CN112033493A - 一种连铸熔池液位检测系统及连铸熔池液位控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种连铸熔池液位检测系统及连铸熔池液位控制方法，该系统包括：CCD针孔相机，CCD针孔相机包括一对，CCD针孔相机安装于连铸熔池上方底座位置；相机控制器，相机控制器通过电缆与CCD针孔相机连接；相机冷却外壳，CCD针孔相机设置于相机冷却外壳中，冷却外壳外端包括水冷接口和气冷接口，相机冷却外壳还包括水道夹层，水道夹层与水冷接口连通，通过水冷接口向水道中注入冷却水以使冷却水在水道中循环；气管，气管与气冷接口连接，连接CCD针孔相机与相机控制器的电缆穿过气管；工控机，工控机与相机控制器通过以太网连接，工控机用于通过相机控制器获取CCD针孔相机采集的图像信息，以及基于图像信息分析连铸熔池的液位信息。

Description

一种连铸熔池液位检测系统及连铸熔池液位控制方法

技术领域

本申请涉及冶金连铸技术领域，尤其是涉及到一种连铸熔池液位检测系统及连铸熔池液位控制方法。

背景技术

双辊薄带连铸技术是一种先进的短流程冶金技术，是当前钢铁材料研究的一门前沿性技术，与传统冶炼技术相比，具有流程短、节能减排、可大幅度降低生产成本、缩短生产周期等显著优点。并由于薄带连铸具有冷却凝固速度快，对于难以成型及特殊性能的材料也可实现连续生产，具有显著优势和竞争力。目前薄带连铸的一项关键技术就是钢水液位波动的控制，液位波动关系着成带质量，夹杂、裂纹等多方面问题，严重时会导致断带、带钢撕裂、漏钢、铸辊卡停、溢钢等事故的发生。因此，熔池液位的检测是生产出高质量带钢的一项关键技术，实时精确的检测出熔池液位高度值，对于后续的控制具有重要意义。

薄带连铸过程中各项工艺参数要求精确，为保证良好的铸带质量，对生产各项指标提出更高的要求，意味着对液位检测需要更高的精度。在浇铸过程中，在高温、高亮、强干扰的恶劣环境下，熔池液位检测系统自动实时的获取熔池内钢水图像，对图像进行分析处理，检测出实际的熔池液位宽度值，再根据熔池液位宽度值转换为液位高度。在连铸上，现有技术中的熔池液位检测方法有放射法、激光或超声波、电涡流检测等。放射法具有放射性，对操作人员具有一定危害，同时不利于环保；激光或超声波检测容易受钢水飞溅以及烟、粉尘等多方面因素影响，对检测造成干扰；电涡流检测时，受检测环境影响，并且受周围金属导体分布环境的影响，对检测稳定性有一定影响。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种连铸熔池液位检测系统及连铸熔池液位控制方法，保证能够实现在线精确检测出熔池液位高度值，保证生产的连续可靠性。

根据本申请的一个方面，提供了连铸熔池液位检测系统，所述系统包括：

一种CCD针孔相机，所述CCD针孔相机包括一对，所述CCD针孔相机安装于连铸熔池上方底座位置；

相机控制器，所述相机控制器通过电缆与所述CCD针孔相机连接，所述相机控制器用于控制所述CCD针孔相机采集连铸熔池内钢液与铸辊交界区域图像信息；

相机冷却外壳，所述CCD针孔相机设置于所述相机冷却外壳中，所述冷却外壳外端包括水冷接口和气冷接口，所述相机冷却外壳还包括水道夹层，水道夹层与所述水冷接口连通，通过所述水冷接口向所述水道中注入冷却水以使冷却水在所述水道中循环实现降温；

气管，所述气管与所述气冷接口连接，连接所述CCD针孔相机与所述相机控制器的电缆穿过所述气管，所述气冷接口用于在所述CCD针孔相机前端排出冷却气体；

工控机，所述工控机与所述相机控制器通过以太网连接，所述工控机用于通过所述相机控制器获取所述CCD针孔相机采集的图像信息，以及基于所述图像信息分析连铸熔池的液位信息。

具体地，所述系统还包括：

PLC控制器，所述PLC控制器与所述工控机连接，所述PLC控制器用于接收所述工控机中的液位信息并基于所述液位信息控制连铸熔池对应的铸辊的工作参数，以使连铸熔池的液位高度与预设高度值匹配。

具体地，所述系统还包括：

过滤器，所述过滤器设置于冷却气体的进气前端。

根据本申请的另一方面，提供了一种连铸熔池液位控制方法，其特征在于，所述方法用于上述的连铸熔池液位检测系统中，所述方法包括：

相机控制器控制CCD针孔相机采集连铸熔池内钢液与铸辊交界区域图像信息，并将所述图像信息通过以太网传输至工控机中；

工控机基于所述图像信息，确定连铸熔池的液位高度；

PLC控制器基于所述液位高度，控制连铸熔池中铸辊的工作参数。

具体地，所述工控机基于所述图像信息，确定连铸熔池的液位高度，具体包括：

所述工控机根据预设三维坐标转换模型对所述图像信息进行坐标转换后，确定所述图像信息对应的图像液位宽度；

基于所述图像液位宽度以及所述铸辊的属性数据，计算连铸熔池的所述液位高度。

具体地，所述预设三维坐标转换模型的建立步骤包括：

在连铸熔池冷却状态下，将预定的标定板水平放置于铸辊的对应位置处，并通过所述CCD针孔相机获取包含所述标定板的成对的标定图像；

基于所述标定图像进行双目标定、双目校正、立体匹配和三维重建，生成三维点坐标，提取三维信息，根据得到的相机参数，得到用于转换世界坐标系与图像坐标系的所述预设三维坐标转换模型。

具体地，所述计算连铸熔池的所述液位高度，具体包括：

基于所述图像液位宽度计算连铸熔池的实际液位宽度；

根据所述实际液位宽度以及所述铸辊的属性数据，计算所述液位高度，其中，所述液位高度

其中，R为铸辊的半径，W为所述液位宽度，G为铸辊之间的距离。

具体地，所述确定连铸熔池的液位高度之前，所述方法还包括：

对所述图像信息进行滤波处理；

将滤波后的图像信息进行二值化处理，转换为二值图像；

对所述二值图像进行边缘检测，提取出连铸熔池液位边缘图像。

具体地，所述铸辊的工作参数包括所述铸辊的辊速。

借由上述技术方案，本申请提供的一种连铸熔池液位控制方法及装置、存储介质、计算机设备，a、将CCD针孔相机封装在相机冷却外壳中，在冷却外壳的水道夹层中进行冷却水循环，降低相机及周围温度，使得相机能够在使用条件下运行，连接针孔相机和相机控制器的电缆设置在气管中，气管中有冷却气体吹入，有助于降低电缆温度，保证电缆正常工作，b、通过相机冷却外壳的气冷接口在冷却外壳前端排出气体，起到吹扫即冷却电缆的作用，既能够带走部分热量保证相机和电缆在较低温度的环境中工作，也能够在相机镜头前端形成一个高压环境，减少现场钢液飞溅、灰尘沾到镜片上，减少设备维护，保证能够获得高清的图像，避免图像采集过程中高亮、雾气、水汽、灰尘等的干扰，c、采用相机与控制器分离的形式，在连铸熔池上方只设置相机，并且相机采用针孔相机，体积占用小，d、选用CCD高清针孔相机，图像采集质量高，且通过设置一对双目相机的方式进一步提高了图像采集精度和液位检测精度，有力的保障了铸带质量，以及有助于铸辊速度调节精度的提升。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了本申请实施例提供的一种连铸熔池液位检测方法的流程示意图；

图2示出了本申请实施例提供的一种连铸熔池液位控制系统的流程示意图；

图3示出了本申请实施例提供的一种坐标转换模型建立过程的流程示意图；

图4示出了本申请实施例提供的一种图像处理过程中熔池液位宽度与液位高度转换数学模型原理图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实施例中提供了一种连铸熔池液位检测系统，该系统包括：CCD针孔相机，CCD针孔相机包括一对，CCD针孔相机安装于连铸熔池上方底座位置；相机控制器，相机控制器通过电缆与CCD针孔相机连接，相机控制器用于控制CCD针孔相机采集连铸熔池内钢液与铸辊交界区域图像信息；相机冷却外壳，CCD针孔相机设置于相机冷却外壳中，冷却外壳外端包括水冷接口和气冷接口，相机冷却外壳还包括水道夹层，水道夹层与水冷接口连通，通过水冷接口向水道中注入冷却水以使冷却水在水道中循环实现降温；气管，气管与气冷接口连接，连接CCD针孔相机与相机控制器的电缆穿过气管，气冷接口用于在CCD针孔相机前端排出气体；工控机，工控机与相机控制器通过以太网连接，工控机用于通过相机控制器获取CCD针孔相机采集的图像信息，以及基于图像信息分析连铸熔池的液位信息。

在上述实施例中，连铸熔池液位检测系统包括一对CCD针孔相机、相机控制器、工控机、相机冷却外壳、气管。本申请实施例中在连铸熔池上方底座上安装两个高清CCD针孔相机，本申请实施例采用相机与相机控制器分离的形式，并且选择针孔相机作为图像采集装置，解决了熔池上方空间受限无法安装的问题。另外，为了保证相机稳定工作，两个CCD针孔相机封装在设计的冷却外壳中，冷却外壳外端含有水冷接口和气冷接口，外壳通过夹层形式设计有水道，工作状态下通过冷却水循环带走部分热量，降低针孔相机的温度，使得针孔相机能够在使用环境中运行。相机与控制器连接的电缆穿过气管，该气管连接到相机冷却外壳内部，在冷却外壳前端排出气体，起到吹扫及冷却电缆的作用，既能够带走部分热量，保证相机及电缆在较低温度的环境中运行，也能够在镜头前端形成一个高压环境，减少现场钢液飞溅、灰尘沾到镜片上，减少设备维护，保证能够获得高清的图像，为熔池液位检测提供基础。

在本申请实施例中，具体地，该系统还包括：过滤器，过滤器设置于冷却气体的进气前端。

在上述实施例中，冷却气体前端加有过滤器，避免水汽、灰尘等进入到气管内，保持相机内部干燥，系统能够安全稳定长期运行，减少维护工作。

在本申请实施例中，具体地，该系统还包括：PLC控制器，PLC控制器与工控机连接，PLC控制器用于接收工控机中的液位信息并基于液位信息控制连铸熔池对应的铸辊的工作参数，以使连铸熔池的液位高度与预设高度值匹配。

在上述实施例中，工控机通过交换机与PLC控制器连接，通过以太网将计算结果实时传输到PLC，PLC根据熔池目标液位高度值与实际液位高度值偏差调整铸辊辊速，通过调整铸辊辊速调整熔池液位高度值，从而形成闭环控制，保证液面高度值稳定，为提供好的铸带提供基础。本申请将高清CCD针孔相机与控制器连接起来，同时通过控制器与工控机进行以太网连接，通过交换机将工控机与PLC进行连接，搭建好网路拓扑结构，为获取图像及数据传输提供基础。

本申请实施例提供的连铸熔池液位检测系统，可解决现有技术中连铸熔池液位检测方法中存在的以下问题：

a、在薄带铸轧生产过程中，周围环境温度较高，特别是熔池上方温度比较高，温度在1500～1600℃左右，同时由于热辐射的存在，给仪表安装、电缆敷设等带来巨大挑战。

b、生产过程中环境条件比较恶劣，高亮、雾、水汽、灰尘等对检测的干扰。

c、设备及安装环境的限制，对设备体积、空间有较高要求。

d、铸带质量、铸辊速度等变量对检测精度有较高的要求。

通过应用本实施例的技术方案，可以用以实现熔池液位的精确控制，提高铸带质量。解决了上述检测方法的技术难点，a、将CCD针孔相机封装在相机冷却外壳中，在冷却外壳的水道夹层中进行冷却水循环，降低相机及周围温度，使得相机能够在使用条件下运行，连接针孔相机和相机控制器的电缆设置在气管中，气管中有冷却气体吹入，有助于降低电缆温度，保证电缆正常工作，b、通过相机冷却外壳的气冷接口在冷却外壳前端排出气体，起到吹扫即冷却电缆的作用，既能够带走部分热量保证相机和电缆在较低温度的环境中工作，也能够在相机镜头前端形成一个高压环境，减少现场钢液飞溅、灰尘沾到镜片上，减少设备维护，保证能够获得高清的图像，避免图像采集过程中高亮、雾气、水汽、灰尘等的干扰，c、采用相机与控制器分离的形式，在连铸熔池上方只设置相机，并且相机采用针孔相机，体积占用小，d、选用CCD高清针孔相机，图像采集质量高，且通过设置一对双目相机的方式进一步提高了图像采集精度和液位检测精度，有力的保障了铸带质量，以及有助于铸辊速度调节精度的提升。

综上，本申请实施例解决了现有检测仪表安装上存在的技术问题，满足所使用的环境，使得设备能够长期稳定运行，解决了熔池液位检测高温、环境恶劣的条件下熔池液位检测的工作。双目摄像机机构提高了检测精度，为后续熔池液位精确控制奠定基础。

进一步的，本申请实施例还提供了一种连铸熔池液位控制方法，如图1所示，该方法包括：

步骤101，相机控制器控制CCD针孔相机采集连铸熔池内钢液与铸辊交界区域图像信息，并将图像信息通过以太网传输至工控机中；

步骤102，工控机基于图像信息，确定连铸熔池的液位高度；

步骤103，PLC控制器基于液位高度，控制连铸熔池中铸辊的工作参数。

在上述实施例中，利用预先安装在连铸熔池的CCD针孔相机采集连铸熔池的钢液与铸辊交界区域的图像信息，从而工控机对该图像信息进行处理后，根据图像计算连铸熔池的液位高度，得到液位高度以后还可以将液位高度数据传输给PLC控制器中，从而PLC控制器根据熔池目标液位高度值与实际液位高度值偏差调整铸辊辊速，通过调整铸辊辊速调整熔池液位高度值，从而形成闭环控制，如图2所示，保证液面高度值稳定，为提高铸带质量提供可靠保障。

本申请实施例的步骤102具体可以包括：

步骤102-1，工控机根据预设三维坐标转换模型对图像信息进行坐标转换后，确定图像信息对应的图像液位宽度；

步骤102-2，基于图像液位宽度以及铸辊的属性数据，计算连铸熔池的液位高度。

其中，上述预设三维坐标转换模型的建立步骤包括：

步骤A、在连铸熔池冷却状态下，将预定的标定板水平放置于铸辊的对应位置处，并通过CCD针孔相机获取包含标定板的成对的标定图像；

步骤B、基于标定图像进行双目标定、双目校正、立体匹配和三维重建，生成三维点坐标，提取三维信息，根据得到的相机参数，得到用于转换世界坐标系与图像坐标系的预设三维坐标转换模型。

在上述步骤A和B中，可采用现有技术中的方法基于CCD针孔双目相机采集到的图像信息确定坐标转换模型，具体来说，通过双目相机分别采集左右目图像，可有不同位置关系(一直线上、一平面上、立体分布)。如图3所示，双目标定：双目标定是通过进行获取和处理10个以上立体对的已知模型(通常为棋盘)，获取相机的内外参数，确定空间坐标系中物体点通它在图像平面上像素点之间的对应关系。内部参数包括：两个摄像头的固有参数(焦距、图像中心、镜头畸变参数等)。外在参数：相机坐标系与世界坐标系的转换，旋转矩阵R和平移向量t。双目矫正：图像矫正的目的在于消除畸变，将两个不同方向的图像平面重新投影到同一个平面且光轴互相平行的理想模型，将非标准模型下图像转换为标准模型，这样一幅图像上任意一点与其在另一幅图像上的匹配点就必然具有相同的行号，只需要在该行进行一维搜索就可匹配到对应点。立体匹配：对矫正后的两张图像进行像素匹配，获得视差图，求左右目相机的视差。三维重建：根据立体匹配得到的视差图通过几何关系计算每个图像的深度，获得深度图，并利用相机内参、基线、焦距(标定)生成三维坐标，还原出三维场景，得到用于转换世界坐标系与图像坐标系的预设三维坐标转换模型。

在本申请实施例中，具体地，步骤102-2具体可以包括：

步骤102-2-1，基于图像液位宽度计算连铸熔池的实际液位宽度；

步骤102-2-2，根据实际液位宽度以及铸辊的属性数据，计算液位高度。

在上述实施例中，在连铸熔池的实际使用过程中，通过CCD相机采集图像信息后，对图像进行预处理之后，通过对预处理后的图像信息进行分析可以得出该图像中的液位宽度数据，利用上述的预设模型将图像的液位宽度数据转换为液位的实际宽度数据，从而根据实际的液位宽度结合铸辊的设置可以计算出液位高度。

如图2所示，R为铸辊的半径，W为熔池中钢水的实际宽度，G为铸辊之间的辊缝宽度，基于勾股定理可知，

即液位高度

另外，在基于图像进行液位高度计算之前，还可以预先对图像信息进程预处理，具体包括：对图像信息进行滤波处理；将滤波后的图像信息进行二值化处理，转换为二值图像；对二值图像进行边缘检测，提取出连铸熔池液位边缘图像。

通过应用本实施例的技术方案，解决了现有检测仪表安装上存在的技术问题，满足所使用的环境，使得设备能够长期稳定运行，解决了熔池液位检测高温、环境恶劣的条件下熔池液位检测的工作。双目摄像机机构提高了检测精度，为后续熔池液位精确控制奠定基础。

基于上述如图1和图2所示方法，相应的，本申请实施例还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述如图1和图2所示的连铸熔池液位控制方法。

基于这样的理解，本申请的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施场景所述的方法。

基于上述如图1、图2所示的方法实施例，为了实现上述目的，本申请实施例还提供了一种计算机设备，具体可以为个人计算机、服务器、网络设备等，该计算机设备包括存储介质和处理器；存储介质，用于存储计算机程序；处理器，用于执行计算机程序以实现上述如图1和图2所示的连铸熔池液位控制方法。

可选地，该计算机设备还可以包括用户接口、网络接口、摄像头、射频(RadioFrequency，RF)电路，传感器、音频电路、WI-FI模块等等。用户接口可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)等，可选用户接口还可以包括USB接口、读卡器接口等。网络接口可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如蓝牙接口、WI-FI接口)等。

本领域技术人员可以理解，本实施例提供的一种计算机设备结构并不构成对该计算机设备的限定，可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。

存储介质中还可以包括操作系统、网络通信模块。操作系统是管理和保存计算机设备硬件和软件资源的程序，支持信息处理程序以及其它软件和/或程序的运行。网络通信模块用于实现存储介质内部各组件之间的通信，以及与该实体设备中其它硬件和软件之间通信。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的。本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本申请序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。以上公开的仅为本申请的几个具体实施场景，但是，本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种连铸熔池液位检测系统，其特征在于，所述系统包括：

CCD针孔相机，所述CCD针孔相机包括一对，所述CCD针孔相机安装于连铸熔池上方底座位置；

相机控制器，所述相机控制器通过电缆与所述CCD针孔相机连接，所述相机控制器用于控制所述CCD针孔相机采集连铸熔池内钢液与铸辊交界区域图像信息；

相机冷却外壳，所述CCD针孔相机设置于所述相机冷却外壳中，所述冷却外壳外端包括水冷接口和气冷接口，所述相机冷却外壳还包括水道夹层，水道夹层与所述水冷接口连通，通过所述水冷接口向所述水道中注入冷却水以使冷却水在所述水道中循环实现降温；

气管，所述气管与所述气冷接口连接，连接所述CCD针孔相机与所述相机控制器的电缆穿过所述气管，所述气冷接口用于在所述CCD针孔相机前端排出冷却气体；

工控机，所述工控机与所述相机控制器通过以太网连接，所述工控机用于通过所述相机控制器获取所述CCD针孔相机采集的图像信息，以及基于所述图像信息分析连铸熔池的液位信息。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

PLC控制器，所述PLC控制器与所述工控机连接，所述PLC控制器用于接收所述工控机中的液位信息并基于所述液位信息控制连铸熔池对应的铸辊的工作参数，以使连铸熔池的液位高度与预设高度值匹配。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

过滤器，所述过滤器设置于冷却气体的进气前端。

4.一种连铸熔池液位控制方法，其特征在于，所述方法用于如权利要求1至3中任一项所述的连铸熔池液位检测系统中，所述方法包括：

相机控制器控制CCD针孔相机采集连铸熔池内钢液与铸辊交界区域图像信息，并将所述图像信息通过以太网传输至工控机中；

工控机基于所述图像信息，确定连铸熔池的液位高度；

PLC控制器基于所述液位高度，控制连铸熔池中铸辊的工作参数。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述工控机基于所述图像信息，确定连铸熔池的液位高度，具体包括：

所述工控机根据预设三维坐标转换模型对所述图像信息进行坐标转换后，确定所述图像信息对应的图像液位宽度；

基于所述图像液位宽度以及所述铸辊的属性数据，计算连铸熔池的所述液位高度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预设三维坐标转换模型的建立步骤包括：

在连铸熔池冷却状态下，将预定的标定板水平放置于铸辊的对应位置处，并通过所述CCD针孔相机获取包含所述标定板的成对的标定图像；

基于所述标定图像进行双目标定、双目校正、立体匹配和三维重建，生成三维点坐标，提取三维信息，根据得到的相机参数，得到用于转换世界坐标系与图像坐标系的所述预设三维坐标转换模型。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述计算连铸熔池的所述液位高度，具体包括：

基于所述图像液位宽度计算连铸熔池的实际液位宽度；

根据所述实际液位宽度以及所述铸辊的属性数据，计算所述液位高度，其中，所述液位高度

其中，R为铸辊的半径，W为所述液位宽度，G为铸辊之间的距离。

8.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述确定连铸熔池的液位高度之前，所述方法还包括：

对所述图像信息进行滤波处理；

将滤波后的图像信息进行二值化处理，转换为二值图像；

对所述二值图像进行边缘检测，提取出连铸熔池液位边缘图像。

9.根据权利要求4至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述铸辊的工作参数包括所述铸辊的辊速。

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