鋼包溫度遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

孫凱明,劉彤軍,郝明,王剛

（黑龍江省科學(xué)院智能制造研究所，黑龍江哈爾濱 150090）

1 引言

鋼包又被稱為鋼水包、大包和盛鋼桶，是及其重要的轉(zhuǎn)運(yùn)鋼水的容器。在生產(chǎn)過(guò)程中，盛滿鋼水的鋼包將被轉(zhuǎn)運(yùn)到吹氬、LF 爐、連鑄機(jī)澆鑄等工藝點(diǎn)做進(jìn)一步處理，而完成鋼水轉(zhuǎn)移的鋼包還可能出現(xiàn)在其它地方。在鋼包的使用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)各受力部位有裂紋及松動(dòng)現(xiàn)象，以及各機(jī)件會(huì)出現(xiàn)磨損情況，給生產(chǎn)安全帶來(lái)極大的隱患[1]。目前鋼包監(jiān)測(cè)主要是通過(guò)人工來(lái)進(jìn)行的，而人工監(jiān)控鋼包存在很多問(wèn)題[2-3]：(1)勞動(dòng)強(qiáng)度大且危險(xiǎn)程度高；(2)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不及時(shí)，精度低；(3)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性差，不能有效地將歷史數(shù)據(jù)應(yīng)用于鋼包狀態(tài)評(píng)估；(4)無(wú)法滿足智能制造的要求。

本文利用紅外熱成像儀和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋼包溫度遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)鋼包溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及后續(xù)的軟件處理實(shí)現(xiàn)鋼包溫度智能監(jiān)測(cè)，鋼包健康狀況的實(shí)時(shí)評(píng)估，指導(dǎo)生產(chǎn)和設(shè)備維護(hù)。

2 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的鋼包溫度遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以紅外熱成像儀為主要測(cè)量設(shè)備，在鋼包運(yùn)行軌道的某一區(qū)域的四個(gè)方向上布置紅外熱成像儀，在鋼包四周等距離放置，如圖1所示。紅外熱成像儀采集的溫度圖像經(jīng)由遠(yuǎn)程通信控制模塊送入監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)，此外，還布置了一個(gè)基于視覺(jué)識(shí)別的鋼包號(hào)識(shí)別設(shè)備。當(dāng)鋼包溫度出現(xiàn)異常時(shí)，通過(guò)報(bào)警模塊發(fā)出報(bào)警警示。

圖1 本系統(tǒng)的總體構(gòu)建

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 紅外熱成像儀

本系統(tǒng)采用Optris xi-400 熱成像儀[4]，它是382×288像素的工業(yè)成像儀，具有高速實(shí)時(shí)熱成像和最小溫差的檢測(cè)功能，用于精確測(cè)量溫度，測(cè)量范圍為-20℃-900℃；小型堅(jiān)固攝像頭，帶電動(dòng)對(duì)焦；絕佳的距離與光斑大小之比高達(dá)390：1能力；80Hz幀速率，用于監(jiān)測(cè)快速熱過(guò)程。

Optris xi-400 熱成像儀通過(guò)以太網(wǎng)接口連接遠(yuǎn)程通信模塊，主機(jī)上安裝其自帶的Optris PIX Connect[5]多功能圖像處理軟件，可以實(shí)時(shí)處理其傳來(lái)的圖像。Optris PIX Connect作為中間件，提供豐富的二次開(kāi)發(fā)函數(shù)。

3.2 鋼包號(hào)識(shí)別模塊[6-7]

鋼包號(hào)識(shí)別模塊選用?？低暤腗V-SC3016M 型號(hào)智能相機(jī)，它采用嵌入式硬件平臺(tái)，內(nèi)嵌深度學(xué)習(xí)算法，可實(shí)現(xiàn)鋼包字符的檢測(cè)和識(shí)別，可接入多路輸入、輸出信號(hào)狀態(tài)指示燈豐富，可實(shí)時(shí)把握設(shè)備狀態(tài)，便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，支持TCP、UDP、FTP、EtherNet/IP等多種通訊模式。

MV-SC3016M型號(hào)智能相機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)接口連接通信模塊，與主機(jī)采用UPD協(xié)議通信，傳輸其識(shí)別的鋼包號(hào)碼。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件功能劃分及處理流程

如圖2所示，本系統(tǒng)軟件主要分為實(shí)時(shí)監(jiān)視界面、區(qū)域設(shè)置、歷史查詢、報(bào)警解除、信息配置和用戶維護(hù)六部分組成。

圖2 本系統(tǒng)軟件功能劃分

本系統(tǒng)軟件的鋼包監(jiān)測(cè)處理流程如圖3所示。

圖3 本系統(tǒng)軟件的鋼包監(jiān)測(cè)處理流程

4.2 區(qū)域設(shè)置功能

如圖4所示，為區(qū)域設(shè)置對(duì)話框及區(qū)域設(shè)置的實(shí)際效果圖。通過(guò)區(qū)域設(shè)置功能可以設(shè)置溫度感興趣區(qū)域的位置、大小、報(bào)警上限和該區(qū)域測(cè)量溫度的類型——最高溫度、最低溫度、平均溫度、熱點(diǎn)追蹤。

圖4 區(qū)域設(shè)置對(duì)話框及區(qū)域設(shè)置的實(shí)際效果圖

在系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程中，設(shè)置1#區(qū)域?yàn)槠骄鶞囟葏^(qū)，2#區(qū)域?yàn)樽罡邷囟葏^(qū)，3#區(qū)域?yàn)闊狳c(diǎn)溫度，可以跟隨溫度最熱的區(qū)域。這3 個(gè)區(qū)域的溫度構(gòu)成了鋼包溫度記錄觸發(fā)條件，即：同時(shí)滿足(1)1#區(qū)域溫度大于給定閾值；(2)2#區(qū)域溫度大于1#區(qū)域溫度；(3)3#區(qū)域在1#區(qū)域內(nèi)。

4.3 鋼包溫度記錄流程

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，鋼包號(hào)觸發(fā)條件和鋼包溫度觸發(fā)條件的順序不同，使整個(gè)鋼包溫度記錄變得復(fù)雜。為此，本系統(tǒng)中采用如圖5所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

圖5 鋼包溫度記錄狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

本系統(tǒng)采用SQlite3數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)鋼包溫度記錄[8]，SQlite3是無(wú)服務(wù)器的、零配置的、事務(wù)性的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)引擎。

利用SQlite3 保存鋼包監(jiān)測(cè)記錄的SQL 語(yǔ)句為：INSERT INTO DataTable(DateTime，T1，T2，T3，OptrisID，LadleID，IsAlarm)VALUES(？，？，？，？，？，？，？，？，？，？，？，？，？)。其中，DataTable為記錄數(shù)據(jù)表；DateTime，T1，T2，T3，OptrisID，LadleID，IsAlarm 表中字段，？代表需要?jiǎng)討B(tài)綁定的對(duì)于字段的記錄值。

保存鋼包監(jiān)測(cè)記錄過(guò)程如下：

過(guò)程：保存鋼包監(jiān)測(cè)記錄輸入：設(shè)備號(hào)，鋼包號(hào)，平均溫度，觸發(fā)區(qū)溫度，熱點(diǎn)溫度，日期，報(bào)警標(biāo)志，鋼包圖像，INSERT語(yǔ)句輸出：保存成功標(biāo)志調(diào)用OpenDb打開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用sqlite3_exec 啟動(dòng)BEGIN事務(wù)處理調(diào)用sqlite3_prepare執(zhí)行準(zhǔn)備INSERT語(yǔ)句對(duì)每個(gè)字段調(diào)用sqlite3_bind_text綁定對(duì)應(yīng)字段記錄值調(diào)用sqlite3_step執(zhí)行INSERT語(yǔ)句調(diào)用sqlite3_finalize；//刪除準(zhǔn)備的INSERT語(yǔ)句調(diào)用sqlite3_exec啟動(dòng)COMMIT事務(wù)調(diào)用CloseDb關(guān)閉數(shù)據(jù)庫(kù)保存鋼包圖像到指定目錄

4.4 歷史查詢及趨勢(shì)曲線

如圖6所示，歷史記錄的一條記錄包含區(qū)域的溫度值、鋼包號(hào)、紅外熱成像儀號(hào)、記錄時(shí)間、報(bào)警位，對(duì)應(yīng)該條記錄的圖片的命名規(guī)則為：鋼包號(hào)+紅外熱成像儀號(hào)+時(shí)間+四位編號(hào)，圖片保存在事先設(shè)置的文件夾中。

圖6 歷史記錄及圖像的查詢、溫度曲線的繪制

趨勢(shì)曲線可以繪制所選記錄相關(guān)的一段時(shí)間內(nèi)的溫度值繪制曲線，能直觀反映出鋼包一段時(shí)間內(nèi)的溫度變化，并及時(shí)作出安全預(yù)警。

5 實(shí)際運(yùn)行應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行CPU i7，Win10操作系統(tǒng)，微軟的Visual Studio 2017開(kāi)發(fā)環(huán)境及C++語(yǔ)言、OpenCV軟件庫(kù)編程，采用SQlite3數(shù)據(jù)庫(kù)。

本系統(tǒng)已成功應(yīng)用于湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司年產(chǎn)140 萬(wàn)噸850mm 熱軋?zhí)厥鈳т撋a(chǎn)線。由于系統(tǒng)和生產(chǎn)線相分離，系統(tǒng)運(yùn)行1年多來(lái)，提高了鋼包測(cè)溫的效率和工人的人身安全，與人工測(cè)溫相比，獲得的數(shù)據(jù)量更大，更準(zhǔn)確，同時(shí)保存了圖像，提高了鋼包維護(hù)水平。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。

圖7 熱成像儀的圖像的實(shí)時(shí)顯示

6 結(jié)束語(yǔ)

本文利用紅外熱成像儀和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鋼包溫度遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)鋼包溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及后續(xù)的軟件處理實(shí)現(xiàn)鋼包溫度智能監(jiān)測(cè)，鋼包健康狀況的實(shí)時(shí)評(píng)估，指導(dǎo)生產(chǎn)和設(shè)備維護(hù)。由于采用遠(yuǎn)程檢測(cè)技術(shù)，使得工人可以在監(jiān)測(cè)中心實(shí)時(shí)監(jiān)視鋼包狀態(tài)，避免工人現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫，保證了人員的安全。本系統(tǒng)對(duì)提高鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)安全和智能制造水平起到一定的積極作用。