Удаленный ИК-мониторинг Часть 2

Обзор

Инфракрасное излучение излучается всеми объектами при температурах выше абсолютного нуля и может быть обнаружено ИК-камерами. Поскольку эти камеры имеют различные средства передачи термографических изображений и температуры в удаленные места, они идеально подходят для удаленного и автоматического мониторинга. Кроме того, интеллектуальные ИК-камеры (со встроенной логикой, аналитикой и передачей данных) могут сравнивать температуры, полученные на их термографических изображениях, с пользовательскими настройками. Это позволяет камере выводить цифровой сигнал для сигнализации и управления, а также предоставлять изображения в реальном времени.

Функционирование ИК-камеры

Конструкция ИК-камеры аналогична конструкции цифровой видеокамеры. Основными компонентами являются объектив, фокусирующий ИК-излучение на детектор, а также электроника и программное обеспечение для обработки и отображения термографических изображений и температур на ЖК- или электронно-лучевом мониторе (рис. 1).  Вместо устройства с зарядовой связью, которое используют видео- и цифровые фотокамеры, детектор ИК-камеры представляет собой матрицу фокальной плоскости (FPA) пикселей микрометрового размера, изготовленную из различных материалов, чувствительных к ИК волнам. Диапазон разрешения колеблется от 80х80 пикселей до 1024х1024 пиксели. В некоторых ИК-камерах электроника для обработки видео включает в себя логические и аналитические функции, упомянутые ранее. Встроенное программное обеспечение камеры позволяет пользователю фокусироваться на определенной области FPA или использовать всю область детектора для расчета минимальной, максимальной и средней температур. Как правило, точность измерения температуры составляет ±2 °C или меньше.

Объектив камеры и расстояние до целевого объекта определяют поле зрения (FOV), которое определяет размер пятна, охватываемого каждым пикселем. Аналоговый выход пикселя представляет интенсивность тепловой энергии, получаемой от пятна, которое он покрывает на целевом объекте. Термографическое изображение, отображаемое на экране монитора, является результатом преобразования микропроцессором этих выходных значений пикселей в цветную или оттенков серого схему, представляющую относительные температуры. Кроме того, радиометрическая информация, связанная с тепловой энергией, воздействующей на пиксель, сохраняется для использования при расчете точной температуры пятна, покрытого этим пикселем.

Следовательно, ИК-камеры с этими возможностями работают так же, как и другие типы интеллектуальных датчиков температуры. Их откалиброванные выходы могут быть доступны через один или несколько коммуникационных интерфейсов и контролироваться удаленно. Изображения, сохраненные с этих камер, являются полностью радиометрическими и могут быть проанализированы в автономном режиме с помощью стандартных пакетов программного обеспечения.

Важные критерии в системах удаленного мониторинга

При выборе ИК-камеры для системы удаленного мониторинга необходимо учитывать следующие важные переменные:

• Размер пятна – наименьший объект в области, который можно измерить
• FOV (Поле зрения) – область, которую видит камера
• Рабочее расстояние – расстояние от объектива камеры до ближайшего целевого объекта
• Контроль и мониторинг в режиме реального времени - вопросы и ответы
• Глубина области – максимальная глубина области, которая остается в фокусе
• Разрешение – количество пикселей и размер активной области датчика
• NETD (Разница температур, эквивалентная шуму) – самый низкий уровень тепловой энергии, который может быть измерен
• Спектральная чувствительность – часть ИК-спектра, к которой чувствительна камера
• Диапазон измерения температуры, точность и воспроизводимость – функция общей конструкции камеры

Еще одним фундаментальным вопросом является то, какая часть камеры FOV содержит важную информацию, необходимую для целей мониторинга. Объекты в поле зрения FOV должны обеспечивать точную индикацию отслеживаемой ситуации на основе температуры этих объектов. В зависимости от ситуации целевые объекты могут находиться в одном и том же положении в пределах поля зрения камеры. Другие переменные приложения, связанные с контролируемой областью, включают:

• Излучательная способность целевых объектов
• Отраженные температуры в пределах поля зрения
• Атмосферная температура и влажность

Эти темы будут рассмотрены более подробно в следующей главе.

Удаленный Мониторинг Производственных Объектов

Одним из видов приложений, в которых ИК-камеры очень полезны, является удаленный мониторинг производственных объектов, инвентаря и т. д., чтобы помочь предотвратить потери и повысить безопасность. Чаще всего это касается складских помещений, таких как склады или открытые площадки для сыпучих материалов. Следующий пример может служить общей моделью для настройки системы мониторинга ИК-камеры в зависимости от типа применения.

Мониторинг Хранилища Опасных Отходов. В этом типа применения бочки с химическими отходами хранятся в закрытом помещении, но в таком, в котором они не могут быть полностью защищены от влаги. Таким образом, существует вероятность протечек или загрязнения содержимого бочки воздухом и влагой, что приведет к повышению температуры в результате химической реакции. В конечном счете, в такой ситуации существует риск пожара или даже взрыва.

Хотя при данном типе применения могут использоваться камеры с видимым освещением, часто возникает проблема прямой видимости, когда многие бочки не видны, даже при наличии нескольких камер, расположенных по всей площади хранения. Кроме того, дым или пламя уже должны возникнуть, прежде чем камера видимого света сможет их обнаружить. Возможно, уже слишком поздно принимать превентивные меры. Напротив, ИК-камеры, контролирующие объект, могут обнаружить повышение температуры до возникновения пожара (рисунки 2a и 2b).

Рисунок 2а. ИК-изображение области хранения опасных отходов, показывающее два точечных значения температуры (-3,1°C и -8,4°C) которые находятся в безопасном диапазоне, плюс одно значение (37,1 °C), которое является аномально высоким.

Рисунок 2b. Последующее изображение той же области показывает, что аномальные показания в 2a еще больше увеличились, что привело к срабатыванию сигнализации.

В зависимости от производителя камеры доступно несколько вариантов мониторинга. Например, камера FLIR A320 позволяет устанавливать внутреннее пороговое значение температуры для сигнализации. Кроме того, логика камеры и функции часов могут быть настроены таким образом, чтобы повышение температуры поддерживалось в течение определенного периода времени, прежде чем будет отправлен сигнал тревоги. Это позволяет системе игнорировать временное повышение температуры в поле зрения камеры, вызванное въездом вилочного погрузчика в зону для добавления или удаления бочек. Кроме того, функция гистерезиса также может быть использована для предотвращения отключения сигнала тревоги до тех пор, пока обнаруженная температура не упадет значительно ниже заданного значения. Гистерезис является важной характеристикой обработки сигналов интеллектуальных ИК-камер, что значительно повышает эффективность функций мониторинга и управления.

Камеры с цифровым интерфейсом обычно обеспечивают выход типа "ВКЛ/ВЫКЛ" для сигнализации. Цифровой выход либо выключен, либо включен; когда он включен, обычно это постоянное напряжение или ток. Например, цифровой выход камеры FLIR A320 составляет 10-30VDC постоянного тока при нагрузке 100 мА или менее.

Хороший способ настроить систему сигнализации - настроить все камеры таким образом, чтобы они имели цифровой выход высокого уровня, когда температура ниже аварийного состояния, которое удерживает ПЛК в состоянии без тревоги.  При обнаружении заданной температуры сигнала тревоги цифровой выход камеры разряжается (обычно ноль вольт) после соответствующей временной задержки, ПЛК переходит в состояние тревоги. Это создает отказоустойчивую систему. Если питание камеры пропадает, то на ПЛК поступает сигнал высокого уровня, который обрабатывает это событие так же, как если бы температура достигла высокого значения. Это предупреждает персонал о том, что они либо потеряли функцию мониторинга, либо действительно произошло повышение температуры.

Мониторинг изображений. Получение предупреждения на основе измерений температуры очень полезно, но реальная мощь ИК-мониторинга производственных объектов заключается в возможностях обработки изображений камеры. Персонал диспетчерской может получать изображение с ИК-камер в реальном времени, которые не могут предоставить камеры видимого света и другие датчики температуры. Опять же, камеры различаются в зависимости от производителя, но наиболее универсальные из них предлагают различные форматы передачи данных для отправки термографических изображений с удаленных объектов. Все чаще веб-камеры используются для обеспечения мониторинга из любого места, где есть компьютер.

На рисунке 4 показана система, использующая Ethernet и TCP FLIR A20/Протоколы IP-связи в сочетании с возможностями настройки параметров сигнализации. Часть системы Ethernet позволяет прокладывать кабели длиной до 100 метров. Передавая цифровой сигнал тревоги непосредственно на ПЛК, он может немедленно активировать визуальную и / или звуковую сигнализацию. Визуальный сигнал тревоги может появиться на панели оповещения, сообщая оператору, откуда поступил сигнал тревоги; затем оператор переходит к компьютеру, чтобы просмотреть изображение области в реальном времени. Изображения и данные о температуре могут быть сохранены для дальнейшего использования и анализа.

Рисунок 4. Пример одного типа конфигурации системы для удаленного Мониторинга. Система использует цифровой аварийный выход для оповещения о перегреве и передает потоковую передачу Сжатое видео в формате MPEG-4, позволяющее просматривать сцену на мониторе ПК.

Камеры A320 также могут быть сконфигурированы для автоматической отправки данных о температуре и изображений на ПК по электронной почте (SMTP) или протоколу ftp при достижении заданного значения температуры, создавая тем самым запись для последующего просмотра.

В сочетании с хост-контроллером, на котором работает ИК-монитор FLIR (или другое подходящее программное обеспечение), данные о температуре могут быть получены для анализа тенденций.

A320 также может обеспечивать цифровое сжатие аналогового видеосигнала камеры, который может быть отправлен в виде потокового цифрового видео MPEG-4 по каналу Ethernet на монитор ПК.

В сочетании с хост-контроллером, на котором работает ИК-монитор FLIR (или другое подходящее программное обеспечение), данные о температуре могут быть получены для анализа тенденций. A320 также может обеспечивать цифровое сжатие аналогового видеосигнала камеры, который может быть отправлен в виде потокового цифрового видео MPEG-4 по каналу Ethernet на монитор ПК. ИК-монитор можно использовать для настройки измерений температуры, захвата изображений и функций отображения камеры. Это приложение позволяет ПК отображать до девяти изображений с камер одновременно и переключаться между дополнительными группами камер по мере необходимости. Программное обеспечение FLIR IP CONFIG можно использовать для настройки IP-адреса каждой камеры.

После настройки камер ПК, используемый для мониторинга, не должен постоянно оставаться в сети. Используя протоколы ftp и SMTP в камере, пользователь может получать радиометрические изображения при возникновении аварийных ситуаций или по заданному расписанию. Кроме того, любой доступный компьютер с веб-браузером можно использовать для доступа к веб-серверу камер для просмотра видео в реальном времени и базового управления. Этот веб-интерфейс так же защищен паролем.

Большинство ИК-камер имеют аналоговый видеовыход в формате PAL или NTSC. Поэтому еще одной возможностью мониторинга изображения является использование телевизионного монитора для отображения термографического видео. Один монитор диспетчерской можно использовать с переключателем для последовательного просмотра изображений в реальном времени с каждой камеры. Когда камеры правильно настроены, персонал диспетчерской может просматривать масштабированные показания температуры для любой точки или области (минимальной, максимальной и средней) на этом изображении. (См. Цветовые шкалы на скриншотах, изображенных на рисунке 2.) Оператор не только будет знать, когда возникает избыточное тепло, но и сможет увидеть, где оно находится.

Другим примером инновационных функций, доступных во встроенном ПО камеры или внешнем программном обеспечении, является функция, называемая маскировкой изображения. Это позволяет пользователю предварительно выбирать конкретные области, представляющие интерес для анализа данных о температуре. Это показано на рисунке 5, на котором изображен непрерывный мониторинг горячих точек подстанции, которые указывают на проблемные области.

Рисунок 5. Функция маскировки ИК-камеры FLIR A320, которая также доступна в некоторых сторонних программах.

Аналогичный тип программного обеспечения для распознавания образов может быть использован для автоматизированного контроля при пайке металла, сварке и лазерной сварке пластиковых деталей. ИК-камеры могут видеть теплопроводность готовых деталей, чтобы проверить температуру в местах соединения деталей по сравнению с установленным значением. Кроме того, программное обеспечение может изучить траекторию сварки, чтобы убедиться в правильности этого пути, что достигается путем программирования определенных пикселей изображения, которые будут использоваться программным обеспечением для этой цели. В качестве альтернативы разработчик программы может сохранить изображение “идеальной” детали, а затем заставить программное обеспечение искать минимальные, максимальные или дельта-значения, которые сообщают оператору оборудования, проходит ли деталь проверку. Примером этого может служить проверка обогревателя автомобильных сидений, описанная в главе 1, и тот же принцип используется при проверке элементов обогревателя автомобильных стекол путем подачи на них питания и их проверка посредством термографического изображения.

Питание через Ethernet (PoE). Следует отметить, что камера с Подключением по сети Ethernet может питаться от различных источников, в зависимости от ее конструкции. Как правило, используется подключение к внешнему источнику постоянного тока или, при наличии возможности, питание камеры осуществляется через PoE (Питание через Ethernet). PoE использует источник питания, подключенный к сети с запасными сигнальными проводами, которые иначе не используются в сети 10/100 Системы Ethernet. Возможны различные конфигурации PoE. На рисунке 6 изображен тот, в котором источник питания расположен на одном конце сети. (Гигабитный Ethernet использует все доступные пары данных, поэтому PoE в этих системах невозможен.)

Рисунок 6. Схема, изображающая PoE запасной пары с использованием конечной точки Расположение PSE.

Power Sourcing Equipment (PSE)

Powered Device (PD)

PoE устраняет необходимость в отдельном источнике питания и кабелепроводе для каждой камеры в сети. Единственные дополнительные затраты – за небольшое электрическое оборудование, связанное с PoE. 

Многие приложения охватывают области, которые превышают максимальную длину кабеля Ethernet 100 м. В таких случаях существуют варианты беспроводных и волоконно-оптических преобразователей, которые обеспечивают готовые решения для связи на гораздо больших расстояниях. Они часто используются в системах хранения сыпучих материалов, описанных ниже.

Дополнительные Ситуации с Мониторингом Производственных Объектов

Хранилища Сыпучих Материалов. Многие сыпучие материалы хранятся на открытых складах, где воздух и влага могут способствовать разложению и другим экзотермическим реакциям, повышающим температуру штабелей. Это влечет за собой угрозу возникновения пожара, денежные потери и угрозы безопасности персонала. Кроме того, существует риск косвенного ущерба, причиненного пожарами, включая потерю близлежащего имущества, повреждение водой в результате тушения пожара и остановку производства. Материалы, которые особенно подвержены самовозгоранию, включают органические отходы (компост и т.д.), макулатуру для вторичной переработки, древесину, уголь и различные неорганические химикаты, такие как цемент и гидраты хлора. Даже при отсутствии самовозгорания многие сыпучие материалы, такие как пластмасса, представляют опасность возгорания из-за искр или других внешних источников воспламенения.

В большинстве случаев профилактика обходится дешевле, чем лечение, и лучшей профилактикой в этой ситуации является постоянный мониторинг материалов. Конструкция системы может иметь ту же форму, что и описанная ранее форма для бочек с опасными отходами. Камеры сконфигурированы таким образом, чтобы генерировать прямой сигнал тревоги оператору при превышении заданных пользователем максимальных температурных порогов. Звуковые и визуальные сигналы тревоги в диспетчерской привлекают внимание оператора к возможному самопроизвольному возникновению пожара. Для изоляции проблемных зон были разработаны различные типы программного обеспечения, такие как система мониторинга зоны кипы отходов, изображенная на Рисунке 7.

Рисунок 7. Диспетчерская для обработки кипы отходов и снимок экрана схемы мониторинга зоны, в которой используется ИК-камера FLIR на поворотном креплении для предупреждения об опасности пожара.

Рисунок 8. Изображения угольной кучи в видимом свете и инфракрасном диапазоне термографическое изображение четко идентифицирует горячую точку, которая вот-вот вспыхнет.

Хотя самовозгорание обычно начинается в нижних слоях штабеля, непрерывный мониторинг поверхности позволяет выявить горячие точки на ранней стадии (рис. 8), поэтому могут быть приняты меры для предотвращения возникновения крупного пожара. Для больших складских помещений обычно требуется несколько камер для полного охвата, причем камеры установлены на металлических мачтах над складами. Это требует наличия камер с корпусами и другими функциями, предназначенными для надежной работы в суровых промышленных условиях.

Мониторинг критических резервуаров (CVM). Существует несколько применений, в которых температура резервуаров и его содержимого имеют решающее значение.  Резервуар можно использовать для химических реакций, нагрева жидкости или просто для хранения. Для крупных резервуаров использование контактных датчиков температуры создает проблемы. Одной из причин может быть неравномерная температура по всему резервуару и по всей его поверхности. Но для такого типа измерения потребуется большое количество датчиков контактного типа, установка которых может стоить довольно дорого.

Для большинства приложений CVM несколько ИК-камер могут отображать почти 100% поверхности резервуаров (рисунок 9). Кроме того, они могут измерять температуру поверхности CVM, чтобы определить тенденцию и предсказать, когда внутренний огнеупор выйдет из строя и нарушит механическую целостность системы. Если необходимо сфокусироваться на конкретных областях интереса (ROI), встроенное ПО ИК-камеры (или внешнее программное обеспечение ПК) позволяет выбирать точки температуры или области для измерения.

Рисунок 9. Пример мониторинга CVM, показывающий расположение камер, сетевые подключения и ПК.

1. ПК
2. Кабель Ethernet CAT-6 с разъемом RJ45
3. Промышленный коммутатор Ethernet с PoE
4. Камеры FLIR A320
5. Контролируемый промышленный процесс, например, газификатор

Опять же, можно использовать некоторые варианты систем, описанных ранее. В зависимости от условий применения может потребоваться взрывозащищенный корпус камеры. Программное обеспечение человеко-машинного интерфейса (HMI) может быть использовано для обеспечения обзора мониторинга. Они имеют возможность объединять все изображения с камер в единое пространственное представление контролируемой области – в данном случае, плоский вид резервуара. Это изображение может непрерывно обновляться для получения термографии почти в реальном времени.

Мониторинг Электрических Подстанций. Надежная работа подстанций имеет решающее значение для бесперебойного электроснабжения. Помимо ударов молнии и больших перегрузок, устаревшее оборудование и соединения являются основной причиной сбоев инфраструктуры и перебоев в обслуживании. Многих из этих отказов можно избежать с помощью эффективного профилактического мониторинга технического обслуживания. Часто температура трансформаторов, выключателей, соединений и т.д. начинает ползти вверх еще до того, как происходит катастрофический сбой. Обнаружение этих повышений температуры с помощью ИК-камер позволяет проводить профилактические операции по техническому обслуживанию до того, как произойдет незапланированное отключение подачи электроэнергии. (См. Рисунок 10.)

Рисунок 10. Изображение видимого света и ИК-изображение подстанции, показывающие трансформатор с повышенной температурой.

Камеры могут быть установлены на поворотно-наклонном монтажном механизме для непрерывного обследования больших площадей подстанции. Несколько камер могут обеспечить охват в режиме реального времени всего критически важного оборудования, которое необходимо контролировать. В дополнение к функциям профилактического обслуживания, эти камеры также служат в качестве систем безопасности для круглосуточного обнаружения вторжений.

Комбинируя Ethernet и / или беспроводное подключение камер с веб-интерфейсом оператора, изображения в реальном времени могут передаваться в диспетчерские службы, расположенные за многие мили. Кроме того, передовое программное обеспечение можно использовать для обнаружения опасных температурных отклонений и уведомления обслуживающего персонала по электронной почте и моментальных снимков поврежденного оборудования.

Эти функции уже внедрены на ведущих предприятиях США, таких как Exel Energy “Подстанция Будущего.” Такие компании, как Excel, рассматривают ИК-мониторинг как стратегическую инвестицию в автоматизацию, которая является частью общей платформы для технического обслуживания и обеспечения безопасности SCADA. Самые передовые системы обеспечивают отметку времени в рехмерном тепловом моделировании критически важного оборудования и областей, а также определение и анализ температурных тенденций. Общекорпоративная система сигнализации обеспечивает оповещение о высоких, низких перепадах температур и температурах окружающей среды внутри областей или между ними в режиме реального времени. Предыдущие примеры представляют собой лишь несколько приложений, которые могут извлечь выгоду из удаленного мониторинга ИК-камеры. Несколько других приложений, в которых используется ИК-контроль температуры, включают в себя:

• Нефтегазовая промышленность (разведочные установки, нефтеперерабатывающие заводы, факельные газоходы, переработка природного газа, трубопроводы и хранилища)
• Электроэнергетические предприятия (электростанции, распределительные линии, подстанции и трансформаторы)
• Прогнозирующее и профилактическое техническое обслуживание (непрерывный/фиксированный мониторинг критического оборудования)

Помимо этого, существует множество качественных приложений дистанционного мониторинга, в которых преобладающей функцией является визуализация. Например, ИК-камеры могут использоваться как часть системы раннего предупреждения о лесных пожарах (рис. 11), обнаруживая очаги возгорания до появления значительного количества дыма. Другим примером является использование ИК-изображения для просмотра паров конденсата, которые в противном случае мешали бы оператору видеть оборудование и процессы. Это используется, в частности, на коксохимических и фанерных заводах, и операциях по обработке фанерных бревен (см. Глава 1, Рисунок 1).

Рисунок 11. Система раннего предупреждения о лесных пожарах IRIS ® Watchman компании Ngaro, использущая ИК-камеру FLIR.

КРАТКО

Как отмечается в тексте, данные о температуре ИК-камеры могут использоваться для качественного мониторинга или для количественного измерения и контроля температур. В первом случае тепловые изображения получаются и интерпретируются на основе температурного контраста. Его можно использовать для определения областей изображения, которые соотносятся с деталями подповерхности, уровнями жидкости, огнеупорностью и т.д.

Количественные измерения обычно требуют, чтобы ИК-камера точно определяла разницу температур между целевым объектом и его окружением. Это позволяет использовать данные о температуре при дистанционном мониторинге в целях сигнализации или даже для отключения оборудования. Поскольку во многих ситуациях температура меняется медленно, передача данных интеллектуальных ИК-камер в режиме реального времени более чем достаточна для систем сигнализации и управления.

🠐 Предыдущая статья | Следующая статья 🠒