CN112008055B - 一种连铸引锭杆定位检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连铸引锭杆定位检测系统及方法，该系统包括位置监控单元、激光投射单元、图像检测单元、图像处理单元。位置监控单元计算每个采样周期的输送辊旋转位移增量，对位移增量进行增量累积来连续跟踪引锭杆的坐标位置并校准。激光投射单元将辅助定位的激光投射到引锭杆，并反射到图像检测单元。图像检测单元检测激光形成的图像，对图像进行处理并形成数字化图像信息。图像处理单元接收图像检测单元的数字化图像信息，根据位置监控单元的坐标位置对数字化图像信息进行分析处理，并向位置监控单元发送引锭杆头尾到位信号。本发明可以实现对多流连铸机引锭杆定位检测误差的自动校准，具有精度高，稳定可靠、免维护、成本低的优点。

Description

一种连铸引锭杆定位检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种炼钢设备中的检测系统及其检测方法，更具体地说，涉及一种连铸引锭杆定位检测系统及方法。

背景技术

在炼钢连铸生产线中，引锭杆是一种长达二十多米的钢质多节式链杆，用于开浇前输送到结晶器下口，完成结晶器下口封堵，并在开浇时将初生的坯壳引拔出结晶器，完成钢坯的开浇牵引。对于采用下装式引锭杆输送系统的方坯和圆坯连铸机来说，引锭杆通常需要通过辊道和拉矫机夹送辊组的接力驱动，经过长达几十米的输送，才能到达结晶器下口。引锭杆的位置跟踪定位精度对连铸生产的安全稳定顺行具有重要影响。在自动上送引锭杆过程中，控制系统需要根据引锭杆头尾的位置来决定拉矫机各夹送辊压下和抬起的时机，以及输送系统减速和停车的时机，从而保证引锭杆自动上送的连续性、安全性，以及到达目标位置的定位精度。

目前钢厂对引锭杆跟踪定位方式普遍采用速度反馈计算或编码器脉冲计数来进行引锭杆输送位置的检测。然而，由于引锭杆的输送距离长达几十米，并且经过辊道、拉矫机夹送辊组的接力输送。受长距离输送过程中辊道和夹送辊组的不同步、停顿、打滑，以及辊面磨损、引锭杆关节间隙等因素影响，系统在对引锭杆位置跟踪过程中，往往会产生较大的累积误差。因此，现有的定位跟踪精度的稳定性并不高，误差严重时可达几米，这样的误差往往会带来以下问题：

1)造成夹送辊在引锭杆头部到达前过早压下，导致夹送辊与引锭杆发生碰撞受损；

2)造成引锭杆在到达结晶器前过早停止，增加了人工手动干预作业，影响生产效率；

3)造成引锭杆上送过头，增加结晶器铜管内壁碰损风险。

为了解决这一问题，部分自动化程度较高的连铸机在系统设计时在每流的辊道上增加了光电管检测装置，通过检测引锭杆头尾经过时的信号，对引锭杆位置跟踪数据进行修正。但是，采用光电管方式的可靠性和稳定性存在较大缺陷，由于光电管检测装置的检测范围有限，且多流方坯或圆坯连铸机各流间距狭小，安装点距离一千多度的高温热坯非常接近，即使采用水冷措施，光电检测设备的寿命也非常短，造成故障频繁，功能经常失效，不仅引锭杆自动定位精度难以保证，而且设备检修维护不便，维护成本高。

现有技术中，申请号为CN201210361818.7的中国专利公开了“无需编码器参与的连铸挠性引锭杆控制方法”。该发明公开了通过对输送辊的速度反馈值进行积分计算，来跟踪检测引锭杆的实际位置。该发明无需使用编码器，从而解决因编码器出现故障而导致正常生产受到影响的技术问题，但没有可靠解决长距离跟踪检测引锭杆过程中所产生的累积误差大的问题。

现有技术中，申请号为CN201120323138.7的中国专利公开了“用于连铸工艺的自动送引锭装置”。该发明公开了设置在引锭杆上的减速位标志和停止位标志以及用于监测引锭杆是否到达减速位和停止位的测量装置。由于该装置需在引锭杆上增加标志，该标志随引锭杆一同经受高温、水汽、振动等恶劣环境，容易脏污变色损坏，需要经常更换或维护，且容易受背景杂光干扰，使测量装置不易辨认，仍会产生漏测误测问题。

由此可见，现有技术中并未解决对引锭杆位置跟踪过程中产生较大的累积误差的问题，其定位跟踪精度的稳定性不高，而且设备检修维护不便，维护成本高。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种连铸引锭杆定位检测系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种连铸引锭杆定位检测系统，包括位置监控单元、激光投射单元、图像检测单元、图像处理单元。位置监控单元计算每个采样周期的输送辊旋转位移增量，对位移增量进行增量累积来连续跟踪引锭杆的坐标位置并校准。激光投射单元将辅助定位的激光投射到引锭杆，并反射到图像检测单元。图像检测单元检测激光形成的图像，对图像进行处理并形成数字化图像信息。图像处理单元接收图像检测单元的数字化图像信息，根据位置监控单元的坐标位置对数字化图像信息进行分析处理，并向位置监控单元发送引锭杆头尾到位信号。

进一步地，位置监控单元包括位移检测模块、位置跟踪模块和位置校准模块。位移检测模块计算每个采样周期的输送辊旋转位移增量，传送给位置跟踪模块。位置跟踪模块通过对引锭杆输送辊的位移增量进行增量累积，以此连续跟踪引锭杆的坐标位置。位置校准模块接收来自图像处理单元传来的引锭杆头尾到位信号，对位置跟踪模块生成的引锭杆坐标位数据进行校准。

进一步地，激光投射单元包括至少一组激光发生器和反光板，用于将辅助定位的激光点投射至每流引锭杆输送辊道旁的反光板上。

进一步地，图像检测单元包括工业摄像机、滤光片和图像采集卡。工业摄像机检测各流辅助定位激光点的图像，并形成视频信号输出。滤光片安装在工业摄像机镜头前，用于将激光点反射的红外光线透入工业摄像机。图像采集卡对视频信号进行高速采样并完成图像数字化转换，形成可供处理的数字化图像信息。

进一步地，图像处理单元包括工业计算机，图像处理单元与图像检测单元、位置监控单元的连接方式采用以太网网络通讯方式。

进一步地，位移检测模块为PLC控制器，当引锭杆在辊道上输送时，位移检测模块从辊道电机变频器中读取电机转速反馈值，计算出每个采样周期的辊道旋转位移增量，送给位置跟踪模块。

进一步地，位移检测模块为PLC控制器，当引锭杆在拉矫机组夹送辊上输送时，位移检测模块从夹送辊电机编码器中采集夹送辊电机旋转的脉冲计数值，计算出每个采样周期的夹送辊旋转位移增量，传送给位置跟踪模块。

进一步地，激光投射单元包括4个点状激光发生器安装在远离辊道区的支架上，引锭杆输送辊道的侧导板作为反光板，4个激光点分别投射在引锭杆输送辊道的侧导板上。

为实现上述目的，本发明还采用如下技术方案：

一种连铸引锭杆定位检测方法，包括以下步骤：步骤1，引锭杆开始上送时，位置跟踪模块发出上引锭位置跟踪指令，并对引锭杆位置进行初始化；步骤2，引锭杆输送过程中，位置跟踪模块通过累积输送辊在每个采样周期内的旋转位移增量来跟踪定位检测引锭杆的坐标位置；步骤3，引锭杆上送时，激光投射单元开启，将激光点投射到各流引锭杆输送辊道旁的反光板上；步骤4，图像检测单元将各流光点投射范围内的图像信息传送到图像处理单元；步骤5，图像处理单元自动对各流目标识别窗口内的光点图像进行识别处理，当识别出引锭杆头或引锭杆尾到达信号时，向位置校准模块发出到位信号；步骤6，位置校准模块对收到的引锭杆头尾信号经过可信度识别后，利用头尾信号对位置跟踪模块中的引锭杆位置检测数据进行自动校准修正。

进一步地，步骤1中，引锭杆的坐标值L_db置成回收位初始值L_int，且L_db＝L_int。

进一步地，步骤2中，L_db＝L_db′+ΔL，其中L_db′是上个采样周期的引锭杆坐标值，ΔL是当前采样周期内引锭杆由输送辊输送的位移增量。引锭杆位置先是由辊道输送的位移增量ΔL1来累积，ΔL＝ΔL1，当引锭杆进入到拉矫机组位置，并且夹送辊完成压下后，再切换到由夹送辊输送的位移增量ΔL2来累积，ΔL＝ΔL2，从而根据实际驱动装置的接力切换，连续跟踪定位检测引锭杆的坐标位置。

进一步地，步骤2中，每个采样周期引锭杆在辊道上输送的位移增量

其中D₁为辊道的辊径，G₁为辊道减速机的速比，V_r1是从辊道电机变频器读取到的实际电机转速，T_s是采样周期。

进一步地，步骤2中，每个采样周期引锭杆在拉矫机组夹送辊中输送的位移增量

其中R为夹送辊电机所设脉冲发生器的分辨率，G₂为拉矫机夹送辊的速比，D为夹送辊的辊径，ΔN是每个信号采样周期内收到的脉冲增量数。

进一步地，步骤3中，激光投射单元投射出4个红色可见激光点，分别投射在4个流靠近拉矫机组的引锭杆输送辊道侧导板上，并且可以通过调整激光发生器安装支架的角度和位置，使各流的激光投射点保持在一个统一固定的位置。

进一步地，步骤4中，利用一台带红外滤光片的工业摄像机同时对1-4流的光点投射区域进行图像的连续检测，并通过图像采集卡将图像转成数字可处理信息，通过以太网接口将图像信息传送给计算机图像处理单元。

进一步地，步骤5中，目标识别窗口是图像处理单元为提取各流光点图像所设定的有效处理区间，图像处理单元只对各流目标识别窗口内的图像进行计算处理。所述目标识别窗口每流设置一个，当没有引锭杆遮挡的时候，每个识别窗口内应包含有光点图像；当有引锭杆遮挡的时候，光点的投影位置从反光板的位置跳变到引锭杆上，由于光点的投影面发生变化，其图像将跳出设定的目标识别窗口。

进一步地，步骤5中，图像处理单元对引锭杆头尾的识别处理包括以下步骤：实时采样提取各流目标识别窗口内各像素点的灰度值，并计算出各流目标识别窗口内图像灰度平均值；在引锭杆头到达并遮住光点后，目标识别窗口内光点图像消失，窗口内图像灰度平均值在预设时间周期内从亮目标阈值变化到暗目标阈值，图像处理单元自动向位置校准模块发出引锭杆头到位信号；引锭杆尾离开光点后，目标识别窗口内光点图像恢复，窗口内图像灰度平均值在预设时间周期内从暗目标阈值变化到亮目标阈值，图像处理单元自动向位置校准模块发出引锭杆尾到位信号。

进一步地，步骤6中：当收到引锭杆头到位信号后，位置校准模块自动将引锭杆的位置坐标值L_db在一个采样周期内校正成第一基准点坐标值L_ref1，L_db＝L_ref1；第一基准点坐标值L_ref1可根据光点所处的坐标值L_dot来确定。当收到引锭杆尾到位信号后，位置校准模块自动将引锭杆的位置坐标值L_db在一个采样周期内校正成第二基准点坐标值L_ref2，L_db＝L_ref2；第二基准点坐标值L_ref2可根据光点所处的坐标值L_dot和引锭杆自身的长度L₀来确定。

进一步地，步骤6中：在引锭杆处于启动上送状态时，若位置校准模块收到引锭杆头到位信号的同时，位置跟踪模块中的引锭杆坐标值L_db位于同第一基准点坐标值相邻的可信区间内，则位置校准模块认为该引锭杆头到位信号为真，将执行第一次引锭杆坐标值校准。若位置校准模块收到引锭杆尾到位信号的同时，位置跟踪模块中引锭杆坐标值L_db位于同第二基准点坐标值相邻的可信区间内，则位置校准模块认为该引锭杆尾到位信号为真，将执行第二次引锭杆坐标值校准。

在上述技术方案中，本发明可以实现对多流连铸机引锭杆定位检测误差的自动校准，具有精度高，稳定可靠、免维护、成本低的优点，可以保障引锭杆在多个关键点位的自动跟踪定位控制精度，提高了连铸自动送引锭的运行效率和安全可靠性，减少了引锭杆错误跟踪定位给连铸生产和设备造成的影响和损失。

附图说明

图1是连铸引锭杆定位检测系统组成示意图；

图2是连铸引锭杆定位检测方法流程图；

图3是图像处理轨道和目标识别窗口设置示意图；

图4是引锭杆头尾图像识别处理流程图；

图5是引锭杆头到位检测实例示意图；

图6是引锭杆尾到位检测实例示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

参照图1，本发明首先公开一种连铸引锭杆定位检测系统，该系统为炼钢连铸生产线的一部分。炼钢连铸生产线具有一个引锭杆回收存放位5，该位置用以存放待使用的引锭杆9。在生产过程中，炼钢连铸生产线采用一个辊道10将引锭杆9沿着一定的方向进行“上送”，图1所示的从右至左的方向即为引锭杆9上送方向。在辊道10的上游设置有拉矫机组夹送辊6，夹送辊的生产线上游设置二冷室7，二冷室7的出口设置结晶器8。本领域的技术人员应当理解，本发明所述的“上送”或“从右至左”的方向仅仅只是用作说明，而并非本发明的限制，并非限定任何特定的方向。在实际生产过程中，引锭杆9上送的方向可以根据流水线的设置做任意的调整，本发明对该方向不作任何的限定。

作为本发明的一种实施方式，本发明的系统可以和炼钢连铸生产线没有实际的物理连接，而是通过接收激光和/或电信号的方式来进行连接。本领域的技术人员应当理解，该连接并非是唯一的连接方式。在本发明其他的实施例中，本发明的系统还可以与炼钢连铸生产线进行任何线路上的连接。另一方面，由于存在电信号的连接，本发明的连铸引锭杆定位检测系统可以设置在炼钢连铸生产线当场，也可以设置在远离炼钢连铸生产线的其他合适位置，均属于本发明的保护范围内。

继续参照图1，本发明的连铸引锭杆定位检测系统主要的功能模块为位置监控单元1，激光投射单元2，图像检测单元3和图像处理单元4。其中，位置监控单元1进一步包括位移检测模块1.1，位置跟踪模块1.2，位置校准模块1.3，而图像检测单元3进一步包括工业摄像机3.1、滤光片3.2和图像采集卡3.3。图像处理单元4分别与位置监控单元1、图像检测单元3相连接，而激光投射单元2为一个单独的装置，与图像检测单元3在功能上具有联系。在整体的功能上，位置监控单元1计算每个采样周期的输送辊旋转位移增量，对位移增量进行增量累积来连续跟踪引锭杆9的坐标位置并校准。激光投射单元2将辅助定位的激光投射到引锭杆9，并反射到图像检测单元3，图像检测单元3检测激光形成的图像，对图像进行处理并形成数字化图像信息。图像处理单元4接收图像检测单元3的数字化图像信息，根据位置监控单元1的坐标位置对数字化图像信息进行分析处理，并向位置监控单元1发送引锭杆9头尾到位信号。

作为本发明的一种实施方式，在位置监控单元1中，位移检测模块1.1从输送辊电机变频器中读取电机转速反馈值，或是从输送辊电机编码器中读取脉冲计数值，计算出每个采样周期的输送辊旋转位移增量，传送给位置跟踪模块1.2。位置跟踪模块1.2通过对引锭杆9输送辊的位移增量进行增量累积，来连续跟踪引锭杆9的坐标位置。位置校准模块1.3接收来自图像处理单元4传来的引锭杆9头尾到位信号，对位置跟踪模块1.2生成的引锭杆9坐标位数据进行自动校准。

作为本发明的一种实施方式，位移检测模块1.1为PLC控制器，当引锭杆9在辊道10上输送时，位移检测模块1.1从辊道10电机变频器中读取电机转速反馈值，计算出每个采样周期的辊道10旋转位移增量，送给位置跟踪模块1.2。在另一种实施方式中，位移检测模块1.1为PLC控制器，当引锭杆9在拉矫机组夹送辊6上输送时，位移检测模块1.1从夹送辊电机编码器中采集夹送辊电机旋转的脉冲计数值，计算出每个采样周期的夹送辊旋转位移增量，传送给位置跟踪模块1.2。

作为本发明的一种实施方式，激光投射单元2包括至少一组激光发生器和反光板，用于将辅助定位的激光点投射至每流引锭杆9输送辊旁的反光板上。本领域的技术人员应当理解，激光投射单元2采用一组激光发生器和反光板仅仅只是本发明众多实施方式中的一种。在其他的实施例中，本发明的激光投射单元2可以采用多组激光发生器和一块反光板，可以采用一组激光发生器和多块反光板，也可以采用多组激光发生器和多块反光板。此外，本领域的技术人员应当理解，“一组”激光发生器可以包括多个激光点，也可以包括一个激光点，均属于本发明的保护范围。优选地，激光投射单元2包括4个点状激光发生器，安装在远离辊道10区的支架上，引锭杆9输送辊道10的侧导板作为反光板，4个激光点分别投射在引锭杆9输送辊道10的侧导板上。

作为本发明的一种实施方式，在图像检测单元3中，工业摄像机3.1用于同时检测各流辅助定位激光点的图像，并形成视频信号输出。工业摄像机3.1配有1个带视窗的防尘保护盒和1个三维可调式云台支架。滤光片3.2安装在摄像机镜头前，用于滤除可见杂光，减少杂色干扰，并将激光点反射的红外光线透入工业摄像机3.1。图像采集卡3.3用于对视频信号进行高速采样并完成图像数字化转换，形成可供处理的数字化图像信息。本领域的技术人员应当理解，滤光片3.2、防尘保护盒与可调式云台支架仅仅是工业摄像机3.1众多附件中的两个，而本发明的工业摄像机3.1同时可以具有其他的附件。

如图1所示，图像处理单元4分别同位置监控单元1、图像检测单元3相连接，用于实时接收图像检测单元3送来的光点图像信息，同时根据位置监控单元1中的位置跟踪模块1.2发出的位置跟踪指令，自动对设定目标识别窗口内的图像进行分析处理。图像处理单元4在引锭杆9头或引锭杆9尾经过各流投射的激光点时，自动识别出目标识别窗口内的光点图像变化，并向位置监控单元1中的位置校准模块1.3发出引锭杆9头尾到位信号。

作为本发明的一种实施方式，图像处理单元4包括工业计算机，图像处理单元4与图像检测单元3、位置监控单元1的连接方式采用以太网网络通讯方式。本领域的技术人员应当理解，采用工业计算机作为图像处理单元4仅仅只是本发明众多实施方式中的一种。在其他的实施例中，图像处理单元4可以采用在炼钢连铸生产线中已有的设备进行复用处理，也可以采用其他专用设备，均属于本发明的保护范围。

本发明还公开一种连铸引锭杆定位检测方法，针对上述本发明的连铸引锭杆定位检测系统。

参照图2，本发明的方法包括以下步骤：

步骤1：引锭杆开始上送时，位置跟踪模块发出上引锭位置跟踪指令，并对引锭杆位置进行初始化，将引锭杆的坐标值L_db置成回收位初始值L_int，且L_db＝L_int。

步骤2：引锭杆输送过程中，位置跟踪模块通过累积输送辊在每个采样周期内的旋转位移增量，来跟踪定位检测引锭杆的坐标位置；

引锭杆的坐标值L_db＝L_db′+ΔL，其中L_db′是上个采样周期的引锭杆坐标值，ΔL是当前采样周期内引锭杆由输送辊输送的位移增量；

步骤3：引锭杆上送时，激光投射单元开启，将激光点投射到各流引锭杆输送辊道旁的反光板上。

步骤4：图像检测单元将各流光点投射范围内的图像信息传送到图像处理单元。

步骤5：图像处理单元自动对各流目标识别窗口内的光点图像进行识别处理，当识别出引锭杆头或引锭杆尾到达信号时，向位置校准模块发出到位信号。

在本发明中，目标识别窗口是图像处理单元为提取各流光点图像所设定的有效处理区间，图像处理单元只对各流目标识别窗口内的图像进行计算处理。

作为本发明的一种实施方式，目标识别窗口每流设置一个。当没有引锭杆遮挡的时候，每个识别窗口内应包含有光点图像，而当有引锭杆遮挡的时候，光点的投影位置从反光板的位置跳变到引锭杆上，由于光点的投影面发生变化，其图像将跳出设定的目标识别窗口。

作为本发明的一种实施方式，图像处理单元对引锭杆头尾的识别处理包括以下步骤：

步骤5.1)实时采样提取各流目标识别窗口内各像素点的灰度值，并计算出各流目标识别窗口内图像灰度平均值R_Av。

步骤5.2)在引锭杆头到达并遮住光点后，目标识别窗口内光点图像消失，窗口内图像灰度平均值在预设时间周期ΔT内从亮目标阈值变化到暗目标阈值，图像处理单元自动向位置校准模块发出引锭杆头到位信号。

步骤5.3)在引锭杆尾离开光点后，目标识别窗口内光点图像恢复，窗口内图像灰度平均值在预设时间周期ΔT内从暗目标阈值变化到亮目标阈值，图像处理单元自动向位置校准模块发出引锭杆尾到位信号。

阈值是根据目标识别窗口内是否有光点图像时的图像灰度平均值所设定的灰度临界值，用于识别判定引锭杆头或引锭杆尾到位信号；

步骤6：位置校准模块对收到的引锭杆头尾信号经过可信度识别后，利用该信号对位置跟踪模块中的引锭杆位置检测数据进行自动校准修正。

在本发明中，自动校准是对引锭杆长距离跟踪检测数据累计误差的自动修正。

作为本发明的一种实施方式，当收到引锭杆头到位信号后，位置校准模块自动将引锭杆的位置坐标值L_db在一个采样周期内校正成第一基准点坐标值L_ref1，L_db＝L_ref1；第一基准点坐标值L_ref1可根据光点所处的坐标值L_dot来确定。

作为本发明的另一种实施方式，当收到引锭杆尾到位信号后，位置校准模块自动将引锭杆的位置坐标值L_db在一个采样周期内校正成第二基准点坐标值L_ref2，L_db＝L_ref2；第二基准点坐标值L_ref2可根据光点所处的坐标值L_dot和引锭杆自身的长度L₀来确定。

作为本发明的一种实施方式，光点坐标值可通过预先测量各流投射光点与参照物坐标的距离来确定。

作为本发明的一种实施方式，信号的可信度识别是位置校准模块对图像处理单元发出的引锭杆头尾到位信号的真伪识别。

在引锭杆处于启动上送状态时，若位置校准模块收到引锭杆头到位信号的同时，位置跟踪模块中的引锭杆坐标值L_db位于同第一基准点坐标值相邻的可信区间内，则位置校准模块认为该引锭杆头到位信号为真，将执行第一次引锭杆坐标值校准。

若位置校准模块收到引锭杆尾到位信号的同时，位置跟踪模块中引锭杆坐标值L_db位于同第二基准点坐标值相邻的可信区间内，则位置校准模块认为该引锭杆尾到位信号为真，将执行第二次引锭杆坐标值校准。

下面通过2个实施例来进一步说明上述技术方案。

实施例1

在本实施例中，将本发明的方法应用于一种四流大方坯连铸机上，连铸机铸坯断面为320*425mm。下面结合图1-6，对本发明的实施例作进一步说明。

如图1所示，本实施例的连铸引锭杆定位检测系统包括位置监控单元1，其特征是，还包括激光投射单元2，图像检测单元3，和图像处理单元4。位置监控单元1，包括位移检测模块1.1，位置跟踪模块1.2，位置校准模块1.3。位移检测模块1.1从输送辊电机变频器中读取电机转速反馈值，或是从输送辊电机编码器中读取脉冲计数值，计算出每个采样周期的输送辊旋转位移增量，传送给位置跟踪模块1.2。位置跟踪模块1.2通过对引锭杆输送辊的位移增量进行增量累积，来连续跟踪引锭杆的坐标位置。位置校准模块1.3接收来自图像处理单元4传来的引锭杆头尾到位信号，对位置跟踪模块1.2生成的引锭杆坐标位数据进行自动校准。

本实例中，位置监控单元由PLC控制器(可编程逻辑控制器)、辊道电机变频器、夹送辊电机编码器组成；PLC控制器具有现场总线和以太网网络通讯接口，可与辊道或夹送辊电机变频器，图像处理单元进行数据交换通讯。

本实例中，当引锭杆在辊道上输送时，PLC控制器的位移检测模块从辊道电机变频器中读取电机转速反馈值，计算出每个采样周期的辊道旋转位移增量，送给位置跟踪模块；当引锭杆在拉矫机组夹送辊上输送时，PLC控制器的位移检测模块从夹送辊电机编码器中采集夹送辊电机旋转的脉冲计数值，计算出每个采样周期的夹送辊旋转位移增量，传送给位置跟踪模块。

激光投射单元2包括一组激光发生器和反光板，用于将辅助定位的激光点投射至每流引锭杆输送辊道旁的反光板上。

本实例的激光投射单元采用4个点状激光发射器，安装在远离辊道区的支架上，1-4流的引锭杆输送辊道的侧导板作为反光板，4个激光点分别投射在引锭杆输送辊道的侧导板上。

图像检测单元3包括工业摄像机3.1，滤光片3.2和图像采集卡3.3；工业摄像机3.1用于同时检测各流辅助定位激光点的图像，并形成视频信号输出；摄像机配有带视窗的防尘保护盒和三维可调式云台支架；滤光片3.2安装在摄像机镜头前，用于滤除部分可见杂光，减少杂色干扰，并将激光点反射的红外光线透入摄像机；图像采集卡3.3用于对视频信号进行高速采样并完成图像数字化转换，形成可供处理的数字化图像信息。

本实例采用一台工业摄像机覆盖检测4个流的视场范围，摄像机采用了1/1.8”CMOS传感器，有效像素200万(1920x1080)。摄像机装在防尘保护盒内，固定在云台支架上；滤光片采用红外滤光片；图像采集卡分辨率768x576像素，传输接口为以太网，支持TCP/IP协议。

在本实施例中，图像处理单元4分别同位置监控单元1、图像检测单元3相连接，用于实时接收图像检测单元3送来的光点图像信息，同时根据位置监控单元1中的位置跟踪模块1.2发出的位置跟踪指令，自动对设定目标识别窗口内的图像进行分析处理。

图像处理单元4在引锭杆头或引锭杆尾经过各流投射的激光点时，自动识别出目标识别窗口内的光点图像变化，并向位置监控单元1中的位置校准模块1.4发出引锭杆头尾到位信号。

本实例的图像处理单元由工业计算机组成，包括主机和显示器，同图像检测单元和位置监控单元的连接方式采用以太网网络通讯方式。

实施例2

如图2所示，本发明的连铸引锭杆定位检测方法包括以下步骤：

步骤1：引锭杆开始上送时，位置跟踪模块发出上引锭位置跟踪指令，并对引锭杆位置进行初始化，将引锭杆的坐标值L_db置成回收位初始值L_int，且L_db＝L_int。

本实例中，引锭杆坐标位默认由引锭杆头的坐标位表示，引锭杆的坐标零位设在结晶器顶面位置，引锭杆在回收位的坐标初始值L_int设为42000mm，表示处于回收位的引锭头离结晶器顶面的距离是42000mm。

步骤2：引锭杆输送过程中，位置跟踪模块通过累积输送辊在每个采样周期内的旋转位移增量，来跟踪定位检测引锭杆的坐标位置。

引锭杆的坐标值L_db＝L_db′+ΔL，其中L_db′是上个采样周期的引锭杆坐标值，ΔL是当前采样周期内引锭杆由输送辊输送的位移增量。

作为本实施例的一种实施方式，每个采样周期引锭杆在辊道上输送的位移增量

其中，D₁为辊道的辊径，G₁为辊道减速机的速比，V_r1是从辊道电机变频器读取到的实际电机转速，T_s是采样周期。在本实例中，辊道的辊径D₁＝315mm，辊道减速机的速比G₁＝105.5，采样周期T_s＝10ms。上送引锭时，当从辊道电机变频器读取到的实际电机转速V_r1＝416r/min时，在一个采样周期内引锭杆在辊道上输送的位移增量ΔL1≈0.65mm.

作为本实施例的另一种实施方式，引锭杆位置先是由辊道输送的位移增量ΔL1来累积，ΔL＝ΔL1。当引锭杆进入到拉矫机组位置，并且夹送辊完成压下后，再切换到由夹送辊输送的位移增量ΔL2来累积，ΔL＝ΔL2，从而根据实际驱动装置的接力切换，连续跟踪定位检测引锭杆的坐标位置。

本实例中，每个采样周期引锭杆在拉矫机组夹送辊中输送的位移增量

其中R为夹送辊电机所设脉冲发生器的分辨率，G₂为拉矫机夹送辊的速比，D为夹送辊的辊径，ΔN是每个信号采样周期内收到的脉冲增量数。

本实例中，拉矫机夹送辊电机上的脉冲发生器的分辨率R＝1024，拉矫机夹送辊的速比G₂＝595，夹送辊辊径D2＝500mm，信号采样周期为10ms。若在10ms采样周期内收到的脉冲增量数ΔN＝240，则引锭杆在此采样周期内的位移增量ΔL2≈0.62mm。

本实例中，上送引锭杆的速度方向规定是负方向，因此速度均为负值，位移增量ΔL1和ΔL2也均为负值，引锭杆在上送时的坐标位数值L_db是递减的。

本实例中，当引锭杆由夹送辊输送过程中，夹送辊电机脉冲发生器出现故障，引锭杆输送位移增量ΔL可自动切换到位移增量ΔL3。ΔL3是根据从夹送辊电机变频器中读取到的电机转速反馈值，来计算出每个采样周期的夹送辊旋转位移增量，

其中D₂为夹送辊的辊径，G₂为夹送辊减速机的速比，V_r2是从夹送辊电机变频器读取到的实际电机转速，T_s是采样周期。在本实例中，夹送辊辊径D₂＝500mm，夹送辊减速机的速G₂比＝595，采样周期T_s＝10ms。上送引锭时，当从夹送辊电机变频器读取到的实际电机转速V_r2＝1432r/min时，在一个采样周期内引锭杆在辊道上输送的位移增量ΔL3≈0.63mm。

步骤3：引锭杆上送时，激光投射单元开启，将激光点投射到各流引锭杆输送辊道旁的反光板上。

本实例中，激光投射单元投射出4个红色可见激光点，分别投射在4个流靠近拉矫机组的引锭杆输送辊道侧导板上，并且可以通过调整激光发生器安装支架的角度和位置，使各流的激光投射点保持在一个统一固定的位置。

步骤4：图像检测单元将各流光点投射范围内的图像信息传送到图像处理单元；

本实例中，利用1台带红外滤光片的工业摄像机同时对1-4流的光点投射区域进行图像的连续检测，并通过图像采集卡将图像转成数字可处理信息，通过以太网接口将图像信息传送给计算机图像处理单元。

步骤5：图像处理单元自动对各流目标识别窗口内的光点图像进行识别处理，当识别出引锭杆头或引锭杆尾到达信号时，向位置校准模块发出到位信号。

在本实施例中，目标识别窗口如图3所示，是图像处理单元为提取各流光点图像所设定的有效处理区间，图像处理单元只对各流目标识别窗口内的图像进行计算处理。

在本实施例中，目标识别窗口每流设置一个。当没有引锭杆遮挡的时候，每个识别窗口内应包含有光点图像。当有引锭杆遮挡的时候，光点的投影位置从反光板的位置跳变到引锭杆上，由于光点的投影面发生变化，其图像将跳出设定的目标识别窗口。

在本实例中，在图像处理单元的显示器画面上对1-4流各设置了一个矩形目标识别窗口，目标识别窗口大小为4*4个像素点。

作为本实施例的一种实施方式，图像处理单元对引锭杆头尾的识别处理如图4所示，包括以下步骤：

步骤5.1)实时采样提取各流目标识别窗口内各像素点的灰度值，并计算出各流目标识别窗口内图像灰度平均值R_AV。

本实例中，每个像素点灰度值用图像R(红色)基色分量的强度值来表示，其值域范围为0～255；经过目标识别窗口内的R分量提取和计算，可得到各流目标识别窗口内的R分量平均值R_AV，R_AV值越高表示窗口内图像亮度越大。

步骤5.2)在引锭杆头到达并遮住光点后，目标识别窗口内光点图像消失，窗口内图像灰度平均值在预设时间周期ΔT内从亮目标阈值变化到暗目标阈值，图像处理单元自动向位置校准模块发出引锭杆头到位信号。

步骤5.3)在引锭杆尾离开光点后，目标识别窗口内光点图像恢复，窗口内图像灰度平均值在预设时间周期ΔT内从暗目标阈值变化到亮目标阈值，图像处理单元自动向位置校准模块发出引锭杆尾到位信号。

在本实施例中，阈值是根据目标识别窗口内是否有光点图像时的图像灰度平均值所设定的灰度临界值，用于识别判定引锭杆头或引锭杆尾到位信号。

在本实例中，暗目标阈值是3，亮目标阈值是8，预设时间周期ΔT设为500毫秒。当目标识别窗口内的图像灰度平均值R_AV在500毫秒内从8以上变化到3以下时，则自动发出引锭杆头到位信号。当目标识别窗口内的图像灰度平均值R_AV在500毫秒内从3以下变化到8以上时，则自动发出引锭杆尾到位识别信号。

步骤6：位置校准模块对收到的引锭杆头尾信号经过可信度识别后，利用该信号对位置跟踪模块中的引锭杆位置检测数据进行自动校准修正。

在本实施例中，自动校准是对引锭杆长距离跟踪检测数据累计误差的自动修正。

作为本实施例的一种实施方式，当收到引锭杆头到位信号后，位置校准模块自动将引锭杆的位置坐标值L_db在一个采样周期内校正成第一基准点坐标值L_ref1，L_db＝L_ref1；第一基准点坐标值L_ref1可根据光点所处的坐标值L_dot来确定。

作为本实施例的另一种实施方式，当收到引锭杆尾到位信号后，位置校准模块自动将引锭杆的位置坐标值L_db在一个采样周期内校正成第二基准点坐标值L_ref2，L_db＝L_ref2；第二基准点坐标值L_ref2可根据光点所处的坐标值L_dot和引锭杆自身的长度L₀来确定。

在本实施例中，光点坐标值可通过预先测量各流投射光点与参照物坐标的距离来确定。

在本实例中，通过预先测量光点与最近一台拉矫机坐标位的距离，来确定各流投射光点的坐标值，光点预设定的坐标值L_dot＝30000mm；第一基准点坐标值L_ref1＝L_dot＝30000mm，第二基准点坐标值L_ref2＝L_dot-L_dot＝第一基准点坐标值-引锭杆长度＝30000-22800＝7200mm。

在本实施例中，信号的可信度识别是位置校准模块对图像处理单元发出的引锭杆头尾到位信号的真伪识别。

在引锭杆处于启动上送状态时，若位置校准模块收到引锭杆头到位信号的同时，位置跟踪模块中的引锭杆坐标值L_db位于同第一基准点坐标值相邻的可信区间内，则位置校准模块认为该引锭杆头到位信号为真，将执行第一次引锭杆坐标值校准。

若位置校准模块收到引锭杆尾到位信号的同时，位置跟踪模块中引锭杆坐标值L_db位于同第二基准点坐标值相邻的可信区间内，则位置校准模块认为该引锭杆尾到位信号为真，将执行第二次引锭杆坐标值校准。

本实例参考常规定位检测方式所可能发生的最大累积误差范围，将可信区间设为±2000mm，本实例的第一基准点坐标值为30000mm，第二基准点坐标值为7200mm；则允许第一次校准时的引锭杆坐标值可信区间为28000～32000mm，允许第二次校准时的引锭杆坐标值可信区间为5200～9200mm。

作为本实施例的一种实施方式，如图5所示，当第2流的引锭杆头到达光点投射位时，光点投影面发生变化，光点图像跳出目标识别窗口，图像处理单元自动发出引锭杆头到位信号，此时位置跟踪模块中的引锭杆坐标值为28992mm，位置校准模块随即送出校准信号，将引锭杆坐标值自动校正到第一基准点坐标值30000mm，从而对引锭杆在辊道上输送产生的-1008mm的检测累计误差进行了修正，提高了引锭杆进入拉矫机前的定位检测精度。

作为本实施例的另一种实施方式，如图6所示，当第2流的引锭杆继续上行，引锭杆尾离开光点投射位时，光点恢复投影到原来的位置，光点图像进入目标识别窗口，图像处理单元自动发出引锭杆尾到位信号，此时位置跟踪模块中的引锭杆坐标值为6603mm，位置校准模块随即送出校准信号，将引锭杆坐标值自动校正到第二基准点坐标值7200mm，从而对引锭杆在拉矫机夹送辊内输送产生的-597mm的检测累计误差实现了修正。在经过2次修正校准后，引锭杆在经过40多米的自动输送后，在结晶器下口的自动停止位与预定目标位的误差可稳定控制在±50mm以内，从而提高了引锭杆插入结晶器下口的定位精度。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (19)

1.一种连铸引锭杆定位检测系统，其特征在于，包括：

位置监控单元、激光投射单元、图像检测单元、图像处理单元；

所述位置监控单元计算每个采样周期的输送辊旋转位移增量，对所述位移增量进行增量累积来连续跟踪引锭杆的坐标位置并校准；

所述激光投射单元将辅助定位的激光投射到引锭杆，并反射到图像检测单元；

所述图像检测单元检测所述激光形成的图像，对所述图像进行处理并形成数字化图像信息；

所述图像处理单元接收图像检测单元的数字化图像信息，根据位置监控单元的坐标位置对所述数字化图像信息进行分析处理，并向位置监控单元发送引锭杆头尾到位信号。

2.如权利要求1所述的连铸引锭杆定位检测系统，其特征在于，所述位置监控单元包括位移检测模块、位置跟踪模块和位置校准模块；

所述位移检测模块计算每个采样周期的输送辊旋转位移增量，传送给位置跟踪模块；

所述位置跟踪模块通过对引锭杆输送辊的位移增量进行增量累积，以此连续跟踪引锭杆的坐标位置；

所述位置校准模块接收来自图像处理单元传来的引锭杆头尾到位信号，对位置跟踪模块生成的引锭杆坐标位数据进行校准。

3.如权利要求1所述的连铸引锭杆定位检测系统，其特征在于，所述激光投射单元包括至少一组激光发生器和反光板，用于将辅助定位的激光点投射至每流引锭杆输送辊道旁的反光板上。

4.如权利要求1所述的连铸引锭杆定位检测系统，其特征在于，所述图像检测单元包括工业摄像机、滤光片和图像采集卡；

工业摄像机检测各流辅助定位激光点的图像，并形成视频信号输出；

滤光片安装在工业摄像机镜头前，用于将激光点反射的红外光线透入工业摄像机；

图像采集卡对所述视频信号进行高速采样并完成图像数字化转换，形成可供处理的数字化图像信息。

5.如权利要求1所述的连铸引锭杆定位检测系统，其特征在于，所述图像处理单元包括工业计算机，图像处理单元与图像检测单元、位置监控单元的连接方式采用以太网网络通讯方式。

6.如权利要求2所述的连铸引锭杆定位检测系统，其特征在于，所述位移检测模块为PLC控制器，当引锭杆在辊道上输送时，位移检测模块从辊道电机变频器中读取电机转速反馈值，计算出每个采样周期的辊道旋转位移增量，送给位置跟踪模块。

7.如权利要求2所述的连铸引锭杆定位检测系统，其特征在于，所述位移检测模块为PLC控制器，当引锭杆在拉矫机组夹送辊上输送时，位移检测模块从夹送辊电机编码器中采集夹送辊电机旋转的脉冲计数值，计算出每个采样周期的夹送辊旋转位移增量，传送给位置跟踪模块。

8.如权利要求3所述的连铸引锭杆定位检测系统，其特征在于，所述激光投射单元包括4个点状激光发生器，安装在远离辊道区的支架上，引锭杆输送辊道的侧导板作为反光板，4个激光点分别投射在引锭杆输送辊道的侧导板上。

9.一种连铸引锭杆定位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，引锭杆开始上送时，位置跟踪模块发出上引锭位置跟踪指令，并对引锭杆位置进行初始化；

步骤2，引锭杆输送过程中，位置跟踪模块通过累积输送辊在每个采样周期内的旋转位移增量来跟踪定位检测引锭杆的坐标位置；

步骤3，引锭杆上送时，激光投射单元开启，将激光点投射到各流引锭杆输送辊道旁的反光板上；

步骤4，图像检测单元将各流光点投射范围内的图像信息传送到图像处理单元；

步骤5，图像处理单元自动对各流目标识别窗口内的光点图像进行识别处理，当识别出引锭杆头或引锭杆尾到达信号时，向位置校准模块发出到位信号；

步骤6，位置校准模块对收到的引锭杆头尾信号经过可信度识别后，利用所述头尾信号对位置跟踪模块中的引锭杆位置检测数据进行自动校准修正。

10.如权利要求9所述的连铸引锭杆定位检测方法，其特征在于，步骤1中，引锭杆的坐标值L_db置成回收位初始值L_int，且L_db＝L_int。

11.如权利要求10所述的连铸引锭杆定位检测方法，其特征在于，步骤2中，L_db＝L_db′+ΔL，其中L_db′是上个采样周期的引锭杆坐标值，ΔL是当前采样周期内引锭杆由输送辊输送的位移增量；

引锭杆位置先是由辊道输送的位移增量ΔL1来累积，ΔL＝ΔL1，当引锭杆进入到拉矫机组位置，并且夹送辊完成压下后，再切换到由夹送辊输送的位移增量ΔL2来累积，ΔL＝ΔL2，从而根据实际驱动装置的接力切换，连续跟踪定位检测引锭杆的坐标位置。

12.如权利要求11所述的连铸引锭杆定位检测方法，其特征在于，步骤2中，每个采样周期引锭杆在辊道上输送的位移增量

其中D₁为辊道的辊径，G₁为辊道减速机的速比，V_r1是从辊道电机变频器读取到的实际电机转速，T_s是采样周期。

13.如权利要求11所述的连铸引锭杆定位检测方法，其特征在于，步骤2中，每个采样周期引锭杆在拉矫机组夹送辊中输送的位移增量

其中R为夹送辊电机所设脉冲发生器的分辨率，G₂为拉矫机夹送辊的速比，D₂为夹送辊的辊径，ΔN是每个信号采样周期内收到的脉冲增量数。

14.如权利要求11所述的连铸引锭杆定位检测方法，其特征在于，步骤3中，激光投射单元投射出4个红色可见激光点，分别投射在4个流靠近拉矫机组的引锭杆输送辊道侧导板上，并且通过调整激光发生器安装支架的角度和位置，使各流的激光投射点保持在一个统一固定的位置。

15.如权利要求14所述的连铸引锭杆定位检测方法，其特征在于，步骤4中，利用一台带红外滤光片的工业摄像机同时对1-4流的光点投射区域进行图像的连续检测，并通过图像采集卡将图像转成数字可处理信息，通过以太网接口将图像信息传送给计算机图像处理单元。

16.如权利要求15所述的连铸引锭杆定位检测方法，其特征在于，步骤5中，所述目标识别窗口是图像处理单元为提取各流光点图像所设定的有效处理区间，图像处理单元只对各流目标识别窗口内的图像进行计算处理；

所述目标识别窗口每流设置一个，当没有引锭杆遮挡的时候，每个识别窗口内应包含有光点图像；当有引锭杆遮挡的时候，光点的投影位置从反光板的位置跳变到引锭杆上，由于光点的投影面发生变化，其图像将跳出设定的目标识别窗口。

17.如权利要求15所述的连铸引锭杆定位检测方法，其特征在于，步骤5中，图像处理单元对引锭杆头尾的识别处理包括以下步骤：

实时采样提取各流目标识别窗口内各像素点的灰度值，并计算出各流目标识别窗口内图像灰度平均值；

在引锭杆头到达并遮住光点后，目标识别窗口内光点图像消失，窗口内图像灰度平均值在预设时间周期内从亮目标阈值变化到暗目标阈值，图像处理单元自动向位置校准模块发出引锭杆头到位信号；

引锭杆尾离开光点后，目标识别窗口内光点图像恢复，窗口内图像灰度平均值在预设时间周期内从暗目标阈值变化到亮目标阈值，图像处理单元自动向位置校准模块发出引锭杆尾到位信号。

18.如权利要求16所述的连铸引锭杆定位检测方法，其特征在于，步骤6中：

当收到引锭杆头到位信号后，位置校准模块自动将引锭杆的位置坐标值L_db在一个采样周期内校正成第一基准点坐标值L_ref1，L_db＝L_ref1；第一基准点坐标值L_ref1可根据光点所处的坐标值L_dot来确定；

当收到引锭杆尾到位信号后，位置校准模块自动将引锭杆的位置坐标值L_db在一个采样周期内校正成第二基准点坐标值L_ref2，L_db＝L_ref2；第二基准点坐标值L_ref2可根据光点所处的坐标值L_dot和引锭杆自身的长度L₀来确定。

19.如权利要求18所述的连铸引锭杆定位检测方法，其特征在于，步骤6中：

在引锭杆处于启动上送状态时，若位置校准模块收到引锭杆头到位信号的同时，位置跟踪模块中的引锭杆坐标值L_db位于同第一基准点坐标值相邻的可信区间内，则位置校准模块认为该引锭杆头到位信号为真，将执行第一次引锭杆坐标值校准；

若位置校准模块收到引锭杆尾到位信号的同时，位置跟踪模块中引锭杆坐标值L_db位于同第二基准点坐标值相邻的可信区间内，则位置校准模块认为该引锭杆尾到位信号为真，将执行第二次引锭杆坐标值校准。

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