CN202482349U - 一种基于热图像处理的转炉出钢监测控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及钢铁冶金自动化控制领域，旨在提供一种基于热图像处理的转炉出钢监测控制系统。该系统包括接于远红外热像仪的远红外数据采集模块，还包括工业现场控制单元、工业现场辅助单元和系统控制单元；其中，系统控制单元包括一个拼装式室内控制柜，其内部集成了下述功能装置：工业级液晶显示器件、工业级个人计算机、工业现场处理控制单元、电源管理单元及电气控制单元。本实用新型的采用构件化模块设计和封装，增加系统内聚，减少模块之间的耦合，使其能够根据不同的连铸生产条件以及工艺需求进行重构。安装维护方便，不改造原有设备，不影响炼钢生产；非接触式检测，内部温度自动调节、自动除尘、金属外罩密封保护，使用寿命长。
Description
技术领域
本实用新型涉及钢铁冶金自动化控制领域，尤其是涉及一种基于热图像处理的转炉出钢监测控制系统。
背景技术
在炼钢生产过程中，必须严格控制转炉出钢时的下渣量，如果转炉出钢挡渣失效或效果不理想时，会导致钢包顶渣增加，在后步的精炼工序中，将消耗较多的脱氧剂对钢包渣进行脱氧改性，增加精炼成本。同时，下渣量过大，在精炼过程中钢水极易发生回磷、回锰和回硅，钢水成份控制困难。钢水精炼时，钢包渣中的氧扩散到钢水中，造成钢水中Al、Si等成分烧损和钢水二次氧化，在钢中形成新的夹杂物，污染钢水、恶化钢水质量。因此，炼钢过程应尽量减少出钢时的下渣量。目前一般要求吨钢的下渣量控制在4～6kg以下为宜。
减少出钢下渣可带来如下好处：直接减少下渣量；减少脱氧剂和合金用量，节约材料成本；提高钢水纯净度，减少回磷硫，降低钢包内钢水的氧化程度，提高产品质量；减少对耐火炉衬的侵蚀，延长炉衬使用寿命；减少出钢口、内水口磨损，延长出钢口、内水口使用寿命。
目前全国各大钢厂主要采用的转炉下渣检测方式有三种：人工目测法、线圈检测、红外热像检测。
人工目测法是使用最多的一种检测方法，但由于灵敏度低，结果受操作人员的经验及情绪影响较大，所以在提高钢品质和节约钢成本的角度考量需要更为准确和稳定的检测方式以代替人工。
线圈检测法采用高温材料将初级、次级两个线圈隔离，根据注流中钢渣的电导率远低于钢水的电导率，测量电磁场的差别检测下渣。此种方法检测灵敏度较人工高，但为消耗式测量，线圈工作在高温环境寿命不稳定，备件费用高。
红外检测法是根据钢水与钢渣的红外发射率不同，通过红外热像仪在出钢末期对钢流进行照射得到钢水钢渣混流图像，通过视频处理算法得出钢渣占钢流的比例而判断下渣的方法。红外检测技术近年来越来越多地在工业现场获得广泛应用，由于红外检测有非接触特性，针对钢铁冶炼的高温场合具有明显的优势。红外检测法具有灵敏度高，安装操作简单，维护容易，运行成本低等特点，已逐步成为转炉出钢下渣检测的主要手段。
红外法转炉下渣检测是基于在特定波长范围内，钢水和钢渣的红外辐射特性具有较大差异这一特点来设计的，所以钢水中加入不同的合金以及不同的冶炼工艺，都会导致钢水及钢渣的红外辐射特性的显著差异。在检测系统方面，红外热像仪的不同参数配置，特别是红外滤光镜的选型直接影响到钢水及钢渣的区分效果；另外，检测软件的图像分析算法部分也需要针对被摄物体的红外线辐射特征情况进行定制。此外，现有的红外下渣检测系统还存在下述问题：系统构架为非结构化设计，难于根据不同的连铸工作条件以及工艺需求进行重构优化；在图像动态处理过程中，分辨率不可调，从而造成其识别率难以得到保证。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于热图像处理的转炉出钢监测控制系统。
为解决其技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：
提供一种基于热图像处理的转炉出钢监测控制系统，包括接于远红外热像仪的远红外数据采集模块(IVS)，还包括工业现场控制单元(IFCU)、工业现场辅助单元(IFAU)和系统控制单元(IMCU)；
其中，工业现场控制单元(IFCU)是系统的前端控制构件，用于实现图形用户接口在现场的远程显示、控制现场报警装置和提供现场操作开关；工业现场辅助单元(IFAU)，用于接受来自系统控制单元(IMCU)4的控制指令，并实现远红外数据采集模块(IVS)的控制信号和图像数据传递；系统控制单元(IMCU)包括一个拼装式室内控制柜，其内部集成了下述功能装置：工业级液晶显示器件(ILCD)、工业级个人计算机(IPC)、工业现场处理控制单元(IPCU)、电源管理单元(IPMU)及电气控制单元(IECU)；
其中，工业现场处理控制单元(IPCU)，用于接受工业现场辅助单元(IFAU)上传的实时图像信号，并实现信号预处理、输出控制信号以及与工业级个人计算机(IPC)通讯；电源管理单元(IPMU)，用于为系统中各模块提供电源；电气控制单元(IECU)，用于系统的电气控制以及电缆连接；
所述工业现场处理控制单元(IPCU)分别连接至下述功能装置：通过电缆连接至工业现场控制单元(IFCU)，实现开关量信号和视频信号的传递；通过电缆依次连接工业现场辅助单元(IFAU)、远红外数据采集模块(IVS)1和远红外热像仪，实现图像数据和控制信号的传递；通过电缆连接至工业级个人计算机(IPC)，实现开关量与模拟信号、控制信号的传递；
所述电气控制单元(IECU)通过电缆连接至电源管理单元(IPMU)，电源管理单元(IPMU)分别通过电缆连接至工业现场处理控制单元(IPCU)、工业现场控制单元(IFCU)、远红外数据采集模块(IVS)和个人计算机(IPC)；远红外数据采集模块(IVS)由工业现场辅助单元(IFAU)实现供电。
本实用新型中，所述系统控制单元(IMCU)4控制柜的柜体是经过表面处理冷板，其底部设置了接地端子，顶部配有风扇盘；底部设置连线孔，以提供电源线、信号线和控制线的连接。
本实用新型中，所述电气控制单元(IECU)包括空气开关、电源保险、面板控制及电路接插件。
本实用新型中，所述远红外数据采集模块(IVS)的内部还集成了温度传感器、线圈加热装置、气体冷却装置以及除尘装置。
本实用新型中，所述工业现场控制单元(IFCU)连接至现场报警装置，所述现场报警装置是报警灯和报警喇叭。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果主要表现在：
1、采用构件化模块设计方法，对红外下渣检测系统进行模块化封装，增加系统内聚，减少模块之间的耦合，使其能够根据不同的连铸生产条件以及工艺需求进行重构。
2、采用软件滤波与小波变换的图形信号处理方法，能够实现时频两域的多分辨率分析与识别，提高了对钢水辐射率的动态识别效率，从而使成功率得到可靠保证。
3、安装维护方便，不改造原有设备，不影响炼钢生产；
4、采用进口非制冷红外热像仪，分辨率高，且在8-14μm远红外波段反应灵敏；
5、非接触式检测，传感器安装位置距离出钢口10-30m，内部温度自动调节、自动除尘、金属外罩密封保护，使用寿命长；
6、清晰显示现场画面、出钢过程、钢流及钢渣；
7、采用先进的图像边界与钢流特征智能提取技术，以及准确有效的下渣判别算法；
8、人性化软件设计，界面直观友好，系统参数在线可调；
9、监测界面现场同步显示，报警及时准确。
附图说明
图1是系统功能构架示意图；
图2是系统模块组成与电气连接示意图。
图1中的附图标记：1远红外数据采集模块(IVS)1；2工业现场辅助单元(IFAU)；3工业现场控制单元(IFCU)；4系统控制单元(IMCU)；5电缆。
具体实施方式
结合附图，下面对本实用新型进行详细说明。
1.系统功能构架与模块组成
本实用新型总体技术方案为：利用远红外热像仪采集转炉出钢时的钢流热图像信号，根据钢流中所包含钢水、钢渣在特定远红外波段范围内的热辐射率差异，结合离散小波变换(Discrete Wavelet Transfer，DWT)算法，对钢流状态进行在线识别，进而发出相关控制指令，驱动现场执行装置，完成对转炉出钢的实时监测与自动控制，最终达到即能减少钢包中的钢渣含量、又能提高钢水收得率、降低工人劳动强度的目的。
系统的功能构架由系统控制单元(Industrial Monitoring Control Unit，IMCU)、工业现场控制单元(Industrial Field Control Unit，IFCU)、工业现场辅助单元(Industrial Field Associated Unit，IFAU)、远红外数据采集模块(Infrared VideoSampling System，IVS)等组成。
远红外数据采集模块(IVS)1的内部集成了温度传感器、线圈加热装置、气体冷却装置以及除尘装置；上述配置可有效保持红外摄像仪环境温度的相对稳定性，减少现场粉尘对图像质量的干扰。远红外数据采集模块(IVS)1通过远红外热像仪采集冶金工业现场的钢流图像信号、温度信号、转炉倾角信号、氧枪高度信号和炉体前后摇信号，经转用电缆5将上述信号输送至工业现场处理控制单元，并经过数字信号预处理操作后输出至工业级个人计算机进行运算分析，并得到当前的钢流状态。系统控制单元(IMCU)4将得到的钢流状态信号转换为系统控制指令，并通过信号线输出至工业现场控制单元(IFCU)3，驱动报警喇叭及报警灯工作，并自动控制抬炉和关闭出钢口滑板。
工业现场控制单元(IFCU)3是系统的前端控制构件，根据系统控制单元(IMCU)4发出的指令，驱动执行装置。主要完成以下功能：图形用户接口在现场的远程显示；控制现场报警装置，包括Lamb-5五色报警灯控制和MS-24下渣报警喇叭；供现场操作人员进行手动投入检测和关闭检测(系统默认为自动)；供现场操作人员进行手动或自动关闭滑板。工业现场控制单元(IFCU)3模块作为现场控制的核心部件，与现场的其他模块相连。来自现场的信号，如远红外数据采集模块(IVS)1温度、视频信号、转炉倾角、氧枪高度、报警等级、自动关闭等由工业现场控制单元(IFCU)3模块做前级处理后送到系统控制单元(IMCU)4的工业现场处理控制单元(IPCU)。
工业现场辅助单元(IFAU)2的主要功能是为远红外数据采集模块(IVS)1服务，为其提供电源和冷却和加热气源，同时接收系统控制单元(IMCU)4控制命令控制远红外数据采集模块(IVS)1的启动、初始化、图像采集以及远红外数据采集模块(IVS)1的冷却、加热与除尘操作；远红外数据采集模块(IVS)1的工作状态(包括环境温度、工作模式、工作参数等)经由工业现场辅助单元(IFAU)2上传到转炉控制室控制柜的系统控制单元(IMCU)4。
系统控制单元(IMCU)4为拼装式室内控制柜，金属材料采用表面处理后的优质冷板，从而保证机架的保护性能好、抗腐蚀性强；控制柜在底部设置了接地端子，机房内的地线可直接连控制柜底部的接地端子上；控制柜顶部配有风扇盘，以保证控制柜内的热空气顺利地排出；控制柜底部设置连线孔，可提供电源线、信号线和控制线的连接。
系统控制单元(IMCU)4是系统的功能核心构件，其安装位置为冶金车间主控制室，完成对转炉出钢过程的在线判断与自动控制；基于上述要求，系统控制单元(IMCU)4的内部集成了如下功能装置：工业级液晶显示器件(Industrial Liquid Crystal Device，ILCD)、工业级个人计算机(Industrial Personal Computer，IPC)、工业现场处理控制单元(Industrial Processing Control Unit，IPCU)、电源管理单元(Industrial PowerManagement Unit，IPMU)及电气控制单元(Industrial Flectric Control Unit，IECU)。
工业现场处理控制单元(IPCU)接受工业现场辅助单元(IFAU)2上传的实时图形图像信号，完成对输入信号进行预处理、输出控制信号以及与工业级个人计算机(IPC)通讯等三个主要任务。其中，信号预处理过程是对工业现场控制单元(IFCU)3、工业现场辅助单元(IFAU)2上传的信号进行预处理，作为钢流状态在线判断的离散数据来源，其中来自工业现场控制单元(IFCU)3的信号包括：转炉倾角信号、炉体前摇/后摇信号、氧枪高度信号、报警等级信号、现场按钮信号；来自工业现场辅助单元(IFAU)2的信号包括远红外数据采集模块(IVS)1采集到的温度信号、视频信号。输出控制信号为分别输出给工业现场控制单元(IFCU)3、工业现场辅助单元(IFAU)2的控制指令，完成对转炉出钢过程的自动化操作。其中输出至工业现场控制单元(IFCU)3的控制信号包括：钢流视频信号、检测状态信号、报警灯信号、喇叭信号、预留控制信号；输出至工业现场辅助单元(IFAU)2的控制信号包括：摄像仪启动信号、除尘信号、冷却信号、加热信号。与工业级个人计算机(IPC)的通信过程是指工业现场处理控制单元(IPCU)上传给工业级个人计算机(IPC)的钢流状态监控数据，主要包括：钢流视频数据、预处理过的倾角数据、预处理过的温度数据、预处理过的氧枪高度数据、预处理过的报警等级数据、预处理过的开关量控制信息。
电源管理单元(IPMU)为系统控制单元(IMCU)4、工业现场控制单元(IFCU)3提供电源，其额定输入交流220V，50～60HZ，额定输入电流＜5A，并具有电源工作/异常显示功能。
电气控制单元(IECU)用于系统电气控制以及电缆5连接，包括空气开关、电源保险、面板控制及电路接插件。
2.模块依赖关系与电气连接
系统的模块依赖关系与电气连接如附图2所示。工业现场控制单元(IFCU)3作为现场控制的核心部件，与现场的其他模块相连。来自现场的信号，如远红外数据采集模块(IVS)1温度、视频信号、转炉倾角、氧枪高度、报警等级、自动关闭等由工业现场控制单元(IFCU)3做前级处理后送到系统控制单元(IMCU)的工业现场处理控制单元(IPCU)。
工业现场处理控制单元(IPCU)在对现场传过来的信号进行二级处理后上传给工业级个人计算机(IPC)的数据采集卡，利用离散小波变换图像分析算法对采集到的数据进行综合分析运算后将结果反馈给工业现场处理控制单元(IPCU)，工业现场处理控制单元(IPCU)再通知工业现场控制单元(IFCU)3，由工业现场控制单元(IFCU)3控制Lamb-5、MS-24以及抬炉或关闭滑板等行为。
本实用新型中所使用的各功能模块或功能装置均为现有技术，可从市场公开采购，故对其具体结构、性能等参数不再赘述。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的一个具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于热图像处理的转炉出钢监测控制系统，包括接于远红外热像仪的远红外数据采集模块，其特征在于，还包括工业现场控制单元、工业现场辅助单元和系统控制单元；其中，
工业现场控制单元是系统的前端控制构件，用于实现图形用户接口在现场的远程显示、控制现场报警装置和提供现场操作开关；
工业现场辅助单元，用于接受来自系统控制单元的控制指令，并实现远红外数据采集模块的控制信号和图像数据传递；
系统控制单元包括一个拼装式室内控制柜，其内部集成了下述功能装置：工业级液晶显示器件、工业级个人计算机、工业现场处理控制单元、电源管理单元及电气控制单元；其中，
工业现场处理控制单元，用于接受工业现场辅助单元上传的实时图像信号，并实现信号预处理、输出控制信号以及与工业级个人计算机通讯；
电源管理单元，用于为系统中各模块提供电源；
电气控制单元，用于系统的电气控制以及电缆连接；
所述工业现场处理控制单元分别连接至下述功能装置：通过电缆连接至工业现场控制单元，实现开关量信号和视频信号的传递；通过电缆依次连接工业现场辅助单元、远红外数据采集模块和远红外热像仪，实现图像数据和控制信号的传递；通过电缆连接至工业级个人计算机，实现开关量与模拟信号、控制信号的传递；
所述电气控制单元通过电缆连接至电源管理单元，电源管理单元分别通过电缆连接至工业现场处理控制单元、工业现场控制单元、远红外数据采集模块和个人计算机；远红外数据采集模块由工业现场辅助单元实现供电。
2.根据权利要求1所述的监测控制系统，其特征在于，所述系统控制单元控制柜的柜体是经过表面处理的冷板，其底部设置了接地端子，顶部配有风扇盘；底部设置连线孔，以提供电源线、信号线和控制线的连接。
3.根据权利要求1所述的监测控制系统，其特征在于，所述电气控制单元包括空气开关、电源保险、面板控制及电路接插件。
4.根据权利要求1所述的监测控制系统，其特征在于，所述远红外数据采集模块的内部还集成了温度传感器、线圈加热装置、气体冷却装置以及除尘装置。
5.根据权利要求1所述的监测控制系统，其特征在于，所述工业现场控制单元连接至现场报警装置，所述现场报警装置是报警灯和报警喇叭。
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