攝像定尺系統(tǒng)在寬厚板連鑄機(jī)的應(yīng)用

李 克，孟祥彬，江 楠

（山東萊鋼集團(tuán)自動(dòng)化部，山東 萊蕪 271104）

萊鋼寬厚板連鑄機(jī)主要生產(chǎn)厚度200mm、250mm和300mm的板坯，長(zhǎng)度為2.7～4.3m。由于寬厚板軋機(jī)橫向軋制的需要以及對(duì)成材率的較高要求，因此對(duì)連鑄板坯定尺的精度和系統(tǒng)連續(xù)生產(chǎn)的穩(wěn)定性要求很高。寬厚板連鑄機(jī)采用國(guó)產(chǎn)非接觸式攝像定尺來進(jìn)行大斷面板坯切割，并在使用過程中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和定尺精度。

一、系統(tǒng)配置

寬厚板連鑄機(jī)切割系統(tǒng)分為一切和二切兩部分，采用兩套攝像定尺系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。一切攝像定尺系統(tǒng)控制母坯切割，由于母坯定尺范圍較寬，故在一切區(qū)域安裝三個(gè)攝像機(jī)，用于檢測(cè)不同定尺的母坯坯頭；二切區(qū)域安裝兩個(gè)攝像機(jī)，分別用于母坯進(jìn)入后的輥道減速控制和坯頭檢測(cè)。

1.軟件部分

該系統(tǒng)使用C++編寫，運(yùn)用先進(jìn)的Image CoreTM圖象處理技術(shù)對(duì)鋼坯頭部分進(jìn)行精確識(shí)別，依照從二級(jí)系統(tǒng)接收來的定尺值，自動(dòng)控制火焰切割機(jī)對(duì)熱鋼坯進(jìn)行切割,檢測(cè)并顯示鑄坯運(yùn)行狀態(tài)。在系統(tǒng)中組建OPC Server，利用以太網(wǎng)與火焰切割機(jī)系統(tǒng)的S7-300 PLC系統(tǒng)進(jìn)行通信，控制火焰切割機(jī)，并接收來自二級(jí)系統(tǒng)的定尺值。

2.硬件部分

系統(tǒng)分為攝像部分和主機(jī)部分。攝像部分采用工業(yè)級(jí)高精度紅外攝像機(jī)、可變焦鏡頭、不銹鋼攝像機(jī)防護(hù)罩、多路鏡頭控制器、12V電源、雙屏蔽雙絕緣視頻電纜等。主機(jī)部分選用研祥工控機(jī)(酷睿雙核CPU、2G內(nèi)存、320G硬盤)、以太網(wǎng)卡、專用圖像采集卡、專用I/O控制卡、19"彩色液晶顯示器。紅外攝像定尺工作系統(tǒng)指標(biāo)為：工作溫度-20～80℃，檢測(cè)精度5mm，誤差控制精度-10～10mm,定尺范圍可任意調(diào)節(jié)。

二、控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用工業(yè)級(jí)高精度紅外攝像機(jī)來采集圖像，使用先進(jìn)的圖像處理技術(shù)，根據(jù)板坯的光譜特征和形狀特征，采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊識(shí)別算法，從圖像中提取鋼坯信息，跟蹤坯頭位置，通過編碼器計(jì)數(shù)和西門子FM350模板計(jì)算出切割車位置，并通過組建OPC Server把攝像定尺中的采集信號(hào)與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信，由PLC發(fā)出信號(hào)自動(dòng)控制火焰切割機(jī)切割，攝像定尺控制原理如圖1所示。

1.寬厚板坯測(cè)長(zhǎng)原理

由于攝像機(jī)固定于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，其采集的現(xiàn)場(chǎng)圖像具有固定的可視范圍，攝像頭拍攝的板坯圖像在長(zhǎng)度上呈線性分布。每個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際位置，具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系可通過標(biāo)定來確定，切割位置示意圖見圖2，寬厚板坯頭部位于P點(diǎn)，P點(diǎn)的像素位置X可通過圖像處理獲得，P點(diǎn)到切割槍的距離L(板坯長(zhǎng)度)通過人工測(cè)量獲得，這樣就建立起一組板坯像素位置與板坯實(shí)際長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系（X，L）。

在輥道上只要標(biāo)明不同兩點(diǎn)的實(shí)際位置，就可以計(jì)算出整條輥道上像素與實(shí)際位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系，兩點(diǎn)標(biāo)定如圖3所示。因此，只要準(zhǔn)確識(shí)別板坯頭部，并提取其位置信息(像素位置與實(shí)際位置)，即可完成對(duì)板坯的長(zhǎng)度測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)定尺切割控制。

2.連鑄板坯頭部識(shí)別的方法

由于切割后的板坯頭部亮度與板坯其他地方存在差異，根據(jù)板坯圖像像素亮度值的差異比對(duì)就可以識(shí)別出板坯頭部。連鑄板坯頭部識(shí)別如圖4所示，A、B兩條線之間的圖像是板坯圖像的一個(gè)檢測(cè)區(qū)間。對(duì)檢測(cè)區(qū)間內(nèi)的每一行像素(Ll，L2，…，Ln)中前后相鄰的亮度值（bm，bm+1）進(jìn)行比較，根據(jù)式（1） 得到一行中前后兩個(gè)相鄰像素的亮度差ΔB，當(dāng)發(fā)現(xiàn)ΔB超過亮度閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)記錄下該點(diǎn)位置Pn。在檢測(cè)區(qū)間內(nèi)的所有行都比較完成之后，通過式（2）對(duì)每一行的板坯頭邊緣位置Pn取平均后，即得到板坯頭部的實(shí)際位置P。

3.網(wǎng)絡(luò)通信

在攝像定尺系統(tǒng)與切割機(jī)PLC系統(tǒng)之間的通信利用OPC進(jìn)行雙向通信。火焰切割機(jī)的控制器采用的是西門子S7-300 PLC，在其網(wǎng)絡(luò)組態(tài)中建立PC Station，并配置好相關(guān)OPC選項(xiàng)，下載到CP模板中。在定尺軟件中，定義好OPC相關(guān)接口，完成兩系統(tǒng)間的連接。通過“看門狗”，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸是否正常。

火焰切割機(jī)PLC向攝像定尺系統(tǒng)發(fā)送大車位置、割槍位置、變頻器狀態(tài)等信息。來自二級(jí)系統(tǒng)的定尺值和鑄流PLC的拉速等其他信息也通過火焰切割機(jī)PLC傳到攝像定尺系統(tǒng)中。攝像定尺系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，將實(shí)時(shí)跟蹤熱坯坯頭，精確計(jì)算頭部距離切割初始點(diǎn)的距離，并根據(jù)此值結(jié)合切割車的實(shí)際位置情況計(jì)算熱坯長(zhǎng)度，當(dāng)坯子到達(dá)定尺值時(shí)向火焰切割機(jī)PLC發(fā)出主壓信號(hào)并進(jìn)行準(zhǔn)確切割。通過OPC實(shí)現(xiàn)攝像定尺系統(tǒng)與連鑄機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的融合,為實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)化控制起到了很好作用。

三、軟件功能

該系統(tǒng)采用工業(yè)計(jì)算機(jī)控制，具有良好的人機(jī)界面，功能較為齊全，其主要功能有以下幾點(diǎn)。

（1）自動(dòng)和手動(dòng)功能。在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)接受二級(jí)系統(tǒng)發(fā)送的定尺值，控制火焰切割機(jī)進(jìn)行切割。在手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，操作員可在上位機(jī)上輸入多組定尺值，當(dāng)二級(jí)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，可通過人工輸入定尺值進(jìn)行鑄坯切割。

（2）切割機(jī)的相關(guān)信息如大車位置、割槍位置、?；疇顟B(tài)、變頻器狀態(tài)等顯示在攝像定尺的監(jiān)控電腦上。

（3）在攝像定尺系統(tǒng)上位機(jī)上可以實(shí)時(shí)顯示熱鑄坯的運(yùn)行狀態(tài)與相應(yīng)參數(shù)，如切割狀態(tài)、定尺長(zhǎng)度等。

（4）由于標(biāo)定時(shí)使用的是冷坯，在熱坯切割時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)一些誤差。本系統(tǒng)可對(duì)定尺進(jìn)行在線修正，提高其測(cè)量精度，系統(tǒng)測(cè)量誤差在10mm以內(nèi)。

（5）操作員可以方便地修改定尺系統(tǒng)的控制參數(shù)、調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)。所設(shè)參數(shù)及定尺信息可有選擇地存盤，不需每次設(shè)置，隨時(shí)轉(zhuǎn)換，快捷方便。

（6）可以在上位機(jī)上通過亮度調(diào)節(jié)滑動(dòng)塊，調(diào)節(jié)圖像亮度使坯頭邊緣更加清晰。因此可以對(duì)諸如尾坯等溫度較低、亮度偏暗的鑄坯進(jìn)行切割，提高設(shè)備的適用范圍。

（7）可生產(chǎn)記錄查詢。對(duì)每次攝像定尺發(fā)出切割命令時(shí)的定尺設(shè)定值、實(shí)際跟蹤值、切割時(shí)間等信息進(jìn)行記錄。

四、系統(tǒng)缺陷及優(yōu)化

（1）寬厚板連鑄機(jī)生產(chǎn)三種厚度的板坯，系統(tǒng)投用初期是以坯頭上沿為參照，對(duì)一種厚度的鑄坯進(jìn)行標(biāo)定，通過理論計(jì)算得到其他厚度的標(biāo)定參數(shù)。實(shí)際使用后發(fā)現(xiàn)，定尺對(duì)熱坯進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，坯頭上邊沿在同一位置所處坐標(biāo)存在差別，單獨(dú)使用一種厚度的鑄坯進(jìn)行標(biāo)定后，在線監(jiān)測(cè)其他厚度鑄坯時(shí)容易造成精度誤差。之后，只能對(duì)三種厚度的板坯分別進(jìn)行標(biāo)定，并各自記錄標(biāo)定參數(shù)，投入使用后效果良好。但對(duì)三種不同厚度的坯子都進(jìn)行標(biāo)定，需要接近半天的時(shí)間，在攝像機(jī)出現(xiàn)問題后，不能及時(shí)標(biāo)定使用，嚴(yán)重影響生產(chǎn)節(jié)奏。

通過軟件升級(jí)及硬件改造，采用新的檢測(cè)方法將攝像機(jī)鏡頭與坯頭拉開一定角度，使鏡頭能夠照射到坯頭下邊沿，通過檢測(cè)下沿來進(jìn)行標(biāo)定。這樣用一種厚度的鑄坯進(jìn)行標(biāo)定后，不論檢測(cè)什么厚度的板坯，由于下沿位置是相對(duì)固定的，因此避免了厚度對(duì)定尺精度的影響。

（2）由于攝像機(jī)放置在離輥道不遠(yuǎn)的立柱上，外層僅有一個(gè)不銹鋼防護(hù)罩對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)連鑄機(jī)生產(chǎn)時(shí)，攝像機(jī)受到熱坯的長(zhǎng)時(shí)間輻射，內(nèi)部元件很容易老化，其使用壽命平均僅半年多。

通過對(duì)攝像機(jī)防護(hù)罩進(jìn)行改造，將防護(hù)罩內(nèi)通入氮?dú)?，?duì)攝像機(jī)進(jìn)行冷卻。同時(shí)，在防護(hù)罩末端增加熱電阻，并將溫度信號(hào)接入PLC，當(dāng)防護(hù)罩內(nèi)溫度超過60℃后，在主控室畫面上就會(huì)出現(xiàn)報(bào)警信息，可有效保證攝像機(jī)在允許的環(huán)境溫度下工作。在關(guān)鍵的二切區(qū)域，在固定攝像機(jī)的立柱上，同時(shí)安裝兩個(gè)檢測(cè)像機(jī)并標(biāo)定好，兩者互為備用。

（3）攝像機(jī)視頻線最早采用的是雙屏蔽同軸電纜，在投產(chǎn)初期圖像顯示效果很好。由于電纜溝內(nèi)動(dòng)力纜較多，視頻信號(hào)經(jīng)常會(huì)受強(qiáng)電磁干擾，監(jiān)控圖像效果越來越差，增大鑄坯切割誤差。經(jīng)過研究分析，將視頻連接主線路改為光纜，避免了信號(hào)干擾及信號(hào)衰減的缺點(diǎn)，監(jiān)控圖像顯示非常清晰，保障了切割精度。

五、結(jié)論

攝像定尺切割系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、定尺準(zhǔn)確，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了鑄坯質(zhì)量。經(jīng)過對(duì)冷坯的長(zhǎng)期測(cè)量數(shù)據(jù)累積，證明使用該定尺切割出的子坯，達(dá)到0～30mm誤差精度的鑄坯數(shù)量在85%以上，達(dá)到0～50mm誤差精度的鑄坯數(shù)量在96%以上，完全可以滿足寬厚板板坯定尺的需要。

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