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关键词非接触;
PLC;
图像处理;
定尺切割
Abstract
Continuous-castingslablengthon-linemeasurementandcuttingisanimportantpartincontinuouscastingprocessandthecontrolledprecisiondirectinfluenceproductivityofslab.Traditionalcontinuous-castingmachine,owingtoinfluencefactorashightemperature,slabdistortion,themeasuredeviceoftentobevindicatedandlowercontrolprecision.Toovercometheinsufficiencyoftraditionalcut-to-lengthsystem,thebuildingprocessofuntouched-modeslablengthmeasurementandcuttingcontrolsystemwaspresented,basedontheandthedigitalpictureprocessingtechnique.Anon-contactautomaticlengthcuttingsystemwasstudied.Themotor,cuttingknife,dedicatedhigh-resolutioncamerasandthestructureofitscontrolsystemarepresentedinthissystem.Thesystemmakesfulluseofimageprocessingtechnology(non-contact)totestthelengthofhotbilletsonlineandcontrolthecuttingmachinetodetectandcuthotbilletsautomaticallybyPLC.Itcanshowtherunningstatusandspeed,alsocatchtheimageinformationgatheredfromalongdistancebycolorcameras.
Sincethesystemusesdedicatedhigh-resolutioncamerasandprocessingmodules,whichfollowsthedynamicsteeltrackmoreaccurately.whenachievescalerequirementisthatthecameratoPLCasignals,thestepup,steppingupandcuttingaction.amongthem,thecenteristhroughwithallkindsofcontrollercontactor,electromagneticvalveconnection,andusedthefrequencyconverterforspeedregulation,andtorealizethenon-contactautomaticcontrolsystemtobeautomaticrev.Stop,regulatedifferentlength,thematerial,thethicknessofthebilletindifferentcuttingspeedcutting,reducethewasteofenergy.thenrealizingautomaticsystemsafetyandreliabilityofthecontrolandimprovetheprecisionofthebilletandyield.Inaddition,makefulluseoftheexistingresources,madeupoftherelativelycompletecuttingcontrolsystem,haslessinvestment,installation,debugging,simpleandconvenientoperation,maintenancefreebasicdotheadvantages.
Keywordsnotcontact;
PLC;
Imageprocessing;
Scalecutting
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1连铸生产中切割系统的现状1
1.1.1国外发展状况1
1.1.2国内发展状况1
1.1.3本课题的来源2
1.2研究的目的及意义3
1.3课题的主要任务3
第2章连铸坯切割控制系统构成及测量原理5
2.1连铸工艺流程简介5
2.2测量原理5
2.3测量系统构成6
2.4测量过程7
2.5数值分析及计算8
2.5.1钢坯长度确定8
2.5.2摄像机标定简介9
2.6自动定尺切割系统与连铸机切割控制系统的连接与使用9
第3章系统总体设计11
钢坯切割系统的结构11
第4章PLC逻辑控制设计13
4.1PLC的设计背景13
4.1.1PLC的背景13
4.1.2可编程控制器发展的特征13
4.1.3可编程控制器的特点14
4.1.4可编程控制器的功能和应用15
4.1.5可编程控制器的基本组成16
4.2PLC的选取17
4.2.1S7200的简介17
4.2.2CPU226的特点20
4.3PLC的I/O资源配置21
4.3.1数字量输入部分21
4.3.2数字量输出部分22
4.3.3其他资源配置23
第5章变频调速设计25
5.1变频器调速原理25
5.2变频调速手动控制的设计26
5.2.1手动控制接线方案的设计26
5.2.2变频调速器的设定27
5.2.3变频器调速的监控27
5.3变频系统的干扰和抑制28
结论30
参考文献31
谢辞32
第1章绪论
1.1连铸生产中切割系统的现状
1.1.1国外发展状况
钢铁工业是一个国家经济实力的支柱和象征,是世界工业化进程中最具成长性的产业之一,在过去的一百年多年中,美、英、苏、奥等国家相继建成一批办工业性的实验设备,进行连铸钢的研究。
连铸开始用于钢铁工业生产,在此期间连铸装备水平很低,发展速度慢,生产规模小,以单流式连铸机为主,且用来生产小方坯。
连铸开始用于钢铁工业生产,在此期间连铸装备水平低,发展速度慢,生产规模小,以单流立式连铸机为主。
连铸进入了稳步发展时期,出现了力弯式连铸机。
弧形连铸机的问世,使连铸机技术出现了一次飞跃,并很快发展为连铸的主要机型,促进了连铸的推广和应用。
世界范围内的两次能源危机促进了连铸技术的大发展,连铸机进入到迅猛发展时期。
传统的连铸高效生产在各工业发达国家取得了长足的进步,特别是非接触式自动定尺切割技术已受到了人们个高度关注。
至今,非接触式定尺切割系统也是主要的定尺切割设备。
在连铸的生产过程中,非接触式自动定尺切割系统得到了很好的运用。
另外,非接触式自动定尺切割系统进行连铸坯切割将被应用到钢坯连铸连轧的项目中,从而使连铸机的生产能力大幅度地提高,生产成本降低,
1.1.2国内发展状况
我国是连续铸钢技术发展较早的国家之一。
改革开放后,为了学习先进的国外技术和试验,加速我过连铸生产工业的迅速发展,引进国外连铸技术和设备。
这些连铸技术的引进促进了我过连铸生产技术的快速发展。
在学习国外技术的基础上,围绕操作、设备、品种开发和管理等方面进行了大量的开发与完善工作,此系统广泛适用于方坯、矩形坯、板坯等的切割。
并且可以对4流钢坯定尺切割,并显示每流钢坯的拉速。
十几年开的使用结果表明该系统可有效地提高剪切的精度,提高成材率,减轻工作人员的劳动强度;
成本低、安装、调试、操作简单方便,基本做到免维护。
1.1.3本课题的来源
在连铸生产过程中,钢坯生产出来后需按照轧钢机的要求切割,切成定尺和倍尺长度。
通常每炉钢水所浇出的铸坯长度有十几米到几十米,当多炉连浇时则更长,而这样长的铸坯在后序的过程中会产生一系列的问题无法解决,如储存、运输等。
因此根据成品规格及后序工步的要求把拉出的铸坯在运动中切成各种尺寸。
当前,连铸机的切割装置有机械切割和火焰切割,还有人工目测等。
假如钢坯的一端与挡板紧密接触,挡板不弯不松,挡板对于某些参照物的位置来说是可准确测量的。
同时这些参照物对于切割机不会移动。
但是,可惜的是这种情况不常遇到。
而定尺切割是钢铁行业连续生产工艺流程中的一个重要环节.钢坯、钢板、钢材等产品的生产都是连续的,必须对这些产品按照工艺要求进行切分。
而切分质量的好坏,直接影响产品的质量和成材率若精度不高、超长,则造成轧制后余料太多,若过短则造成次品量增加;
对于切面质量不高的钢坯,在轧制时必须切除不齐部分,这样造成严重浪费和出现过短次品。
在钢铁行业,切割系统有机械定尺档板、碰球、红外线等,但都存在结构简陋、工艺粗糙、操作不方便等缺点,因而误差大,切割精度低。
另外,由于客观条件和市场条件的变化,用户的要求也越来越高。
从而对生产厂家提出了严峻的挑战。
生产厂家的困难是在不过多地增加生产成本和改变生产线的基本情况下怎样大幅度的提高当前现有轧机的剪切能力,提高剪切的效率和精度,同时提高成才率,降低成本,从而更好地满足用户需求。
由于连铸坯的在线长度检测和定长切割是炼钢连铸生产工艺中的重要环节。
传统的切割测长系统采用的是接触式测量的方法。
如机械碰球方式,这种方式机构简单,成本低,但是在使用中存在如下的问题:
(1)、由于连铸坯表面氧化铁皮的影响,不能产生正确的信号,造成剪切误差;
(2)、改变定尺长度时,调整不变;
处理切头、切尾和事故坯时,妨碍操作;
(3)、由于生产现场的环境恶劣,再加上接触式测量系统日常维护大、精度不能保证。
在钢坯切割测长过程中很容易出现铸坯超长、未切断活测长不准等问题。
若不解决上述问题,就很难满足用户的需求,以致于误差过大而切出费坯的后果。
而为解决上述问题,本文是在设计连铸连轧生产线中采用非接触式自动定尺切割系统进行定尺切割。
非接触式定尺切割系统是利用图像处理技术通过彩色或红外摄像机远距离采集运动铸坯的图像,计算机对图像信息进行模式识别程序处理,形成操作信息,并转换为规定格式的电信号,以便通过执行机构对热铸坯进行剪切。
同时在不改变原生产线的基础上可有效的提高切割精度,提高产品的质量和产量,也提高了切割机的劳动生产率。
并且有投资少、安装、调试、操作方便,基本上做到免维护。
综合该系统的优点,对非接触式自动定尺切割系统的研究,无论在实践应用方面,还是在理论研究方面都具有很重要的意义。
同时,在当今社会,电动机的应用极为广泛,其中消耗的电能约占工业耗电量的65%,因此在该系统中合理地使用电动机,提高电动机的工作效率是其节能运行是十分重要的。
目前,通常交流电动机传动大多数为非调速型,耗能惊人。
如改成调速运行,使电动机的耗电量实现随负荷大小而变化,则可大量节约能源。
调速的方法很多,其中变频调速优于以往任何一种交流调速方式(调压调速、变极调速、串级调速等)。
1.2研究的目的及意义
本设计的目的是:
一方面提高切割系统的切割精度和成材率;
另一方面加深学习变频器调速的应用和PLC的控制应用。
意义在于对钢坯实现基于PLC的非接触式自动定尺切割,提高生产率,实现能源的节约。
由于摄像连铸钢坯自动控制系统建立了钢坯图像的特征数学模型,并在系统中采用了先进的图像处理技术,可提取图像中的动态信息。
因此可识别并跟踪钢坯,直至其到达规定的位置,所以系统具有超强的抗干扰能力。
又通过监视器实时显示热钢坯的运行状态,显示相应参数。
同时非接触式自动定尺切割系统为今后进一步建立图像分析和边缘检测的数学模型也建立了基础。
因此,非接触式自动定尺切割系统具有非常好的前景。
1.3课题的主要任务
(1)非接触式自动定尺切割系统的体系结构包括三面阵的CCD彩色摄像机、计算机控制、切割机设备。
其机构体系示意图为图1-1所示:
切割机设备
图1.1系统机构体系示意图
(2)摄像机安装在现场固定位置,先在现场实际标定零位,然后根据工艺要求标定切割长度位置,这样切割长度通过摄像机进入计算机,并在摄像连铸坯定尺测控系统软件中被标定。
当钢坯进入摄像范围内时,系统由于采用高分辨率摄像机和专用图像处理模块,根据钢坯的光谱特性和形状特征,从图像中提取钢坯信息,跟踪坯头位置。
根据自适应定尺技术计算出钢坯的准确位置,当到达切割长度位置是,发出信号经I\O控制卡传送给切割机控制系统PLC,控制切割系统动作。
切割动作完成后,切割机重新自动回到零位,进行下次切割。
(3)本系统充分利用了图像处理技术在线识别热钢坯的实时长度,自动控制切割机定尺切割热钢坯,检测、显示运行状态和拉速,通过彩色摄像机远距离的采集运动钢坯的图像信息。
(4)计算机对图像进行处理,形成操作信息,并转换为规定的电信号,通过执行机构对钢坯进行切割,该系统是用一台摄像机可同时对4流钢坯进行定尺切割的操作。
摄像机能够清晰的摄入4流钢坯和定尺标志,并且扇形的视角与钢坯流运行的方向垂直。
定尺标志可根据不同的定尺需要在扇形视角区域内移动,摄像机摄取运动热钢坯的图像,进行处理。
确定钢坯的长度。
同时4流钢坯分别碰到各流的限位开关时,启动压紧装置进行预加紧,延时一段时间,压紧结束,启动切割机对钢坯进行切割。
(5)非接触式自动定尺切割控制系统是采用非接触的摄像法,将摄取的图像信号通过最新的数字处理技术处理成数字信号,再进行空间微分,二值化等处理,得到热钢坯切头的位置信息L0,从而确定热钢坯的长度,当|L—L0|<|ERROR|时启动剪切机对热钢坯进行剪切。
(L指钢坯切割的设定长度,ERROR指设定的可接受的长度误差)。
使用切割铸机,当热钢坯运行离定尺标志适当距离时,可发送预夹紧信号,提高切割精度。
(6)在实际情况下,切割机每次切割的钢坯的种类和厚度都有相当大的差异。
切割厚的和薄的,软的和硬的钢坯的时候,如果都要采用同一种切割速度的话,不仅会造成很大的能源浪费,而且有可能出现无可挽回的损失。
解决本问题的方法就是利用变频器对拖动电机进行无级调速。
通过变频器的调速,来达到不同种类、厚度的钢坯采用不同的切割频率进行切割,以节约能源,提高利用率。
第2章连铸坯切割控制系统构成及测量原理
2.1连铸工艺流程简介
连铸的生产工艺流程:
将装有精炼好的钢水的钢包运至回转台,回转台转动到浇注位置后,将钢水注入中间包,中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中去。
结晶器是连铸机的核心设备之一,它使铸件成形并迅速凝固结晶,拉矫机与结晶振动装置共同作用,将结晶器内的铸件拉出,经冷却、电磁搅拌后,切割成一定长度的钢坯。
2.2测量原理
根据切割过程和现场情况,在不改变现有切割控制系统的基础上,应用图像处理技术,通过摄像机摄取4流钢坯运动图像,经高速图像采天集卡将图像数字化后输入计算机。
计算机对钢坯的数字图像进行处理,检测板坯边缘等,当达到设定长度时,由开关量输出卡发送信号至切割机PLC控制系统,对4流钢坯进行定尺切割操作。
并能够根据钢坯的边缘测量结果对系统进行自动调节,最终达到切割精度和成材率。
系统的总体布置为辊道旁设高精度摄像机,每套系统可安装3台摄像机,摄像机固定在操作室外垂直于辊道线,设置高度为4米,扇形视野与钢坯方向垂直。
切割控制器置于操作室内,定尺标志可根据不同需要在扇形视角区域内移动。
摄像机对钢坯图像进行处理后,实时检测钢坯的长度。
当钢坯行进离定尺标志适当距离时,可发出预加紧和加紧信号,这样可以提高定尺精度。
其测量原理如图
预压信号
剪切机
摄像机
图2.1测量原理
2.3测量系统构成
测量系统硬件主要由工业计算机、图像采集卡、显示器部分、计算器和脉冲发生器板卡、数字输入输出板卡、CCD摄像机及冷风系统部分、继电器板、端子板、电源等组成。
根据连铸钢坯定尺切割的规格范围(5.6~12m),测量系统范围约为6.5m,为提高系统分辨率,采用三个面阵CCD摄像机,每个CCD视野范围约为2m。
系统硬件组成,如图2.2所示。
摄像机3
图2.2系统硬件组成图
在连接和安装设备的过程中,以便摄像机能够清晰地全部摄到运动钢坯的图像,系统应保证其视角中心、钢坯头、定尺标志垂直,以提高定尺精度。
在生产现场安装3台摄像头,能对长度为1~10m的钢坯进行采集,实行分段控制,即对长为4~6m的钢坯用1号摄像头采集,对超过长度的钢坯增加新的摄像头,每2m增加1个摄像头.由于受生产环境影响,切割机切割后常常不能恢复零位,必须考虑切割机零位,否则会增大误差.因此,必须在切割机位置采用0号摄像头采集切割机切头位置,对于长度小于4m的钢坯直接利用0号摄像头控制;
每个摄像头安装在一定高度的适当位置,确保能同时对长为4~6m的钢坯进行采集.采集卡采集图像的点阵为768*576,每秒采集图像约为15~25帧,采集的动态图像信息通过采集其中,摄像机安装示意图如图2.3所示
操作室
摄像机
定尺切割机
图2.3摄像机安装示意图
2.4测量过程
在测量范围内均安装3个摄像机,相邻摄像机视野之间设定一定的重叠区域,使摄像机切换时钢坯图像边缘能连续跟踪。
摄像机头切换示意图如图2.4所示
123
图2.4摄像头切换示意图
2.5数值分析及计算
2.5.1钢坯长度确定
确定钢坯长度的方式有2种:
一种是直接量取,这是对长度小于5m的钢坯采用的方法。
若选定每幅图像水平像素点数为768,则采用直接量取的方法,其精度即可满足要求;
另一种是间接获得,当长度大于5m时,其误差比较大,无法满足精度要求,只能采用间接方法来获得,即找出钢坯图像首、末端位置,然后计算其长度,具体步骤为:
a.通过区域寻找得到钢坯流所在位置;
b.找到钢坯流首端的边缘大致位置;
c.在边缘位置选取一小块邻域图像进行匹配确定该区域全部是钢坯图像;
d.经过统计计算,求出该图像水平坐标的平均值,作为钢坯首端位置值L0;
e.按上述步骤求出末端位置Ls;
f.计算得到钢坯实际长度L=|L0-Ls|。
通过上述方法得到钢坯实际长度后,根据工艺及切割精度的要求,选择适当的定尺长度和精度值,将钢坯长度与定尺值进行比较。
若实际长度与定尺长度的差值小于或等于误差值,则发送切割信号给切割机进行切割。
2.5.2摄像机标定简介
实际钢坯以切割机起始位置为基准进行定长切割,因此测量系统应以切割机起始位置为基准建立世界坐标系,其中钢坯运行的辊道方向为X轴,钢坯的宽度方向为Y轴。
每台摄像机分别设置1条参考线,距离世界坐标原点实际距离为Sn(n=1,2,3),被映射到计算机坐标系下得X轴坐标为Xn(n=1,2,3),为减少摄像机径向畸变的影响,系统采用分段线性化的方法将每一台摄像机摄像范围按径向对称的原则分为4个区域(见图5摄像头标定线),分别标定其比例系数Kni(i=1~4),为相邻两条标定线间实际长度与对应计算机坐标系像素值之比;
根据实际钢坯边缘在计算机坐标系中的X轴位置,计算出不同区域像素距离ΔXni,则实际钢坯长度为:
系统中,计算机显示屏幕设置为1024×
768方式,实际钢坯宽度在计算机坐标系中约占有100个像素,标定板安装在辊道的侧面,因此可将计算机坐标系在Y轴方向上分为标定区和检测区(见图2.5),这样可以消除参考线和标定想的投影对钢坯边缘检测的影响。
Sn
(0,0)
X
钢坯边缘
标定区域
测定区域
Y
图2.5计算机坐标系图像分布
2.6自动定尺切割系统与连铸机切割控制系统的连接与使用
当检测到4流钢坯分别到达定尺线时,能够通过继电器输出一组高电平脉冲信号。
脉冲信号持续的时间,可以根据需要在软件系统“精度参数设置”切割延时项中自由设定。
在控制器后面板左侧有一组接线端子,脉冲信号由此输出,并连接到连铸机控制系统模块中。
切割启动信号,控制切割机开始切割。
当要改变定尺时,上位机发出5—24v电压信号,主动自动识别其含义,软件自动显示。
同时,在PLC的外围硬件连接方面,由于输出大多是和接触器等元件连接,PLC输出的突然断开和闭合会形成突波干扰,对PLC输出端子造成损坏,因此需要再外围加一些保护装置,以增加寿命。
第3章系统总体设计
钢坯切割系统的结构
自20世纪70年代以来,板材切割机凭借其结构紧凑、工作平稳、操作轻便灵活、安装维修方便等的特点,在钢材加工中得到了广泛的应用。
目的是把前道工序加工好的板材切割成所需要规格的成品板材。
特别是近几年来,随着国内广场道路建设以的飞速发展,板材切割机进行了广泛的应用。
通常对板材切割机功能进行分析,本设计采用通用的板材切割机,其基本机构如下:
a.板材切割机的基本功能是切割,多采用电动机拖动锯盘或者砂轮,对板材进行切割,此部分为板材切割机的切割机构。
b.在对板材切割时,切割机构需要行进与后退完成对板材的切割工作,这里的切割机构的移动就需要拖动电机与牵引部分的参与,此
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- 接触 自动 切割 系统