CN113263149A - 一种双辊薄带振动铸轧检测及控制熔池液位的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双辊薄带振动铸轧检测及控制熔池液位的装置及方法，装置包括设置在铸轧辊组两端的侧封板，所述铸轧辊组的辊缝形成熔池，熔池的上方设有CCD相机；所述CCD相机与图像采集卡连接，且所述图像采集卡与主控计算机连接，所述主控计算机与PLC系统连接，所述PLC系统连接执行元件，所述执行元件包括调整中间包流量的位移电机和驱动所述振动轧辊和非振轧辊转动的轧辊驱动电机；所述PLC系统根据所述调整参数调整所述所述轧辊驱动电机和位移电机稳定所述熔池的液位。本发明避免在高温恶劣工况下，传感设备损坏或失效，更加安全，且可以根据实际检测的熔池液位，选择合适的控制策略，来应对熔池过高或过低等极端工况。

Description

一种双辊薄带振动铸轧检测及控制熔池液位的装置及方法

技术领域

本发明涉及铸轧技术领域，具体而言是一种双辊薄带振动铸轧检测及控制熔池液位的装置及方法，尤其涉及一种基于机器视觉的双辊薄带振动铸轧熔池液位检测装置及控制方法。

背景技术

双辊薄带铸轧是当今世界上流程最短的一种热轧带钢生产技术，极大地缩短了产品制造和交货周期，是一种绿色化的生产流程，具有省资源、低能耗、低排放、环境友好、投资少及操作成本低的天然优势，因而受到世界钢铁界的广泛关注。

在薄带铸轧工业化的关键技术研究中，熔池液位的检测与控制是一项重要的研究内容，熔池液位不仅是影响金属板带的重要因素，而且是影响生产安全的重要因素，薄带铸轧过程中熔池液位发生变化会导致金属液和铸轧辊接触时间的变化，进而影响钢水的凝固，使铸带表面产生褶皱、裂纹缺陷。液位波动过大时甚至会造成铸轧过程产生轧卡和漏钢事故，从而造成昂贵的铸轧辊或者其他设备损坏，因此需要对其进行实时监测并控制。目前，传统板坯连铸机钢水液位检测中常采用涡流传感器以及X射线传感器，但由于薄带铸轧的检测环境和安装空间的限制无法采用这些设备；有人提出将CCD相机安装在熔池正上方，通过测量CCD检测系统计算出熔池液位宽度后，计算出熔池液位高度，但此方法CCD相机的安装位置离高温熔池太近，容易造成设备损坏，且由于铸轧辊的振动，熔池液位宽度不能精确反应熔池液位高度；对现有的熔池液位控制方法进行研究，发现大部分都是在于控制中间包出口量大小，来控制液位高度，然而此方法在熔池液位过高及过低时并不适用，当熔池液位过高时，辊速恒定，熔池内金属液滞留时间长，使得金属液凝固量增加，造成卡钢事故，当熔池液位过低时，容易漏钢。

发明内容

根据上述技术问题，而提供一种双辊薄带振动铸轧检测及控制熔池液位的装置及方法。本发明主要利用采用机器视觉识别熔池液位，并以此作为反馈信号，并根据测量的信号，选用合适的控制策略，实现控制熔池液位。

本发明采用的技术手段如下：

一种双辊薄带振动铸轧检测及控制熔池液位的装置，包括设置在铸轧辊组两端的侧封板，所述铸轧辊组包括振动轧辊和非振轧辊，所述非振轧辊和所述振动轧辊之间的辊缝形成熔池，所述侧封板的内侧上边缘线呈水平，所述熔池的上方设有拍摄所述熔池液位的CCD相机；所述CCD相机与图像采集卡连接，且所述图像采集卡与主控计算机连接，所述主控计算机与PLC系统连接，所述PLC系统连接执行元件，所述执行元件包括调整中间包流量的位移电机和驱动所述振动轧辊和非振轧辊转动的轧辊驱动电机；

所述CCD相机拍摄所述熔池，所述图像采集卡将所述CCD相机拍摄图像采集并计算出熔池液位到侧封板内侧上边缘线的距离h'，所述主控计算机根据所述侧封板内侧上边缘线的高度H计算出所述熔池的液位高度h，所述主控计算机根据所述熔池的液位高度h作出调整所述轧辊驱动电机和位移电机的调整参数，并将其传输至所述PLC系统，所述PLC系统根据所述调整参数调整所述所述轧辊驱动电机和位移电机稳定所述熔池的液位。

进一步地，还包括照明系统，所述照明系统设置在所述熔池的上方，用于CCD相机更好的拍摄照片或视频。

所述侧封板采用固体侧封技术，所述侧封板内侧材质为氮化硼复合材料。侧封板通电后，会夹紧铸轧辊组的端面，侧封板工作时，其内侧上边缘线为水平线；所述图像采集卡采用XTAL工作模式。

本发明还公开了一种双辊薄带振动铸轧检测及控制熔池液位的方法，包括如下步骤：

S1：将各设备安装到相应位置，预调CCD相机，调节焦距，保证图像清晰，用卷尺测量并记录侧封板内侧上边缘到非振铸轧辊轴心线的垂直距离H；

S2：设定熔池液位可行性范围的最低值L和最高值T；熔池液位可行性范围是指生产的板材质量能够得到保证的范围；

S3：所述CCD相机实时获取熔池钢水液位图像，通过所述图像采集卡转换图像数据，对采集的图像进行处理，得到熔池液位到侧封板内侧上边缘线的距离h'，所述主控计算机得到所述熔池的液位高度h，h＝H-h'；

S4：比较实际液位h与熔池液位最低值L和最高值T的大小，并根据比较结果，选择不同的控制策略；

S5：主控计算机根据不同的控制策略向所述PLC系统发送指令，所述PLC系统根据指令调节位移电机的位移量x和/或轧辊驱动电机的转速v使熔池实际液位高度h位于所述可行性范围内。

进一步地，在所述步骤S3中，对采集的图像进行处理方法如下：

对采集的图形进行灰度化处理得到灰度矩阵E(m，n)，通过Otsu法确定图象二值化分割阈值S，得到二值化图像矩阵N(m，n)，从二值化图像矩阵最上方第一行，在竖直方向上往下搜索像素值发生变化、且发生变化的元素个数大于P的第一个行向量m_i，i为此向量在二值化图像矩阵N(m，n)第一次发生像素值变化的行的序数，继续向下搜索像素值发生变化、且发生变化的元素个数大于P的行向量并记录为m_j，j为表此向量在二值化图像矩阵N(m，n)第二次发生像素值变化的行的序数，停止搜索，测量二值化图像矩阵N(m，n)每一列在实际中的距离a，熔池液位到侧封板内侧上边缘线的距离h'＝a(j-i)。

进一步地，在所述步骤S4中：

所述控制策略包括控制策略a和控制策略b；

所述控制策略a为增大位移电机位移量x，减小铸轧辊驱动电机转速v；

所述控制策略b为减小位移电机位移量x，增大铸轧辊驱动电机转速v；

当所述h<L，则选取控制策略a；

当所述h﹥T，则选取控制策略b。

更进一步地，在所述步骤S2中，在设定的所述熔池液位可行性范围的最低值L和最高值T之间设定最佳可行性值M；所述最佳可行性值M为板材质量最好的设定值。

在所述步骤S4中，若L<h<T，则比较h与M的大小，若h<M，所述控制策略为控制策略c，所述控制策略c为增大所述位移电机位移量x，若h﹥M，所述控制策略为控制策略d，所述控制策略d为减小所述位移电机位移量x；

在所述步骤S5中，所述主控计算机根据不同的控制策略向所述PLC系统发送指令，所述PLC系统根据指令调节位移电机的位移量x和/或轧辊驱动电机的转速v使熔池实际液位高度h位于所述可行性范围内，并且使实际液位高度h与最佳可行性值M相匹配。

本发明避免在高温恶劣工况下，传感设备损坏或失效，更加安全，且可以根据实际检测的熔池液位，选择合适的控制策略，来应对熔池过高或过低等极端工况。

基于上述理由本发明可在铸轧等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式中一种双辊薄带振动铸轧检测及控制熔池液位的装置结构示意图。

图2为本发明具体实施方式中轧辊组侧视图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1～2所示，一种双辊薄带振动铸轧检测及控制熔池液位的装置，包括设置在铸轧辊组1两端的侧封板2，所述铸轧辊组1包括振动轧辊11和非振轧辊12，所述非振轧辊12和所述振动轧辊11之间的辊缝形成熔池3，所述侧封板2的内侧上边缘线呈水平，所述熔池3的上方设有拍摄所述熔池液位的CCD相机4；所述CCD相机4与图像采集卡5连接，且所述图像采集卡5与主控计算机6连接，所述图像采集卡5安装在所述主控计算机6上，所述主控计算机6与PLC系统7连接，所述PLC系统7连接执行元件，所述执行元件包括调整中间包8流量的位移电机9和驱动所述振动轧辊11和非振轧辊转动12的轧辊驱动电机10；

所述CCD相机4拍摄所述熔池3，所述图像采集卡5将所述CCD相机4拍摄图像采集并计算出熔池3液位到侧封板2内侧上边缘线的距离h'，所述主控计算机6根据所述侧封板2内侧上边缘线的高度H计算出所述熔池3的液位高度h，所述主控计算机6根据所述熔池3的液位高度h作出调整所述轧辊驱动电机10和位移电机9的调整参数，并将其传输至所述PLC系统7，所述PLC系统7根据所述调整参数调整所述所述轧辊驱动电机10和位移电机9稳定所述熔池3的液位。

进一步地，还包括照明系统13，所述照明系统13设置在所述熔池3的上方，用于CCD相机4更好的拍摄照片或视频。

所述侧封板2采用固体侧封技术，所述侧封板2内侧材质为氮化硼复合材料。侧封板2通电后，会夹紧铸轧辊组1的端面，侧封板2工作时，其内侧上边缘线为水平线；所述图像采集卡5采用XTAL工作模式。

实施例2

如图1～2所示，本发明还公开了一种双辊薄带振动铸轧检测及控制熔池液位的方法，包括如下步骤：

S1：将各设备安装到相应位置，预调CCD相机4，调节焦距，保证图像清晰，用卷尺测量并记录侧封板2内侧上边缘到非振铸轧12辊轴心线的垂直距离H；

S2：设定熔池3液位可行性范围的最低值L和最高值T；熔池液位可行性范围是指生产的板材质量能够得到保证的范围；在设定的所述熔池液位可行性范围的最低值L和最高值T之间设定最佳可行性值M；所述最佳可行性值M为板材质量最好的设定值。

S3：所述CCD相机4实时获取熔池3钢水液位图像，通过所述图像采集卡5转换图像数据，对采集的图像进行处理，得到熔池3液位到侧封板2内侧上边缘线的距离h'，所述主控计算机得到所述熔池的液位高度h，h＝H-h'；

对采集的图形进行灰度化处理得到灰度矩阵E(m，n)，通过Otsu法确定图象二值化分割阈值S，得到二值化图像矩阵N(m，n)，从二值化图像矩阵最上方第一行，在竖直方向上往下搜索像素值发生变化、且发生变化的元素个数大于P的第一个行向量m_i，i为此向量在二值化图像矩阵N(m，n)第一次发生像素值变化的行的序数，继续向下搜索像素值发生变化、且发生变化的元素个数大于P的行向量并记录为m_j，j为表此向量在二值化图像矩阵N(m，n)第二次发生像素值变化的行的序数，停止搜索，测量二值化图像矩阵N(m，n)每一列在实际中的距离a，熔池液位到侧封板内侧上边缘线的距离h'＝a(j-i)。

S4：比较实际液位h与熔池液位最低值L和最高值T的大小以及h与M值的大小，并根据比较结果，选择不同的控制策略；

所述控制策略包括控制策略a、控制策略b、控制策略c和控制策略d；

所述控制策略a为增大位移电机位移量x，减小铸轧辊驱动电机转速v；

所述控制策略b为减小位移电机位移量x，增大铸轧辊驱动电机转速v；

所述控制策略c为增大所述位移电机位移量x；

所述控制策略d为减小所述位移电机位移量x；

当所述h<L，则选取控制策略a；

当所述h﹥T，则选取控制策略b；

若L<h<T，则比较h与M的大小，若h<M，选取控制策略c，若h﹥M，选取控制策略d。

控制策略的原理如下：

中间流量包的浇注量Q_in＝Kx，K为流量系数，可近似为常数；

金属流出量Q_out＝x_g vl，其中x_g为辊缝，v为辊速，l为铸轧辊宽度；

通过调整x和v即可调整浇注量和流出量进而调节熔池内的液面高度。

S5：主控计算机6根据不同的控制策略向所述PLC系统7发送指令，所述PLC系统7根据指令调节位移电机9的位移量x和/或轧辊驱动电机10的转速v使熔池3实际液位高度h位于所述可行性范围内，并且使实际液位高度h与最佳可行性值M相匹配。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种双辊薄带振动铸轧检测及控制熔池液位的装置，包括设置在铸轧辊组两端的侧封板，所述铸轧辊组包括振动轧辊和非振轧辊，所述非振轧辊和所述振动轧辊之间的辊缝形成熔池，所述侧封板的内侧上边缘线呈水平，所述熔池的上方设有拍摄所述熔池液位的CCD相机；所述CCD相机与图像采集卡连接，且所述图像采集卡与主控计算机连接，所述主控计算机与PLC系统连接，所述PLC系统连接执行元件，所述执行元件包括调整中间包流量的位移电机和驱动所述振动轧辊和非振轧辊转动的轧辊驱动电机；

所述CCD相机拍摄所述熔池，所述图像采集卡将所述CCD相机拍摄图像采集并计算出熔池液位到侧封板内侧上边缘线的距离h'，所述主控计算机根据所述侧封板内侧上边缘线的高度H计算出所述熔池的液位高度h，所述主控计算机根据所述熔池的液位高度h作出调整所述轧辊驱动电机和位移电机的调整参数，并将其传输至所述PLC系统，所述PLC系统根据所述调整参数调整所述所述轧辊驱动电机和位移电机稳定所述熔池的液位。

2.根据权利要求1所述的一种双辊薄带振动铸轧检测及控制熔池液位的装置，其特征在于，还包括照明系统，所述照明系统设置在所述熔池的上方。

3.根据权利要求1所述的一种双辊薄带振动铸轧检测及控制熔池液位的装置，其特征在于，所述侧封板采用固体侧封技术，所述侧封板内侧材质为氮化硼复合材料。

4.一种双辊薄带振动铸轧检测及控制熔池液位的方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1～3任一权利要求所述的一种双辊薄带振动铸轧检测及控制熔池液位的装置，包括如下步骤：

S1：测量并记录侧封板内侧上边缘到非振铸轧辊轴心线的垂直距离H；

S2：设定熔池液位可行性范围的最低值L和最高值T；

S3：所述CCD相机实时获取熔池钢水液位图像，通过所述图像采集卡转换图像数据，对采集的图像进行处理，得到熔池液位到侧封板内侧上边缘线的距离h'，所述主控计算机得到所述熔池的液位高度h，h＝H-h'；

S4：比较实际液位h与熔池液位最低值L和最高值T的大小，并根据比较结果，选择不同的控制策略；

S5：主控计算机根据不同的控制策略向所述PLC系统发送指令，所述PLC系统根据指令调节位移电机的位移量x和/或轧辊驱动电机的转速v使熔池实际液位高度h位于所述可行性范围内。

5.根据权利要求4所述的一种双辊薄带振动铸轧检测及控制熔池液位的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，对采集的图像进行处理方法如下：

对采集的图形进行灰度化处理得到灰度矩阵E(m，n)，通过Otsu法确定图象二值化分割阈值S，得到二值化图像矩阵N(m，n)，从二值化图像矩阵最上方第一行，在竖直方向上往下搜索像素值发生变化、且发生变化的元素个数大于P的第一个行向量m_i，i为此向量在二值化图像矩阵N(m，n)第一次发生像素值变化的行的序数，继续向下搜索像素值发生变化、且发生变化的元素个数大于P的行向量并记录为m_j，j为表此向量在二值化图像矩阵N(m，n)第二次发生像素值变化的行的序数，停止搜索，测量二值化图像矩阵N(m，n)每一列在实际中的距离a，熔池液位到侧封板内侧上边缘线的距离h'＝a(j-i)。

6.根据权利要求4所述的一种双辊薄带振动铸轧检测及控制熔池液位的方法，其特征在于，在所述步骤S4中：

所述控制策略包括控制策略a和控制策略b；

所述控制策略a为增大位移电机位移量x，减小铸轧辊驱动电机转速v；

所述控制策略b为减小位移电机位移量x，增大铸轧辊驱动电机转速v；

当所述h<L，则选取控制策略a；

当所述h﹥T，则选取控制策略b。

7.根据权利要求4所述的一种双辊薄带振动铸轧检测及控制熔池液位的方法，其特征在于，

在所述步骤S2中，在设定的所述熔池液位可行性范围的最低值L和最高值T之间设定最佳可行性值M；

在所述步骤S4中，若L<h<T，则比较h与M的大小，若h<M，所述控制策略为控制策略c，所述控制策略c为增大所述位移电机位移量x，若h﹥M，所述控制策略为控制策略d，所述控制策略d为减小所述位移电机位移量x；

在所述步骤S5中，所述主控计算机根据不同的控制策略向所述PLC系统发送指令，所述PLC系统根据指令调节位移电机的位移量x和/或轧辊驱动电机的转速v使熔池实际液位高度h位于所述可行性范围内，并且使实际液位高度h与最佳可行性值M相匹配。

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