攝像定尺系統在寬厚板連鑄機的應用

李 克，孟祥彬，江 楠

（山東萊鋼集團自動化部，山東 萊蕪 271104）

萊鋼寬厚板連鑄機主要生產厚度200mm、250mm和300mm的板坯，長度為2.7～4.3m。由于寬厚板軋機橫向軋制的需要以及對成材率的較高要求，因此對連鑄板坯定尺的精度和系統連續生產的穩定性要求很高。寬厚板連鑄機采用國產非接觸式攝像定尺來進行大斷面板坯切割，并在使用過程中對系統進行了相應的優化，提高了系統的穩定性和定尺精度。

一、系統配置

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

1.軟件部分

該系統使用C++編寫，運用先進的Image CoreTM圖象處理技術對鋼坯頭部分進行精確識別，依照從二級系統接收來的定尺值，自動控制火焰切割機對熱鋼坯進行切割,檢測并顯示鑄坯運行狀態。在系統中組建OPC Server，利用以太網與火焰切割機系統的S7-300 PLC系統進行通信，控制火焰切割機，并接收來自二級系統的定尺值。

2.硬件部分

系統分為攝像部分和主機部分。攝像部分采用工業級高精度紅外攝像機、可變焦鏡頭、不銹鋼攝像機防護罩、多路鏡頭控制器、12V電源、雙屏蔽雙絕緣視頻電纜等。主機部分選用研祥工控機(酷睿雙核CPU、2G內存、320G硬盤)、以太網卡、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指標為：工作溫度-20～80℃，檢測精度5mm，誤差控制精度-10～10mm,定尺范圍可任意調節。

二、控制系統

該系統采用工業級高精度紅外攝像機來采集圖像，使用先進的圖像處理技術，根據板坯的光譜特征和形狀特征，采用基于神經網絡的模糊識別算法，從圖像中提取鋼坯信息，跟蹤坯頭位置，通過編碼器計數和西門子FM350模板計算出切割車位置，并通過組建OPC Server把攝像定尺中的采集信號與上位機聯網通信，由PLC發出信號自動控制火焰切割機切割，攝像定尺控制原理如圖1所示。

1.寬厚板坯測長原理

由于攝像機固定于生產現場，其采集的現場圖像具有固定的可視范圍，攝像頭拍攝的板坯圖像在長度上呈線性分布。每個像素對應一個現場實際位置，具體的對應關系可通過標定來確定，切割位置示意圖見圖2，寬厚板坯頭部位于P點，P點的像素位置X可通過圖像處理獲得，P點到切割槍的距離L(板坯長度)通過人工測量獲得，這樣就建立起一組板坯像素位置與板坯實際長度的對應關系（X，L）。

在輥道上只要標明不同兩點的實際位置，就可以計算出整條輥道上像素與實際位置的對應關系，兩點標定如圖3所示。因此，只要準確識別板坯頭部，并提取其位置信息(像素位置與實際位置)，即可完成對板坯的長度測量，并實現定尺切割控制。

2.連鑄板坯頭部識別的方法

由于切割后的板坯頭部亮度與板坯其他地方存在差異，根據板坯圖像像素亮度值的差異比對就可以識別出板坯頭部。連鑄板坯頭部識別如圖4所示，A、B兩條線之間的圖像是板坯圖像的一個檢測區間。對檢測區間內的每一行像素(Ll，L2，…，Ln)中前后相鄰的亮度值（bm，bm+1）進行比較，根據式（1） 得到一行中前后兩個相鄰像素的亮度差ΔB，當發現ΔB超過亮度閾值時，系統自動記錄下該點位置Pn。在檢測區間內的所有行都比較完成之后，通過式（2）對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際位置P。

3.網絡通信

在攝像定尺系統與切割機PLC系統之間的通信利用OPC進行雙向通信。火焰切割機的控制器采用的是西門子S7-300 PLC，在其網絡組態中建立PC Station，并配置好相關OPC選項，下載到CP模板中。在定尺軟件中，定義好OPC相關接口，完成兩系統間的連接。通過“看門狗”，監控數據傳輸是否正常。

火焰切割機PLC向攝像定尺系統發送大車位置、割槍位置、變頻器狀態等信息。來自二級系統的定尺值和鑄流PLC的拉速等其他信息也通過火焰切割機PLC傳到攝像定尺系統中。攝像定尺系統運行時，將實時跟蹤熱坯坯頭，精確計算頭部距離切割初始點的距離，并根據此值結合切割車的實際位置情況計算熱坯長度，當坯子到達定尺值時向火焰切割機PLC發出主壓信號并進行準確切割。通過OPC實現攝像定尺系統與連鑄機自動控制系統的融合,為實現過程自動化控制起到了很好作用。

三、軟件功能

該系統采用工業計算機控制，具有良好的人機界面，功能較為齊全，其主要功能有以下幾點。

（1）自動和手動功能。在自動狀態時，系統接受二級系統發送的定尺值，控制火焰切割機進行切割。在手動狀態時，操作員可在上位機上輸入多組定尺值，當二級系統出現問題時，可通過人工輸入定尺值進行鑄坯切割。

（2）切割機的相關信息如大車位置、割槍位置、粒化水狀態、變頻器狀態等顯示在攝像定尺的監控電腦上。

（3）在攝像定尺系統上位機上可以實時顯示熱鑄坯的運行狀態與相應參數，如切割狀態、定尺長度等。

（4）由于標定時使用的是冷坯，在熱坯切割時可能會出現一些誤差。本系統可對定尺進行在線修正，提高其測量精度，系統測量誤差在10mm以內。

（5）操作員可以方便地修改定尺系統的控制參數、調整運行狀態。所設參數及定尺信息可有選擇地存盤，不需每次設置，隨時轉換，快捷方便。

（6）可以在上位機上通過亮度調節滑動塊，調節圖像亮度使坯頭邊緣更加清晰。因此可以對諸如尾坯等溫度較低、亮度偏暗的鑄坯進行切割，提高設備的適用范圍。

（7）可生產記錄查詢。對每次攝像定尺發出切割命令時的定尺設定值、實際跟蹤值、切割時間等信息進行記錄。

四、系統缺陷及優化

（1）寬厚板連鑄機生產三種厚度的板坯，系統投用初期是以坯頭上沿為參照，對一種厚度的鑄坯進行標定，通過理論計算得到其他厚度的標定參數。實際使用后發現，定尺對熱坯進行檢測時，坯頭上邊沿在同一位置所處坐標存在差別，單獨使用一種厚度的鑄坯進行標定后，在線監測其他厚度鑄坯時容易造成精度誤差。之后，只能對三種厚度的板坯分別進行標定，并各自記錄標定參數，投入使用后效果良好。但對三種不同厚度的坯子都進行標定，需要接近半天的時間，在攝像機出現問題后，不能及時標定使用，嚴重影響生產節奏。

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

（2）由于攝像機放置在離輥道不遠的立柱上，外層僅有一個不銹鋼防護罩對攝像機進行保護。當連鑄機生產時，攝像機受到熱坯的長時間輻射，內部元件很容易老化，其使用壽命平均僅半年多。

通過對攝像機防護罩進行改造，將防護罩內通入氮氣，對攝像機進行冷卻。同時，在防護罩末端增加熱電阻，并將溫度信號接入PLC，當防護罩內溫度超過60℃后，在主控室畫面上就會出現報警信息，可有效保證攝像機在允許的環境溫度下工作。在關鍵的二切區域，在固定攝像機的立柱上，同時安裝兩個檢測像機并標定好，兩者互為備用。

（3）攝像機視頻線最早采用的是雙屏蔽同軸電纜，在投產初期圖像顯示效果很好。由于電纜溝內動力纜較多，視頻信號經常會受強電磁干擾，監控圖像效果越來越差，增大鑄坯切割誤差。經過研究分析，將視頻連接主線路改為光纜，避免了信號干擾及信號衰減的缺點，監控圖像顯示非常清晰，保障了切割精度。

五、結論

攝像定尺切割系統運行穩定可靠、定尺準確，減輕了操作人員的勞動強度，提高了鑄坯質量。經過對冷坯的長期測量數據累積，證明使用該定尺切割出的子坯，達到0～30mm誤差精度的鑄坯數量在85%以上，達到0～50mm誤差精度的鑄坯數量在96%以上，完全可以滿足寬厚板板坯定尺的需要。

[1]潘毓淳.煉鋼設備[M].北京：冶金工業出版社，1992.

[2]樸喜彬，劉成虎，楊立安.紅外攝像定尺切割系統在板坯連鑄中的應用[J].中國冶金，2011(11)：26-27.

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