CN102062582B - 连铸钢坯摄像测长方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及连铸钢坯摄像测长方法及装置，属于冶金技术领域。在由摄像机和计算机构成的测长***中，测长步骤包括在计算机中建立测试得到的钢坯表面平均温度与摄像机光圈数对应关系表；计算机根据输入的板坯厚度、时间步长、钢水导热系数钢水密度、钢水热容，按公式算出钢坯头部表面平均温度；计算机根据算出的钢坯头部表面平均温度，由关系表查得对应的成像光圈参数，并通过通讯线传输给光圈控制器，进而驱动光圈电机，调节摄像机光圈；计算机根据输入的摄像视频数据，经图像处理，识别连铸钢坯头部位置，得出测长结果。本发明克服了钢坯冷热不均造成的钢坯成像不清晰，减少了外部因素的干扰，降低了人工干预程度，确保了连铸钢坯的长度测量精度。

Description

连铸钢坯摄像测长方法及装置

技术领域

本发明涉及一种钢坯的测长方法，尤其是一种连铸钢坯摄像测长方法及装置，属于冶金技术领域。

背景技术

在炼钢连铸生产工艺流程中，连铸钢坯的在线长度检测和定尺切割是其中的重要环节，钢坯切割的控制精度直接影响到连铸钢坯的成材率。传统的连铸机采用带有编码器的测长辊进行钢坯长度测量(称为机械式测长)，由于该测长***靠测量辊与连铸钢坯之间的摩擦力来驱动，易受现场高温、钢坯变形等因素的影响，致使该测量装置维护量大、控制精度不稳定。

摄像测长***将摄像机作为检测元件，把采集的钢坯图像传送给计算机，利用曲线拟合等图像处理技术进行平滑处理，排除图像中的干扰成分(水汽、阳光、电焊光等)对正常钢坯成像的影响，准确识别连铸钢坯头部位置，完成钢坯测长(参见图1)。这种将、图像处理技术与钢坯切割接合的***，可以完成连铸钢坯切割控制，具有非接触检测、维护量小、检测精确高、控制精度稳定等特点，被越来越多的钢铁企业所采用。

但现有摄像测长对炼钢连铸浇铸过程中的异常事件造成的钢坯接痕、过度冷却等部位的检测还存在检测精度不高、控制精度不稳定的问题。造成这种状况的主要原因是摄像机在调试结束后，焦距、光圈就固定下来，虽然可以满足正常情况下的钢坯长度检测精度的控制要求，但在异常情况下，不同亮度钢坯的检测，则需要人工干预，通过计算机画面手动调节摄像机光圈的方式，来满足特定工况下不同亮度钢坯的长度检测。结果势必增加操作工操作强度，而且检测精度不稳定。因此，设法使摄像测长能够自动适应不同亮度钢坯的长度检测非常关键。

采用自动光圈摄像机效果不够理想，主要原因是其摄像聚焦点相对固定。自动调光感应的是整体的亮度变化，也会受到外界干扰如轨道反光、水汽、太阳照射等因素的影响，而摄像测长仅需要准确跟踪不断运动的钢坯头部亮度变化。

检索发现相关专利如下：1、申请号为88105869的中国专利公开了一种“钢坯测长方法及装置”，该方法的特点是以热钢坯的自身光为信号源，CCD感光成像将光信号变为视频信号，对视频信号进行“二值化”处理，对处理后的信号进行模/数转换，用微处理机进行自动采样和数据处理；专利号为97102342.5的中国专利公开了“摄像测实际空间长度的方法和光学***校正法及其基准规”该方法的特点是通过精密测定一个像素的平均实际空间长度，以及测定或调整摄像范围，可以测定图像畸变及按其结果修正图像畸变的光学***校正。此外，日本专利JP2000266516公开了一种钢坯接缝处理后表面精密检测方法、JP02160153A公开了通过大包滑动水口摄像监测、提高连浇结合点跟踪精度的方法。这些均没有涉及摄像测长在对连铸过程中异常停机等造成的钢坯断面亮度变化的应对措施。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种可以在异常情况下，自动根据钢坯头部亮度调节摄像机光圈参数、从而保证钢坯长度检测精度的连铸钢坯摄像测长方法，同时给出相应的装置。

为了达到以上目的，本发明的连铸钢坯摄像测长方法在由摄像机和计算机构成的测长***中，所述摄像机镜头和光圈控制器的视频线和通讯线分别通过接插头与计算机的对应接口连接，用以传输视频数据和通讯信息；所述光圈控制器的控制输出端接摄像机光圈电机的受控端；其特征在于测长步骤如下：

第一步、在计算机中建立测试得到的钢坯头部表面温度与摄像机光圈数对应关系表；

第二步、计算机根据输入的板坯厚度、时间步长、钢水导热系数钢水密度、钢水热容以及初始钢坯中心温度、表面平均温度和冷却强度，按以下公式，循序算出钢坯头部表面平均温度：

$T_2^{p+1}=T_1^p+\frac{2\mathrm{\Δtk}\left(T_1^p\right)}{{\left(\mathrm{\Δx}\right)}^2\mathrm{\ρc}}(T_2^p-T_1^p)-\mathrm{\Δtq}/\left(\mathrm{\Δx\ρc}\right)$

上式中：P——步长数，为自然数1、2、3、4...

T₂ ^p+1——时间步长P+1对应的钢坯表面平均温度，摄氏度；

T₁ ^p——时间步长P对应的钢坯中心温度，摄氏度；

T₂ ^p——时间步长P对应的钢坯表面平均温度，摄氏度；

Δt——时间步长(秒)；

K——钢水导热系数；

Δx——空间步长(毫米)；

ρ——钢水密度(kg/m³)；

c——钢水热容(kCal/kg℃)；

q——冷却强度(kCal)

以上公式中的前两项计算结果为时间步长P+1对应的钢坯中心温度T₁ ^p+1；即 $T_1^{p+1}=T_1^p+\frac{2\mathrm{\Δtk}\left(T_1^p\right)}{{\left(\mathrm{\Δx}\right)}^2\mathrm{\ρc}}(T_2^p-T_1^p)$

而时间步长P+1对应的钢坯表面平均温度T₂ ^p+1等于时间步长P+1对应的钢坯中心温度，减去Δt*q/(Δx*ρ*c)。

第三步、计算机根据算出的钢坯头部表面平均温度，由所述关系表查得对应的成像光圈参数，并通过通讯线传输给光圈控制器，进而驱动光圈电机，调节摄像机光圈；

第四步、计算机根据输入的摄像视频数据，经图像处理，识别连铸钢坯头部位置，得出测长结果。

这样，可以根据浇铸过程信息，将计算的钢坯头部表面平均温度转化为摄像机光圈数据，用于控制图像处理***中摄像机光圈大小，使得图像处理***采集的钢坯图像始终清晰、亮度稳定，从而满足不同工况下钢坯长度精确检测的要求。

本发明连铸钢坯摄像测长装置包括由摄像机和计算机构成的测长***，所述摄像机镜头和光圈控制器的视频线和通讯线分别通过接插头与计算机的对应接口连接，用以传输视频数据和通讯信息；所述光圈控制器的控制输出端接摄像机光圈电机的受控端；其特征在于所述计算机还用于：

建立测试得到的钢坯头部表面温度与摄像机光圈数对应关系表；

根据输入的板坯厚度、时间步长、钢水导热系数、钢水密度、钢水热容以及初始钢坯中心温度、表面平均温度和冷却强度，按以下公式，循序算出钢坯头部表面平均温度：

$T_2^{p+1}=T_1^p+\frac{2\mathrm{\Δtk}\left(T_1^p\right)}{{\left(\mathrm{\Δx}\right)}^2\mathrm{\ρc}}(T_2^p-T_1^p)-\mathrm{\Δtq}/\left(\mathrm{\Δx\ρc}\right)$

(式中符号含义同上)

根据算出的钢坯头部表面平均温度，由所述关系表查得对应的成像光圈参数，并通过通讯线传输给光圈控制器，进而驱动光圈电机，调节摄像机光圈；

根据输入的摄像视频数据，经图像处理，识别连铸钢坯头部位置，得出测长结果。

本发明在原有摄像测长***的基础上，合理实现了根据钢坯温度自动调控摄像机光圈的功能。由于摄像机光圈根据钢坯表面平均温度调控，因此使钢坯表面平均温度和摄像机光圈参数对应起来，使得摄像机始终根据检测钢坯头部区域温度情况调节光圈数，从而屏蔽了异常情况对连铸钢坯局部亮度的干扰，有效提高了钢坯头部成像的清晰度，确保了钢坯长度的检测精度。

总之，本发明克服了由于连铸过程中钢坯冷热不均造成的钢坯成像不清晰，减少了外部因素的干扰，降低了人工干预程度，确保了连铸钢坯的长度测量精度。最终使钢坯长度达到设定切割长度时，向切割机下发切割指令，完成钢坯切割控制。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为摄像测长***示意图(图中S摄像机、P钢坯、Q切割枪、T图像处理)。

图2为本发明连铸浇铸段数据收集划分示意图。

图3为本发明一个实施例的装置构成示意图。

图4为图3实施例的电路原理图。

图5为图3实施例的控制过程流程图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的摄像测长原理如图1所示，摄像机S固定于生产现场连铸机水平段，正对钢坯P切割区域，采集的现场图像具有固定的视场范围，摄像头拍摄的钢坯图像在长度上呈线性分布。每个像素对应于一个实际位置，具体的对应关系可通过标定来确定。图中钢坯头部位于P点的像素位置X可通过图像处理获得，P点到切割枪的距离L(钢坯长度)可通过测量获得，这样就建立起一组钢坯像素位置与钢坯长度的对应关系(X，L)。因此，只要检测出钢坯头部位置就可以测量出要切割的钢坯长度。

连铸浇铸段数据收集划分如图2所示，从结晶器下口M到水平段结束将整个浇铸段以0.5米为单位，分割成N段，把浇铸过程中诸如板坯厚度、时间步长、钢水导热系数钢水密度、钢水热容的原始数据以及异钢种连结、快换中包以及异常停机等信息集中输入到计算机中每一段对应的数据库，以便计算出每一段钢坯表面平均温度，以及每一段中主要事件信息如炉次接缝位置、大包快换位置等。

本实施例的连铸钢坯摄像测长装置如图3、图4所示，摄像机S和计算机PC构成的测长***中，摄像机镜头X3和光圈控制器X5的视频线和通讯线分别通过接插头X1与计算机的对应接口COM1连接，用以传输视频数据和通讯信息。光圈控制器的控制输出端接摄像机光圈电机M3的受控端。图4中PR1为光圈电位器。

具体而言，摄像机光圈控制器位于镜头摄像机的前舱，其主要有两个功能：第一是将输入的+24V或+12V转换为+5V，供给镜头控制电路使用；第二是接收由***发出的控制指令，将它们转换为驱动镜头各相关机构的控制电压，实现镜头变光圈的操作，同时还完成光圈电位器PR1值采集并变换为相应的数据输出。

摄像机的变光圈设定控制通过串行通信实现。计算机通过串行口COM1，与图中摄像机接插头X1中RXD、TXD和信号地连接，通过X1接口发送计算机的光圈设定值到摄像机光圈控制器X5，X5根据接收的光圈设定值控制驱动电机M3，调节摄像机光圈大小。

由于浇铸过程中经常发生的过冷却，因此整个浇铸段经常会出现冷热不均的情况，极易造成钢坯暗的区域无法检测到，亮的部分过分曝光，都会影响钢坯长度的检测控制。钢坯暗的区域与正常区域亮度需要调节光圈的范围比较大，需要动态调节，才能准确识别钢坯头部位置。本实施例通过在连铸过程控制***中对钢坯表面平均温度的跟踪、根据钢坯表面平均温度动态调整图像处理***中图像亮度，将摄像机光圈调节值由温度计算模块发送到图像处理***中，从而实现摄像机光圈自动调节的功能，以适应现场情况的变化。其具体控制过程如下(参见图5)：

步骤1：在计算机中建立钢坯头部表面温度和摄像机光圈之间对应关系表。将摄像机在正常检测位置下，对不同表面平均温度范围的钢坯，采用手动方式调节光圈，使采集到的图像清晰。通过这种方式建立不同温度范围内钢坯表面平均温度和摄像机光圈的对应关系。

序号	表面平均温度(结束，℃)	光圈数
			1	700	1
2	780	2
			3	850	3
4	890	5
			5	920	11
6	1000	13
			7	-	22

步骤2：将连铸机结晶器以下到水平段之间的铸坯段(二冷段)以0.5米为单位分割成N段，每段作为收集浇铸过程中主要事件信息的独立单元，根据输入的板坯厚度、时间步长、钢水导热系数钢水密度、钢水热容以及初始钢坯中心温度、表面平均温度和冷却强度，按以下公式，循序算出钢坯头部表面平均温度：

$T_2^{p+1}=T_1^p+\frac{2\mathrm{\Δtk}\left(T_1^p\right)}{{\left(\mathrm{\Δx}\right)}^2\mathrm{\ρc}}(T_2^p-T_1^p)-\mathrm{\Δtq}/\left(\mathrm{\Δx\ρc}\right)$

上式中：P——步长数，为自然数1、2、3、4...

T₂ ^p+1——时间步长P+1对应的钢坯表面平均温度，摄氏度；

T₁ ^p——时间步长P对应的钢坯中心温度，摄氏度；

T₂ ^p——时间步长P对应的钢坯表面平均温度，摄氏度；

Δt——时间步长(秒)；

K——钢水导热系数；

ΔX——空间步长(毫米)；

ρ——钢水密度(kg/m³)；

c——钢水热容(kCal/kg℃)；

q——冷却强度(kCal)

本实施例中，中包温度Td＝1550℃，拉速V＝1.0米/分钟，结晶器宽面冷却水流量：3000，进出口水温差：4.9℃，二冷水各个流量：W(11)＝{384，181，821，333，203，447，253，289，139，273，134}，二冷区：Len(7)＝{0.315，2.27，3.047，3.047，3.52，6.09，11.711}，钢种：低碳钢，液相线温度：1530，固相线温度：1494。

设定或检测可知：刚铸出的最新片段P＝1的中心温度T₁ ¹＝1550℃、表面平均温度T₂ ¹＝1550℃，空间步度：ΔX＝0.5米，时间步长Δt＝ΔX/V＝0.5分钟，冷却强度为1031044kCal。

根据低碳钢的导热系数、钢水密度、钢水热容，可以算出前一片段P＝2的钢坯表面平均温度T₂ ²为1356.48℃。由于

$T_1^{p+1}=T_1^p+\frac{2\mathrm{\Δtk}\left(T_1^p\right)}{{\left(\mathrm{\Δx}\right)}^2\mathrm{\ρc}}(T_2^p-T_1^p)$

因此，在此过程中同时求得P＝2的钢坯中心温度T₁ ²为1539.17℃。

接着，可以求得再前一个片段P＝3的钢坯表面平均温度T₂ ³＝1360.5℃，而此段钢坯中心温度T₁ ³＝1535.00℃。

依此循序下去，P＝4，5，6......直至到达切割原位时计算结束。

步骤3：计算机判断钢坯头部表面温度值是否高于1000℃或是否低于700℃(钢坯离开浇铸区域进入水平区域的正常表面平均温度范围为800-1000℃，只有在异常停机期间，局部会过度冷却，而钢坯在水平段主要是自然温降，温降速度平均为5℃/分)。当高于1000℃时，输出最小光圈值，当低于700℃时，输入最大光圈值。否则，计算机根据算出的钢坯头部表面平均温度，由所述关系表查得与钢坯头部表面平均温度最接近的成像光圈参数作为光圈输出值(例如计算结果为900，则输出11)。

步骤4：计算机通过通讯线将光圈输出值传输给光圈控制器，进而驱动光圈电机，调节摄像机光圈；

步骤5：摄像测长***根据接收到的光圈数据通过摄像机光圈控制装置完成光圈设定后，计算机进入摄像测长程序，根据输入的摄像视频数据，经图像处理，识别连铸钢坯头部位置，得出测长结果。

步骤6：计算机根据测长结果，控制切割机定长切割钢坯。

实践证明，本实施例克服了由于连铸过程中钢坯冷热不均造成的钢坯头部成像不清晰，减少了外部因素的干扰，降低了人工干预程度，提高了连铸钢坯长度的测量精度。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种连铸钢坯摄像测长方法，在由摄像机和计算机构成的测长***中，摄像机镜头和光圈控制器的视频线和通讯线分别通过接插头与计算机的对应接口连接，用以传输视频数据和通讯信息；所述光圈控制器的控制输出端接摄像机光圈电机的受控端；其特征在于测长步骤如下：

第一步、在计算机中建立测试得到的钢坯头部表面平均温度与摄像机光圈数对应关系表；

第二步、计算机根据输入的板坯厚度、时间步长、钢水导热系数、钢水密度、钢水热容以及初始钢坯中心温度、表面平均温度和冷却强度，按以下公式，循序算出钢坯头部表面平均温度：

$T_2^{p+1}=T_1^p+\frac{2\mathrm{\Δtk}\left(T_1^p\right)}{{\left(\mathrm{\Δx}\right)}^2\mathrm{\ρc}}(T_2^p-T_1^p)-\mathrm{\Δtq}/\left(\mathrm{\Δx\ρc}\right)$

上式中：P——步长数，为自然数1、2、3、4…

T₂ ^p+1——时间步长P+1对应的钢坯表面平均温度

T₁ ^p——时间步长P对应的钢坯中心温度

T₂ ^p——时间步长P对应的钢坯表面平均温度

Δt——时间步长

k——钢水导热系数

Δx——空间步长

ρ——钢水密度

c——钢水热容

q——冷却强度

第三步、计算机根据算出的钢坯头部表面平均温度，由所述关系表查得对应的成像光圈参数，并通过通讯线传输给光圈控制器，进而驱动光圈电机，调节摄像机光圈；

第四步、计算机根据输入的摄像视频数据，经图像处理，识别连铸钢坯头部位置，得出测长结果。

2.根据权利要求1所述连铸钢坯摄像测长方法，其特征在于：所述第三步计算机先判断钢坯头部表面温度值是否高于1000℃或是否低于700℃；当判断高于1000℃时，输出最小光圈值；当判断低于700℃时，输入最大光圈值。

3.一种连铸钢坯摄像测长装置，包括由摄像机和计算机构成的测长***，摄像机镜头和光圈控制器的视频线和通讯线分别通过接插头与计算机的对应接口连接，用以传输视频数据和通讯信息；所述光圈控制器的控制输出端接摄像机光圈电机的受控端；其特征在于所述计算机还用于：

建立测试得到的钢坯头部表面平均温度与摄像机光圈数对应关系表；

根据输入的板坯厚度、时间步长、钢水导热系数、钢水密度、钢水热容以及初始钢坯中心温度、表面平均温度和冷却强度，按以下公式，循序算出钢坯头部表面平均温度：

$T_2^{p+1}=T_1^p+\frac{2\mathrm{\Δtk}\left(T_1^p\right)}{{\left(\mathrm{\Δx}\right)}^2\mathrm{\ρc}}(T_2^p-T_1^p)-\mathrm{\Δtq}/\left(\mathrm{\Δx\ρc}\right)$

上式中：P——步长数，为自然数1、2、3、4…

T₂ ^p+1——时间步长P+1对应的钢坯表面平均温度

T₁ ^p——时间步长P对应的钢坯中心温度

T₂ ^p——时间步长P对应的钢坯表面平均温度

Δt——时间步长

k——钢水导热系数

Δx——空间步长

ρ——钢水密度

c——钢水热容

q——冷却强度

根据算出的钢坯头部表面平均温度，由所述关系表查得对应的成像光圈参数，并通过通讯线传输给光圈控制器，进而驱动光圈电机，调节摄像机光圈；

根据输入的摄像视频数据，经图像处理，识别连铸钢坯头部位置，得出测长结果。

4.根据权利要求3所述连铸钢坯摄像测长装置，其特征在于：所述摄像机光圈控制器位于镜头摄像机的前舱，用以将输入电压转换为镜头控制电路使用电压，且同时用以接收由***发出的控制指令，将其转换为驱动镜头各相关机构的控制电压，以及完成光圈电位器值采集并变换为相应的数据输出。

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