智拓精文最新版多流连铸钢坯自动定尺切割系统的开发可行性研究报告.docx
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智拓精文最新版多流连铸钢坯自动定尺切割系统的开发可行性研究报告
《多流连铸钢坯自动定尺切割系统的开发》项目
可行性报告
一、选题的必要性
在钢铁企业连铸钢坯定尺精度，直接影响连铸机的产量和质量。
在对连铸方坯和板坯的剪切过程中，首先必须对所剪切钢坯的长度进行定位。
常用的定位方法有机械定尺挡板定位、碰球定位等，甚至还有用人工目测的方法进行定位。
但铸坯切割中上述常用方法存在如下的问题：
1）由于连铸坯表面氧化铁皮的影响,不能产生正确的信号,造成剪切误差；2）改变定尺长度时,调整不便；3）处理切头、切尾和事故坯时妨碍操作；4）由于存在浇注流数多、视觉误差及操作人员责任心不强等因素,也易造成剪切误差,从而影响到钢材的定尺率和成材率,带来不必要的经济损失。
5）目前市场要求变化很快，用户要求的多样性，经常需调整连铸坯尺寸。
本项目依据钢坯的光谱和形状特征，采用高分辨率红外摄像机和专用图像处理模块，通过自主研发的热铸坯图像处理算法，对钢坯头部进行精确识别，实现对钢坯长度实时测量和实时显示，并计算出钢坯的准确位置，以控制切割系统动作。
项目突出特点是：
通过引入了多种抗干扰算法，实现抗御生产现场阳光、闪光和局部遮挡等各种光电干扰。
同时，系统投运时无需改变原有的生产设备。
目前，本项目已制造了两套系统，分别安装在AH新兴铸管公司和HB钢铁公司，试运行近半年来，提高了钢铁企业在连铸生产中的成材率，降低维护费用，增加经济效益。
并大大提高生产的自动化程度，降低工人的劳动强度。
二、技术方案论述
1、项目技术关键和预期达到的水平
项目技术关键：
a、基于图像模式识别技术的铸坯边缘形状识别，以避免辊道导向板反光的影响；
b、铸坯与周围环境相对灰度等级的判别，区别背景光；
c、铸坯红外光强的提取，便于不同温度下的准确运算；
d、铸坯速度的实时判断，预计到达定尺的计算，消除闪光的干扰；
e、铸坯运动方向的确定，微分线形计算，虚光真伪的判断，避免铸坯反向运动产生误切；
f、定尺长度直线计算，做到随时改变定尺，确保不会受外界光的干扰以及拉速变化而产生定尺不准。
预期达到的水平
a、测量精度高，总体误差小于10mm。
b、抗干扰能力强，能够抗御生产现场的各种光电干扰。
c、配置灵活。
即可完成板坯和多流方坯的定尺切割。
d、具有灵活的在线定尺修正功能。
总体水平达到国内先进水平。
2、系统的组成
该系统总体布置如图1所示。
切割控制柜固定在操作室内,CCD摄像机根据现场情况安装好,每个摄像机能够清晰摄入多流铸坯的位置。
定尺标志可根据不同需要在扇形视角区域内移动。
摄像机摄取运动热铸坯的图像,经图像识别处理器,得到热铸坯的长度L1，设定尺长度为L，当|L1-L|<|ERROR|时,启动切割系统对热钢坯进行剪切。
图1热铸坯的定尺切割系统
整个系统测量长度范围为12m，为了满足精度要求，系统采用4个摄像机实现，每个摄像机测量范围为3m，切割控制器为WH大西洋公司生产的切割机。
3、图像识别处理
图像处理系统包括系统定标设置和热铸坯的实时检测处理两部分。
系统定位定标设置部分主要完成：
1）方向、流数等设定；2）对每个摄像头摄取图像的像素点x值与实际长度的对应关系；3）摄取图像的像素点y值与与每流铸坯垂直宽度方向的对应关系。
热铸坯的实时检测处理部分主要定时采集铸坯图像，采集的图像可显示为实际图像，也可根据需要采用模拟图像形式显示。
针对采集的图像进行处理，得到当前热铸坯的长度L1当到达定尺位置时，发送信号给切割控制器，实现铸坯的预夹紧和切割。
在实际采集中，图像存在许多干扰，如切割弧光的干扰、滚子对热铸坯反射的干扰、外界环境的干扰等，有时还有操作人员走动引起的干扰，因此应对采集的图像进行有效的预处理，消除各种干扰存在。
但由于实时性要求，图像处理的时间又不能过长。
根据实际要求，采集图2所示的图像处理流程。
长度检测
图像二值化
图像滤波
图2图像处理流程
对图像进行滤波处理，滤波处理的方法很多，根据实验结果比较选用中值滤波对图像进行滤波处理。
二维中值滤波可用下式来表示：
其中：
为窗口；
为像素点（i,j）的灰度值。
常用的滤波窗口形状有线状、方形、圆形、十字形等。
二维中值滤波的窗口形状和尺寸对滤波效果影响较大，不同的图像内容和不同的应用要求，往往采用不同的窗口形状和尺寸。
图像二值化就是从复杂的景物中分辨出目标并将其形状完整地提取出来，阈值选取是图像二值化的关键。
如果阈值过高，则过多的目标点被误归为背景；阈值选得过低，则会出现相反的情况。
我们在处理过程中对固定阀值分割法和自适应阀值分割法进行比较。
由于热铸坯图像处理过程中，受到外界环境、热铸坯的氧化等影响，采用固定阀值分割法不能正确将目标和背景区分，而采用自适应阀值分割法可以消除这些因素干扰，因此选择自适应阀值分割法进行二值化处理。
处理的过程如下：
1）求出图像中的最小灰度值Gmin和最大灰度值Gmax；
2）根据最大、最小灰度值确定阈值T
3）根据阈值T将图像分为目标和背景两部分。
根据热铸坯流入方向，从图像的左或右侧检测铸坯最前端的X值，从而计算出铸坯长度L。
但由于存在人走动等意外干扰，因此在铸坯长度计算中，根据拉速消除这些干扰，以便得到较准确的铸坯长度。
当铸坯长度与切割长度之差在误差范围内，则认为铸坯到位，发送切割信号给切割机。
在铸坯定尺切割系统中，影响定尺检测精度的因素很多，包括摄像机精度、定时时间的选取，到位命令发出的延时，切割机的控制精度等，本系统主要分析图像检测处理中影响检测精度的相关因素。
（1）、像素分辨率
本系统中选用的摄像机摄取像素点为800（H）*500（V），切割长度方向对应水平方向x，图像检测系统中设定为800，因为每台摄像机的对应的检测范围为3m，则可得出每个像素分辨率约为3000mm/800≈3.75mm。
但由于每台摄像机同时检测多流铸坯，在检测中如图3所示，也就是所如果保证第六流检测范围为3m，则对应的像素点小于800，因此每个像素间长度大于3.75mm。
为了保证切割精度在5mm范围内，则需满足在最远点3m对应像素点大于600即可。
（2）、图像定时时间的选取
与切割定尺精度有关的另一因素是定时采集图像的时间间隔t。
假定在t1和t2时刻采集图像，由于热铸坯以拉速ν前进，在t1、t2时刻检测到的长度值为L1和L2。
L2-L1=ΔL
ΔL=ν×（t2-t1）=ν×t
要使检测精度提高，则ΔL应较小，因为上面提到1个像素表示5mm，因此ΔL能表示的最小值为5mm（一个像素）。
由上式可得到：
t=ΔL/ν
定时时间t除了满足上述要求外，还受到图像处理速度的影响，也就是定时时间t要大于图像处理的时间。
（3）、定尺长度的确定
发送切割信号前,检测实际热铸坯的长度L1,并判断L1与定尺L的关系。
当满足
|L1-L|<|ERROR|时，则发送切割信号。
检测过程中定尺L与ERROR值影响切割精度，因此必须设置相应的L与ERROR值。
在自动定尺切割系统中，采用两级操作对定尺进行设置。
首先由标定过程对每流起止位置设置尺寸，然后根据比例关系大致算出定尺L所在像素位置。
然后对定尺进行细调。
ERROR的取值主要由切割精度、拉速、图像采样时间等几方面决定，一般取1～2个像素点。
（4）、图像处理中干扰
各种干扰是影响定尺检测精度的一个主要方面。
针对各种干扰因素，检测处理中采用了几个方面来解决。
1）硬件方面：
摄像机尽可能安装在能避免人为干扰的区域；由于环境对图像处理干扰，因此要调整好摄像机的光圈、焦距，增加背景与热铸坯的灰度值对比度。
2）软件方面：
采用区域处理、滤波和自适应阀值分割法对图像进行处理，并在检测过程中采用前后两次相邻检测结果比较，减少干扰因素。
3、系统技术要求和指标
（1）、多流方坯系统
以AH新兴铸管公司5流方坯铸坯定尺切割系统为例
1）、连铸机主要参数
机型：
R9M5机5流方坯连铸机
定尺范围：
3～12米
2）、系统概述
铸坯摄像定尺切割系统由摄像机、图象输入处理卡、工业控制计算机、I/O信号控制卡、输入/输出板等组成。
摄像机安装在现场适当位置，并由防护罩保护，其他设备安装于控制柜中，控制柜置于操作室内。
工控机接收图象信号，经分析处理后，由I/O信号控制卡输出预夹紧和切割信号（开关量），至切割机控制的PLC设备，执行预夹紧和切割命令。
当被切割后的铸坯即将到达出坯工位时，系统通过出坯到位摄像机上采样的图像，得到铸坯到位的信息，给出出坯到位预报信号。
3）、基本功能
（a）通过摄象机远距离采集运动钢坯的图象信息，在线识别热钢坯的长度和拉速，采用数字图象处理技术，给出铸坯的当前位置，当铸坯到达定尺位置时，计算机给出相应的信号，启动切割机完成一次剪切过程。
（b）系统通过摄象头采集出坯现场的实时图像，通过相应的软件处理，得到铸坯的位置信息，达到检测铸坯定尺，完成切割操作的目的。
单个摄象头的有效检测范围为3米。
系统最多可配置3个摄象头，最大检测范围可达到9米的定尺范围。
（c）系统具有自动和手动两种工作模式，通过操作可选择自动或手动方式工作。
自动方式工作时，系统根据铸坯的定尺的设定，自动对铸坯进行剪切。
长度参数一经设定，即被系统保存，下次加电时将按该设定值进行定尺工作。
在特殊情况下，可选择手动工作方式，操作人员通过键盘和鼠标，手动控制切割。
（d）操作员可修改各种控制参数，调整运行状态。
（e）通过监视器实时显示钢坯的运行状态，显示有关参数，如：
切割状态、定尺长度、当前时间、每流拉速、显示并统计每流切割根数和每流切割根数总和即总产量。
（f）剪切误差在±10mm之内，并可实时在线对每流定尺进行微调，使误差在最小值。
（g）系统适合各种切割环境下运行，在火焰切割的场合也能正常使用，不会引起误动作。
（h）系统可通过设定，提前预报铸坯到达出坯位的信息。
4）、技术性能和参数
检测精度±10mm
系统响应时间0.1秒
信号传输不失真距离100米
系统电源200W/220VAC50HZ
需提供探头冷却所需的压缩空气：
温度T：
≤30℃，干燥空气或仪表空气，压力P：
0.3-0.6Mpa，流量：
≥400L/min。
5）、系统设备配置
序号
设备名称
数量
单位
1
摄像头
4
套
2
图像采集系统
1
套
3
工控机
1
套
4
IO端子（OC驱动）卡
1
套
（2）、板坯系统
以HB敬业钢铁有限公司板坯铸坯定尺切割系统为例
1）、连铸机主要参数
机型：
R8m直弧型
断面：
220×1600
拉速：
0.8～1.5m/min
定尺长度：
6m～9m
2）、系统概述
铸坯摄像定尺检测及出坯预报系统由摄像机、图象输入处理卡、工业控制计算机、I/O信号控制卡、输入/输出板等组成。
摄像机安装在现场适当位置，并由防护罩保护，其他设备安装于控制柜中，控制柜置于操作室内。
工控机接收图象信号，经分析处理后，由I/O信号控制卡输出预夹紧和切割信号（开关量），至切割机控制的PLC设备，执行预夹紧和切割命令。
当被切割后的铸坯即将到达出坯工位时，系统通过出坯到位摄像机上采样的图像，得到铸坯即将到位的信息，给出出坯到位预报信号。
3）、基本功能
（a）通过摄象机远距离采集运动钢坯的图象信息，在线识别热钢坯的长度和拉速，采用数字图象处理技术，给出钢坯目前的位置，当钢坯到达指定长度时，计算机给出切割信号完成一次剪切过程。
（b）系统用摄象头对钢坯定尺切割操作进行控制，每台摄象机可监视3米的定尺标志。
若定尺长度变化较大，可最多配置4台摄象机以监视12米的定尺的范围。
（c）系统具有自动和手动两种工作方式，可选自动或手动方式工作。
自动方式工作时，系统根据钢坯的长度设定自动对钢坯进行剪切，长度参数设定后，下次加电仍将按此值工作不会因关机而消失。
手动方式工作时，操作人员通过键盘和鼠标，手动控制切割，以备在特殊情况下使用。
（d）操作员可修改各种控制参数，调整运行状态。
（e）具有暗坯切割功能，对于亮度偏暗的钢坯也可切割。
针对每流可单独选择亮坯或暗坯切割方式。
（f）通过监视器实时显示钢坯的运行状态，显示有关参数，如：
切割状态、定尺长度、当前时间、每流拉速、显示并统计每流切割根数和每流切割根数总和即总产量。
（g）剪切误差在±10mm之内，并可实时在线对每流定尺进行微调，使误差在最小值。
（h）系统适合各种切割环境下运行，在火焰切割的场合也能正常使用，不会引起误动作。
（i）系统可通过设定，提前预报铸坯到达出坯位的信息。
4）、技术性能和参数
检测精度±10mm
系统响应时间0.1秒
信号传输不失真距离100米
系统电源200W/220VAC50HZ
需提供探头冷却所需的压缩空气：
温度T：
≤30℃，干燥空气或仪表空气，压力P：
0.3-0.6Mpa，流量：
≥400N/min（单流）。
5）、系统设备配置
序号
设备名称
数量
单位
1
摄像头
1
套
2
图像采集卡
1
套
3
工控机
1
套
4
IO端子（OC驱动）卡
1
套
4、项目工作进度及目标
1）、20XX年3月－20YY年3月：
研发阶段（已完成）。
2）、20XX年4月－20YY年9月：
测试阶段（已完成）。
3）、20XX年10月－20YY年8月：
生产现场投运测试阶段（已完成）。
4）、20XX年9月－20YY年2月：
联系LN、SX和YN等钢铁企业进行中试阶段。
5）、20XX年4月－20YY年8月：
系统优化和工业化集成阶段。
6）、20XX年9月－20YY年8月：
面向南钢、新钢和萍钢等省内企业推广，继续面向全国钢铁企业推广。
总体目标：
按工业要求进行产品化。
5、项目经费预算
三、项目实施支撑条件
1、项目技术来源
完全自主开发。
2、项目实验、检测条件
本项目已完成研发、测试和生产现场投运测试阶段，已建立完成项目所需的基本实验和检测软硬件条件。
3、项目申请单位人才资源情况
（1）、项目主要成员及技术资料
姓名
性
别
年
龄
职务
职称
学历
所学
专业
现从事专业
所在单位
负
责
人
LGP
男
42
副教授
博士
机电
机电
NC大学
主
要
参
加
人
员
HYH
女
36
副教授
硕士
机电
机电
NC大学
WXP
男
39
副教授
学士
仪表
仪表
NC大学
TZH
男
46
副教授
学士
机械
机械
NC大学
（2）、项目负责人近5年来主持的项目
序号
项目来源
项目名称
时间
负责人
一、主持的省部级重点项目
1
省科技厅招标项目
PS转炉智能优化过程控制系统
0X.7-06.6
LGP
2
省重点攻关项目
Lonworks柴油发电机组智能控制系统的研制
02.9-03.12
LGP
二、主持的重大横向项目
1
BS钢铁股份有限公司
热轧宽展模型及粗轧温度智能控制模型研究
01.7-03.5
LGP
2
SH宝钢集团公司
热扎张力及粗扎负荷分配仿真研究技术支持
03.4-05.1
LGP
三、主持的厅局和横向项目
1
省教育厅
高效活体指纹识别软件开发
01.12-02.12
LGP
2
ZJ电器股份有限公司
GX-2光电跟踪云母铣槽机技术改造
02.9-02.12
LGP
3
JX省通讯技术有限公司
直放站综合网络监控管理系统开发
03.12-05.5
LGP
4
JX富士电梯有限公司
富士电梯控制器技术开发
02.12-07.12
LGP
5
WH市JJ冶金设备有限公司
连铸机铸坯红外定尺检测系统及软件开发
05.5-06.5
LGP
6
WHJD冶金电气设备有限责任有限公司
铸坯摄像定尺检测及出坯到位预报系统
05.9-06.9
LGP
（3）、项目负责人近5年发表的文章
（一）、核心期刊：
1、WHL，CSM，LGP，WJH.改进的梯度倒数加权算法在图像平滑中的应用.红外技术，2003，25（4）：
17～19
2、LWL，LGP，ZH.爬行式焊接机器人焊缝跟踪协调控制.中国制造业信息化，2003，11：
90～92
3、LGP，WHL.模板匹配技术在焊缝图像处理中的应用.焊接技术，2004，33（4）：
14～16
4、HYH，LGP.模糊指纹图像中心点的提取.计算机工程与应用，2004，40（15）：
65～66
5、SY，LGP.基于实例的混合知识推理零件图尺寸自动标注研究.机械设计，2004，21（9）：
52～54
6、HYH，LGP.基于灰度形态的图像处理在焊缝识别中的应用.计算机工程与应用，2005,27（41）:
209～210
7、LGP，ZH，HYH，WHL.V型焊缝特征点提取的算法研究.焊接，2006，2：
36～38
8、LGP，HYH，ZH.Gabor算法在V形焊接坡口图像滤波中的应用.中国机械工程，2006，17（8）：
774～776
（二）、省级期刊
1、SB，LGP，HYH.指纹认证的统计学方法及滤波器的参数分析.NC大学学报（工科版），2002，24
（2）：
13～16
2、HYH，LGP，SB.模糊指纹图像的特征提取.NC大学学报（工科版），2002，24（4）：
38～41
3、YYQ，LGP.可编程双路10位串行数模转换器TLC5617的原理及应用.NC航空工业学院学报（自然科学版），2003，17
（1）：
63～66
4、XQL，LGP，.基于粒子群算法的温度模型优化.NC大学学报（工科版）,2003，25
（1）：
68～71
5、WHL，YYQ，，LGP，.串行20位adcCS5513及其应用.微电子技术，2003，31（3）：
58～61
6、LGP，，ZH.BP神经网络在带钢宽展预测中的应用.NC大学学报（工科版），2003，25（3）：
25～28
7、，LGP，ZH，PLC在爬行式焊接机器人中的应用.NC大学学报（工科版），2003，25（4）：
14～16
8、LGP.基于TRIZ与QFD相结合的直放机概念设计.现代机械，2004，4：
49～50
9、LGP，采用串行口模式的液晶模块SP-4DSC.自动化技术与应用，2004，23（11）：
62～63
10、LGP，ZQ.多目标最优化的粒子群算法.杭州师范学院学报，2005，4
（1）：
30～33
11、LGP，ZSL，涂华强.基于DSP的直放机综合监控系统的设计.机电工程技术2005，34（10）：
11～12
12、LGP，ZQ，ZJM，TD.热轧粗轧机组负荷分配的优化算法.河南冶金，2005，13
（1）：
14～15
13、LGP，LLL，LLY.基于OPC服务器自动化接口的客户端程序的设计.自动化技术与应用，2005，5：
33～35
14、LGP，WXL，基于收发器FT3120的新型智能节点设计.控制工程，2005，12S1（7）：
149～152
15、LGP，LLL，ZSL.一种连铸机结晶器的液位控制系统.机械工程与自动化，2006，2：
56～58
4、项目新增投资筹集情况
本项目已经完成两套研发样机的制造，已购置基本的制造、检验的仪器设备，新增资金将通过使用合同完成。
本次所申请的经费主要用于中试期间进行更深入研发所需的仪器、设备、材料和研发费用。
四、项目预期社会效益及其他
1、在满足铸坯国家标准的同时，最大程度地节约企业成本。
2、最大程度地迅速满足各种用户对不同规格铸坯的要求。
3、最大程度地减少劳动力。
4、为使用者提供全自动化控制的工作环境。
5、本项目无任何“三废”问题。
NC市机械研究设计所
20XX年X月X日
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