CC BY
29
Nikiforov, Victor Mihailovich - Postgraduate student, Department of Economics, Institute of Engineering and Economics, Cherepovets State University.
Tel.: 8 (8202) 53-34-93; 8-964- 663-32-41; e-mail: vmnikiforov@severstal.com
УДК 669.1
К.А. Харахнин, В.Б. Tonexa
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ОПТОЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ СВАРНОГО ШВА И ДЕФЕКТОВ НА ДВИЖУЩЕЙСЯ ПОЛОСЕ В СТАНЕ БЕСКОНЕЧНОЙ ХОЛОДНОЙ ПРОКАТКИ
К.А. Kharahnin, V.B. Topeha
AUTOMATED OPTOELECTRONIC SYSTEM OF DETECTING WELD JOINTS AND DEFECTS ON THE MOVING METAL STRIP DURING CONTINUOUS COLD-
ROLLING
Описывается состав и принцип работы оптоэлектронной системы обнаружения сварного шва и дефектов на движущейся полосе в стане бесконечной холодной прокатки. Система для повышения надежности обнаружения использует стробоскопический эффект, синхронизированный со скоростью прокатки. Определены характеристики системы относительно параметров прокатки.
Оптоэлектронная система, стан бесконечной холодной прокатки, стальная полоса, сварной шов, дефект, ПЗС-матрица, стробоскопический эффект.
The paper describes construction and principle of operation of an optoelectronic system of detecting weld joints and defects on the moving metal strip during continuous cold-rolling. To increase the reliability of detecting, the system uses stroboscope effect synchronized with the rolling speed. System characteristics in relation to rolling parameters are determined.
Optoelectronic system, cold-rolling mill, steel strip, weld joint, defect, CCD-matrix, stroboscope effect.
Одной из актуальных задач, возложенных на существующую систему управления станом бесконечной холодной прокатки, является задача обнаружения сварных соединений и дефектов на движущейся полосе в головной части стана.
Обнаружение швов осуществляется с помощью оптических датчиков контрольных отверстий, пробиваемых около сварных соединений. При смещении полосы относительно центральной линии агрегата возможны пропуски швов и, как следствие, нарушение скоростного режима прокатки шва, что зачастую ведет к обрыву полосы. Обнаружение дефектов на полосе в настоящее время осуществляется органолептическим методом оператором путем нажатия на кнопку при визуальном обнаружении критического дефекта. Таким образом, задача автоматизации и надежного обнаружения сварных соединений и дефектов на движущейся полосе является актуальной в настоящее время.
На кафедре автоматизации и систем управления ЧГУ разработана оптоэлектронная система, позволяющая обнаруживать и распознавать швы и дефекты в режиме реального времени [1].
При съёмке быстродвижущейся стальной полосы наблюдается эффект размытости изображения, который обусловлен тем, что световой поток, отраженный от стальной полосы, попадает на несколько строк ПЗС-матрицы за время экспозиции. Строки ПЗС-матрицы накапливают некоторое количество зарядов от нескольких точек стальной полосы, лежащих в одном столбце. Условием надежного обнаружения сварного шва в реальном времени является «незашумленное», контрастиро-ванное изображение стальной полосы [2].
С целью устранения эффекта размытости изображения и получения «незашумленного», кон-трастированного изображения стальной полосы необходимо создать стробоскопический эффект, заключающийся в том, что включение источника
света и считывание изображения с ПЗС-матрицы должно происходить синхронно со скоростью прокатки. Этим обеспечивается высокая надежность обнаружения сварного шва на движущемся металле. Включение источника света и считывание матрицы яркости с ПЗС выполняется только при полном обновлении стальной полосы в поле зрения.
В процессе прокатки в поле зрения ПЗС-матрицы системы попадает участок стальной полосы площадью 1кадр • №кадр (рис. 1). Поверхность листа представляется в виде набора видеокадров. Каждый кадр представляется как двумерная матрица значений яркости В каждого пикселя. В зависимости от скорости прокатки V значения матрицы яркостей В стальной полосы, получаемые с ПЗС-матрицы системы, могут частично повторяться с матрицей, полученной в предыдущий момент времени. Величина повторения определяется постоянной частотой съемки (кадр/с).
Дублирование видеоинформации может привести к повторному ложному обнаружению сварного шва или дефекта. Постоянное значение частоты съемки кадров не обеспечивает рационального использования ресурсов ЭВМ и вычислительной сети, что снижает надежность работы системы.
Перемещение полосы 5Мк за время между считыванием текущей и предыдущей матриц яркостей 5(0 описывает уровень обновления поверхности полосы в поле зрения и определяется как разность координат бесконечной стальной полосы в текущий и предыдущий моменты считывания матрицы яркостей:
8МК=Щ,1)-Ь(Г,10), (1)
где Ь(У, 0 - координата стальной полосы в момент времени м; V - скорость прокатки стальной полосы на стане, м/с; / - текущее время, с; ¿о - момент времени считывания предыдущей матрицы яркостей В, с.
Текущая координата Ь{V, ?) стальной полосы относительно ПЗС в момент считывания матрицы яркостей зависит от скорости прокатки V и частоты съемки кадров Р. Следовательно, величина приращения координаты есть функция двух переменных.
Скорость прокатки V зависит от технологического регламента и изменяется при работе стана. Следовательно, регулирующим параметром является частота съемки кадров Р, которая должна быть прямо пропорциональна скорости движения стальной полосы.
ЯГ
' ' гтг
Стальная
полоса
Перемещение
сварного шва
1—г
Тп
пГ
Поле зрения
детектора
I
кадра
Тп\ Т
V
Направление прокатки
СК Лек ■'ск -<ск ск 1 ск -<ск -<ск
Тс К
123456789 Последовательность импульсов считывания кадров
ико
время
О,номер кадра
Рис. 1. Поле зрения ПЗС-матрицы с оптическим сопрягающим устройством при постоянной частоте съемки кадров
Вследствие изменения скорости прокатки требуется определить время ожидания Гмк , необходимое для полной смены поверхности стальной полосы в поле зрения системы:
'мк
F
•Гк
мк
V
Таким образом, Гмк определяет временной интервал считывания матриц яркостей В.
Условие полной смены поверхности стальной полосы в поле зрения ПЗС с оптическим сопрягающим устройством описывается выражением
где N - количество импульсов датчика угловых перемещений за время /; N0 - количество импульсов датчика угловых перемещений на один полный оборот; В. - радиус измерительного ролика, механически связанного со стальной полосой, м.
Таким образом, с учетом (5) и (6) количество отсчитанных импульсов датчика, соответствующее полной смене стальной полосы в поле зрения ПЗС-матрицы с оптическим сопрягающим устройством, определяется выражением
h
•W.
w
кадр
2nR
(7)
кадр
■V-Тъ
мк
= 0,
(2)
где L
кадр
длина отрезка бесконечной сталь-
ной полосы, проецируемого на ПЗС-матрицу, при заданном фокусном расстоянии, м.
С учетом (2) и выражений, полученных в [2] для фокусного расстояния и длины отрезка бесконечной стальной полосы в поле зрения, время смены кадра составит
Тык
■ W.
w
кадр
V
(3)
где Жкадр - ширина полосы в кадре, и; И- высота светочувствительной области ПЗС-матрицы, м;
- ширина светочувствительной области ПЗС-матрицы, м.
Из (1)следует, что
(4)
С учетом (3) и (4) условием полного обновления поверхности полосы в поле зрения системы является окончание интервала времени Гмк:
t = tQ +
h_ w
W„
кадр
J_ V
(5)
Информация о скорости перемещения полосы формируется датчиком, состоящим из измерительного ролика, контактирующего с полосой, и импульсного преобразователя. Информация о скорости вычисляется по формуле
V ■-
2тi-N-R N0-t :
(6)
Функциональная схема разработанной автоматизированной оптоэлектронной системы обнаружения сварного шва на движущемся металле в стане бесконечной холодной прокатки, использующей стробоскопический эффект, представлена на рис. 2, где 1 - клеть № 1 стана бесконечной холодной прокатки; 2 - стальная полоса; 3 - ось стана; 4 - сварной шов; 5 - поле зрения ПЗС-матрицы с оптическим сопрягающим устройством; 6 -ПЗС-матрица с оптическим сопрягающим устройством: 6.1 - ПЗС-матрица; 6.2 - оптическое сопрягающее устройство; 7 - источник света; 8 - оптическая ось ПЗС-матрицы; 9 - оптическая ось источника света; 10 - импульсный датчик абсолютных угловых перемещений; 11 - датчик ширины металла; 12 - блок управления съемкой поверхности металла: 12.1 - блок расчета требуемого количества импульсов от датчика абсолютных угловых перемещений для полной смены поверхности стальной полосы в поле зрения ПЗС-матрицы с оптическим сопрягающим устройством; 12.2 -счетчик импульсов датчика абсолютных угловых перемещений; 12.3 - блок сравнения текущего значения количества импульсов с требуемым. Условие срабатывания - равенство значений; 12.4 -блок сравнения текущего значения количества импульсов с 1/2 требуемого значения. Условие срабатывания - равенство значений; 12.5 - блок формирования импульса включения источника света с заданной длительностью; 13 - блок обнаружения сварного шва: 13.1 - блок расчета средней яркости в кадре; 13.2 - блок расчета средней яркости каждой строки матрицы яркости; 13.3 -блок сравнения яркости каждой строки матрицы со средним значением яркости в кадре. Условие срабатывания: строчная яркость больше средней яркости в кадре; 13.4 - счетчик превышения строчной яркости над средней яркостью; 13.5 -блок сравнения количества превышения строчной яркости над средней яркостью в кадре с заданным значением, равным пяти. Условие срабатывания:
количество превышении строчной яркости над средней яркостью в кадре больше пяти; 13.6 -блок сравнения количества превышения строчной яркости над средней яркостью в кадре с заданным значением, равным пяти. Условие срабатывания: количество превышений строчной яркости над средней яркостью в кадре меньше пяти; 13.7 -блок сравнения для организации циклической обработки строк матрицы яркости В; 14 - контроллер фокусного расстояния оптического сопрягающего устройства ПЗС-матрицы; 15 - подсистема управления скоростью стана; 16 - контроллер передачи данных.
ПЗС-матрица 6 с оптическим сопрягающим устройством устанавливается на расстоянии до первой клети стана 1, достаточном для снижения скорости прокатки с заданным темпом. Оптическая ось ПЗС-матрицы 8 совпадает с осью стана 3. Источник света 7 и ПЗС-матрица 6 ориентируются относительно стальной полосы 2 таким образом, чтобы угол между оптической осью источника света 9 и нормалью стальной полосы 2 был значительно больше, чем угол между осью 8 и нормалью листа. ПЗС-матрица устанавливается на расстоянии В = 1,3 - 2 м [2]. Фокусное расстояние оптического сопрягающего устройства 6.2 рассчитывается и устанавливается контроллером фокусного расстояния 14, исходя из условия проецирования стальной полосы на ПЗС, во всю ширину. Информация о ширине полосы заводится в систему с датчика ширины 11. Оптическая ось источника света 9 совпадает с осью стана 3 [2]. Видеоинформация поступает в блок обработки данных 13, исполняемый на ЭВМ системы, посредством контроллера передачи данных 16. Считывание информации с ПЗС-матрицы 6.1 и включение источника света 7 осуществляется под управлением блока 12.
Система работает следующим образом. Поверхность стальной полосы регистрируется ПЗС-матрицей системы с переменной частотой съемки в зависимости от скорости полосы. Включение источника света синхронизировано со скоростью движения полосы и происходит ранее момента считывания данных с ПЗС. Команду на считывание с ПЗС и включение источника света генерирует блок 12 при полном или половинном обновлении поверхности стальной полосы 2 в поле зрения 5. Величина обновления полосы определяется на основании сигнала с импульсного датчика угловых перемещений 10. Сигнал с датчика ширины полосы поступает в подблок 12.1, где выполняется расчет уставки количества импульсов датчика скорости по выражению (7), соответствующий
полной смене поверхности стальной полосы 2 в поле зрения 5. Текущее количество импульсов, соответствующее перемещению полосы, подсчи-тывается в подблоке 12.2. Условием полного обновления поверхности полосы является равенство текущего количества импульсов с уставкой. Выполнение данного условия проверяется в подблоке 12.3. При выполнении условия генерируется команда на формирователь импульса включения источника света 12.5 и считывание данных с ПЗС. Длительность импульса источника света определяется как сумма времени экспозиции ПЗС и времени запаздывания источника света. После получения команды на считывание ПЗС 6.1 инициирует формирование и считывание фотозаряда со светочувствительных элементов матрицы. Считанные данные оцифровываются контроллером передачи данных 16 и представляются в виде матрицы яркостей В, которая передается по вычислительной сети в блок обработки 13.
Блок 13 работает периодически, каждый раз при получении матрицы яркостей. Согласно [3], в подблоке 13.1 выполняется расчет среднего значения яркости в матрице яркостей. Подблок 13.2 выполняет расчет средней яркости строки матрицы яркостей циклически посредством блока 13.7. Условием обнаружения сварного шва является последовательное превышение уровня строчной яркости над средней яркостью в матрице, что проверяется подблоком 13.3 [3]. Согласно [2], для обнаружения сварного шва с вероятностью 0,97 достаточно пяти последовательных повторений превышения уровня яркости (данное условие проверяется в подблоке 13.5). В случае выполнения условия блок 13.5 генерирует команду на снижение скорости прокатки для АСУТП стана 15 в связи с обнаружением сварного шва. Одновременно данный сигнал выполняет сброс счетчика превышений уровня яркостей 13.4. Количество последовательных превышений, меньшее пяти, воспринимается подблоком 13.6 как нахождение сварного шва на границе кадра. В данном случае проверяется условие обновления стальной полосы в поле зрения на 50 %, что вычисляется компаратором 12.4 на основании текущего количества импульсов и половины уставки, рассчитанной в подблоке 12.1. При выполнении условия блоком 13 генерируется команда в блок 12 на повторное считывание матрицы яркостей и выполнение блока 13.
Для оценки физической реализуемости разработанной системы требуется определить зависимости между параметрами системы и показателями прокатки.
«Смещение 50 %» § «Внешняя
«Обновление 50 %» «Повтор»
ей го
а
я
¡3 я
Л го ■чз го
я о
оз го
а я о
►1
0
ь
01
з
и ГО
я я о ►1
о
^
8 ш го 43 п
н
з
и
ю о
«Заме дление»
15
СП
Н >
на
а
Сброс
щ
соит л++
"зад/2
зп
СМР=
«Смещение 50 %»
«Внешняя команда»
Ж
СМР=
= АIV
зад у» 'полосы
По
2тт/?
Wnl
01ч
и
X
рг
Л
о,
0|
«Обновление 50 %»
«Повтор»
АИО
(ЗГ
СМР<
Л Г IV 1
/1 I 1
) /1
оя
л СМР« /++
Рис. 2. Полная функциональная схема автоматизированной оптоэлектронной системы обнаружения сварного шва
на движущемся металле в стане холодной прокатки:
а - функциональная схема автоматизированной оптоэлектронной системы обнаружения сварного шва на движущемся металле; б - функциональный блок 12; в - функциональный блок 13
Скорость съемки, кадр/с
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
r" X1 I1"
ri r"
✓ r"
s r" >
; J I-"
s s* s
s с A
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Скорость прокатки, м/с
ширина полосы 1,7 м ширина полосы 1,6 м -»- ширина полосы 0,9 м
Рис. 3. Зависимость скорости съемки кадров Р от скорости прокатки V
максимальной производительностью ПЗС-матри-цы.
Из сказанного можно сделать следующие выводы:
1. Разработана автоматизированная оптоэлек-тронная система обнаружения сварного шва и дефектов на движущейся полосе металла в стане бесконечной холодной прокатки, использующая стробоскопический эффект.
2. Применение блока 12 управления съемкой поверхности металла исключает использование повторяющихся данных о поверхности стальной полосы в блоке 13 обнаружения сварного шва и обеспечивает рациональное использование вычислительной сети и ресурсов управляющей ЭВМ, что повышает надежность работы системы в целом.
3. Автоматизированная оптоэлектронная система обнаружения сварного шва и дефектов на движущейся полосе металла обеспечивает работоспособность при скорости прокатки до 30 м/с и ширине полосы 900 - 1700 мм.
Требуемое время смены кадра зависит от ширины стальной полосы ¡¥кадр в кадре, которая изменяется при переходе работы стана на новый заказ и постоянна по всей длине рулона. Частота смены ширины полосы значительно ниже частоты изменения скорости прокатки, следовательно, её можно считать величиной постоянной и выполнять анализ при заданном значении ширины полосы.
Из графиков рис. 3 следует, что меньшей ширине полосы требуется большая скорость съемки кадров. Таким образом, верхний предел скорости движения стальной полосы для разработанной системы зависит от её ширины и определяется
Список литературы
1. Егоров, В.П. Модель детектирования сварного шва на станах бесконечной холодной прокатки / В.П. Егоров, В.Б. Топеха // Вестник ЧГУ. - 2009. - № 3. - С. 134 - 138.
2. Топеха, В.Б. Определение параметров оптоэлектрон-ной системы обнаружения сварного шва на стане бесконечной холодной прокатки / В.Б. Топеха, К. А. Харахнин // Производство проката. - 2010. - № 4. - С. 60 - 67. >
3. Харахнин, К.А. Алгоритм распознавания сварного шва для оптоэлектронного детектора на стане бесконечной холодной прокатки / К.А. Харахнин, В.Б. Топеха // Материалы 5-й Межд. научно-техн. конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования», г. Вологда, 23 - 25 ноября 2009 г. - Вологда: ВолГТУ, 2009. - С. 207 - 211.
Харахнин Константин Аркадьевич - кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой автоматизации и систем управления, директор Института информационных технологий Череповецкого государственного университета.
Тел.: 8 (8202) 51-77-31; 8-921-057-77-06; e-mail: harahninka@chsu.ru
Топеха Виталий Борисович - аспирант кафедры автоматики и систем управления Института информационных технологий Череповецкого государственного университета.
Harahnin, Konstantin Arkadievich - Candidate of Science (Technology), Professor, Head of the Department of Automation and Control Systems, Director of the Institute of Information Technologies, Cherepovets State University.
Tel.: 8 (8202) 51-77-31; 8-921-057-77-06; e-mail: harahninka@chsu.ru
Topekha, Vitaliy Borisovich - Postgraduate student, Department of Automation and Control Systems, Institute of Information Technologies, Cherepovets State University.
