寬厚板軋制過程中基于圖像處理系統的全自動轉鋼和展寬技術

王 璐

（山東國舜建設集團有限公司， 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，實現鋼板旋轉，操作員通過觀察判斷是否展寬結束。手動轉鋼流程圖如圖1所示。

圖1 手動轉鋼流程圖

傳統的轉鋼展寬需要操作人員通過觀察確定鋼板停車位置，并通過主令控制轉鋼角度，手動干預大大延緩了自動軋制的節奏，增加軋制時間。操作人員難以匹配二級數據下發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軋制力不同，鋼板厚度受到影響。

隨著機器視覺技術的發展，在工業技術領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換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號，圖像處理系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，根據判斷條件輸出結果。

1 鋼板自動跟蹤定位和機器視覺技術實現全自動轉鋼

1.1 鋼板的物料跟蹤

1）軋鋼區域輥道采用西門子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的命令，并將實際速度反饋到一級自動化系統，輥道線速度在時間上的積分作為物料跟蹤的依據。

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。再根據二級自動化系統傳送的鋼板長度，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

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

本文中的圖像采集及處理系統是實現自動轉鋼和展寬軋制的關鍵部分，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備組成，如圖3所示。

圖3 圖像采集及處理系統結構圖

在軋機機前錐形輥道入口處和機后錐形輥道出口處設CCD攝像機，采集轉鋼前后的鋼板位置圖像，利用邊緣檢測技術檢測鋼板邊緣輪廓，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束信號反饋給軋鋼自動化系統。

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，以圖像1為補充來連結圖像的邊緣。

2）最小二乘法說明。在科學實驗的統計方法研究中，往往要從一組實驗數據（xi，yi）中尋找出自變量x和因變量y之間的關系y＝ax+b。由于觀測數據往往不準確，因此并不要求y＝f（x）經過所有的點（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?^2作為誤差量度的標準。這就是所謂的最小二乘法。

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

1.3 圖像采集及處理系統與一級自動化系統的通訊

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

1）鋼板圖像采集及處理系統發送到軋機自動化系統的數據：系統狀態、轉鋼允許、鋼板轉鋼展寬完畢。

2）軋機自動化系統發送到鋼板圖像采集及處理系統的數據：鋼板到達展寬位置信號、推床打開狀態信號、推床打開狀態及對正狀態信號。

自動展寬系統結構圖見圖4。

圖4 自動展寬系統結構

2 應用情況

在實際應用過程中，板坯停車位置準確，經過錐形輥道轉鋼后角度偏差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造成的水蒸氣問題，增設軸流風機吹掃。自動轉鋼效果示意圖見圖5。

圖5 自動轉鋼效果示意圖

3 結語

本文給出了一種在鋼板軋制過程中全自動展寬技術解決方案，利用機器視覺系統進行數據采集和判斷，運行過程中系統穩定、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、軋鋼輥縫調節系統、主傳動系統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結構圖像處理系統設計與實現[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[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.