，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以建立模型預(yù)測(cè)生產(chǎn)線的狀態(tài)并警告潛在的問(wèn)題。

4.6 系統(tǒng)集成和測(cè)試

將所有的組件集成到系統(tǒng)中，不僅包括軟件和硬件設(shè)備，還包括通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊。在進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，需要進(jìn)行全面的測(cè)試，包括功能測(cè)試、性能測(cè)試、穩(wěn)定性測(cè)試等，確保系統(tǒng)能夠正常工作。

4.7 上線部署和維護(hù)

在經(jīng)過(guò)系統(tǒng)集成和測(cè)試后，就可以將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上線部署并進(jìn)行維護(hù)。維護(hù)包括對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備和控制中心進(jìn)行定期檢查和維護(hù)，保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。此外，還需要及時(shí)跟進(jìn)并解決潛在問(wèn)題和異常情況，確保生產(chǎn)的安全和順暢運(yùn)作。

5 數(shù)據(jù)傳輸模塊

5.1 傳輸方式的選擇

有線傳輸可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，但在布線上會(huì)受到距離、數(shù)量等因素的限制。如果出現(xiàn)布線不當(dāng)或者線路故障等情況，都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛?，損害系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

5.2 數(shù)據(jù)采集和處理

數(shù)據(jù)采集和處理是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，通常使用傳感器、探頭等不同類型的設(shè)備獲取待測(cè)量的物理量，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)采集裝置進(jìn)行處理。在這個(gè)過(guò)程中，研究人員根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行校準(zhǔn)和調(diào)試，提高設(shè)備的精度和準(zhǔn)確度。

5.3 數(shù)據(jù)傳輸方法的選擇

通信協(xié)議是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾M成部分。目前常用的通信協(xié)議有Modbus、HART、OPC 等。其中，Modbus 協(xié)議較為簡(jiǎn)單易用，具有廣泛應(yīng)用和開放性強(qiáng)的特點(diǎn)。HART 協(xié)議則支持?jǐn)?shù)字和模擬信號(hào)的雙向傳輸，采用了多點(diǎn)傳輸方式，具有一定的靈活性。而OPC 協(xié)議是一種基于Windows 操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)交互技術(shù)，具備高效、擴(kuò)展性好等特點(diǎn)[3]。

5.4 數(shù)據(jù)的安全性

為了防止數(shù)據(jù)被攻擊或者泄漏，通常采用加密算法保護(hù)數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程。在實(shí)際應(yīng)用中，DES、AES 等加密算法得到了廣泛應(yīng)用。

6 成像模塊

6.1 研究需求與技術(shù)方案

首先，需要明確監(jiān)控系統(tǒng)的需求和技術(shù)方案，確定成像模塊的技術(shù)參數(shù)。例如，需要考慮拍攝距離、視場(chǎng)角、分辨率等因素。拍攝距離是指距離被監(jiān)測(cè)對(duì)象的遠(yuǎn)近，需要選擇合適的光學(xué)鏡頭，滿足系統(tǒng)對(duì)被監(jiān)測(cè)對(duì)象所需分辨率和視野范圍。視場(chǎng)角則是指攝像頭能夠覆蓋到的視野范圍，需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景選擇相應(yīng)視場(chǎng)角的成像器件。

6.2 選擇合適的成像器件

根據(jù)需求和技術(shù)方案，選擇合適的成像器件。常用的成像器件包括CCD 和CMOS。CCD 比CMOS 具有更高的圖像質(zhì)量，但是價(jià)格較高，功耗也較大，適用于對(duì)圖像質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合。CMOS 則相對(duì)便宜，功耗低，適用于對(duì)圖像實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合。在選擇成像器件時(shí)，還需要考慮其靈敏度和噪聲等因素。

6.3 增加光學(xué)濾波器

安裝光學(xué)濾波器可以過(guò)濾掉閃爍燈、太陽(yáng)光、室外熒光燈等光線干擾，保證成像質(zhì)量的穩(wěn)定。例如，在拍攝熔融金屬時(shí)，強(qiáng)光會(huì)對(duì)圖像造成干擾，需要使用濾光片進(jìn)行過(guò)濾。

6.4 設(shè)計(jì)成像模塊結(jié)構(gòu)

成像模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要考慮實(shí)現(xiàn)成像器件、光學(xué)濾波器的固定和保護(hù)。同時(shí)還需要考慮溫度變化對(duì)成像效果的影響，因此需要在成像模塊中加入保溫措施。成像模塊的結(jié)構(gòu)應(yīng)該緊湊，電路布局合理，減少信號(hào)干擾和噪聲。在制作過(guò)程中，對(duì)于成像器件和光學(xué)器件的接口部分，需要進(jìn)行特別注意和加強(qiáng)，避免在使用過(guò)程中發(fā)生松動(dòng)導(dǎo)致成像質(zhì)量的降低。

7 報(bào)警模塊

首先，在報(bào)警模塊設(shè)計(jì)中，需要考慮溫度傳感器的精度和判斷閾值。因?yàn)闇囟葌鞲衅饔幸欢ǖ恼`差，如果閾值設(shè)置得過(guò)緊，則可能引起誤報(bào)，反之則可能會(huì)漏報(bào)。因此，在初步調(diào)試時(shí)應(yīng)該評(píng)估出傳感器誤差范圍，根據(jù)這個(gè)誤差范圍設(shè)置閾值。同時(shí)，也應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行合理的定制化，最終確定出適合當(dāng)前環(huán)境的溫度閾值。其次，在報(bào)警方式設(shè)置中，可以考慮通過(guò)聲光報(bào)警裝置進(jìn)行報(bào)警。在報(bào)警裝置設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該對(duì)其音量、亮度、顏色等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，盡可能地提高報(bào)警效果[4]。此外，還可以設(shè)置手機(jī)短信、郵件甚至直接與管理人員以IM 聯(lián)系方式進(jìn)行信息通知。最后，在報(bào)警信息傳輸?shù)脑O(shè)置中，一般可以通過(guò)采用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，保證數(shù)據(jù)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

8 結(jié)語(yǔ)

熱成像技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中重要的一項(xiàng)技術(shù)，得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。在自動(dòng)巡檢測(cè)溫在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，熱成像技術(shù)更是為整個(gè)系統(tǒng)提供了有力的支持。通過(guò)熱成像技術(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量和分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)溫度變化的及時(shí)監(jiān)控與精準(zhǔn)預(yù)警，有效避免潛在安全隱患，提高生產(chǎn)效率和環(huán)保質(zhì)量。