寬厚板軋制過程中基于圖像處理系統(tǒng)的全自動轉(zhuǎn)鋼和展寬技術(shù)

王 璐

（山東國舜建設(shè)集團有限公司， 山東 濟南 250000）

在鋼板軋制過程中，為滿足成品寬度的要求，往往需要增加鋼板展寬道次。操作員通過主令控制給出命令，PLC接收到命令后轉(zhuǎn)化為正負相反的速度給定，傳送給間隔排列的兩組錐形輥道變頻器，通過錐形輥道的反方向運行，實現(xiàn)鋼板旋轉(zhuǎn)，操作員通過觀察判斷是否展寬結(jié)束。手動轉(zhuǎn)鋼流程圖如圖1所示。

圖1 手動轉(zhuǎn)鋼流程圖

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)鋼展寬需要操作人員通過觀察確定鋼板停車位置，并通過主令控制轉(zhuǎn)鋼角度，手動干預大大延緩了自動軋制的節(jié)奏，增加軋制時間。操作人員難以匹配二級數(shù)據(jù)下發(fā)的鋼板咬入時間和軋制溫度，從而導致同一種鋼種由于不同人員操作出現(xiàn)軋制力不同，鋼板厚度受到影響。

隨著機器視覺技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域中用機器代替人眼來做測量和判斷成為一種可能。采用CCD照相機將被檢測的目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號，圖像處理系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，根據(jù)判斷條件輸出結(jié)果。

1 鋼板自動跟蹤定位和機器視覺技術(shù)實現(xiàn)全自動轉(zhuǎn)鋼

1.1 鋼板的物料跟蹤

1）軋鋼區(qū)域輥道采用西門子6SE70系列變頻器控制，控制方式為帶速度編碼器的矢量控制，6SE70變頻器接受一級自動化系統(tǒng)的命令，并將實際速度反饋到一級自動化系統(tǒng)，輥道線速度在時間上的積分作為物料跟蹤的依據(jù)。

2）鋼板物料跟蹤的修正。為了避免鋼板在輥道上運輸時由于打滑等原因出現(xiàn)跟蹤誤差，利用熱金屬檢測器對鋼板的實際位置進行修正，由于熱金屬檢測器的位置是固定的，每次修正后重新對鋼板位置從時間t0進行積分，以達到更新鋼板位置的作用。經(jīng)過熱金屬檢測器修正后的位置即認為是鋼板頭部的實際位置。再根據(jù)二級自動化系統(tǒng)傳送的鋼板長度，可算出鋼板展寬前的中心位置。物料跟蹤系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 鋼板跟蹤定位示意圖

1.2 基于機器視覺的圖像采集及處理系統(tǒng)

機器視覺是一項綜合技術(shù)，包括圖像處理、機械工程技術(shù)、控制、電光源照明、光學成像、傳感器、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)。一個典型的機器視覺應用系統(tǒng)包括圖像捕捉、光源系統(tǒng)、圖像數(shù)字化模塊、數(shù)字圖像處理模塊、智能判斷決策模塊和機械控制執(zhí)行模塊[1]。機器視覺系統(tǒng)最基本的特點就是提高生產(chǎn)的靈活性和自動化程度。在大批量重復性工業(yè)生產(chǎn)過程中，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)的效率和自動化程度[2]。

本文中的圖像采集及處理系統(tǒng)是實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)鋼和展寬軋制的關(guān)鍵部分，硬件部分由CCD攝像機、LED線性光源、視頻采集卡、圖像處理器和輸入輸出設(shè)備組成，如圖3所示。

圖3 圖像采集及處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在軋機機前錐形輥道入口處和機后錐形輥道出口處設(shè)CCD攝像機，采集轉(zhuǎn)鋼前后的鋼板位置圖像，利用邊緣檢測技術(shù)檢測鋼板邊緣輪廓，在攝像機坐標下采集鋼板的邊緣信息，并擬合出鋼板邊緣線段的斜率。通過判斷處理將展寬道次結(jié)束信號反饋給軋鋼自動化系統(tǒng)。

具體算法如下：

1）Canny邊緣檢測一共分為四個步驟：對原圖像進行高斯濾波平滑；對高斯平滑后的圖像用Sobel算法進行邊緣檢測，即幅度和方向計算；對檢測后的圖像進行非極大抑制，僅僅得到全局的梯度并不足以確定邊緣，因此為確定邊緣，必須保留局部梯度最大的點，而抑制非極大值[3]；連接邊緣點進行滯后閾值處理，對非極大值抑制圖像作用兩個閾值th1和th2后的圖像1和圖像2，以圖像2為基礎(chǔ)，以圖像1為補充來連結(jié)圖像的邊緣。

2）最小二乘法說明。在科學實驗的統(tǒng)計方法研究中，往往要從一組實驗數(shù)據(jù)（xi，yi）中尋找出自變量x和因變量y之間的關(guān)系y＝ax+b。由于觀測數(shù)據(jù)往往不準確，因此并不要求y＝f（x）經(jīng)過所有的點（xi，yi），而只要求在給定的點xi上誤差?＝f（xi）－yi按照某種標準達到最小，通常采用歐氏范數(shù)?^2作為誤差量度的標準。這就是所謂的最小二乘法。

判斷依據(jù)為當斜率值變化90°（誤差5%）時，判定鋼板展寬結(jié)束，輸出展寬結(jié)束信號給軋機PLC系統(tǒng)，作為推床對正的觸發(fā)信號。

1.3 圖像采集及處理系統(tǒng)與一級自動化系統(tǒng)的通訊

鋼板圖像采集及處理系統(tǒng)與軋鋼自動化系統(tǒng)的通訊可以有兩種方式：一是圖像采集及處理系統(tǒng)的輸入輸出單元通過線路直接連接到一級自動化系統(tǒng)的輸入輸出模塊；二是將圖像采集及處理系統(tǒng)接入一級自動化工業(yè)系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)。二者之間的通訊主要包括以下數(shù)據(jù)交換：

1）鋼板圖像采集及處理系統(tǒng)發(fā)送到軋機自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)：系統(tǒng)狀態(tài)、轉(zhuǎn)鋼允許、鋼板轉(zhuǎn)鋼展寬完畢。

2）軋機自動化系統(tǒng)發(fā)送到鋼板圖像采集及處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)：鋼板到達展寬位置信號、推床打開狀態(tài)信號、推床打開狀態(tài)及對正狀態(tài)信號。

自動展寬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖4 自動展寬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 應用情況

在實際應用過程中，板坯停車位置準確，經(jīng)過錐形輥道轉(zhuǎn)鋼后角度偏差10°左右即不對推床的動作造成影響。為解決運行中由于高溫輻射導致攝像機死機問題，增加攝像機壓縮空氣冷卻，同時為解決高壓水除磷和軋輥輥身冷卻系統(tǒng)造成的水蒸氣問題，增設(shè)軸流風機吹掃。自動轉(zhuǎn)鋼效果示意圖見圖5。

圖5 自動轉(zhuǎn)鋼效果示意圖

3 結(jié)語

本文給出了一種在鋼板軋制過程中全自動展寬技術(shù)解決方案，利用機器視覺系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和判斷，運行過程中系統(tǒng)穩(wěn)定、故障率低、抗干擾能力強，解決了鋼板在全自動軋制過程中人工干預的問題，對于軋鋼溫控系統(tǒng)、軋鋼輥縫調(diào)節(jié)系統(tǒng)、主傳動系統(tǒng)的安全有效運行起到良好的改善作用。

[1]朱明，魯劍鋒.基于DSP+FPGA結(jié)構(gòu)圖像處理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2004（9）：866-867.

[2]邢青青，羅新斌.基于機器視覺的對中控制系統(tǒng)[J].有色金屬加工，2009（4）：45-47.

[3]余洪山，王耀南.一種改進型Canny邊緣檢測算法[J].計算機工程與應用，2004（20）：27.