钢包温度远程智能监测系统设计＊

孙凯明,刘彤军,郝明,王刚

（黑龙江省科学院智能制造研究所，黑龙江哈尔滨 150090）

1 引言

钢包又被称为钢水包、大包和盛钢桶，是及其重要的转运钢水的容器。在生产过程中，盛满钢水的钢包将被转运到吹氩、LF 炉、连铸机浇铸等工艺点做进一步处理，而完成钢水转移的钢包还可能出现在其它地方。在钢包的使用过程中，会出现各受力部位有裂纹及松动现象，以及各机件会出现磨损情况，给生产安全带来极大的隐患[1]。目前钢包监测主要是通过人工来进行的，而人工监控钢包存在很多问题[2-3]：(1)劳动强度大且危险程度高；(2)监测数据不及时，精度低；(3)数据的关联性差，不能有效地将历史数据应用于钢包状态评估；(4)无法满足智能制造的要求。

本文利用红外热成像仪和网络传输技术，实现了钢包温度远程智能监测系统，通过对钢包温度的实时监测以及后续的软件处理实现钢包温度智能监测，钢包健康状况的实时评估，指导生产和设备维护。

2 总体设计

本文设计的钢包温度远程智能监测系统以红外热成像仪为主要测量设备，在钢包运行轨道的某一区域的四个方向上布置红外热成像仪，在钢包四周等距离放置，如图1所示。红外热成像仪采集的温度图像经由远程通信控制模块送入监测计算机，此外，还布置了一个基于视觉识别的钢包号识别设备。当钢包温度出现异常时，通过报警模块发出报警警示。

图1 本系统的总体构建

3 硬件设计

3.1 红外热成像仪

本系统采用Optris xi-400 热成像仪[4]，它是382×288像素的工业成像仪，具有高速实时热成像和最小温差的检测功能，用于精确测量温度，测量范围为-20℃-900℃；小型坚固摄像头，带电动对焦；绝佳的距离与光斑大小之比高达390：1能力；80Hz帧速率，用于监测快速热过程。

Optris xi-400 热成像仪通过以太网接口连接远程通信模块，主机上安装其自带的Optris PIX Connect[5]多功能图像处理软件，可以实时处理其传来的图像。Optris PIX Connect作为中间件，提供丰富的二次开发函数。

3.2 钢包号识别模块[6-7]

钢包号识别模块选用海康威视的MV-SC3016M 型号智能相机，它采用嵌入式硬件平台，内嵌深度学习算法，可实现钢包字符的检测和识别，可接入多路输入、输出信号状态指示灯丰富，可实时把握设备状态，便于现场调试，支持TCP、UDP、FTP、EtherNet/IP等多种通讯模式。

MV-SC3016M型号智能相机通过以太网接口连接通信模块，与主机采用UPD协议通信，传输其识别的钢包号码。

4 软件设计

4.1 软件功能划分及处理流程

如图2所示，本系统软件主要分为实时监视界面、区域设置、历史查询、报警解除、信息配置和用户维护六部分组成。

图2 本系统软件功能划分

本系统软件的钢包监测处理流程如图3所示。

图3 本系统软件的钢包监测处理流程

4.2 区域设置功能

如图4所示，为区域设置对话框及区域设置的实际效果图。通过区域设置功能可以设置温度感兴趣区域的位置、大小、报警上限和该区域测量温度的类型——最高温度、最低温度、平均温度、热点追踪。

图4 区域设置对话框及区域设置的实际效果图

在系统实施过程中，设置1#区域为平均温度区，2#区域为最高温度区，3#区域为热点温度，可以跟随温度最热的区域。这3 个区域的温度构成了钢包温度记录触发条件，即：同时满足(1)1#区域温度大于给定阈值；(2)2#区域温度大于1#区域温度；(3)3#区域在1#区域内。

4.3 钢包温度记录流程

在实际测量过程中，钢包号触发条件和钢包温度触发条件的顺序不同，使整个钢包温度记录变得复杂。为此，本系统中采用如图5所示的状态转换图。

图5 钢包温度记录状态转换图

本系统采用SQlite3数据库存储钢包温度记录[8]，SQlite3是无服务器的、零配置的、事务性的SQL数据库引擎。

利用SQlite3 保存钢包监测记录的SQL 语句为：INSERT INTO DataTable(DateTime，T1，T2，T3，OptrisID，LadleID，IsAlarm)VALUES(？，？，？，？，？，？，？，？，？，？，？，？，？)。其中，DataTable为记录数据表；DateTime，T1，T2，T3，OptrisID，LadleID，IsAlarm 表中字段，？代表需要动态绑定的对于字段的记录值。

保存钢包监测记录过程如下：

过程：保存钢包监测记录输入：设备号，钢包号，平均温度，触发区温度，热点温度，日期，报警标志，钢包图像，INSERT语句输出：保存成功标志调用OpenDb打开数据库调用sqlite3_exec 启动BEGIN事务处理调用sqlite3_prepare执行准备INSERT语句对每个字段调用sqlite3_bind_text绑定对应字段记录值调用sqlite3_step执行INSERT语句调用sqlite3_finalize；//删除准备的INSERT语句调用sqlite3_exec启动COMMIT事务调用CloseDb关闭数据库保存钢包图像到指定目录

4.4 历史查询及趋势曲线

如图6所示，历史记录的一条记录包含区域的温度值、钢包号、红外热成像仪号、记录时间、报警位，对应该条记录的图片的命名规则为：钢包号+红外热成像仪号+时间+四位编号，图片保存在事先设置的文件夹中。

图6 历史记录及图像的查询、温度曲线的绘制

趋势曲线可以绘制所选记录相关的一段时间内的温度值绘制曲线，能直观反映出钢包一段时间内的温度变化，并及时作出安全预警。

5 实际运行应用

本文设计的系统运行CPU i7，Win10操作系统，微软的Visual Studio 2017开发环境及C++语言、OpenCV软件库编程，采用SQlite3数据库。

本系统已成功应用于湖南华菱湘潭钢铁有限公司年产140 万吨850mm 热轧特殊带钢生产线。由于系统和生产线相分离，系统运行1年多来，提高了钢包测温的效率和工人的人身安全，与人工测温相比，获得的数据量更大，更准确，同时保存了图像，提高了钢包维护水平。实际运行结果如图7所示。

图7 热成像仪的图像的实时显示

6 结束语

本文利用红外热成像仪和网络传输技术，实现了钢包温度远程智能监测系统，通过对钢包温度的实时监测以及后续的软件处理实现钢包温度智能监测，钢包健康状况的实时评估，指导生产和设备维护。由于采用远程检测技术，使得工人可以在监测中心实时监视钢包状态，避免工人现场测温，保证了人员的安全。本系统对提高钢铁企业的生产安全和智能制造水平起到一定的积极作用。