热成像技术支持下自动巡检测温在线监控系统设计

国网河南省电力公司安阳县供电公司 李兆方

1 引言

热成像技术可以通过红外线辐射对物体表面温度进行测量，适用于各种复杂环境，并且具有无接触、精度高、测量快的特点。因此，结合自动巡检和热成像技术，设计一套自动化、高效、可靠的温度在线监控系统，成为现代工业生产中的重要课题。该系统通过将热成像技术与自动巡检相结合，可以实时监测设备的温度状况，及时预警温度异常，保障设备的正常运行和生产安全，同时也能够对温度数据进行分析和挖掘，提高生产流程的优化和设备的维护效率，从而更好地满足现代工业生产的需求。

2 自动巡检测温在线监控系统总框架

基于热成像技术构建的自动巡检测温在线监控系统，其总体框架如图1所示。

图1 装置结构框架

根据该框架，针对其中的控制单元、监控单元、数据传输模块、成像模块以及报警模块进行设计。

3 控制单元设计

控制单元设计的流程主要包括：硬件选型、软件设计、系统测试等[1]。

3.1 硬件选型

硬件选型包括热成像设备和数据采集设备两部分。

3.1.1 热成像设备选型

在热成像设备选型时需要考虑以下因素。

一是温度测量范围：需要根据不同监测对象的温度范围选择合适的热成像仪器；二是温度分辨率：分辨率越高，精确度越高，但价格也越高，需要在精确度和成本之间取得平衡；三是常规功能：例如数据存储和传输、图像处理等，需要根据实际需求进行选择。

3.1.2 数据采集设备选型

在数据采集设备选型时需要考虑以下因素：

一是采集速率：需要选用高速采集卡，并根据需要进行多通道采集；二是数据传输方式：可以选择以太网或者USB 等接口，根据实际需求选择；三是数据存储方式：可以选择内存存储或外部存储器等方式。

3.2 软件设计

软件设计主要包括数据采集与处理、图像处理与分析、实时监控与预警和数据存储与展示四个模块。

3.2.1 数据采集与处理

数据采集模块需要对热成像仪器采集的温度数据进行处理，包括数据滤波、去噪等，提高数据的准确性和稳定性，并将处理后的数据传输给下一步的图像处理模块进行处理。利用快速傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号：

式中，X(k)为频域信号；X(n)为时域信号；N为信号长度；k为频率序号。

3.2.2 图像处理与分析

图像处理模块需要通过热成像图像处理算法，提取出关键信息，例如最高温度、平均温度等，并将处理结果传递给实时监控与预警模块。在进行图像处理时，为了完成将输入空间映射到高维特征空间中进行分类以及回归等任务，引入核函数概念，其计算式为：

3.2.3 实时监控与预警

实时监控模块需要将处理结果进行可视化显示，实时监控设备温度变化情况，并通过阈值算法或机器学习算法等，实现异常检测和预警提示功能。

3.2.4 数据存储与展示

数据存储模块负责对采集到的原始数据及处理后的数据进行保存，以备后续分析使用。同时，还需要提供一个可视化的数据展示界面，方便用户实时查看监测结果。

4 监控中心设计

4.1 确定监控范围

首先需要明确需要监测的工业生产线的种类和数量。这一步可以从工业生产线的生产流程和产品类型入手，同时还需要全面考虑生产线现状和工艺流程，识别哪些生产线和生产环节需要进行在线监控，并确定监控计划。在确定监控范围时，还需要确定每条生产线中需要监测的关键点位。

4.2 选型与采购

根据生产线的监测需求，需要仔细挑选适合的监测设备和传感器。设备的性能指标、通信方式、可靠性和稳定性等都是选择设备时需要综合考虑的因素[2]。在选择设备时，还要考虑其在实际环境中的运营状态，例如设备是否容易受到灰尘、水汽等干扰，以及检测设备和传感器的精度、灵敏度等因素。

4.3 设计通信方案

设计控制中心与检测设备之间的通信协议和通信方式，包括网络拓扑结构、数据传输速率、数据格式等方面的规划。在设计通信方案时，需要特别注意数据的实时性和有效性，以便确保及时捕获异常和危机，从而避免生产线的不良后果。另外，还需要考虑通信方式的安全性，例如是否需要加密和认证等措施，保障系统中数据传输的安全性和完整性。

4.4 数据采集和存储

在建立控制中心的数据库前，需要明确数据的采集和存储需求，包括选择适当的存储介质、数据格式、数据量的大小和存储周期等。数据采集和存储可以使用各种类型的数据库。例如，支持实时处理和读取的关系型数据库以及文档和时间序列数据库等都是常用的选择。

4.5 数据处理和分析

对于数据采集和存储后的数据，需要进行处理和分析，以便发现异常情况并及时采取措施。为此需要使用合适的算法和模型，例如神经网络、机器学习等。通过对数据进行分析，可以建立模型预测生产线的状态并警告潜在的问题。

4.6 系统集成和测试

将所有的组件集成到系统中，不仅包括软件和硬件设备，还包括通信和数据存储等模块。在进行系统测试时，需要进行全面的测试，包括功能测试、性能测试、稳定性测试等，确保系统能够正常工作。

4.7 上线部署和维护

在经过系统集成和测试后，就可以将监测系统上线部署并进行维护。维护包括对监测设备和控制中心进行定期检查和维护，保证系统长期稳定运行。此外，还需要及时跟进并解决潜在问题和异常情况，确保生产的安全和顺畅运作。

5 数据传输模块

5.1 传输方式的选择

有线传输可以保证数据传输的实时性和可靠性，但在布线上会受到距离、数量等因素的限制。如果出现布线不当或者线路故障等情况，都会导致数据传输的中断，损害系统的稳定性和准确性。

5.2 数据采集和处理

数据采集和处理是整个监控系统的核心环节。在进行数据采集时，通常使用传感器、探头等不同类型的设备获取待测量的物理量，将其转换为数字信号，再经过采集装置进行处理。在这个过程中，研究人员根据实际情况进行校准和调试，提高设备的精度和准确度。

5.3 数据传输方法的选择

通信协议是数据传输的重要组成部分。目前常用的通信协议有Modbus、HART、OPC 等。其中，Modbus 协议较为简单易用，具有广泛应用和开放性强的特点。HART 协议则支持数字和模拟信号的双向传输，采用了多点传输方式，具有一定的灵活性。而OPC 协议是一种基于Windows 操作系统的标准化数据交互技术，具备高效、扩展性好等特点[3]。

5.4 数据的安全性

为了防止数据被攻击或者泄漏，通常采用加密算法保护数据的传输过程。在实际应用中，DES、AES 等加密算法得到了广泛应用。

6 成像模块

6.1 研究需求与技术方案

首先，需要明确监控系统的需求和技术方案，确定成像模块的技术参数。例如，需要考虑拍摄距离、视场角、分辨率等因素。拍摄距离是指距离被监测对象的远近，需要选择合适的光学镜头，满足系统对被监测对象所需分辨率和视野范围。视场角则是指摄像头能够覆盖到的视野范围，需要根据具体应用场景选择相应视场角的成像器件。

6.2 选择合适的成像器件

根据需求和技术方案，选择合适的成像器件。常用的成像器件包括CCD 和CMOS。CCD 比CMOS 具有更高的图像质量，但是价格较高，功耗也较大，适用于对图像质量要求较高的场合。CMOS 则相对便宜，功耗低，适用于对图像实时性要求较高的场合。在选择成像器件时，还需要考虑其灵敏度和噪声等因素。

6.3 增加光学滤波器

安装光学滤波器可以过滤掉闪烁灯、太阳光、室外荧光灯等光线干扰，保证成像质量的稳定。例如，在拍摄熔融金属时，强光会对图像造成干扰，需要使用滤光片进行过滤。

6.4 设计成像模块结构

成像模块结构的设计需要考虑实现成像器件、光学滤波器的固定和保护。同时还需要考虑温度变化对成像效果的影响，因此需要在成像模块中加入保温措施。成像模块的结构应该紧凑，电路布局合理，减少信号干扰和噪声。在制作过程中，对于成像器件和光学器件的接口部分，需要进行特别注意和加强，避免在使用过程中发生松动导致成像质量的降低。

7 报警模块

首先，在报警模块设计中，需要考虑温度传感器的精度和判断阈值。因为温度传感器有一定的误差，如果阈值设置得过紧，则可能引起误报，反之则可能会漏报。因此，在初步调试时应该评估出传感器误差范围，根据这个误差范围设置阈值。同时，也应该根据现场实际情况进行合理的定制化，最终确定出适合当前环境的温度阈值。其次，在报警方式设置中，可以考虑通过声光报警装置进行报警。在报警装置设计时，应该对其音量、亮度、颜色等参数进行调节，尽可能地提高报警效果[4]。此外，还可以设置手机短信、邮件甚至直接与管理人员以IM 联系方式进行信息通知。最后，在报警信息传输的设置中，一般可以通过采用工业网络进行实时传输，保证数据的及时性和准确性。

8 结语

热成像技术作为现代工业领域中重要的一项技术，得到了广泛的应用与发展。在自动巡检测温在线监控系统设计中，热成像技术更是为整个系统提供了有力的支持。通过热成像技术的准确测量和分析，可以实现对工业现场温度变化的及时监控与精准预警，有效避免潜在安全隐患，提高生产效率和环保质量。