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

        2023-12-21 07:56:22國網(wǎng)河南省電力公司安陽縣供電公司李兆方
        電力設(shè)備管理 2023年21期
        關(guān)鍵詞:選型圖像處理監(jiān)控

        國網(wǎng)河南省電力公司安陽縣供電公司 李兆方

        1 引言

        熱成像技術(shù)可以通過紅外線輻射對物體表面溫度進(jìn)行測量,適用于各種復(fù)雜環(huán)境,并且具有無接觸、精度高、測量快的特點。因此,結(jié)合自動巡檢和熱成像技術(shù),設(shè)計一套自動化、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)通過將熱成像技術(shù)與自動巡檢相結(jié)合,可以實時監(jiān)測設(shè)備的溫度狀況,及時預(yù)警溫度異常,保障設(shè)備的正常運行和生產(chǎn)安全,同時也能夠?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 自動巡檢測溫在線監(jiān)控系統(tǒng)總框架

        基于熱成像技術(shù)構(gòu)建的自動巡檢測溫在線監(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、成像模塊以及報警模塊進(jìn)行設(shè)計。

        3 控制單元設(shè)計

        控制單元設(shè)計的流程主要包括:硬件選型、軟件設(shè)計、系統(tǒng)測試等[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)備選型時需要考慮以下因素。

        一是溫度測量范圍:需要根據(jù)不同監(jiān)測對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)存儲和傳輸、圖像處理等,需要根據(jù)實際需求進(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)實際需求選擇;三是數(shù)據(jù)存儲方式:可以選擇內(nèi)存存儲或外部存儲器等方式。

        3.2 軟件設(shè)計

        軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)采集與處理、圖像處理與分析、實時監(jiān)控與預(yù)警和數(shù)據(jù)存儲與展示四個模塊。

        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,將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號:

        式中,X(k)為頻域信號;X(n)為時域信號;N為信號長度;k為頻率序號。

        3.2.2 圖像處理與分析

        圖像處理模塊需要通過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)果傳遞給實時監(jiān)控與預(yù)警模塊。在進(jìn)行圖像處理時,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,其計算式為:

        3.2.3 實時監(jiān)控與預(yù)警

        實時監(jiān)控模塊需要將處理結(jié)果進(jìn)行可視化顯示,實時監(jiān)控設(shè)備溫度變化情況,并通過閾值算法或機器學(xué)習(xí)算法等,實現(xiàn)異常檢測和預(yù)警提示功能。

        3.2.4 數(shù)據(jù)存儲與展示

        數(shù)據(jù)存儲模塊負(fù)責(zé)對采集到的原始數(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,還需要提供一個可視化的數(shù)據(jù)展示界面,方便用戶實時查看監(jiān)測結(jié)果。

        4 監(jiān)控中心設(shè)計

        4.1 確定監(jiān)控范圍

        首先需要明確需要監(jiān)測的工業(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,同時還需要全面考慮生產(chǎn)線現(xiàn)狀和工藝流程,識別哪些生產(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)控計劃。在確定監(jiān)控范圍時,還需要確定每條生產(chǎn)線中需要監(jiān)測的關(guān)鍵點位。

        4.2 選型與采購

        根據(jù)生產(chǎn)線的監(jiān)測需求,需要仔細(xì)挑選適合的監(jiān)測設(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)備時需要綜合考慮的因素[2]。在選擇設(shè)備時,還要考慮其在實際環(huán)境中的運營狀態(tài),例如設(shè)備是否容易受到灰塵、水汽等干擾,以及檢測設(shè)備和傳感器的精度、靈敏度等因素。

        4.3 設(shè)計通信方案

        設(shè)計控制中心與檢測設(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)計通信方案時,需要特別注意數(shù)據(jù)的實時性和有效性,以便確保及時捕獲異常和危機,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

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

        4.5 數(shù)據(jù)處理和分析

        對于數(shù)據(jù)采集和存儲后的數(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)、機器學(xué)習(xí)等。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可以建立模型預(yù)測生產(chǎn)線的狀態(tài)并警告潛在的問題。

        4.6 系統(tǒng)集成和測試

        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)存儲等模塊。在進(jìn)行系統(tǒng)測試時,需要進(jìn)行全面的測試,包括功能測試、性能測試、穩(wěn)定性測試等,確保系統(tǒng)能夠正常工作。

        4.7 上線部署和維護(hù)

        在經(jīng)過系統(tǒng)集成和測試后,就可以將監(jiān)測系統(tǒng)上線部署并進(jìn)行維護(hù)。維護(hù)包括對監(jiān)測設(shè)備和控制中心進(jìn)行定期檢查和維護(hù),保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行。此外,還需要及時跟進(jìn)并解決潛在問題和異常情況,確保生產(chǎn)的安全和順暢運作。

        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)膶崟r性和可靠性,但在布線上會受到距離、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,都會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛啵瑩p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)采集和處理是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時,通常使用傳感器、探頭等不同類型的設(shè)備獲取待測量的物理量,將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,再經(jīng)過采集裝置進(jìn)行處理。在這個過程中,研究人員根據(jù)實際情況進(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)議較為簡單易用,具有廣泛應(yīng)用和開放性強的特點。HART 協(xié)議則支持?jǐn)?shù)字和模擬信號的雙向傳輸,采用了多點傳輸方式,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、擴展性好等特點[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)的傳輸過程。在實際應(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、視場角、分辨率等因素。拍攝距離是指距離被監(jiān)測對象的遠(yuǎn)近,需要選擇合適的光學(xué)鏡頭,滿足系統(tǒng)對被監(jiān)測對象所需分辨率和視野范圍。視場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)用場景選擇相應(yīng)視場角的成像器件。

        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,但是價格較高,功耗也較大,適用于對圖像質(zhì)量要求較高的場合。CMOS 則相對便宜,功耗低,適用于對圖像實時性要求較高的場合。在選擇成像器件時,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)濾波器可以過濾掉閃爍燈、太陽光、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,強光會對圖像造成干擾,需要使用濾光片進(jìn)行過濾。

        6.4 設(shè)計成像模塊結(jié)構(gòu)

        成像模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要考慮實現(xiàn)成像器件、光學(xué)濾波器的固定和保護(hù)。同時還需要考慮溫度變化對成像效果的影響,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,減少信號干擾和噪聲。在制作過程中,對于成像器件和光學(xué)器件的接口部分,需要進(jìn)行特別注意和加強,避免在使用過程中發(fā)生松動導(dǎo)致成像質(zhì)量的降低。

        7 報警模塊

        首先,在報警模塊設(shè)計中,需要考慮溫度傳感器的精度和判斷閾值。因為溫度傳感器有一定的誤差,如果閾值設(shè)置得過緊,則可能引起誤報,反之則可能會漏報。因此,在初步調(diào)試時應(yīng)該評估出傳感器誤差范圍,根據(jù)這個誤差范圍設(shè)置閾值。同時,也應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(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,在報警方式設(shè)置中,可以考慮通過聲光報警裝置進(jìn)行報警。在報警裝置設(shè)計時,應(yīng)該對其音量、亮度、顏色等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),盡可能地提高報警效果[4]。此外,還可以設(shè)置手機短信、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,在報警信息傳輸?shù)脑O(shè)置中,一般可以通過采用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時傳輸,保證數(shù)據(jù)的及時性和準(zhǔn)確性。

        8 結(jié)語

        熱成像技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中重要的一項技術(shù),得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。在自動巡檢測溫在線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中,熱成像技術(shù)更是為整個系統(tǒng)提供了有力的支持。通過熱成像技術(shù)的準(zhǔn)確測量和分析,可以實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場溫度變化的及時監(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。

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