高炉红外摄像监测系统的设计与实现

摘要： 论述了高炉红外摄像监测系统的中上位机各个功能的实现技术。该系统主要由三部分组成，即红外摄像头、下位机和上位机。红外摄像头获取高炉炉腔的实时图像，然后通过视频数据线传输给上位机的视频采集卡并转换为数字视频数据后在上位机显示。系统根据图像的灰度信息得到炉内的温度分布情况，并将这些数据保存到数据库以用于数据分析和问题跟踪。

关键词： 监测系统； 红外摄像； 灰度； 高炉

中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：1006-8228(2012)07-31-03

0 引言

高炉是一个在高温高压条件下冶炼生铁的密闭反应器[1]。高炉温度监测装置有两种，一种是接触式的，一种是非接触式的。接触式一般是热电偶温度传感器。热电偶是当前应用最广泛的测温元件，各国研究人员对提高灵敏度、保证稳定性方面作了大量的研究[2]。非接触式温度监测装置虽然精度高，但安装维护费用高。接触式测温装置虽然精度不高，但使用安全并且使用寿命长，因此在高炉温度监测上应用广泛。除此之外，炉内实际的气流分布状况和装料制度调整状况也是需要监测的重要方面。为此，国外企业早在上个世纪80年代初期就开始探索炉喉料面的在线监测方法，曾先后出现了“机械探针式”、超声波、热图像仪、雷达等多种监测料面的设备，但都因难以长时间适应高炉恶劣的作业环境而难以得到推广应用[3]。

本文详细介绍了高炉红外摄像监测系统。该系统利用红外摄像头获取炉腔内的灰度图像，实时显示炉内的布料情况和料面的气流分布情况，在灰度图的基础上实现图像的伪彩，使观察者可对炉内温度的高低一目了然，同时，根据图像的灰度和温度的关系确定炉内的温度分布情况。该系统还可以根据炉内炉料的不同调节图像的相关参数，使由灰度转化来的温度误差尽可能减小。该系统可以适应高炉恶劣的作业环境且经过试运行效果良好。

1 总体方案设计

该系统主要包括三个组成部分：①红外摄像头。系统使用红外摄像头来获取炉内影像。红外摄像头的体积小，并且其特殊的光学系统能让系统适应高炉内特殊的环境。由于摄像头工作在高温多尘的环境中，为了使其正常工作需要对摄像头实施保护措施。在本系统中采用的是冷却水和氮气。②下位机系统。该系统主要用来实现摄像头保护措施的监控。由于摄像头工作在高温、高压、高尘、高湿的环境中，这些环境因素都会导致摄像头不能正常工作，因此对摄像头要使用冷却水降温以及氮气吹扫镜头的保护措施。下位机就是用来监控这些措施的实施。③上位机系统。这一部分主要实现了红外摄像头和下位机采集到的数据的实时显示、处理和存储。系统的整体框架如图1所示。

系统的主要功能由上位机完成。下位机将摄像头的温度、氮气压力值和水压力值通过485总线传输并经过485-RS232转换接口发送给上位机，摄像头获取的视频线直接传输给上位机的多路视频采集卡进行显示。在功能实现上，实时数据显示部分实现串口通信，摄像头的温度、氮气压力值、水压力值的显示。下位机将采集到的上述数据封装在一个数据帧中并根据规定的协议上传到上位机，然后由上位机实时显示这些数据；实时图像显示部分将摄像头获取的炉内影像经过视频采集卡转换成数字图像并在在上位机上实时显示；伪彩图绘制部分将红外摄像头得到的灰度图转换为伪彩图，从而使观察者对炉内情况有直观的了解；温度的实时数据及历史数据显示部分以米字型规则抽取图像上的33个点，根据经验算法将灰度转化为温度并在屏幕上实时显示。现场人员通过这些数据可以对炉腔内的温度分布情况一目了然。在显示的同时，系统将温度数据保存到数据库。上位机不仅可以显示实时的温度并且还可以曲线的形式显示炉腔内过去任一时间段内的历史温度数据。通过调节灰度图的相关参数，可使得到的温度与实际值更接近。这主要是因为温度是由灰度图的灰度值转换而来的，图像的参数如亮度、对比度等对图像的灰度值均有影响。为了提高温度的精确性，本系统可以通过调节灰度的基准值使转换的温度与实际值有较小的误差。

2 系统实现

系统利用VC++ 6.0的MFC进行开发而成，其中主程序应用的是多文档应用程序，图像的浏览、历史温度曲线的浏览等程序应用的是单文档应用程序。系统可以实现炉腔内炉料情况的实时显示、伪彩图显示；选定各点的温度实时显示及历史数据显示，红外摄像头的各项参数的实时显示；通过菜单实现不同炉料的选择，采样时间和布料参数的设置。另外，系统还可以实现录像及历史视频的播放等功能。下面详细介绍系统的各项主要功能的技术实现方法。

2.1 摄像头的温度，氮气压力值，水压力值的显示

红外摄像装置安装在溜槽（或大钟）的下沿，与料尺位置错开，先在炉皮上开孔，然后将带水冷套和球阀的短管焊好，再将摄像枪通过密封环和球阀插入炉内。为了保证摄像头的正常工作，摄像头上安装有温度传感器、冷却水套和气体防护装置。该部分的实现是由下位机完成并将上述数据发送给上位机。监测系统主要是通过串口获取数据并在屏幕上实时显示出来。

系统首先要初始化窗口，选择接收数据的串口号，并打开串口，设置并返回数据传输速率、奇偶校验、数据比特和停止比特参数。考虑到数据的传输量不是太大，比特率设置为4800，奇偶校验设置为无。之后系统以二进制方式检查缓冲区中的数据，每接收八个字节后触发一次OnComm事件。OnComm事件按照规定的协议从数据中提取出氮气压力值、水压力值和摄像头的温度值（其中氮气压力值和水压力值有正常和异常两种情况，摄像头温度值是具体的数值）。氮气和水压力值由一个字节表示，其中低四位表示水压力值，高四位表示氮气压力值。摄像头的温度值由一个字节表示。当摄像头温度超过设定的温度时，下位机会启动冷却水装置对摄像头进行降温。

2.2 实时图像的显示与存储

红外摄像头把高炉内的实际生产情况拍摄下来，但所得到的视频流数据并不能直接使用，必须先进行数字化，本系统采用的是图码公司开发的一款专门针对系统开发商的PCI视频卡。本视频采集卡提供了功能全面的二次开发包，通过二次开发可以控制图像的输入端口，图像亮度、对比度、色度、灰度等输入信号，动态截取图像，以AVI格式进行录像等等。