浅谈工业电视监控系统在热轧生产中的应用

王东凯，赵 亮

工业电视监控系统是采用视频影像技术、网络通讯技术等，对工业生产过程进行实时、可视化监控的技术。随着工业现代化、信息化的发展，工业电视监控目前已经广泛应用于冶金、化工机械、电力等工业生产领域，取得了良好的使用效果。热轧是一种传统的轧钢技术，经过高温加热轧制而成的钢材称为热轧钢，具备应有的机械性能，是一种市场热销的常用钢材品种。尤其是当前冶金行业的轧钢工艺讲究“一火成材”，钢在精炼后的连铸连轧可免去二次加热的能源消耗，可大大降低生产成本。热轧生产具有节奏快、速度快的特点，生产现场环境十分恶劣。现场高温带钢散发的高温热辐射以及产生高温水汽，使生产人员和设备检修人员很难近距离地监控生产过程和对设备进行点检。因此，在设备及生产线运行出现异常状况时，人员难以及时发现，容易造成废钢和设备损坏。

现代工业对热轧钢生产的效率及其安全性能要求与日俱增。为了解决现场恶劣环境不利于人员现场监控的问题，保证热轧设备及生产线的稳定运行，专门开发了适用于热轧生产需要的工业电视监控系统。该监控系统的应用使生产与设备维护人员不用到达现场，在监控室内即可对整条生产线的运行情况及各种工艺参数进行全面监控。极大地改善了人员工作环境，提高了监控效率，有助于及时发现设备故障减少损失。本文对工业电视监控系统的组成、原理及其在热轧生产中的应用进行了探讨。

1 工业电视监控系统的优势

工业电视监控系统用于热轧生产线是一个显著的技术进步，具有实时监控、可靠性高、安全性高、维护性好等多个优势。

（1）监控的实时性。利用工业电视系统的摄像采集系统，对生产情况进行实时观察，将采集到的信息经过转换装置将视频信号转换为电信号，再通过各类线缆进行数据传输，系统的通信符合行业最高标准，最高传输速率可达200Mbps，另外接收控制部分具有良好的接收性能和存储性能，保证数据传输的实时性、快速性和重复再现性。实现对生产现场的远程观察和控制。

（2）运行的高可靠性。工业电视系统利用有线传输，具有很高的抗电磁干扰、抗震、防水防尘等性能，365*24h连续运行，完全可以满足热轧作业等各类持续生产行业的监控需求。

（3）网络的高安全性。通过独自的局域网性能，有效阻止外来非法访问。设备均为安全电压等级出入范围，电压的波动不会对设备造成影响，具有一定的滤波能力，防止电压尖峰的冲击。所用设备均采用低能耗产品，尽量避免设备发热造成系统故障，同时不会对其他电子设备产生电磁干扰。

（4）系统的易扩展性。整个系统采用BNC和VGA等通用标准接口和开放的系统结构，随着生产实际的需求，随时可以对系统的覆盖面进行拓展和延伸，有效的保护了用户投资。

（5）整体的易维护性。整个系统结构简洁清晰，具备易于维护的特性，维修人员可以对整个系统进行灵活便捷的维修管理，包括日常监控及系统配置的调整，系统故障处理等。

2 工业电视监控系统的组成

工业电视监控系统是以视频影像技术、工业网络通讯技术为基础的视频监控电子设备。整个系统主要有视频影像采集系统、信号处理与传输系统、操作与控制部分等几部分组成。

（1）视频影像采集系统。主要是布置于现场的各种类型的前端摄像装置，如防爆防尘工业摄像机、耐高温摄像机等。前端摄像部分主要负责采集现场画面图像信号，并将这些图像信号转变为电信号后进行传输。其硬件部分主要由摄像机、镜头、云台、防护罩、抗干扰器、现场接线箱、安装支架等部分组成。摄像采用540线水平分辨率的CCD彩色摄像机，自动光圈长焦镜头。为了适应现场高温、高湿的摄像环境，视频影像采集系统设置了双层不锈钢材质的水气冷复合式防护罩，固定在云台上，实现左右与垂直的上下90°全方位摄像。另外根据生产实际工况的不同，需要选择不同类型和特点的摄像装置。例如加热炉选用具有耐高温性能的炉内摄像装置，粗轧区域选择耐高温型的针孔摄像装置，精整区域选择防尘防干扰的工业级摄像装置。

（2）数据信号传输部分。数据信号传输部分主要是将现场视频信号传送至本地服务器，同步将服务器内监控信号同步到局域网上，是工业电视监控系统的纽带。主要包括各类视频电缆、光纤、网线等。在热轧工序中，针对不同的监控点、监控设备数量以及传输的距离需要选择不同类型的线缆。一般情况下，通常选择同轴电缆和光缆。控制信号通常选择直接控制方式。根据我国相关的工业电视监控系统要求，如果传输距离大于300m，需要选取75-7等级同轴电缆实现信号的传输，如果传输距离大于500m，则需要选取光缆实现信号的传输、光缆的优势主要体现在抗干扰、通信容量大、传输距离远、传输质量高等。在加热炉等高温区域应采用耐高温的工业电缆连接，以防止通信电缆因长期处于高温环境下而损坏。电气控制柜与集成控制器之间同样采用阻燃耐高温的同轴电缆传输；彩色监视器与集成控制器之间使用视频电缆。同时选用4路、8路、16路数字单模光端机，以完成各路的视频传输。

（3）控制部分。视频监控控制部分是整个系统的控制核心，主要由操作键盘、视频切换矩阵、硬盘录像机、画面分割合成器、视频分配器等组成。其中操作键盘是人员对视频监控系统进行操作的设备，人员可通过键盘执行监控画面分割、调取、切换等相关操作，以达到相关的使用目的；视频切换矩阵、画面分割合成器主要用于帮助监控系统实现视频画面切换的相关操作；硬盘录像机是系统对现场画面进行录制、存储的设备，其性能主要与该设备的分辨率、存储空间大小等有关。一般多采用具有主、辅两个音视频输出通道的高清智能硬盘录像机，防止设备突然故障，视频丢失等情况发生。本系统具有智能化、自动化录制保存的功能。

（4）视频显示部分。视频显示部分一般由几台或者多台监视器（或带视频输入的普通液晶电视机）组成。它的功能主要是将传输过来的视频画面图像一一进行显示。在视频监控系统中，特别是由多台摄像装置组成的视频监控系统中，一般都不是一台监视器对应一台摄像装置进行显示，而是几台摄像装置的图像信号用一台监视器轮流切换显示，这样做既可以节省设备，减少设备占用空间，也可以减少操作次数，提高工作效率。显示器尺寸大小可根据生产监控的需要灵活选用，应以性能可靠、美观实用为主。其他的如电视控制柜等主要为监控系统的各硬件设备提供防尘、防水、防潮、防腐、防振动和碰撞等相关保护功能。

3 工业电视监控系统的工作原理

在热轧生产线中，对于加热炉的运行状况是视频监控的内容之一，主要依靠具有耐高温性能的炉内摄像机来实现。在加热炉操作室内，通过操作控制器将摄像仪探测装置伸入到炉内，可由摄像仪器中的针孔镜头摄取炉内视频画面并形成电子视频信号。电子视频信号通过转换后形成可供显示器视频播放的视频信号。坐在加热炉监控操作室内的人员即可通过监控画面实时监控了解加热炉内的炉况。工业电视监控系统由加热炉操作室UPS不间断长期供电；炉内摄像机的伸进、退回则由操作室内的人员通过遥控器直接控制。

监控摄像机镜头具有广角度摄像功能，摄像机与镜头安装在探头保护罩内，通过耐高温镜头伸进炉内摄取炉内图像。监控系统具有高温自动保护功能，由PLC和热电阻进行控制。热电阻安装在探头内，检测镜头前端温度和采集摄像头周边温度，以确保摄像头始终处于适宜的温度环境下工作。当监测环境温度大于90℃时，自动退出装置的温度传感器会发送温度信号给系统；控制系统便会发出退出指令给自动退出装置，控制电动机驱动链条传动装置，带动摄像机和镜头从加热炉内退回。摄像机采集的炉内图像视频信号传送至加热炉操作室的屏幕监控画面上，根据监控需要可对炉内画面按照入炉、炉中、出炉、炉底四个画面进行分割显示。控制室监控人员通过监控画面可以实时观察炉内火焰燃烧情况、钢坯加热运行情况以及炉渣堆积情况等，从而及时了解整个加热炉的工艺情况，及时发现钢坯温度不均等异常炉况，并据此调整加热参数和判断是否回炉加热。同时，图像信号通过视频分配放大器连接至嵌入式硬盘录像机录像。当钢坯在出坯过程中出现异常情况时，这些视频画面和回放便会成为事故分析的最主要依据，从而避免钢坯质量问题和故障停机等问题的重复发生。

4 工业电视监控系统在热轧生产中的应用

在热轧生产中，通过工业电视监控系统可以以视频画面的方式，实时监控加热炉以及整条热轧生产线的运行情况。其实时、直观的监控效果对热轧生产线的工艺运行和自动控制起着至关重要的作用。

（1）对加热炉以及其它生产重点部位的监控。加热炉是热轧生产线的重点部位之一，对热轧产品的质量控制起着重要作用。视频监控系统通过对加热炉炉前、炉内、炉尾的视频监控，有效保证了热轧生产线的正常生产运行和热轧钢坯的质量。其中，炉前监控主要为了观察坯料加热及运行状态，监视炉内坯料运行实际情况是否与自动化工艺数据和曲线相符。如果发现两者不相符，则可通过坯料控制系统提前出钢，或是采用短延迟或长延迟出钢。炉内炉渣的堆积情况由炉内专门用于监控炉渣的摄像机进行监控。如果发生炉渣不正常堆积的情况，操作人员则可监控画面的指导下，远程控制刮渣爪清除堆积的炉渣。炉尾监控主要用于监视装钢机的运行轨迹，通过远程纠偏系统控制装钢臂，对装钢时钢坯的偏移进行纠正，以避免钢坯倾斜、不正常撞钢等事故的发生。监控系统通过对加热炉火焰状况的观察，结合燃烧工艺参数，可以对空气、煤气的输出比例进行控制。黄白色火焰说明空气量较多；出现黑烟则说明煤气输出量过多。通过对煤气、空气比例的远程控制调整可使火焰达到最佳的燃烧状态。对于轧机区域的监控，需要实时监控，而且要求对重点部位比如轧机导槽、翻钢装置等关键部位进行精确监控，而且周围环境比较恶劣，采用耐高温、防尘、抗干扰的针孔摄像装置，最大程度的实现监控的实用和高效性能。对于精整收集区域，要求光角监控，采用360度可旋转工业级摄像装置，保证监控无死角，避免操作事故的发生。通过工业电视监控系统对整个热轧生产线流程及其他辅助生产的工作场所进行24h连续不间断地监控，并根据用户需求对监控画面进行切换和回放。

（2）对生产操作人员提供有力支撑。随着各种工业自动化设备的应用，远程控制已成为对工艺参数进行调整的主要方式。人员坐在控制室内看看画面、动动鼠标，即可实现对各种工艺参数的调整。在这种生产条件下，视频监控系统则可以为生产人员提供实时可靠的视频画面，提高了信息传递的速度和准确性。在热轧生产线中，除了加热炉之外，粗轧机出入口、精整收集区域等部位均设置了监控探头，可使人员对整条生产线进行监控。一旦发现异常情况，操作室人员可以远程操控或是指挥现场人员及时处置，以避免重大生产和设备事故的发生。

（3）为事故分析提供可靠的现场视频依据。工业电视监控系统除了具有视频在线监控功能之外，还有录像及回放功能，录像时长根据系统的硬盘存储空间而定。系统录像具有动态检测录像、定期录像、手动录像、画面切换录像等方式。管理人员可根据需要，按照视频通道、摄像机编号、录像时间日期等对录像数据进行检索；并可以采用快进、慢放、放大、抓拍等方式对视频进行回放；并可对录像文件进行备份和删除。在实际应用中，通过视频回放可以为事故分析提供可靠的现场视频依据，还原事故的第一现场和事故经过。从而帮助人员分析和掌握事故经过，通过采取相应措施避免同类事故的再次发生。

5 热轧监控系统的日常维护

工业电视监控系统是24h连续不间断的电子设备，而且工作环境比较恶劣。工作现场面临着高温、粉尘、油污等环境因素的污染及危害。因此应在使用中精心维护，做好对设备防尘、防高温、防震动的检查和保持电源的稳定可靠。

（1）清洁化。现场粉尘油污较多，时间久了容易造成镜头不清，从而影响影像输出的清晰度。应定期清理防护罩，保证图像清晰。

（2）防高温。设置在现场高温环境下摄像点的连接线缆由于高温环境的影响，容易老化和损坏，应重点检查。发现线缆有裂隙或破损的，予以及时更换。

（3）防震动。现场的摄像机在现场设备震动的长期影响下，容易出现位置偏差，使摄像机偏离原来的拍摄点。对此应定期检查，及时予以调整和固定。

（4）稳定电源。视频监控系统常见的问题主要有：无图像输出、图像质量不好。无图像输出的问题多是由于通信故障引起的。此问题主要应检查电源、电缆接头，是否存在电压不正常或电缆接头接触不良的问题。图像质量不好的原因比较多，比如电源电压不稳、通信线缆接头接触不良、光圈调整不良、镜头积尘严重、摄像机附近有干扰源等问题，都有可能造成图像质量不佳，影响人员监控。对此，可逐一排查以消除故障。

6 系统效益

工业电视的闭路监控系统的应用使生产与设备维护人员不用到达现场，在监控室内即可对整条生产线的运行情况及各种工艺参数进行全面监控。企业管理者和生产指挥调度系统可以通过局域网实时掌握并控制生产情况，还可以调取近期生产历史监控画面对事件进行回溯，不仅能够直观的监视和记录工作现场的安全生产情况，而且能够及时发现安全事故隐患，防患于未然，对于事故的事后重现和分析提供关键的图像，极大地改善了人员工作环境，从而提升轧钢生产管理的科学化、信息化、现代化水平，具有相关可观的使用意义的经济效益。

7 结语

工业电视的闭路监控系统是一种安全可靠、实时快速的现代化监控系统，它可以代替工人，实时观察到人眼无法观察到的地方，真实地反映出处于昏暗、高温和危险位置的被监视对象的近距离状况。其在热轧钢生产工艺中的应用，不仅大大提高了现场操作和设备维护人员的工作效率和工作质量，也为安全生产提供了可靠保障。为工业电视监控的全面推广打下了坚实基础。随着网络信息化和计算机技术的不断更新和创新，工业电视监控技术一定能够日臻完善，得到广泛的推广和应用。由于本人从事相关工作时间较短，对工业电视监控系统钻研和知识掌握的程度极为有限，文中难免出现纰漏，望广大同仁予以指导雅正。自己也将通过工业监控课题的研究，获取更新的专业知识，掌握更多的专业技术。