Измерение температуры для автоматизированных процессов Часть 3

Основа

В главе 2 основное внимание уделялось конкретным приложениям, в которых в ИК-камере запрограммирован один температурный порог, и при достижении порогового значения через ПЛК запускается сигнал тревоги.  Часто требуется несколько камер, но просмотр термографического изображения ИК–камер является второстепенным соображением для проверки состояния тревоги. Глава 3 посвящена приложениям, в которых важны несколько температур в пределах поля зрения одной камеры, и эта информация используется для какой-либо функции управления технологическим процессом. В этих приложениях камера обычно интегрируется с другими элементами управления технологическим процессом, такими как ПК или ПЛК, с использованием программного обеспечения сторонних производителей и более сложных схем связи.

Типичные функции измерения камеры

Многие ИК-камеры предоставляют пользователю различные режимы работы, которые поддерживают правильные измерения температуры в различных условиях применения. Типичные функции измерения включают:

• Точечный измеритель
• Область
• Маска изображения
• Дельта Т
• Изотерма
• Диапазон температур
• Настройки цвета или оттенков серого

Последние две функции используются вместе для визуальной индикации диапазона температур в поле зрения камеры. Как правило, точечные и площадные температуры наиболее полезны в приложениях мониторинга и управления, а большинство камер позволяют устанавливать несколько точек или областей в пределах термографического изображения. Например, камера FLIR A320 поддерживает до четырех точек и четырех областей.

Функции курсора позволяют легко выбирать интересующую область, например перекрестие точечных показаний изображенное на рисунке 1. Кроме того, курсор может выбирать круглые, квадратные и полигональные области неправильной формы.

Точечный измеритель определяет температуру в определенной точке. Функция области изолирует выбранную область объекта или сцены и может определять максимальную, минимальную и среднюю температуру внутри этой области. Диапазон измерения температуры обычно выбирается пользователем. Это очень полезная функция особенно когда диапазон области уже, чем полномасштабный диапазон камеры.  Установка более узкого диапазона обеспечивает лучшее разрешение изображений и более высокую точность измеряемых температур. Таким образом, изображения будут лучше иллюстрировать меньшие перепады температур. С другой стороны, для предотвращения насыщения части изображения при самой высокой температуре может потребоваться более широкий масштаб и/или более высокий диапазон максимальных температур.

В дополнение к выбору температурного диапазона, большинство камер позволяют пользователю настраивать цветовую шкалу или шкалу серого для оптимизации изображения с камеры. На рисунке 2 показаны две возможности серой шкалы.

На рисунке 1 для цветопередачи использовалась так называемая “железная шкала”. Аналогично приведенной выше шкале серого, самые высокие температуры могут быть представлены либо в более светлых, либо в более темных цветах. Другая возможность - визуализация изображений с использованием так называемой радужной шкалы (Рисунок 3).

Рисунок 1. ИК-изображение печатной платы с указанием трехточечных показаний температуры. Цвета изображения соответствуют температурной шкале справа.

Рисунок 2. Изображения двигателя автомобиля в серой шкале – на левом изображении самая высокая температура обозначена белым цветом, а на правом изображении самая высокая температура обозначена черным цветом.

Рисунок 3. Радужная шкала, показывающая более низкие температуры в синей части спектра.

Примеры применения

Go/No-Go. В этих приложениях контролируется одна или несколько температур, чтобы убедиться, что они соответствуют критериям процесса, и оборудование отключается или продукт отбраковывается, когда измеренная температура поднимается выше или ниже заданного значения. Хорошим примером этого является производитель автомобильных дверных панелей, который использует ИК-камеры для мониторинга и измерения температуры деталей перед процедурой формования.

Этот процесс начинается с усиления деталей, которые хранились на складе. На складе или во время транспортировки на линию формования эти детали могут намокнуть из-за конденсации влаги или воздействия неблагоприятных погодных условий. Если это произойдет, они могут не достичь достаточно высокой температуры в формовочном прессе, и готовые панели будут низкого качества.

Детали поступают с конвейера в пресс по две штуки за раз, где они скрепляются вместе, и готовая дверная панель формуется в требуемую форму для конкретной модели автомобиля. Если детали влажные, это создает пар в прессе и приводит к слишком низкой температуре пресс-формы. Было обнаружено, что перемещение влажных деталей по конвейеру приводит к тому, что их температура ниже нормальной.

Таким образом, непосредственно перед тем, как детали попадают в пресс, конвейер останавливается и ИК-камера производит бесконтактное измерение их температуры. Диаграмма на рисунке 4 типична для этого типа приложений контроля качества.

Рисунок 4. Типичная система контроля " Go/No-Go " с использованием ИК-камер.

1. Компьютер или ПЛК
2. Кабель Ethernet CAT-6 с разъемом RJ45
3. Промышленные коммутаторы Ethernet с волоконно-оптическими портами
4. Волоконно-оптический кабель
5. Камеры FLIR A320 или A325
6. Контролируемый промышленный процесс, например изделия на конвейерной ленте

Инструменты области ИК-камеры применяются к термографическому изображению для проверки минимально допустимой температуры двух частей. Если какая-либо из температур ниже заданного значения (обычно температура окружающей среды), то цифровой выход ПЛК подает сигнал тревоги, и линия формования останавливается, чтобы детали можно было извлечь. Гарантийная замена дверной панели после того, как конечный потребитель вступит во владение автомобилем, является дорогостоящим предложением для производителя.

Хитрость заключается в том, чтобы убедиться, что камера измеряет температуру деталей, а не пола под конвейером, который находится в пределах поля зрения камеры и обычно намного холоднее. Это происходит, когда детали находятся в неправильном положении. Фотоэлектрический детектор сообщает ПЛК, когда детали попадают в зону прессования; в противном случае его лестничная логика  игнорирует сигнал тревоги, поступающий с камеры.

Непрерывный Мониторинг Процесса. Температура является важной переменной во многих процессах. Он может быть либо неотъемлемой частью процесса, либо выступать в качестве посредника для чего-то другого. Ниже описывается пример, охватывающий обе эти ситуации.

Производство искусственного волокна обычно включает непрерывный процесс экструзии. Несколько нитей могут быть экструдированы одновременно или, в случае нетканых листов, может быть задействован процесс полотна. В любом случае, мониторинг температуры материала, когда он выходит из экструдера, может обнаружить обрыв нити или засорение материала и создать резервную копию в процессе. Использование ИК-камеры для автоматического мониторинга может выявить эти неисправности на ранней стадии, до того, как возникнет огромный беспорядок, который приведет к длительному простою оборудования и дорогостоящим производственным потерям. Кроме того, фактические показания температуры могут быть использованы для анализа тенденций.

В зависимости от области применения можно использовать функции измерения точки или площади камеры. В последнем случае, вполне вероятно, что приложение будет использовать все возможности измерения площади – минимальные, максимальные и средние температуры определенной области. Если бы что-либо из этого выходило за установленные пользователем пределы, прикладная программа, запущенная на ПК или ПЛК, могла бы мгновенно отключить технологическое оборудование.

На рисунке 5 показана контролируемая область, охватывающая шесть нитей волокна, выходящих из экструдера, вместе с заданной температурой сигнализации в верхнем левом углу.

Рисунок 5. Мониторинг искусственных волокон, выходящих из экструдера.

Как и в случае многих приложений удаленного мониторинга, пользователь может выбрать маршрутизацию аналогового видео с камеры на монитор диспетчерской. Для камер с подключением Ethernet потоковое видео в цифровом формате (MPEG-4) может быть доступно для мониторинга на экране ПК. С помощью камеры FLIR A320 изображения и сигналы тревоги могут быть отправлены на удаленный компьютер по протоколам TCP /IP и SMTP (электронная почта).

В то время как камера видимого света может обнаруживать оборванные нити волокна, ИК-камера также может обеспечивать измерения температуры для определения тенденций и статистического управления технологическими процессами (SPC). Кроме того, в некоторых текстильных процессах образуются пары или конденсат, которые не может обнаружить камера видимого света, но может ИК-камера. Таким образом, ИК-камера обладает большим количеством функций, но является более экономичной.

Вопросы передачи данных и программного обеспечения

Разные камеры имеют разную частоту кадров видео. Частота кадров определяет частоту обновления термографического изображения и его температурных данных. Типичная частота может составлять каждые 200 мс или около того. Протокол цифровой связи камеры может привести к небольшой дополнительной задержке в процессе обновления. Тем не менее, поскольку технологические температуры, как правило, изменяются медленно, сбор данных о температуре с такой скоростью обеспечивает богатый объем информации для целей контроля качества.  

Во многих ИК-камерах имеется своего рода последовательный интерфейс / разъем, который можно использовать для связи с ПК или ПЛК, на котором выполняется сценарий управления или приложение. Когда разработчик системы или пользователь наиболее хорошо знакомы с ПЛК, алгоритм управления может быть построен на основе виртуального ПЛК, созданный на ПК, который эмулирует реальное аппаратное обеспечение и логику ПЛК. В любом случае для мониторинга данных, поступающих с камеры, создается человеко-машинный интерфейс (HMI). Детали, описанные ниже, основаны на эксплуатации камеры FLIR A320, но могут соответствовать большинству камер, передающих данные по каналу Ethernet.

Единственный физический интерфейс для передачи цифровых данных с FLIR A320 - это порт Ethernet. Камера должна бесперебойно работать в любой локальной сети, если в камере установлен правильный IP-адрес, маска сети и, возможно, шлюз. Два основных способа управления камерой - через интерфейс командного управления и интерфейс управления ресурсами. Потоковая передача цифровых изображений, передача файлов данных и другие функции предоставляются через интерфейс IP-сервисов.  С помощью программных ресурсов раскрываются многие функциональные возможности программного обеспечения. Доступ к этим ресурсам можно получить через сокет IP-ресурсов FLIR Service - это интерфейс управления ресурсами камеры (последовательный/сокет). Независимо от физического интерфейса Ethernet, доступ к системе камер возможен с использованием TCP/IP с помощью telnet, ftp, http и FLIR Service сокетов ресурсов (среди прочего).

Большинство ПЛК обеспечивают последовательные / разъемные интерфейсы для Ethernet. Одним из примеров является модуль веб-сервера Ethernet/IP Аллена-Брэдли (сокращенно EWEB). Другим примером является X-шлюз Anybus промышленной сети HMS модуль интерфейса Ethernet, который может преобразовывать этот интерфейс последовательного сокета в протоколы промышленных сетей, такие как Ethernet I/P, Modbus-TCP, Profinet, Ethernet Powerlink, EtherCAT, Flnet и т. д.

Настройка камеры и сбор данных обычно выполняются непосредственно с помощью ИК-монитора FLIR и программного обеспечения IP CONFIG, работающего на ПК. После этого камеру можно подключить по сети для непрерывного мониторинга и регистрации данных с помощью ПК или ПЛК. Как правило, протокол telnet, к которому обращается ПК с Windows®, на котором запущена прикладная программа, используется для запроса данных камеры. Этот протокол также доступен для большинства ПЛК.

Разработчик системы или FLIR могут создать инструкции для сообщений, которые позволят ПЛК запрашивать у камеры данные о температуре и термографические изображения таким же образом, как это делается при управлении ПК. В качестве альтернативы ПЛК может удерживать порт Ethernet открытым и требовать, чтобы камера непрерывно выводила данные на этот порт с максимально возможной скоростью. В любом случае функции сигнализации и принятия решений выполняются прикладной программой, запущенной на ПЛК (или ПК, если применимо). (См. Рисунок 6.) Как правило, температуры и изображения, собранные для анализа тенденций и статистического контроля процессов, хранятся на отдельном сервере, подключенном к сети, на котором запущено ПО Диспетчер операций для загрузки и хранения данных.

Для системных разработчиков, которые пишут или модифицируют код с Visual Basic, C++ и т.д. для настроенных приложений, работающих на ПК, есть несколько вариантов. Исследовательский пакет FLIR поддерживает OLE-2, стандартный Microsoft для связывания и встраивания данных между приложениями. Данные об изображениях и температуре могут быть связаны с исследователем в другие совместимые приложения, такие как Excel.  Связанные данные обновляются автоматически, поэтому, если в Исследователе изменится значение температуры, то оно автоматически изменится и в связанном приложении. Кроме того, исследователь предоставляет интерфейс автоматизации, который можно использовать для управления программным обеспечением с помощью Visual Basic или VBA. Другие готовые варианты управления OLE включают National Instruments LabVIEW или MATLAB. Однако, ни одно из вышеперечисленных не является OPC-совместимым (OLE для Управление технологическим процессом).

Существуют и другие готовые решения, которые не требуют написания исходного кода приложения, одним из них является IRControl со стороны Automation Technology, GmbH. IRControl упрощает автоматизированную обработку сложных задач благодаря встроенному интерфейсу автоматизации на базе Microsoft® COM/DCOM. Все основные функции измерения, анализа и управления ИК-камерами FLIR напрямую программируются с помощью макрокоманд, что позволяет автоматически выполнять сценарии управления на основе событий цифрового ввода. В дополнение ИК-пульт управления принимает команды дистанционного управления, передаваемые по каналу RS232. Таким образом, дистанционное управление IRControl с помощью других компьютеров или ПЛК значительно упрощается, а ПО также включает в себя комплексный генератор отчетов.

Рисунок 6. Обобщенная система ИК-машинного видения и ее коммуникационная сеть

1. Компьютер, ПЛК и/или сервер диспетчера транзакций
2. Кабель Ethernet CAT-6 с разъемом RJ45
3. Промышленные коммутаторы Ethernet с волоконно-оптическими портами
4. Волоконно-оптический кабель
5. Точки беспроводного доступа
6. Кабель Ethernet CAT-6 с разъемами RJ45 для питания камеры с помощью PoE (Питание через Ethernet)
7. Промышленный коммутатор Ethernet
8. Камеры FLIR A320, отслеживающие процесс или другие целевые объекты

КРАТКО

Для ИК-камер доступны различные варианты управления и сбора данных, они аналогичны тем, которые используются с камерами видимого света, используемыми в системах наблюдения и автоматизации. ИК-камеры обеспечивают дополнительное преимущество точного бесконтактного измерения температуры с помощью всего одного прибора.