時間:2015-02-02 15:38:01來源:霍啟軍 李建平 王世紅
摘要:講述了濟鋼中厚板廠2500mm產(chǎn)線長寬板形在線自動測量系統(tǒng)的工作原理、具體應用效果。
關(guān)鍵詞:長寬板型,自動測量,攝像機
1.前言
濟鋼中厚板2500產(chǎn)線經(jīng)過雙四輥軋機與新精整線改造,裝備能力逐步提升,具備了中低端、高效產(chǎn)品的規(guī)?;a(chǎn)能力,可較好地適應國內(nèi)市場需求,也具有較高的生產(chǎn)盈利能力。
但多年來2500線裝備改造都集中在主體設備升級上,其配套裝備能力不足的影響日漸突出,檢測測量系統(tǒng)、自動化控制系統(tǒng)成為當前制約2500生產(chǎn)線經(jīng)濟技術(shù)指標發(fā)展的主要因素。
從同內(nèi)同行業(yè)同類型廠家對比情況看,主流中厚板廠家大多實施了自動化測量技術(shù)的配備和改造,新建中厚板廠如舞鋼、鞍鋼厚板、沙鋼、三明中厚板等在生產(chǎn)信息過程自動化、自動測厚(測寬、測長)、板形儀監(jiān)控方面更加完善,已成為當今中厚板行業(yè)技術(shù)競爭的主要手段。因此,長寬板形在線自動測量項目對提高2500產(chǎn)線軋制精度、改進板形控制能力和質(zhì)量合格率都有較好的作用,改造非常必要。
根據(jù)此項目的技術(shù)要求和現(xiàn)場實際情況,在不改動原有2500產(chǎn)線四輥精軋機設備和軋板工藝的基礎上,本工程實施方案采用CCD固體攝像機空間攝影圖像測量技術(shù),將待測鋼板的圖像經(jīng)CCD攝像機輸入計算機。由計算機對鋼板的數(shù)字圖像自動進行平面二維幾何尺寸解算、測量、規(guī)劃并輸出測量結(jié)果。為了保證測量精度,采用高分辨率、優(yōu)象質(zhì)、高光敏度的航空測量型CCD固體攝像機。
2.長寬板形在線自動測量系統(tǒng)原理
四輥軋機長寬板形在線自動測量系統(tǒng)(以下簡稱測量系統(tǒng))應用CCD攝影數(shù)字圖像/圖形測量技術(shù)。將CCD攝像機安放在測量場(四輥軋機的出口后方,避開除塵罩,如圖一所示)輥道的正上方房頂平臺上,對在測量場內(nèi)的自發(fā)光熱鋼板進行攝影,將光學圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像。電子圖像經(jīng)高速圖像/圖形采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像輸入計算機。計算機將鋼板的數(shù)字圖像自動進行二維平面幾何尺寸的測量、規(guī)劃,計算出鋼板的長度和寬度,以及鋼板形狀,將數(shù)據(jù)和圖形顯示給操作人員,并輸入軋機AGC系統(tǒng)和車間工業(yè)以太網(wǎng)(TCP/IP)。
2.1測量設備
如圖一所示,1~13號是13臺768×576×8bit單色面陣CCD攝像機安放在廠房房頂平臺上(距輥道約20m)的防護機箱內(nèi),對進入測量場內(nèi)的鋼板進行攝像。每臺攝像機各帶一臺視頻自動增益控制器,將視頻信號增益放大。視頻電纜將12~13號兩臺CCD攝像機與1號計算機連接起來,CCD攝像機的視頻信號輸入1號計算機內(nèi)的圖像/圖形采集卡數(shù)字化后進行寬度的測量。視頻電纜將1~11號11臺CCD攝像機與2號計算機連接起來,CCD攝像機的視頻信號輸入2號計算機內(nèi)的圖像/圖形采集卡數(shù)字化后進行長/寬和板形的測量。同步控制器通過信號電纜(圖一中虛線所示)同步13臺CCD攝像機的圖像獲取,以消除運動帶來的測量誤差。
1~10號CCD攝像機的測量場為四輥精軋機后方4000mm到42080mm,承擔鋼板長度與板形的測量,測量場長度為38080mm,寬度為2880mm。
11號CCD攝像機負責精軋機后整塊鋼板視頻圖像的獲取,并直接顯示至視頻顯示器。
12~13號CCD攝像機的測量場為四輥粗軋機前方2500mm到4217mm,承擔鋼板長度與板形的測量,測量場長度為1717mm,寬度為2540mm。
數(shù)據(jù)交換機承擔1號計算機、2號計算機與3號計算機的數(shù)據(jù)通信,并將測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與車間以太網(wǎng)互聯(lián),方便技術(shù)人員對軋板數(shù)據(jù)進行分析處理。實際上3號計算機類似于一個網(wǎng)絡計算機,車間以太網(wǎng)不能進入1號計算機和2號計算機,只能在3號計算機內(nèi)查找數(shù)據(jù)。這樣可以保護測量系統(tǒng)的安全。
鋼板長寬尺寸以及板形的數(shù)據(jù)由安置在四輥精軋機操作室(4CS)的顯示器顯示給操作人員并上傳給四輥精軋機AGC系統(tǒng)。四輥粗軋機前測寬數(shù)據(jù)傳輸至四輥粗軋機操作室(2CS)。除了13臺CCD攝像像機安放在廠房房頂平臺上的防護機箱內(nèi),主機柜安放在四輥精軋機操作室(4CS)內(nèi)。四輥粗軋機操作室內(nèi)安置22英寸液晶顯示器顯示1號計算機鋼板的寬度測量結(jié)果。
2.2測量與控制過程
安裝在四輥粗軋機前方的12號和13號CCD攝像機同步獲取進入測量場的鋼板影像,并輸入1號計算機完成鋼板的寬度測量。
鋼板運動方向
圖一系統(tǒng)構(gòu)成圖
當四輥精軋機后方輥道上沒有鋼板時,房頂平臺上的1號CCD攝像機對輥道進行實時檢測,其他設備處于休眠狀態(tài)(這樣有利于系統(tǒng)的保護與延長使用壽命)。當鋼板進入測量視場時,房頂平臺上的1號CCD攝像機自動搜尋并確定鋼板在輥道平面的方位,并通過2號計算機同步啟動其他CCD攝像機對鋼板進行攝影。
當鋼板頭部走出1號CCD攝像機視場時,2號計算機自動啟動全系統(tǒng)其余2~10號CCD攝像機對鋼板的頭部不斷地進行檢測,并同時用1號CCD攝像機不斷地檢測鋼板的尾部是否出現(xiàn)。若檢測到鋼板尾部,同時檢測鋼板頭部是否仍在視場內(nèi),若2~10號CCD攝像機任何一臺CCD攝像機發(fā)現(xiàn)鋼板的頭部,則2號計算機向1~10號CCD攝像機發(fā)出同步信號,對鋼板進行攝像。然后將鋼板影像輸入2號計算機,并解算鋼板的長寬尺寸與板形。當鋼板頭部在測量場內(nèi)運動時同樣的過程會多次重復,獲得多次長度測量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)會自動進行測量誤差的處理,保證得到最佳測量精度。這樣可以得到長度從1600mm~36000mm無級變化的鋼板的全部影像,從而解算得到鋼板的長寬尺寸與板形。整個過程是實時進行的,保證在線動態(tài)實時測量。
由于使用面陣CCD攝像機,所以,無論鋼板是否平行或傾斜于輥道;是否具有彎曲度(鐮刀彎),鋼板長寬尺寸與板形測量儀都可以測量鋼板的實際長度、寬度和板形。而操作人員無須進行任何操作,測量系統(tǒng)是全自動地完成測量全過程。
系統(tǒng)性能的根本保證在于系統(tǒng)所使用的是二維面陣CCD攝像機,可以得到鋼板的平面二維影像,而一維線陣CCD攝像機只能得到一維影像,無法得到二維信息。若用相互正交的兩組一維線陣CCD攝像機在同步控制以及數(shù)據(jù)處理上將無法保證系統(tǒng)的功能與精度。
2.3數(shù)據(jù)顯示
數(shù)據(jù)顯示分為三部分:
(1)鋼板長寬尺寸與板形數(shù)據(jù);
(2)整塊鋼板視頻顯示;
(3)系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示。
2.3.1鋼板長寬尺寸數(shù)據(jù)
對于鋼板長寬尺寸數(shù)據(jù),系統(tǒng)將在顯示器上顯示鋼板長寬尺寸的極大值、極小值與平均值以及公差帶圖形,如圖二。
圖二測量數(shù)據(jù)顯示界面
2.3.2鋼板板形數(shù)據(jù)
如圖三所示系統(tǒng)將在顯示器上顯示鋼板彎曲度(鐮刀彎)、不平直程度、頭尾形狀等。
圖中虛線部分表示的是可以剪切出來的最大內(nèi)接矩形。將以數(shù)字形式顯示此矩形的具體長度、寬度及其四周的△W值。
板型儀顯示鋼板實時輪廓、每米鋼板鐮刀彎數(shù)值,保留上一塊鋼板整體輪廓、鐮刀彎數(shù)值,鐮刀彎數(shù)值超過每米20mm(具體報警數(shù)值可靈活調(diào)整)顏色報警,在鋼板輪廓上予以變色顯示,以提醒操作工注意調(diào)整。
板型儀顯示鋼板整體視頻板型,操作工可直觀地看到板型情況,便于操作調(diào)整板型。
圖三板形定義圖示
鋼板毛長顯示實時長度測量數(shù)值,同時保留上一塊軋制總長度數(shù)值。鋼板毛寬顯示實時寬度測量數(shù)值,頭部舍去300~500mm,每5米測量并顯示一個寬度數(shù)值,同時保留上一塊軋件寬度數(shù)值。
2.4實時性保證
系統(tǒng)選用的圖像/圖形采集卡轉(zhuǎn)換頻率為25幅/秒,圖像的轉(zhuǎn)換時間為40ms,解算時間少于2ms,因此實時性可以保證在45ms以內(nèi),即1秒鐘內(nèi)做22次位置檢測和數(shù)據(jù)測量。
2.5測量誤差分析
2.5.1寬度測量精度
測寬CCD攝像機組合由12號和13號兩臺CCD攝像機組成。每臺CCD攝像機的視場為2290mm,測量場長度為1717mm,寬度為2540mm。兩臺CCD攝像機的視場相互之間有20mm的重疊覆蓋由此來保證無縫測量和平差處理。
單臺測寬攝像機分辨率=視場范圍/攝像機像素數(shù)=2290/768=2.98mm
應用鋼板自發(fā)光無縫連續(xù)特點進行2倍像素細分,則分辨率=2.98/2=1.49mm
寬度測量精度=±√(1.49²+1.49²)=±2.11mm
±2.11mm<±4.00mm
2.5.2長度測量精度
測長CCD攝像機組合由1~10號10臺CCD攝像機組成。每臺CCD攝像機的視場為長3840mm,寬度為2880mm,10臺CCD攝像機的視場相互之間有20mm的重疊覆蓋由此來保證無縫測量和平差處理,整個測量場長度為38080mm。
單臺測長攝像機分辨率=視場范圍/攝像機像素數(shù)=3840/768=5.00mm
應用鋼板自發(fā)光無縫連續(xù)特點進行2倍像素細分,則分辨率=5.00/2=2.50mm
長度測量精度=±√(2.50²+2.50²)=±3.54mm
±3.54mm<±8.00mm
2.5.3鏡頭畸變誤差
這屬于系統(tǒng)誤差,一般攝像機鏡頭的畸變小于2%,
畸變=誤差/視場半徑=2%
長度畸變誤差≥3840/2×0.02=38.40mm
寬度畸變誤差≥1540/2×0.02=22.90mm
這時誤差是很大的,必須修正。方法是用光學測量的方法實測出每個鏡頭的畸變曲線,然后由計算機對鋼板的數(shù)字圖像進行實時修正,一般精度可達到5‰,即長度畸變誤差在0.19mm以內(nèi),寬度0.11mm。由于畸變是隨視場變化的,所以視場越?。换儎t越小。
2.5.4CCD像素刻化的不均勻性
CCD像素的尺寸是比較嚴格的,一般的刻化誤差在1‰~5‰左右。這個誤差是隨機誤差,但由于器件的分等級方法,所以用于測量的器件應該對其CCD像素進行精密量測檢驗,若按1‰~5‰計算,誤差在0.10mm以下。
2.5.5環(huán)境因素引入的誤差
這些誤差包括天車行走、軋機震動和其他振動帶來的測量誤差。這些可以通過在地面上布測空間精密測量控制網(wǎng)來加以修正,同時也保證了13個CCD攝像機之間相互關(guān)聯(lián)的精密性和穩(wěn)定性。
2.5.6全系統(tǒng)精度保證
采用像元細分技術(shù)來提高分辨率,保證測量精度。相對精度控制在±0.1‰以下。既寬度±4mm;長度±8mm(動態(tài)連續(xù)測量)。
3.軟件內(nèi)容
3.1切換、攝像和影像數(shù)字化;
3.2鏡頭畸變校正,影像邊緣增強、判別和規(guī)整;
3.3尺寸規(guī)劃、測量和板形及板頭、板尾測量規(guī)劃;
3.4測量數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計和輸出;可將精軋機最終測量結(jié)果通過車間以太網(wǎng)傳遞到精整各剪切區(qū)操作崗位,以便于保證實現(xiàn)最大內(nèi)接矩形的剪切;
3.5數(shù)據(jù)通信與交換;
4.測量設備的標定與精度檢測
4.1測量設備的標定
用帶有白色圓點的標準長尺,采用精密三維布網(wǎng)方法構(gòu)成平面白色點陣,對發(fā)光點陣攝影圖像應用聯(lián)合平差的方法對CCD攝像機進行標定。若不更換CCD攝像機就無需標定。
4.2測量設備的精度檢測
用帶有白色圓點的長尺在測量場內(nèi)按任意方位、任意長度進行實際CCD攝影測量,所測精度應達到工藝要求。
5.測量設備的防護措施
由于現(xiàn)場的環(huán)境比較惡劣,必須對測量設備采取防護措施。
5.1CCD攝像機的防護
現(xiàn)場溫度變化溫度-15℃~70℃,而CCD攝像機是半導體器件,使得CCD攝像機對溫度比較敏感。又因為現(xiàn)場的粉塵、水汽以及震動較大,本測量設備安裝在一個由鋁和復合材料制成的密封箱內(nèi),隔絕溫度、水汽與粉塵。箱內(nèi)有雙向可逆式半導體致冷器和溫度傳感器組成的溫度自動控制系統(tǒng)。保證箱內(nèi)溫度控制在30±5℃。整個箱體帶有防震系統(tǒng)。
5.2CCD攝像機鏡頭的防護
鋼板軋制現(xiàn)場氧化皮和水汽多,在隨熱空氣的上升期間粉塵相互碰撞摩擦而帶電,極易吸附在鏡頭表面。本測量設備的CCD攝像機鏡頭前表面安裝了一塊鍍有消靜電膜的保護玻璃,可避免帶電粉塵的吸附。
5.3CCD攝像機鏡頭雜散光線的濾除
鋼板溫度高,輻射大量的紅外光線以及雜散光線,嚴重影響鋼板圖像的獲取。本測量設備采用紅外濾光鏡頭,濾除紅外以及雜散光,以保證圖像質(zhì)量。
6.應用效果
長寬板形在線自動測量系統(tǒng)應用后,效果良好,主要優(yōu)點是:全自動運行,無需人工干預,大大減輕了操作人員的勞動強度;測量精度高,測量穩(wěn)定;實時測量鋼板的長度和寬度;測量鋼板的板形參數(shù);實時顯示鋼板的板形,便于操作人員掌握鋼板的彎曲情況;實時顯示鋼板在輥道上的位置,便于操作人員掌握鋼板的跑偏情況;每塊鋼板的測量數(shù)據(jù)存儲在計算機中,便于隨時檢查分析等等。
作者簡介
霍啟軍,男,40歲,電氣高級工程師。1996年7月畢業(yè)于山東工程學院電氣工程系,獲工學學士學位,2006年畢業(yè)于山東大學電氣工程學院,獲工程碩士學位?,F(xiàn)主要從事自動化控制系統(tǒng)的研究與應用工作。
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