摘" 要：煙草企業(yè)粉塵壓棒車間照度低、灰塵多、設(shè)備密集，壓棒機(jī)持續(xù)高溫壓棒，煙末粉塵有陰燃風(fēng)險，而壓棒設(shè)備無實(shí)時溫度探測系統(tǒng)，因此不能超溫提前預(yù)警，不能及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患。在紅外熱成像技術(shù)的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的紅外熱成像產(chǎn)品進(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計，使其在多灰塵、低照度、人機(jī)混合場景的復(fù)雜環(huán)境下對壓棒設(shè)備進(jìn)行多點(diǎn)實(shí)時溫度跟蹤探測、反饋報警。實(shí)現(xiàn)了利用紅外熱成像技術(shù)24 h非接觸式對單臺壓棒機(jī)進(jìn)行溫度檢測和環(huán)境高溫預(yù)警，并且將紅外熱成像儀的實(shí)時溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡髽I(yè)監(jiān)控平臺，確保監(jiān)控人員能及時發(fā)現(xiàn)并處理報警，避免火災(zāi)的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：紅外熱成像；煙草企業(yè)；火災(zāi)預(yù)警；產(chǎn)品設(shè)計；溫度檢測

中圖分類號：TN219" " " 文獻(xiàn)標(biāo)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(yè)生產(chǎn)過程中，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和設(shè)備升級改造，各種設(shè)備結(jié)構(gòu)越來越精密復(fù)雜，故障判斷的難度也相應(yīng)隨之提高，如何能夠快速判斷和預(yù)防故障，對保障設(shè)備安全狀態(tài)和延長設(shè)備壽命具有重要意義[1]。由此也出現(xiàn)了很多初期火災(zāi)檢測技術(shù)，其中紅外熱成像技術(shù)近年來備受關(guān)注，越來越頻繁地用于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時動態(tài)監(jiān)測和故障分析診斷，并日趨成熟[2]。

在煙草企業(yè)壓棒車間生產(chǎn)過程中，最易出現(xiàn)的火災(zāi)隱患就是由電氣設(shè)備老化或者設(shè)備發(fā)熱引起的，其根本原因都是由于壓棒機(jī)內(nèi)部擠壓粉塵顆粒發(fā)熱導(dǎo)致溫度升高，熱特性惡化，當(dāng)周圍存在較多煙草粉塵時，便很容易導(dǎo)致火災(zāi)的發(fā)生。由于煙草企業(yè)設(shè)備價值較高，一旦出現(xiàn)火災(zāi)事故會導(dǎo)致巨額經(jīng)濟(jì)損失，因此如何有效避免火災(zāi)，或者具備初期火災(zāi)探測能力，就顯得尤為必要。

1" 紅外熱成像技術(shù)

1.1" 紅外熱成像原理

紅外測溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)是基于熱輻射的普朗克定律，利用物體輻射能與溫度的關(guān)系進(jìn)行檢測的一種方法[3]。絕對零度一般對應(yīng)-273.15 ℃，只要物體溫度超過絕對零度，根據(jù)表面溫度的變化，理論上就會產(chǎn)生波長在0.75～1 000 μm間的電磁波，這些電磁波統(tǒng)稱為“紅外線”，電磁波的波長分布特性隨著其輻射強(qiáng)度變化而相應(yīng)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(zhì)成分的吸收，強(qiáng)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(qiáng)，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(nèi)進(jìn)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(shù)值。除此之外，大部分的固體和液體物質(zhì)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(shù)主要用于監(jiān)視和顯示被觀測設(shè)備或物體的表面溫度變化，很難用于直接觀測物體內(nèi)部。紅外熱成像技術(shù)是對目標(biāo)的熱輻射進(jìn)行測定，運(yùn)用光電探測器技術(shù)進(jìn)行信號處理轉(zhuǎn)換，通過特定的邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)換最終呈現(xiàn)為淺顯易懂的圖像界面供監(jiān)視者參考。

成像感應(yīng)器得到轉(zhuǎn)換后的照片信號，電子監(jiān)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(qiáng)或弱地向外輻射紅外線，利用探測儀測定電氣設(shè)備異常發(fā)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(xiàn)狀況直觀呈現(xiàn)的紅外圖像，稱之為熱圖。

1.2" 紅外熱成像技術(shù)背景

紅外熱成像檢測設(shè)備是近年來興起的一種新技術(shù)檢測儀器，對于火災(zāi)隱患方面的檢測發(fā)揮了很大的作用。這項(xiàng)技術(shù)最早是由美國科研人員在20世紀(jì)60年代初研制成功的，第一代產(chǎn)品叫紅外前視系統(tǒng)。這類裝置利用光學(xué)元件運(yùn)動機(jī)械，對目標(biāo)的熱輻射進(jìn)行圖像分解掃描，然后應(yīng)用光電探測器進(jìn)行光-電轉(zhuǎn)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(xué)家在紅外前視裝置的基礎(chǔ)上，又成功開發(fā)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(shù)在工藝及生產(chǎn)方面最初只有電力、冶金和石化等行業(yè)的部分單位應(yīng)用，在科研方面也只限于尖端技術(shù)的研究領(lǐng)域，但隨著技術(shù)發(fā)展，紅外熱像測溫技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測和無損檢測領(lǐng)域，在煙草企業(yè)設(shè)備檢測及故障判斷方面也有應(yīng)用，但是紅外檢測方法在消防領(lǐng)域的應(yīng)用還是相當(dāng)不成熟的[5]。紅外熱成像測溫技術(shù)為非接觸式測溫，響應(yīng)速度快、不破壞被檢測設(shè)備或物體的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制，能夠檢測某些不能接觸或禁止接觸的目標(biāo)，理論上可以用于任何需要進(jìn)行溫度探測的場所。利用紅外熱成像裝置可以對設(shè)備或物體表面的溫度場進(jìn)行探測，對其溫度的變化進(jìn)行記錄，在溫度異?；蛘邷囟茸兓厔莓惓r及時進(jìn)行預(yù)警，消除潛在的火災(zāi)隱患[6]。

2" 壓棒車間火災(zāi)隱患分析

卷煙生產(chǎn)企業(yè)使用壓棒機(jī)將除塵器收集到的煙塵壓成堅實(shí)棒條，便于運(yùn)輸和存放，減少空氣污染。卷煙廠壓棒車間除塵器系統(tǒng)主要包含除塵器、風(fēng)機(jī)、消聲設(shè)備、管道系統(tǒng)、閥門系統(tǒng)和控制設(shè)備，因此壓棒車間除塵效果是否理想主要取決于設(shè)備的規(guī)格、型號和控制系統(tǒng)。

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(jìn)行成型處理。粒徑比較小的纖維狀粉塵顆粒穩(wěn)定性比較強(qiáng)，并且布袋式除塵器在不同的工況狀態(tài)下均可以得到有效過濾，抗壓性比較強(qiáng)，通常粉塵去除率能達(dá)到95%以上，并且設(shè)備直觀，操作簡單易于維修，國內(nèi)大部門卷煙企業(yè)制絲車間均采用該類除塵器，應(yīng)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(nèi)壁凝結(jié)水汽，導(dǎo)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(shè)備外殼關(guān)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(dú)采用布袋除塵器效果不佳，可以將旋風(fēng)分離器和布袋除塵器串聯(lián)使用，雖然這種方法能夠達(dá)到除塵效率，但是有可能會產(chǎn)生較大的系統(tǒng)阻力。系統(tǒng)阻力變大，可能會導(dǎo)致電路系統(tǒng)或設(shè)備內(nèi)部升溫，產(chǎn)生安全隱患。在除塵器背面加裝沉降室，應(yīng)用過程中大量的粉塵積聚在沉降室內(nèi)，少量的粉塵會跟隨氣體流向除塵室，沉降室內(nèi)的系統(tǒng)阻力比旋風(fēng)分離器小，由此可以降低系統(tǒng)的整體能耗，節(jié)省設(shè)備的占地面積，可能會導(dǎo)致粉塵堆積。

而壓棒機(jī)持續(xù)高溫壓棒，煙末粉塵有陰燃風(fēng)險，存在火災(zāi)隱患。壓棒車間為非人員常駐車間，而且車間內(nèi)空氣環(huán)境復(fù)雜，彌漫粉塵，光線明顯不足，工作人員只在控制室通過數(shù)據(jù)監(jiān)控畫面進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控，而現(xiàn)場無溫度探測系統(tǒng)，缺少溫度追蹤反饋，因此不能提供超溫提前預(yù)警。當(dāng)高溫造成煙塵燃燒發(fā)生火災(zāi)時，才有可能被察覺并采取相應(yīng)的措施，不適合企業(yè)安全生產(chǎn)消防管控的要求。

如圖1所示，壓棒機(jī)設(shè)備運(yùn)行中，現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)，只有電機(jī)電流監(jiān)控，無溫度預(yù)警反饋，存在監(jiān)控管理盲區(qū)。壓棒設(shè)備的運(yùn)行原理決定了壓棒頭在連續(xù)運(yùn)行時伴隨溫度升高、多塵土粉末現(xiàn)象，存在火災(zāi)的陰燃隱患。

3" 壓棒車間火災(zāi)探測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

3.1" 溫度監(jiān)測設(shè)備的選擇

壓棒機(jī)設(shè)備屬于連續(xù)運(yùn)行的設(shè)備，由壓棒頭、液壓盤和下料口等機(jī)械密閉組件組成。經(jīng)過現(xiàn)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(jī)械結(jié)構(gòu)部件才可以測量內(nèi)部的溫度。經(jīng)過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)本身的PLC數(shù)據(jù)采集不能采集電機(jī)的電流以及實(shí)時扭矩輸出，因此無法了解設(shè)備運(yùn)行的內(nèi)在情況，即使發(fā)生了堵塞或者特殊情況，也無法從電流與扭矩的數(shù)據(jù)感知設(shè)備的異常狀態(tài)。

經(jīng)過分析，只有使用非接觸式的紅外熱成像技術(shù)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(shù)目前已日趨成熟，被廣泛應(yīng)用于檢測及熱源跟蹤上，但民用級別設(shè)備對光照強(qiáng)度、檢測精度、跟蹤距離都有限制。根據(jù)現(xiàn)場工況及管理要求，選用工業(yè)級的熱成像儀配合工業(yè)計算機(jī)，以及PIF模塊來進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建，一要保證符合現(xiàn)場安全防爆要求，二要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場溫度信號能夠?qū)崟r地傳輸?shù)胶笈_監(jiān)控系統(tǒng)，并且實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)位的超溫報警功能。未來還可將開關(guān)量直接輸出給控制電路，超溫式繼電器工作，立即自動關(guān)閉設(shè)備。

3.2" 紅外熱成像多點(diǎn)跟蹤安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計

本項(xiàng)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(yè)企業(yè)實(shí)時監(jiān)控要求，設(shè)計一套熱成像多點(diǎn)跟蹤安全預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離跟蹤廣域范圍內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)溫度的變化，對任意一點(diǎn)超溫點(diǎn)進(jìn)行跟蹤報警，并通過PIF總線技術(shù)，將現(xiàn)場溫度數(shù)據(jù)實(shí)時同步到企業(yè)監(jiān)控平臺中，與消防監(jiān)控室聯(lián)動，并在系統(tǒng)中設(shè)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(shè)備選型及現(xiàn)場定位

根據(jù)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(jìn)行紅外熱像儀的選擇。壓棒車間設(shè)備連續(xù)運(yùn)行溫度范圍最高可達(dá)60 ℃甚至在極端情況下更高，在長期運(yùn)行過程中若出現(xiàn)潤滑油脂的濺落或混入，有臨界陰燃風(fēng)險。由于工藝質(zhì)量的特殊性，空氣中的煙塵粉末含量較高，電氣設(shè)備在現(xiàn)場的安裝需要達(dá)到防爆級別；為了更好地與現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)融合，在HMI人機(jī)監(jiān)控界面能夠?qū)崟r監(jiān)控，設(shè)備選型要求具備工業(yè)級數(shù)據(jù)傳輸接口方式，便于PLC信號的采集和輸出[7]。

設(shè)備選型完成后需要進(jìn)行現(xiàn)場定位，定位要求必須滿足監(jiān)控范圍廣、監(jiān)測精度高、反應(yīng)速度快的特點(diǎn)。第一種定位方案是將紅外設(shè)備放在2臺壓棒機(jī)之間，利用一臺成像儀對2臺壓棒機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，這樣做有利于節(jié)約成本，但會帶來的不利因素，如影響生產(chǎn)路由，需要架設(shè)立桿，而且需要破壞防水地面進(jìn)行線材鋪設(shè)及打孔固定；可視范圍雖廣，但是設(shè)備需采集關(guān)鍵點(diǎn)缺失，因此方案一存在眾多風(fēng)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(jī)設(shè)備，做到了視覺監(jiān)控全覆蓋，設(shè)備各個工序工作點(diǎn)都可以被實(shí)時跟蹤變化，而且安裝位置不影響生產(chǎn)路由，不需要開槽布線破壞防水地面層。綜合考慮各項(xiàng)利弊因素，最終采用第二種定位模式進(jìn)行現(xiàn)場安裝。

根據(jù)紅外攝像頭的光學(xué)參數(shù)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(jìn)行合理定位，對準(zhǔn)一臺壓棒機(jī)進(jìn)行全面檢測，遴選了5個關(guān)鍵點(diǎn)加1個“自由點(diǎn)”：壓棒頭、壓棒艙、下料口、下料桶、壓棒主電機(jī)，以及一個全覆蓋可視范圍任意超閾值溫度跟蹤點(diǎn)，更好地防范設(shè)備其他位置的超溫突變。

3.2.2" PLC控制程序編寫與電控調(diào)試

現(xiàn)場安裝完成后，對檢測的幾個關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行二次編程，對檢測點(diǎn)的中心范圍進(jìn)行平均溫度檢測，取檢測區(qū)域內(nèi)任意最高值作為提示報警輸出開關(guān)鍵。并且通過PIF模塊將實(shí)時的溫度輸出到PLC端，通過WinCC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并在中控平臺進(jìn)行實(shí)時顯示，并且設(shè)定閾值報警功能，防范火災(zāi)風(fēng)險，降低風(fēng)險隱患，如圖3所示。

在內(nèi)置工業(yè)計算機(jī)上設(shè)定溫度監(jiān)測范圍20～50 ℃，超過55 ℃，輸出報警提示。將溫度值轉(zhuǎn)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(shè)計對制絲線的監(jiān)控界面進(jìn)行修改，通過Profibus總線對紅外熱成像儀檢測的實(shí)時溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集傳輸，在監(jiān)控界面加入實(shí)時溫度顯示，工作人員能夠持續(xù)關(guān)注到檢測目標(biāo)的溫度值，并且設(shè)定了閾值報警，確保系統(tǒng)能對設(shè)備及生產(chǎn)環(huán)境任何超溫點(diǎn)進(jìn)行追蹤和報警。

3.3.3" 運(yùn)行成本

經(jīng)過4個月的試運(yùn)行，利用紅外熱成像光場視覺自動跟蹤溫度技術(shù)，24 h非接觸式對一臺壓棒機(jī)進(jìn)行溫度監(jiān)測及環(huán)境高溫監(jiān)控。并且將壓棒機(jī)運(yùn)行時的實(shí)時溫度信號通過總線傳輸?shù)街平z中控平臺實(shí)時展示，在超過設(shè)定溫度值或者快速溫升時，在監(jiān)控頁面進(jìn)行實(shí)時報警，滿足了生產(chǎn)安全管控要求。設(shè)備試運(yùn)行一段時間后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化，根據(jù)設(shè)備長期運(yùn)行的大數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化了報警閾值，并且在工業(yè)計算機(jī)里面將紅外熱成像檢測系統(tǒng)軟件的參數(shù)進(jìn)行固化保存。

經(jīng)過市場了解，購買成套集成設(shè)備對設(shè)備溫度進(jìn)行監(jiān)測，需要多項(xiàng)普通的單體監(jiān)控設(shè)備與PLC進(jìn)行通訊連接，相關(guān)設(shè)備費(fèi)用約15萬元。本項(xiàng)目利用光場視覺自動跟蹤技術(shù)設(shè)計監(jiān)控策略，將溫控信號接入制絲監(jiān)控WinCC系統(tǒng)，并開發(fā)相應(yīng)溫控模塊實(shí)施展示及超溫報警，共計支出約6萬元，節(jié)省一半以上的投入費(fèi)用。

4" 結(jié)束語

1）本項(xiàng)目開發(fā)了一套適用于煙草企業(yè)壓棒車間復(fù)雜環(huán)境下的紅外熱成像火災(zāi)檢測預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)24 h不間斷監(jiān)測，解決了低照度、設(shè)備密集及現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜的車間設(shè)備溫度監(jiān)控。

2）項(xiàng)目成功利用紅外熱成像設(shè)備對壓棒機(jī)及周圍的溫度場進(jìn)行了采集，并通過程序編寫和電控調(diào)試，將溫度場數(shù)據(jù)和畫面?zhèn)鬏斨帘O(jiān)控平臺，利用跟蹤點(diǎn)設(shè)置，對畫面熱點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時跟蹤記錄，根據(jù)設(shè)定的溫度閾值進(jìn)行超溫報警提醒，便于及時采取相應(yīng)措施，消除潛在的火災(zāi)隱患。

3）紅外熱成像火災(zāi)檢測預(yù)警技術(shù)比傳統(tǒng)的多項(xiàng)單體監(jiān)控設(shè)備經(jīng)濟(jì)投入少，運(yùn)行維護(hù)簡單，易于在其他類似條件的復(fù)雜車間環(huán)境進(jìn)行推廣。

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