基于機器視覺技術(shù)的加熱爐視頻監(jiān)控系統(tǒng)

李林生

(上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

在石油化工行業(yè)中，加熱爐負(fù)責(zé)為生產(chǎn)過程提供能量。通常情況下，加熱爐的火焰顏色呈現(xiàn)藍色，要求無抖動、成柱狀，火焰的長度需控制在爐膛約66%的高度，避免燃燒不充分導(dǎo)致火焰熄滅，進而引發(fā)加熱爐爆炸事件。因此，對加熱爐進行連續(xù)監(jiān)測是非常必要的，同時在意外情況發(fā)生時，應(yīng)及時報警并采取保護措施。長期以來，都是依靠操作員到現(xiàn)場觀察燃燒器上的預(yù)留窗口，憑借經(jīng)驗判斷加熱爐內(nèi)的燃燒情況，存在安全隱患及工作強度大、效率低等缺陷。目前，石化企業(yè)通過視頻監(jiān)控，采用機器視覺技術(shù)取代人工目測的落后做法，可實現(xiàn)操作員在中心控制室遠(yuǎn)程觀察加熱爐的內(nèi)部情況，不但提高了工作效率、降低了作業(yè)風(fēng)險，而且提高了工藝控制水平。

某石化企業(yè)1號重整裝置工藝加熱爐燃燒器項目改造過程中，新增了20套加熱爐視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用機器視覺技術(shù)對爐膛火焰燃燒狀況進行檢測，并能夠在爆炸環(huán)境中使用，管理者或操作員通過屏幕可查看爐膛、爐嘴結(jié)焦、爐管、保溫層等部件的工況。通過機器視覺技術(shù)可對域場內(nèi)燃燒器火焰及爐管的圖像進行分析處理，能識別每個燃燒器火焰熄滅和非火焰燃燒區(qū)域的突發(fā)起火事件，并將報警信號輸出至自動化系統(tǒng)和分散控制系統(tǒng)。

1 加熱爐視頻監(jiān)控系統(tǒng)概述

1.1 工作原理

加熱爐視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一種特殊的閉路電視系統(tǒng)，一體化高溫攝像儀及紅外高溫光學(xué)鏡頭被安裝在自動伸縮裝置中，鏡頭隨著自動伸縮裝置進出爐膛攝取圖像，形成CCTV全電視信號，通過控制系統(tǒng)將信號轉(zhuǎn)接至控制室監(jiān)視器顯示圖像。為了確保暴露在惡劣環(huán)境中的鏡頭保持清潔狀態(tài)，需要連續(xù)不斷地供給壓縮空氣，避免鏡頭受到灰塵以及高溫的影響。監(jiān)控系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理示意

1.2 管理平臺軟件

加熱爐視頻監(jiān)控系統(tǒng)管理平臺軟件具有以下功能：

1)信號采集。實時采集攝像機傳送的實時數(shù)據(jù)流或采集通過NVR轉(zhuǎn)發(fā)的實時回放流；實時采集現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的報警及狀態(tài)信號。

2)信號分析。根據(jù)采集的溫度信號，進一步分析溫度是否過高或過低，并進行相應(yīng)的趨勢分析；根據(jù)數(shù)據(jù)流分析設(shè)定區(qū)域內(nèi)有無燃燒器報警和燃料泄漏報警。

3)信號顯示。主界面具有視頻預(yù)覽、溫度顯示、執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)顯示、燃燒器報警狀態(tài)顯示等功能區(qū)域。

4)視頻預(yù)覽。支持畫面按標(biāo)準(zhǔn)、寬屏分割及實時視頻滿屏顯示；具有紅外熱圖顯示功能；具有ROI特征區(qū)的溫度分析功能，可同時顯示當(dāng)前窗口所有視頻畫面對應(yīng)的相關(guān)溫度信息；顯示每個視頻圖像對應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)信息；顯示通過溫度特征分析出來的燃燒器報警狀態(tài)信息以及泄漏起火報警信息。

5)控制功能。控制現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)的進退；控制現(xiàn)場攝像機的參數(shù)、錄像、歷史記錄等： 客戶端本地手動視頻錄像、本地定時錄像及報警錄像，本地溫度數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、狀態(tài)采集及執(zhí)行機構(gòu)數(shù)據(jù)的歷史記錄。

6)溫度分析功能。支持爐管溫度分布分析、溫度線性分析、溫差時域分析、運行周期分析。

7)回放。本地和遠(yuǎn)程視頻回放，但只能回放1路視頻信號。

8)備份。支持日志查詢和備份功能；支持配置文件的導(dǎo)入和導(dǎo)出。

1.3 系統(tǒng)硬件

加熱爐視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件包括： 防爆電控模塊、自動伸縮保護裝置、爐膛安裝套件模塊、空氣過濾組件模塊、圖像分析服務(wù)器、溫度分析服務(wù)器、一體化攝像儀模塊、現(xiàn)場氣路控制箱等。

1)防爆電控模塊。由電源插座、空氣開關(guān)、溫度控制器、繼電器、數(shù)據(jù)處理器、模塊電源、控制板、光纖固定卡、接線端子等組成，該模塊集采集、傳輸、控制功能為一體，控制器驅(qū)動自動伸縮保護裝置響應(yīng)伸縮動作。

2)自動伸縮保護裝置。暴露于惡劣環(huán)境中的鏡頭容易受到灰塵和高溫的干擾，需利用壓縮空氣對其冷卻與清潔，一旦冷卻風(fēng)氣源中斷，將會自動地把攝像儀拉出爐膛，無需操作人員現(xiàn)場操作攝像儀，避免了操作不當(dāng)導(dǎo)致系統(tǒng)損壞。

3)空氣過濾組件模塊。鏡頭和電子設(shè)備的冷卻和吹掃，需要使用壓縮空氣，并且必須保證氣源不間斷地供給；該模塊組件能夠分離和過濾壓縮空氣中的細(xì)小微粒，對氣源進行有效清潔和干燥，有利于保護鏡頭，使其長期穩(wěn)定可靠地工作，進而獲取高清晰的圖像。

4)圖像分析服務(wù)器。該服務(wù)器利用圖像處理技術(shù)，對工廠局域網(wǎng)傳輸過來的視頻圖像數(shù)據(jù)進行處理、存儲，同時還具備遠(yuǎn)程控制、查閱、報警信息顯示、瀏覽等功能，并定義了多個權(quán)限。

5)一體化攝像儀模塊。該模塊由耐高溫紅外光學(xué)鏡頭、紅外攝像儀、防護罩組成，光學(xué)鏡頭采用CCD傳感器，彩色感光度0.01 Lux，黑白感光度0.01 Lux，信號與噪聲比例超過50 dB，動態(tài)范圍為120 dB，具有較高的分辨率；該模塊采用12 V電源供電，集成了100 M以太網(wǎng)模塊，能夠在-30～60 ℃環(huán)境下工作；紅外耐高溫光學(xué)鏡頭總長650 mm，針孔直徑2 mm，視區(qū)范圍較廣。

6)現(xiàn)場氣路控制箱。利用壓力表檢測氣源壓力，當(dāng)檢測的氣源壓力低于設(shè)定閾值時，將會觸發(fā)控制器發(fā)出命令，使其自動地將攝像儀退出爐膛。

2 加熱爐視頻監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

加熱爐視頻監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在3個方面： 現(xiàn)場氣路控制部分、控制器部分、視頻數(shù)據(jù)傳輸及顯示部分，該3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)相輔相成，現(xiàn)場氣路控制環(huán)節(jié)是根，控制器部分是大腦，視頻數(shù)據(jù)傳輸和顯示是枝葉，本文將詳細(xì)闡述該視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。

2.1 現(xiàn)場氣路控制

現(xiàn)場自動伸縮保護裝置的氣路控制由1臺變徑閥門、1只油霧器、1臺儲氣罐、3臺過濾減壓閥、1只過濾器、1只電接點壓力表、3臺單向節(jié)流閥、1只“2位5通”電磁閥、2臺消音器組成，氣路控制原理如圖2所示。使用鍍鋅管將來自空壓站的干凈儀表風(fēng)接到配套的氣源管道，經(jīng)過過濾設(shè)備使之成為清潔和干燥的儀表風(fēng)，最后接入現(xiàn)場氣路箱分成2路： 1路經(jīng)過過濾減壓閥，將氣存于儲氣罐，再經(jīng)過單向節(jié)流閥減壓，最后通過“2位5通”切換氣路，控制伸縮裝置的推進與退出；另外1路氣源經(jīng)過減壓，通過氣源管輸送到防護罩，經(jīng)過防護罩內(nèi)的冷卻系統(tǒng)冷卻，最終排出爐膛，從而避免冷卻風(fēng)對爐膛的影響。吹掃風(fēng)通過爐膛窺孔，在鏡頭端形成風(fēng)簾，既可以消除高溫粉塵對加熱爐的影響，又可以防止?fàn)t內(nèi)火焰反竄。經(jīng)過過濾減壓之后的冷卻風(fēng)壓力不低于0.1 MPa，吹掃風(fēng)壓力不低于0.6 MPa。

圖2 氣路控制原理示意

2.2 控制器實現(xiàn)

集中控制器所使用的處理器芯片為52系列單片機，該項目控制板外圍電路主要由5 V穩(wěn)壓模塊、AT24C08存儲芯片、模擬量撥碼開關(guān)、開關(guān)量撥碼開關(guān)、2個調(diào)試按鈕(退出、伸進)、1只復(fù)位按鈕、晶振電路、復(fù)位電路、電源指示燈、4只繼電器控制模塊、溫度報警燈、欠壓報警燈、220 V電源、帶有RS-485接口的溫度控制器、RS-485接口等組成。

晶振為單片機提供時鐘同步信號；復(fù)位電路復(fù)位有三種情況： 手動復(fù)位、上電復(fù)位、程序自動復(fù)位。當(dāng)程序運行一小部分出現(xiàn)突然停電時，有的區(qū)域數(shù)據(jù)丟失，有的區(qū)域數(shù)據(jù)可能還沒丟失，下次啟用設(shè)備時，上電會重新啟動執(zhí)行初始化程序，該過程為上電復(fù)位；當(dāng)程序陷入死循環(huán)狀態(tài)時，按下復(fù)位鍵，會重新執(zhí)行初始化程序，這稱之為手動復(fù)位；當(dāng)程序陷入死循環(huán)狀態(tài)或者死機，看門狗定時器會自動執(zhí)行重啟程序，復(fù)位單片機。

在程序中，初始化程序主要對定時器、RS-485接口等進行配置；氣缸的伸進與退出，涉及人為手動控制與系統(tǒng)自動控制，但不管是手動伸縮還是自動伸縮，都必須滿足溫度正常、壓力正常，氣缸才可以正常動作；當(dāng)超溫與欠壓任何一項不滿足條件時，都會使鏡頭退出。

2.3 視頻數(shù)據(jù)傳輸

視頻傳輸過程中，首先利用視頻請求程序塊發(fā)出視頻請求，IPCamera通過控制板將現(xiàn)場信息壓縮，再通過光纖將視頻信息傳至服務(wù)器端，服務(wù)器端檢查數(shù)據(jù)庫字段、用戶請求列表，并對錄像信息進行轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)的同時對視頻進行錄像存儲，系統(tǒng)可以將報警信息以及實時視頻數(shù)據(jù)流發(fā)送到客戶端。用戶如果需要查看歷史錄像信息，服務(wù)器能夠通過錄像回放將錄像信息轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端。視頻傳輸原理如圖3所示。

圖3 視頻傳輸原理示意

1)視頻請求。通過數(shù)據(jù)庫查找每個攝像機所對應(yīng)的設(shè)備信息，并將設(shè)備信息打包成節(jié)點，組成相應(yīng)的設(shè)備列表；視頻請求主要由RTSP等其他協(xié)議一起完成；視頻服務(wù)器與每臺攝像機之間的連接都通過單獨的線路來完成。視頻請求步驟如下：

a)對視頻數(shù)據(jù)進行采集、編碼，等待服務(wù)器端發(fā)出請求。

b)服務(wù)器端和攝像機進行交互，請求視頻接收的服務(wù)端口號及視頻相關(guān)描述信息，請求視頻轉(zhuǎn)發(fā)。

c)攝像機端準(zhǔn)備發(fā)送視頻信息，服務(wù)器端準(zhǔn)備接收視頻信息。

d)通過相應(yīng)協(xié)議對視頻數(shù)據(jù)封裝與發(fā)送。

e)服務(wù)器端對攝像機端發(fā)送過來的信息進行解析，提取視頻信息，并對其進行存儲以及轉(zhuǎn)發(fā)。

2)視頻轉(zhuǎn)發(fā)。采用流式協(xié)議將視頻數(shù)據(jù)傳至上位機客戶端，視頻點播技術(shù)為請求的客戶端建立1條專用的傳輸通道，因此需要服務(wù)器保存每個請求視頻客戶端的詳細(xì)信息，包括傳輸端口、攝像機IP地址、客戶端IP地址等。

3)錄像回放。錄像是將視頻數(shù)據(jù)往硬盤中存儲，當(dāng)客戶端接收到回放命令后，再讀取存儲的視頻數(shù)據(jù)，解碼后進行回放。

3 結(jié)束語

加熱爐視頻監(jiān)控系統(tǒng)是監(jiān)測加熱爐內(nèi)燃燒等情況的重要手段，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)視頻信號的遠(yuǎn)距離傳輸，運行至今，基本能夠滿足加熱爐內(nèi)燃燒情況的監(jiān)控要求，為裝置的安全平穩(wěn)運行起到保駕護航的作用。