摘要
实践证明,对于圆形煤仓而言,煤仓煤炭温度的监测是煤仓安全管理工作的重中之重,特别是在褐煤等燃点较低的煤种而言,极易发生自燃,造成巨大的经济损失,所以,高效、准确的测量煤仓中煤堆的表面温度是各煤炭使用单位的迫切需求。传统的温度监测方法是利用点接触式温度传感器来进行温度测量,但是这种方法测量面积小,测量设备安装维护复杂,并且传感器易被外力损坏,不利于煤仓安全工作的进行。红外热像技术是目前较实用的非接触式测温技术,有监测范围广、扫描周期短、精度高等优点,在煤仓温度监测上有着巨大的应用前景。
根据圆形煤仓的实际需求,本文研究设计了一种基于红外的煤仓表面温度检测系统。该系统包含了监控中心、司机室、堆料机端 3 个功能区域。在堆料机端部署红外热像仪及工控机,辅以角度传感器及网络通信设备,完成温度数据的获取工作。在司机室部署工控机、网络设备及控制开关,可以实时远程控制堆料机端的运行。在监控中心部署服务器,完成温度数据的处理、存储及煤仓安全管理的相应功能。同时,在硬件设备基础上,对煤仓表面温度的获取、存储、处理及展示进行了研究、分析与设计,最终开发了一套用于煤仓表面温度监测的系统软件。
关键词: 煤仓测温,红外成像,嵌入式系统,工业检测
系统设计
系统方案
圆形煤仓的煤炭温度监控需要考虑煤仓的大小及煤炭的实际堆积情况,煤仓半径为 60m,在煤炭堆积最高情况下,煤堆顶角最大角度为 95±5° ,使用单个热像仪无法同时满足测量精度与测量角度的要求,所以本文设计了一套使用双热像仪进行温度测量的圆形煤仓红外温度测量方案,方案的运行流程如下所示。
双红外热像仪测量
在圆形煤仓中使用单个热像仪无法完成对煤仓半径上所有点的温度测量,所以在本系统中使用双热像仪 360° 扫描的测量方案,单个热像仪负责扫描煤仓半径上一半的温度数据,同时通过数据处理进行双热像仪的数据拼接,以获得煤仓半径上的全部温度数据,测量示意图如下图所示。
堆料机端软件流程
堆料机端采集程序是红外温度监测系统的重要组成部分之一,其主要任务是负责角度及温度数据的采集工作。在硬件开机后,本程序将自行启动运行。程序启动后,将首先利用命令启动红外热像仪 IPC 进程,用于通过 IPC 方式获取红外温度数据,接着读取配置文件信息,通过读取的配置数据初始化所有控件,初始化完成后,系统将进行自检,检查红外热像仪连接情况、角度模块串口通信情况、本地数据库连接情况,检查完成后,将建立四类线程,主线程用于显示红外温度图像以及启动各定事情运行,串口线程读取并更新角度信息,通信线程建立 TCP连接后用于收发数据,数据处理线程在角度更新后更新处理温度信息。堆料机端软件流程图如下图所示。
监控中心软件流程
首先,监控中心端软件启动后将根据配置文件进行初始化,并检查数据库连接性,若初始化失败,系统将会将错误信息记录进 Log 文件,并结束程序运行。在自检通过后,系统进程初始化各定时器并通过调用 System.Thread 类中的ThreadStart 方法和 Thread 方法建立通信线程,与堆料机端不同的是,在监控中心中建立的线程需要将线程属性设置为后台线程,通信线程在后台将与堆料机端程序建立 TCP 连接,建立连接后将程序对应信号量置位表示连接已建立,接着通信线程负责处理信息的发送与接收。主线程将连接到堆料机数据库,若连接成功将启动另一线程,此线程将检查堆料机端数据是否有当日温度角度数据,若有新数据,线程将处理这些数据,合成红外温度图像。主线程在检查数据库后,将会将堆料机端未同步数据同步至监控中心数据库,并启动各定时器以定时检查各项连接及数据库数据同步情况。接着主线程将显示主界面并通过定时器定时刷新界面红外温度数据。在操作人员选择退出系统后,软件将再一次进行数据同步,同步完成后退出系统。监控中心软件流程图如下图所示。
司机室软件流程
司机室端程序的作用是对煤仓当前温度情况进行监控,所以其程序在功能上时监控中心端程序的简化版本。司机端程序是在监控中心端程序基础上根据需求进行修改。在司机室端并无数据同步的需求,所以将监控中心端程序数据检查同步的功能去除,对于当前日期温度数据读取保留,用于合成当前煤仓温度图像。将报表生成等功能做出裁剪,去除报表生成及打印功能。同时根据设计方案,将监控中心端历史记录查询功能做出修改,去除最高温度历史查询、单日查询功能,保留单点历史查询。司机室端程序其余部分与监控中心端相同,其主界面如下图所示。
红外温度图像合成流程
系统测试与结果图示
煤仓表面温度监测系统最重要的功能是对煤仓表面温度的测量,所以系统的红外温度图像的测量效果是系统的重要指标。通过对比圆形煤仓表面温度监测系统的红外温度图像,可以进行系统的监控效果测试,在不同时期的系统生成的煤仓红外温度图像如下图所示,其中左图为初始状态煤仓温度,右图为使用工程机械将煤仓高温部分区域表面煤炭运走后的红外温度图像,从两张图像的对比中,我们可以明显的发现在红外图像的 240° 至 255° 区域在煤炭进行处理前后的明显色彩变化,能够明确的区分出煤仓不同区域的温度情况。