CN104948914B - 使用热成像的过程管道异常检测 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于检测过程管道的状态的诊断现场装置及其方法。诊断现场装置包括红外检测器，所述红外检测器包括多个像素，所述多个像素被构造成从过程管道接收红外辐射并以响应的方式提供多个像素输出。多个像素中的第一像素被构造成从过程管道上的第一位置接收红外辐射。多个像素中的第二像素被构造成从过程管道上的第二位置接收红外辐射。存储器含有热分布图信息，所述热分布图信息使来自第一像素的输出与第一位置处的第一温度相关，并使来自第二像素的输出与第二位置处的第二温度相关。微处理器根据来自第一像素和第二像素的输出识别过程异常。输出电路提供指示识别的过程异常的诊断输出。
Description
技术领域
本发明涉及工业过程中使用类型的过程控制和监测系统的诊断。更具体地，本发明涉及基于工业过程中的热成像的诊断。
背景技术
工业过程用于各种过程流体的制造和移动。在这种设备中，管道用于在诸如容器或其它器皿的各种位置之间输送过程流体。管道、容器和其它类型的器皿是过程管道的示例。
工业过程内使用的运送过程流体的各种管道可能往往会随着时间而损坏。该损坏的一个来源是由于暴露于过热的温度。这种过热的温度可能会造成过程中的温度梯度，该温度梯度可以通过操作者在物理上行走通过携带手持式热成像照相机的工业设备以获得红外表面温度测量来识别。操作者必须手动解释图像信息以确定温度是否在规定范围外。这耗费时间且无法提供对过程内的临界点的连续监控。
发明内容
一种用于检测过程管道的状态的诊断现场装置包括红外检测器，所述红外检测器包括多个像素，所述多个像素被构造成从过程管道接收红外辐射并以响应的方式提供多个像素输出。多个像素中的第一像素被构造成从过程管道上的第一位置接收红外辐射。多个像素中的第二像素被构造成从过程管道上的第二位置接收红外辐射。存储器含有热分布图信息，所述热分布图信息使来自第一像素的输出与第一位置处的第一温度相关，并使来自第二像素的输出与第二位置处的第二温度相关。微处理器根据来自第一像素和第二像素的输出识别过程异常。输出电路提供指示识别的过程异常的诊断输出。
附图说明
图1是显示包括诊断现场装置的工业过程的简图；
图2A是显示过程异常的过程管道的侧视热像；
图2B是图2A的热像中的多个切片的温度分布图；
图3是显示图1的过程现场装置的简化方框图；
图4是显示与图3中所示的现场装置一起使用的红外检测器的一个示例结构的简化示意图；
图5是显示用于检测过程异常的示例步骤的简化方框图；以及
图6是显示与图3中所示的现场装置一起使用的红外检测器的另一个示例结构的简化示意图。
具体实施方式
如背景技术部分中所述，过程管道的红外表面测量通常需要操作者携带手持式热成像装置物理上行走通过工业设备。操作者使用热成像装置从过程中的临界点手动收集数据。如果这些临界点无法持续监测，则温度可能会超过用于制造管道的材料的极限，从而造成故障，使得设备过早停止运转。如以下更详细地说明，设置诊断装置，所述诊断装置可以根据热成像而不是采用与工业过程的部件物理上耦合的温度传感器来识别工业过程中使用的过程管道中的异常。这允许自动化监测过程且不需要操作者物理检查过程。在一个示例性实施例中，红外阵列用于获得工业过程的热像。诊断电路通过监测热像执行诊断。热像的变化可以与故障管道相关联。
图1是显示示出了本发明的一个实施例的包括过程诊断装置12的工业过程10的简图。装置12可以为诸如独立式装置或过程变量传送器或控制器的任何类型的过程装置。装置12耦合到双线过程控制回路18上的另一个位置，例如处理控制室16。例如，回路18可以包括还可以用于给连接到回路 18的装置供电的4-20mA的电流回路。数据可以根据任何适当的协议在回路上输送，所述协议例如为在4mA与20mA之间变化的模拟电流水平、数字信息根据4-20mA的电流来调制的通信协议、FieldBus或Profibus 通信协议等等，包括无线通信技术。无线通信技术的一个示例为基于IEC 62591的无线通信协议。标准以太网、光纤连接或其它通信信道也可以用于实现回路18。控制室16包括下面更详细说明的可选的显示器19。
如图1中所示，过程装置12包括被构造成例如从管道32接收红外辐射 104的红外检测器100。检测器100可以包括红外热成像照相机。管道32被显示为罐，但也可以包括承载过程流体的任何容器，包括过程管道。检测器100可以包括红外传感器阵列。如以下更详细地说明，过程装置12能够通过监测红外辐射104检测管道32中的异常。
图2A是管道32的侧视热像图并显示过程流体的流动。图2A还显示管道32的过程管道表层温度42的异常40。异常40由图中的较暗区域显示，该区域指示与周围区域相比更高的温度。该局部加热区域可能是由于许多来源造成的。例如，流动中的热对象可以靠近管道壁定位，管道壁可以很薄并具有损失的结构完整性，过程中的热源可能会影响管道等。虽然异常40 被显示为升高温度区域，但是过程异常还可以通过识别局部冷却来检测。检测到的异常可以表明即将发生的故障，或者可以表明已经出现故障。异常40可以使用图1中所示的红外检测器100来检测以监测管道32上的热点或冷点。
异态检测可以通过许多技术。例如，可以获悉管道32由于过程动态和固有温度变化产生的正常温度特性。如果热检测器100为热成像装置，则管道32的热像可以以观察数据中的相对趋势的像素水平被监测以识别表面异常。如果成组的像素具有与热像中的其它像素有关随着时间逐渐变化的特性，则可以检测到异常。警报可以随同指示管道32的表面上何处被观察到异常40的信息一起被提供给操作者。
热像的评价可以以许多方式来执行。例如，可以监测图像的单独切片。“切片”为由多于一个的像素组成的热像的一部分的一个示例。切片由沿管道32的表面的横截面获得的像素构成。图2A显示示例性切片44。每一个切片的平均温度可以根据构成切片的像素来确定。图2B是沿管道32的长度获得的热像中的各个切片相对于温度的曲线图。在该示例中，管道32具有大致线性正常温度分布图。异常40在图2B中表现为该分布图中的非线性区域。分布图可以通过利用理论循环被标准化以说明正常过程操作的一部分的任何变化。正常或预期温度值可以被从测量的温度分布图减去以说明这种变化。
图3是根据本发明的一个实施例的过程装置12的简化方框图。过程装置12可以被构造成独立诊断装置或者过程变量传送器或控制器。装置12包括根据存储器26中存储的指令以由时钟28确定的速率操作的微处理器24。通信电路(I/O)30用于在过程控制回路18上进行通信。在一些实施例中，I/O 电路30还将电力提供给装置12。
图3显示连接到处理电路102的红外检测器100。红外检测器100被构造成接收红外辐射104并输出热像。处理电路102在将图像提供到微处理器24 之前提供检测的红外图像的可选预先处理。要注意的是图2还显示可选的过程变量接口元件20和接口电路22。接口元件20可以为过程变量传感器或控制器。
检测器100被布置成从图1所示的过程管道32接收红外辐射104。检测的红外辐射形成过程管道32的热像或红外图像。所述图像由与管道32中的不同区域相对应的多个分部或部分形成。红外检测器100优选地具有方向性，并且如在下面更详细地说明包括多个单独的红外传感器(“像素”)。这些传感器可以为单独的独立元件或者可以被制造成单个装置。来自红外检测器100的输出被提供到图3中显示的处理电路102，所述处理电路将已处理的输出提供给微处理器24。例如，处理电路102可以包括放大电路、减噪电路、模-数转换器、比较电路等。来自处理电路102的输出以数字格式被提供到微处理器24。
在一个示例性结构中，红外检测器100由至少两个单独的红外传感器 120A和120B形成，如图4中所示。在图4中，红外检测器100被构造成形成仅包括由红外传感器120A和120B形成的两个像素的红外(或者热)图像。这两个像素中的每一个与红外图像的分部或者一部分相对应并感测来自过程管道32上的两个位置106A、106B的红外辐射。位置106A、106B为管道 32的多个部分或“切片”的示例。如上所述，每一个像素可以观察管道32的图像的一部分或者“切片”。图4是仅由两个像素形成的图像的示例。然而，一个典型实施例可以使用大量像素形成图像。红外传感器120A和120B被布置成分别接收通过可选的红外透镜、过滤器或其它元件130A，130B的红外辐射104A，104B。在图4所示的结构中，传感器120A和120B分别利用通过电阻器122A和122B连接到地线的红外敏感晶体管132A和132B形成。然而，本发明可以使用任何类型的热传感器来实现，包括热电堆、光电二极管或者其它元件。晶体管132A和132B连接到正供电电压，并且根据充分的红外辐射104A、104B的接收将输出提供到图3所示的处理电路102以“接通”晶体管132A、132B。虽然图4显示使用晶体管实现的红外传感器，但是也可以采用任何适当类型的红外感测技术。示例包括红外感测二极管、电荷耦合装置(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)装置或者其它装置。在图4的实施例中，显示两个单独的传感器。然而，传感器可以形成为一维或二维阵列或矩阵。因此，可以仅使用两个单独的红外传感器获得捕获的热像且每一个传感器与图像内的分部或区域相对应，或者可以使用大量单独的传感器以形成更大的矩阵或阵列来形成捕获的热像。
在操作中，红外传感器120A和120B被引导(指向)以从管道32上的不同位置106A和106B接收红外辐射104A和104B。位置106A、106B的具体形状和尺寸取决于传感器120A，120B、透镜130A，130B的特性以及检测器100 与过程管道32之间的间距和相对方位。来自传感器120A、120B的输出被提供到处理电路102。例如，处理电路102可以将来自传感器120A、120B 的输出数字化并将数字信号提供到微处理器24。
图5是显示根据一个示例性实施例的由图3所示的微处理器24执行的步骤的简化方框图。图5中显示的步骤可以在存储器26中存储的程序指令中被实施。所述过程以方框152开始。在方框154处，来自管道32的多个部分的红外辐射104使用检测器100被收集、通过处理电路102被数字化并被提供到微处理器24。在方框156处，与接收到的辐射相关的信息在过程的正常操作期间作为用于过程管道32的热分布图信息被存储在存储器26 中。该信息可以为识别管道32的一部分及其正常平均温度的形式。这用于获得管道32的各个部分106的温度特性或分布图，辐射在过程的正常操作期间由所述温度特性或分布图引起。在方框158处，如果还未完成学习过程，则控制返回到方框154。方框154和156提供可以观察正常过程操作的学习时间段或阶段。学习时间段根据需要在方框158处结束。例如，这可以在接收到指令的特定时间段之后或者基于其它事件。在学习时间段完成之后，在方框160处开始监测时间段或阶段，在该时间段或阶段，红外辐射再次被检测器100感测。在方框162处，感测的辐射被标准化。存储器26 在学习时间段期间存储的信息被读出，并且对于正在监测的管道32的每一个位置来说从当前温度减去正常温度值。在方框164处，标准化温度信息被分析以确定是提供线性分布图还是由于例如图2B中所示的温度异常而为非线性的。该分布图通常根据沿着管道32的相邻位置的标准化温度值而形成。为了确定分布图是否为线性，沿着管道32的至少三个位置的温度必须被监测。此外，灵敏度可以通过提供绝对量或相对量来调节，温度分布图由于该绝对量或相对量会偏离直线。如果分布图为线性，则控制返回到方框160且监测时间段继续。如果检测到非线性，则控制到达方框166且提供警报。这可以为使用图3中显示的I/O电路30例如在过程控制回路18上的输出，并且可以包括与检测到的异常的位置和异常的强度相关的信息。
图6是红外检测器100的另一个示例性实施方式的简化方框图。在图6 的实施例中，红外检测器100由红外传感器120-1...120-N的阵列形成。该阵列例如可以为一维线性阵列。在另一个结构中，检测器100为二维阵列或矩阵，例如如在热成像系统中所发现的。一个示例性热成像系统为Optrix PI-160热成像照相机。图6显示具有相应的热辐射输出104A-D的4个部分或切片106A、106B、106C和106D。红外辐射104A-D被引导到传感器100上的不同位置，由此启动不同的传感器120。处理电路102接收与由传感器120 中的每一个接收到的热辐射的强度相关的信息。该信息通过处理电路102 被提供到微处理器24，所述处理电路包括模-数转换器。微处理器24基于该信息可以识别过程异常的位置，如上所述。
红外检测器100和/或处理电路102可以被定位成远离装置12并通过数据连接进行通信。数据连接可以为任何适当类型的连接，包括配线技术，例如USB连接，以及无线通信技术，包括等。此外，红外检测器100和/或处理电路102可以固定到装置12的壳体或者与装置12的壳体一体形成。在一个结构中，红外检测器100的方向可以在安装期间通过操作者来调节以指向所需位置。在另一个示例性实施例中，设置锅(pan)和/或倾斜致动器，从而允许红外检测器100在操作期间移动。在一个结构中，在安装期间使用手持式装置或类似装置，由此可以通过安装人员观察到来自检测器100的热输出，以确保红外检测器100根据期望指向。
虽然已经参照优选实施例说明了本发明，但是本领域技术人员将会认识到在不背离本发明的精神和保护范围的情况下可以进行形式和细节上的改变。过程异常可以如上所述来检测。简单的比较和阈值可以被使用，或者可以实施更复杂的结构，包括例如神经网络或其它逻辑。另外，过程异常检测可以基于一些另外的输入，例如过程变量。检测可以另外为当前时间、感测的过程变量、过程中的特定状态、周围温度等的函数。标准化温度分布图中的走向还可以被观察到并用于异常检测。在此说明的诊断电路可以在硬件或软件来实现，并且包括模拟和数字设备。例如，处理电路 102和微处理器24中的一个或两个可以实现诊断电路。在另一个示例性实施例中，热像信息被传送到诊断电路所在的另一个位置。热分布图信息还可以在制造期间被加载或者在装置的投入运转期间被加载。分布图不需要如上所述来学习，而可以从许多标准化分布图或者基于模型信息来选择。如果检测到热异常或冷异常，则装置12可用于预测即将发生的故障，从而允许在期望时间安排维修。可以提供指示管道由于管道内的材料的过度堵塞(build up)应该被清理的输出。管道的各个区域相对于其它区域的温度变化的速率可以提供过程动态的变化的指示，例如流量或材料堵塞的变化。除了如上所述的阵列之外还可以使用单独的点传感器。收集的热信息可以被传送到另一个位置，例如控制室以用于更详细的评价。其它技术也可以用于检测过程异常。在此使用的术语“确定”包括检测和/或诊断。除了诊断输出之外，还可以提供根据接收的红外辐射表示过程管道的温度的温度输出。要注意的是识别多个像素输出之间的非线性关系的过程包括将信息存储在存储器中。在该上下文中，用于识别非线性关系的存储信息为“热分布图信息”。存储器中存储的热分布图信息可以为与正常温度水平相关的信息，可以为在过程操作期间变化的动态信息或者可以为其它类型。典型地，过程装置12为安装在固定位置处的固定现场装置。所述装置可以被构造成持续监测过程管道。
Claims (19)
1.一种诊断现场装置，用于检测工业过程中的过程管道的状态，所述过程管道输送过程流体，所述诊断现场装置包括：
红外检测器，所述红外检测器包括多个像素，所述多个像素被构造成从所述过程管道接收红外辐射并以响应的方式提供多个像素输出，其中所述多个像素中的第一像素被构造成从所述过程管道上的第一位置接收红外辐射，所述多个像素中的第二像素被构造成从所述过程管道上的第二位置接收红外辐射，以及所述多个像素中的第三像素被构造成从所述过程管道上的第三位置接收红外辐射并以响应的方式提供输出；
存储器，所述存储器含有热分布图信息，所述热分布图信息与在所述工业过程的正常操作期间来自所述第一像素、所述第二像素和所述第三像素的输出有关；
微处理器，所述微处理器被构造成使用存储器中所含有的热分布图信息标准化来自所述第一像素、所述第二像素和所述第三像素的输出，并且进一步被构造成根据来自所述第一像素、所述第二像素和所述第三像素的标准化输出之间的非线性关系识别过程异常，所述过程异常与所述过程管道的状态有关；和
输出电路，所述输出电路被构造成提供指示识别的过程异常的诊断输出。
2.根据权利要求1所述的诊断现场装置，其中，所述红外检测器包括像素阵列。
3.根据权利要求2所述的诊断现场装置，其中，所述第一位置的图像使用多个第一像素而获得，所述第二位置的图像使用多个第二像素而获得。
4.根据权利要求3所述的诊断现场装置，其中，所述异常检测基于来自所述多个第一像素的输出的第一平均值和来自所述多个第二像素的输出的第二平均值。
5.根据权利要求4所述的诊断现场装置，包括多个第三像素，所述多个第三像素被布置成获得所述过程管道上的第三位置的图像，其中所述异常检测还是来自所述多个第三像素的输出的平均值的函数。
6.根据权利要求5所述的诊断现场装置，其中，所述多个第一像素、所述多个第二像素和所述多个第三像素被布置成获得所述过程管道的图像切片。
7.根据权利要求1所述的诊断现场装置，其中，所述诊断输出包括与所述过程管道的即将发生的故障相关的信息。
8.根据权利要求1所述的诊断现场装置，其中，所述诊断输出包括指示所述过程管道需要维修的信息。
9.根据权利要求1所述的诊断现场装置，其中，根据来自所述第一像素和所述第二像素的输出之间的相对变化速率来检测所述过程异常。
10.根据权利要求9所述的诊断现场装置，其中，所述诊断输出包括指示过程流体的流量已经发生变化的信息。
11.根据权利要求9所述的诊断现场装置，其中，所述诊断输出包括指示所述管道中的材料已经发生堵塞的信息。
12.根据权利要求9所述的诊断现场装置，其中，所述过程管道包括过程管线。
13.根据权利要求9所述的诊断现场装置，其中，所述诊断输出通过过程控制回路提供。
14.根据权利要求1所述的诊断现场装置，其中，所述输出电路还提供基于接收到的所述红外辐射指示所述过程管道的温度的输出。
15.根据权利要求1所述的诊断现场装置，其中，所述输出电路通过过程控制回路提供输出。
16.根据权利要求15所述的诊断现场装置，其中，所述过程控制回路包括无线过程控制回路。
17.根据权利要求1所述的诊断现场装置，包括用于将所述诊断现场装置安装在固定位置的安装件。
18.根据权利要求1所述的诊断现场装置，其中，所述诊断现场装置被构造成持续监测所述过程管道。
19.一种使用诊断现场装置检测工业过程中的过程管道的状态的方法，所述过程管道输送过程流体，所述方法包括以下步骤：
通过具有多个像素的红外辐射检测器接收红外辐射，所述红外辐射检测器被构造成从所述过程管道接收所述红外辐射并以响应的方式提供多个像素输出，其中所述多个像素中的第一像素被构造成从所述过程管道上的第一位置接收红外辐射，所述多个像素中的第二像素被构造成从所述过程管道上的第二位置接收红外辐射，以及所述多个像素中的第三像素被构造成从所述过程管道上的第三位置接收红外辐射并以响应的方式提供输出；
从存储器获得热分布图信息，所述热分布图信息与在所述工业过程的正常操作期间来自所述第一像素、所述第二像素和所述第三像素的输出有关；
使用从存储器获得的热分布图信息标准化来自所述第一像素、所述第二像素和所述第三像素的输出；
根据来自所述第一像素、所述第二像素和所述第三像素的标准化输出之间的非线性关系识别过程异常，所述过程异常与所述过程管道的状态有关；和
提供指示过程异常的诊断输出。
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