紅外熱成像技術在煙草企業火災預警中的應用

摘" 要：煙草企業粉塵壓棒車間照度低、灰塵多、設備密集，壓棒機持續高溫壓棒，煙末粉塵有陰燃風險，而壓棒設備無實時溫度探測系統，因此不能超溫提前預警，不能及時發現火災隱患。在紅外熱成像技術的基礎上，對現有的紅外熱成像產品進行擴展設計，使其在多灰塵、低照度、人機混合場景的復雜環境下對壓棒設備進行多點實時溫度跟蹤探測、反饋報警。實現了利用紅外熱成像技術24 h非接觸式對單臺壓棒機進行溫度檢測和環境高溫預警，并且將紅外熱成像儀的實時溫度數據傳輸到企業監控平臺，確保監控人員能及時發現并處理報警，避免火災的發生。

關鍵詞：紅外熱成像；煙草企業；火災預警；產品設計；溫度檢測

中圖分類號：TN219" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）14-0123-04

Abstract： Tobacco enterprises' dust pressure bar workshop has low illumination， much dust and dense equipment. The pressure bar machine continues to press the bar at high temperature， and the smoke dust has the risk of smoldering. However， the pressure bar equipment has no real-time temperature detection system， so it can not give early warning of over temperature in advance， and can not find fire hazards in time. Based on the infrared thermal imaging technology， the existing infrared thermal imaging products are expanded and designed to carry out multi-point real-time temperature tracking detection and feedback alarm for the pressure bar equipment in the complex environment of multi dust， low illumination and man-machine mixed scene. This technology realizes the 24-hour non-contact temperature detection and environmental high temperature early warning of a single bar pressing machine by using the infrared thermal imaging technology， and transmits the real-time temperature data of the infrared thermal imager to the enterprise monitoring platform， so as to ensure that the monitoring personnel can find and deal with the alarm in time and avoid the occurrence of fire disaster.

Keywords： infrared thermal imaging; tobacco enterprises; fire early warning; product design; temperature detection

在煙草企業生產過程中，隨著生產規模的擴大和設備升級改造，各種設備結構越來越精密復雜，故障判斷的難度也相應隨之提高，如何能夠快速判斷和預防故障，對保障設備安全狀態和延長設備壽命具有重要意義[1]。由此也出現了很多初期火災檢測技術，其中紅外熱成像技術近年來備受關注，越來越頻繁地用于設備運行狀態實時動態監測和故障分析診斷，并日趨成熟[2]。

在煙草企業壓棒車間生產過程中，最易出現的火災隱患就是由電氣設備老化或者設備發熱引起的，其根本原因都是由于壓棒機內部擠壓粉塵顆粒發熱導致溫度升高，熱特性惡化，當周圍存在較多煙草粉塵時，便很容易導致火災的發生。由于煙草企業設備價值較高，一旦出現火災事故會導致巨額經濟損失，因此如何有效避免火災，或者具備初期火災探測能力，就顯得尤為必要。

1" 紅外熱成像技術

1.1" 紅外熱成像原理

紅外測溫技術的理論基礎是基于熱輻射的普朗克定律，利用物體輻射能與溫度的關系進行檢測的一種方法[3]。絕對零度一般對應-273.15 ℃，只要物體溫度超過絕對零度，根據表面溫度的變化，理論上就會產生波長在0.75～1 000 μm間的電磁波，這些電磁波統稱為“紅外線”，電磁波的波長分布特性隨著其輻射強度變化而相應改變。而人眼可以識別或者可以直接看到的可見光波長在0.4～0.75 μm之間，因此靠人眼是無法直接觀察到紅外線電磁波的。其中“近紅外光”是指波長范圍在0.78～2.0 μm之間的電磁波，而熱紅外線是指波長范圍在2.0～1 000 μm的電磁波。各種波長的紅外線在傳送過程中，會受到大氣中二氧化碳、水分子和臭氧等物質成分的吸收，強度迅速衰減，僅在波段范圍為3～5 μm及長波8～12 μm之間的紅外線穿透力較強，因此市面上較成熟的紅外熱成像儀主要集中在這2個波段范圍內進行顯像，換算并顯示被觀測物體的溫度變化或者具體溫度數值。除此之外，大部分的固體和液體物質會大幅削減紅外線的穿透能力，因此一般所說的紅外熱成像探測技術主要用于監視和顯示被觀測設備或物體的表面溫度變化，很難用于直接觀測物體內部。紅外熱成像技術是對目標的熱輻射進行測定，運用光電探測器技術進行信號處理轉換，通過特定的邏輯關系轉換最終呈現為淺顯易懂的圖像界面供監視者參考。

成像感應器得到轉換后的照片信號，電子監控成像得到直觀圖像，即可見光成像。在自然界中，所有的物體都在或強或弱地向外輻射紅外線，利用探測儀測定電氣設備異常發熱時和正常情況下的背景紅外輻射之間的紅外線差，就能夠得到層次分明、表現狀況直觀呈現的紅外圖像，稱之為熱圖。

1.2" 紅外熱成像技術背景

紅外熱成像檢測設備是近年來興起的一種新技術檢測儀器，對于火災隱患方面的檢測發揮了很大的作用。這項技術最早是由美國科研人員在20世紀60年代初研制成功的，第一代產品叫紅外前視系統。這類裝置利用光學元件運動機械，對目標的熱輻射進行圖像分解掃描，然后應用光電探測器進行光-電轉換，最后形成視頻圖像信號，并在熒屏上顯示。到了60年代中期，瑞典科學家在紅外前視裝置的基礎上，又成功開發具有溫度測量功能的熱紅外成像裝置，稱為熱像儀[4]。

我國引入紅外熱成像測溫技術在工藝及生產方面最初只有電力、冶金和石化等行業的部分單位應用，在科研方面也只限于尖端技術的研究領域，但隨著技術發展，紅外熱像測溫技術已廣泛應用于醫學、農業、環境監測和無損檢測領域，在煙草企業設備檢測及故障判斷方面也有應用，但是紅外檢測方法在消防領域的應用還是相當不成熟的[5]。紅外熱成像測溫技術為非接觸式測溫，響應速度快、不破壞被檢測設備或物體的結構和運行機制，能夠檢測某些不能接觸或禁止接觸的目標，理論上可以用于任何需要進行溫度探測的場所。利用紅外熱成像裝置可以對設備或物體表面的溫度場進行探測，對其溫度的變化進行記錄，在溫度異常或者溫度變化趨勢異常時及時進行預警，消除潛在的火災隱患[6]。

2" 壓棒車間火災隱患分析

卷煙生產企業使用壓棒機將除塵器收集到的煙塵壓成堅實棒條，便于運輸和存放，減少空氣污染。卷煙廠壓棒車間除塵器系統主要包含除塵器、風機、消聲設備、管道系統、閥門系統和控制設備，因此壓棒車間除塵效果是否理想主要取決于設備的規格、型號和控制系統。

目前卷煙廠壓棒車間一般采取布袋除塵器的除塵方法，除塵后煙草粉塵顆粒送入壓棒車間進行成型處理。粒徑比較小的纖維狀粉塵顆粒穩定性比較強，并且布袋式除塵器在不同的工況狀態下均可以得到有效過濾，抗壓性比較強，通常粉塵去除率能達到95%以上，并且設備直觀，操作簡單易于維修，國內大部門卷煙企業制絲車間均采用該類除塵器，應用廣泛。有些除塵房的除塵器采用的是鑄鐵材料，若除塵房空間彌漫的煙草粉塵氣體濃度比較高，則會使除塵器內壁凝結水汽，導致鑄鐵表面生銹。為了解決此類問題，一般是更換為不銹鋼材料的除塵器，然后設備外殼關鍵部位加裝保溫層，杜絕此類隱患。

如果要考慮到煙草粉塵濃度顆粒比較高的氣溶膠，單獨采用布袋除塵器效果不佳，可以將旋風分離器和布袋除塵器串聯使用，雖然這種方法能夠達到除塵效率，但是有可能會產生較大的系統阻力。系統阻力變大，可能會導致電路系統或設備內部升溫，產生安全隱患。在除塵器背面加裝沉降室，應用過程中大量的粉塵積聚在沉降室內，少量的粉塵會跟隨氣體流向除塵室，沉降室內的系統阻力比旋風分離器小，由此可以降低系統的整體能耗，節省設備的占地面積，可能會導致粉塵堆積。

而壓棒機持續高溫壓棒，煙末粉塵有陰燃風險，存在火災隱患。壓棒車間為非人員常駐車間，而且車間內空氣環境復雜，彌漫粉塵，光線明顯不足，工作人員只在控制室通過數據監控畫面進行現場監控，而現場無溫度探測系統，缺少溫度追蹤反饋，因此不能提供超溫提前預警。當高溫造成煙塵燃燒發生火災時，才有可能被察覺并采取相應的措施，不適合企業安全生產消防管控的要求。

如圖1所示，壓棒機設備運行中，現有監控系統，只有電機電流監控，無溫度預警反饋，存在監控管理盲區。壓棒設備的運行原理決定了壓棒頭在連續運行時伴隨溫度升高、多塵土粉末現象，存在火災的陰燃隱患。

3" 壓棒車間火災探測預警系統設計

3.1" 溫度監測設備的選擇

壓棒機設備屬于連續運行的設備，由壓棒頭、液壓盤和下料口等機械密閉組件組成。經過現場考察，這些組件無法安裝接觸式溫度傳感器，除非破壞其機械結構部件才可以測量內部的溫度。經過調研，發現本身的PLC數據采集不能采集電機的電流以及實時扭矩輸出，因此無法了解設備運行的內在情況，即使發生了堵塞或者特殊情況，也無法從電流與扭矩的數據感知設備的異常狀態。

經過分析，只有使用非接觸式的紅外熱成像技術才能夠檢測由于扭矩變化而造成的溫度變化。紅外熱成像技術目前已日趨成熟，被廣泛應用于檢測及熱源跟蹤上，但民用級別設備對光照強度、檢測精度、跟蹤距離都有限制。根據現場工況及管理要求，選用工業級的熱成像儀配合工業計算機，以及PIF模塊來進行系統構建，一要保證符合現場安全防爆要求，二要實現現場溫度信號能夠實時地傳輸到后臺監控系統，并且實現任意點位的超溫報警功能。未來還可將開關量直接輸出給控制電路，超溫式繼電器工作，立即自動關閉設備。

3.2" 紅外熱成像多點跟蹤安全預警系統的設計

本項目著眼于解決卷煙廠壓棒車間目前存在的消防安全隱患，滿足工業企業實時監控要求，設計一套熱成像多點跟蹤安全預警系統，實現無接觸遠距離跟蹤廣域范圍內關鍵點溫度的變化，對任意一點超溫點進行跟蹤報警，并通過PIF總線技術，將現場溫度數據實時同步到企業監控平臺中，與消防監控室聯動，并在系統中設定超過閾值報警功能，接口（PIF）接線方式如圖2所示。

3.2.1" 設備選型及現場定位

根據使用需求，在工作溫度、防爆需求、接口方式和PLC信號輸入等方面進行紅外熱像儀的選擇。壓棒車間設備連續運行溫度范圍最高可達60 ℃甚至在極端情況下更高，在長期運行過程中若出現潤滑油脂的濺落或混入，有臨界陰燃風險。由于工藝質量的特殊性，空氣中的煙塵粉末含量較高，電氣設備在現場的安裝需要達到防爆級別；為了更好地與現有監控系統融合，在HMI人機監控界面能夠實時監控，設備選型要求具備工業級數據傳輸接口方式，便于PLC信號的采集和輸出[7]。

設備選型完成后需要進行現場定位，定位要求必須滿足監控范圍廣、監測精度高、反應速度快的特點。第一種定位方案是將紅外設備放在2臺壓棒機之間，利用一臺成像儀對2臺壓棒機進行監控，這樣做有利于節約成本，但會帶來的不利因素，如影響生產路由，需要架設立桿，而且需要破壞防水地面進行線材鋪設及打孔固定；可視范圍雖廣，但是設備需采集關鍵點缺失，因此方案一存在眾多風險。第二種定位方案采用一對一模式，一臺紅外熱成像儀僅針對一臺壓棒機設備，做到了視覺監控全覆蓋，設備各個工序工作點都可以被實時跟蹤變化，而且安裝位置不影響生產路由，不需要開槽布線破壞防水地面層。綜合考慮各項利弊因素，最終采用第二種定位模式進行現場安裝。

根據紅外攝像頭的光學參數確定了可視角度以及可視檢測范圍，最終在可用范圍半徑進行合理定位，對準一臺壓棒機進行全面檢測，遴選了5個關鍵點加1個“自由點”：壓棒頭、壓棒艙、下料口、下料桶、壓棒主電機，以及一個全覆蓋可視范圍任意超閾值溫度跟蹤點，更好地防范設備其他位置的超溫突變。

3.2.2" PLC控制程序編寫與電控調試

現場安裝完成后，對檢測的幾個關鍵點進行二次編程，對檢測點的中心范圍進行平均溫度檢測，取檢測區域內任意最高值作為提示報警輸出開關鍵。并且通過PIF模塊將實時的溫度輸出到PLC端，通過WinCC進行數據采集，并在中控平臺進行實時顯示，并且設定閾值報警功能，防范火災風險，降低風險隱患，如圖3所示。

在內置工業計算機上設定溫度監測范圍20～50 ℃，超過55 ℃，輸出報警提示。將溫度值轉化為模擬量信號AO，等比例輸出4～20 mA模擬量信號從PIF模塊到PLCAI模塊。

利用WinCC程序設計對制絲線的監控界面進行修改，通過Profibus總線對紅外熱成像儀檢測的實時溫度數據進行采集傳輸，在監控界面加入實時溫度顯示，工作人員能夠持續關注到檢測目標的溫度值，并且設定了閾值報警，確保系統能對設備及生產環境任何超溫點進行追蹤和報警。

3.3.3" 運行成本

經過4個月的試運行，利用紅外熱成像光場視覺自動跟蹤溫度技術，24 h非接觸式對一臺壓棒機進行溫度監測及環境高溫監控。并且將壓棒機運行時的實時溫度信號通過總線傳輸到制絲中控平臺實時展示，在超過設定溫度值或者快速溫升時，在監控頁面進行實時報警，滿足了生產安全管控要求。設備試運行一段時間后，對數據進行了優化，根據設備長期運行的大數據分析，優化了報警閾值，并且在工業計算機里面將紅外熱成像檢測系統軟件的參數進行固化保存。

經過市場了解，購買成套集成設備對設備溫度進行監測，需要多項普通的單體監控設備與PLC進行通訊連接，相關設備費用約15萬元。本項目利用光場視覺自動跟蹤技術設計監控策略，將溫控信號接入制絲監控WinCC系統，并開發相應溫控模塊實施展示及超溫報警，共計支出約6萬元，節省一半以上的投入費用。

4" 結束語

1）本項目開發了一套適用于煙草企業壓棒車間復雜環境下的紅外熱成像火災檢測預警系統，實現24 h不間斷監測，解決了低照度、設備密集及現場環境復雜的車間設備溫度監控。

2）項目成功利用紅外熱成像設備對壓棒機及周圍的溫度場進行了采集，并通過程序編寫和電控調試，將溫度場數據和畫面傳輸至監控平臺，利用跟蹤點設置，對畫面熱點進行實時跟蹤記錄，根據設定的溫度閾值進行超溫報警提醒，便于及時采取相應措施，消除潛在的火災隱患。

3）紅外熱成像火災檢測預警技術比傳統的多項單體監控設備經濟投入少，運行維護簡單，易于在其他類似條件的復雜車間環境進行推廣。

參考文獻：

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