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流程工业的新型感知技术

来源:荣格 发布时间:2018-02-16
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流程工业,又称过程工业,是指在一系列生产过程中对原材料等通过连续化学或物理方式加工或处理,而不是通过直接组装或装配成产品的工业。炼油、化工、冶金、水处理、食品加工、制药、发电等均属于流程工业范畴。在全球新一轮科技革命和工业革命正在孕育兴起,我国经济发展正由高速增长阶段转向高质量发展阶段,当前生态与环保刚性约束进一步趋紧下,流程工业正向数字化、网络化、智能化、清洁低碳、安全高效方向发展。以虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、计算机视觉、无线无源传感等为代表的新型智能感知技术在流程工业建立数字工厂、智能工厂,实现可持续发展中发挥着日益重要的作用。
 
VR
 
虚拟现实 (VR)是一种采用数字头盔、数据手套或多投影环境等设备,产生逼真的图像、声音和其他感觉,从而在虚拟或虚构环境中模拟用户的物理存在的计算机技术。VR采用了多感知技术,即除计算机图形技术所生成的视觉感知外,还包括听觉、触觉、力觉、运动等感知,有时甚至还包括嗅觉和味觉等感知。
 
在流程工业工程规划设计阶段,VR已是一个十分有效的规划设计工具。如图1所示,基于三维数字化设计模型,运用VR技术,可以使规划设计传递媒介从间接想像的图纸转变为直观的虚拟对象和环境,使以往只能借助图纸的传统设计模式提升到数字化“即看即所得”的完美境界,大大提高了流程工业设计和规划的质量与效率。
 
在流程工业的施工建设和运行维护阶段,利用VR技术加三维数字模型,创建具有高度沉浸感的三维虚拟环境,可以实现虚拟施工模拟、运维操作培训、安全疏散演练等,从而大大提高施工、运维人员的技术水平和安全应急能力。
 
德国COMOS软件VR技术在设计中的应用
 
图1:德国COMOS软件VR技术在设计中的应用
 
澳大利亚LEAP公司AR应用示例
 
图2:澳大利亚LEAP公司AR应用示例
 
西门子燃气轮机AR虚拟协同检修 维护系统
 
图3:西门子燃气轮机AR虚拟协同检修维护系统
 
安森美半导体公司生产的智能无线无源片上传感器
 
图4:安森美半导体公司生产的智能无线无源片上传感器
 
EnOcean Alliance 无线无源CO2传感器
 
图5:EnOcean Alliance 无线无源CO2传感器
 
AR
 
增强现实(AR)是一种用计算机产生的传感、感知信息(如声音、视频、图形或数据等)来增强或补充真实物理世界环境中的某些元素,并将其叠加在真实世界视图上并可进行互动的真实物理世界环境的直接或间接视图(如图2所示)。概括而言,AR是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的综合技术,包括了多传感器融合、多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、实时跟踪、场景融合等各种技术。
 
在国内外流程工业中,已开始将AR技术应用于运行人员的操作指导,检修人员的检修指导,现场巡检人员的巡检指导等。图3所示为德国西门子公司正在利用AR技术所研发的燃气轮机虚拟协同检修维护系统。现场检修维护人员除可利用象视图上叠加检修说明或指南用于简单检修指导。当遇到困难时,还可利用云技术,AR智能眼镜将现场影像实时传送至远在数千公里外的专家监视器上,专家再利用其手势投影到现场AR智能眼镜的技术,手把手指导现场工程师完成燃气轮机的现场检修维护,从而大大提高了现场检修维护的效率和有效性,进而显著提升了机组的可利用率。
 
计算机视觉
 
计算机视觉,在工程中也常被称为机器视觉,是指对被监控或测控对象进行图像采集、图像处理、图像分析和理解的技术。计算机视觉系统通常由光源、成像设备(包括成像传感器和镜头)、图像捕捉设备、数字图像处理(包括智能判断决策)软件、计算机等几部分构成。其典型功能包括图像采集、预处理(如降噪、增强对比度等)、特征提取、检测/分割、高级处理(如图像验证、识别、分类等)、决AR智能眼镜,在三维对策等。
 
利用计算机视觉技术,可大大提高工业检测、监视、控制、成分分析等的效率和自动化程度。在流程工业中,其应用场景有工业产品品质检查、污染物排放监视、过程监视控制、遥感测量、生产巡检、安全防护、机器人视觉等。例如,在国外某煤气化项目煤粉颗粒测量中,考虑到传统的筛分析法耗时长、繁琐,且不适合实时控制,而机器视觉分析法则具有非侵入性,且在恶劣环境下的可靠在线测量能力,故该项目采用基于核方法和边缘检测算法的机器视觉系统来在线测量带式输送机上的煤粉颗粒分布和含量,以实现对煤处理系统的实时监视和控制。在国内,也有一些科研院所尝试采用基于径向基函数(RBF)神经网络、支持向量机(LIB-SVM)和多线性回归(MLR)等算法的机器视觉系统来在线测量在带式输送机上所输送的煤粉中灰的含量。
 
无线无源传感
 
物联网(IOT)是新一代信息技术的高度集成和综合运用,对新一轮产业变革和流程工业的绿色、智能、可持续发展具有重要意义。为此,IOT成为了德国工业4.0、美国工业互联网的基石之一,我国也于2017年1月推出了《物联网发展规划(2016-2020年)》。IOT离不开泛在感知,而泛在感知则需要更低功耗、更低成本、易于大量部署、免于维护的新型传感器。无线无源传感器即是该类传感器的代表,它不仅具有无线传感的优点,而且还省去了维护或更换大量电池的烦恼。
 
无线无源传感器的能量可以几乎从周围任何环境中捕获,如光、振动、流动、移动、压力、磁场、R F等。常用的能量捕获技术有: 热电、R F感应、光伏电池、电磁或压电等各类技术。图4为美国安森美半导体(ON Semiconductor)公司生产的基于RFID(射频识别)的片上无线无源传感器,其敏感元件采用自适应前端“自动调谐”芯片,通过其阻抗变化可感知环境温度、湿度、压力、距离等。传感器无需电池,其能量由Magnus®提供,而Magnus®是利用RF能量捕获技术,从UHF RFID(特高频射频识别)读取器获取能量。该传感器为长约100mm宽约19mm的超薄单一IC片,采用RFID无线通信方式,可布置在有毒有害环境或狭小的空间内。例如,RFID的片上无线无源传感器可布置在数据中心的服务器机架内或工业开关柜内的动力断路器上,监视其温度变化趋势,当温度快速变化时输出报警信号,及时提示运行维护人员进行适时的检修维护。此外,英国BP石油公司也和Intel合作开发了类似的RFID传感器,并在某LPG(液化石油)项目上,为每一LPG罐贴上了该RFID传感器。通过RFID传感器,除可感知罐内剩余LPG量外,还记录了装有物料的性质、容量、温度、湿度、压力等。库存的石化产品罐由此可构成WSN(无线传感网),能够快速、实时、准确地获取库存情况。此外,若相邻罐装产品能够发生化学反应,一旦误放到一起就会及时发出报警。假如当时天津港装设有此类R F I D传感器,就可避免发生8.12天津港危险化学品大爆炸事故。
 
图5为英国EnOcean Alliance生产的Pres sac无线无源CO2传感器,它通过周围环境的自然光来获取能量,采用ISO/IEC 14543-3-10无线通信标准,可同时测量CO2浓度(测量范围0-2550PPM,准确度±125PPM)、温度(测量范围0 - 51 ℃ , 准确度± 0.5 ℃ ) 和湿度( 测量范围0-100%RH,准确度±5%RH)。外形尺寸115mmX80mmX35mm,在流程工业HVAC控制、消防等场合也有应用。

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