产品特点：智能化热连轧精轧区域带钢跑偏监测系统热连轧精轧区域的带钢跑偏废钢、头部穿带起套废钢、带钢尾部跑偏甩尾等问题严重影响精轧区域的轧制稳定性。国内外钢铁厂家及研究机构投入大量的资源进行相关技术的开发，但控制效果都不明显。

智能化热连轧精轧区域带钢跑偏监测系统

智能化热连轧精轧区域带钢跑偏监测系统一技术需求

1、现状及存在的问题

热连轧精轧区域的带钢跑偏废钢、头部穿带起套废钢、带钢尾部跑偏甩尾等问题严重影响精轧区域的轧制稳定性。国内外钢铁厂家及研究机构投入大量的资源进行相关技术的开发，但控制效果都不明显。例如：为控制精轧机架内带钢跑偏，德国 SMS 公司开发了张力活套，即在活套辊的辊身方向上布满压力检测传感器用以检测带钢在机架内的位置，从而将检测信息反馈给控制系统进行带钢纠偏控制。日本 MH/TMEIC 等公司开发了压差活套，即在活套支撑臂上安装测压装置，利用两边的检测压力偏差来间接反映带钢在机架内的位置，从而反馈给控制系统进行纠偏控制。上述各种方式，采用的是间接测量原理，不能真正反映带钢在机架内的真实位置，从而很难起到良好的控制效果。

从现有类似钢板跑偏检测的图像处理系统分析系统，发现都具有一个共同特性，暨系统的图像处理和钢板跑偏检测都采用了软件如使用 C 或 C++语言编程，且运行在操作系下。由于整个钢板跑偏检测的图像处理是通过软件实现，软件运行本身就可能会遭受各种干扰，会引发程序飞跑，掉入死循环。还有就是操作系统的对进程调度、资源分配都是由系统自己完成，用户无法进行干预、控制和管理。钢板跑偏检测的图像处理系统是工作在高速运行状况下，图像处理的实时性高，数据量大（图像信息处理量达到 1920*1080（像素）*50（每秒 50 幅）*4（相机个数）。如仍沿用上述的方法在操作系统上用软件进行钢板跑偏检测的图像处理系统，必然会出现资源分配冲突，进程阻塞，调度失败。同时，缺乏行之有效图像处理算法，无法有效排除水汽、水花和运动钢板无规则抖动干扰，造成不能对运动钢板边沿正确定位。上述诸多原因是可能造成现有钢板跑偏检测的图像处理系统分析系统工作不稳和正确定位的主要原因。

2、采用技术

为了消除现有系统工作的不稳定性和实现运动钢板正确定位。我们在硬件上采用了先进的软件硬件化技术。所谓《软件硬件化技术》就是对已可运行的软件采用特殊的手段进行移植，将其移植到超大规模可编程逻辑控制阵列上。实现用硬件来替代现有系统软件工作方式。本系统中采用美国 intel 公司 EP4CE55F23I7 FPGA 可编程逻辑控制阵列为核心，通过 VHDL 对原 C 或 C++的图像处理软件进行移植。在 QII_15.0 上进行编译和综合，然后烧入到 FPGA 附属的 FLASHROM 中。按设计要求，改变 FPGA 可编程逻辑控制阵列的结构，实现软件硬件化。经软件硬件化后，整个钢板跑偏检测的图形处理器工作在被改变结构的 FPGA 可编程逻辑控制阵列的硬件环境上。其是每个图像处理进程（任务）的工作次序、工作方式、资源分配和进程调度可由用户预先设置、分配并由用户管理和调度，不会出现软件程序常出现资源冲突，进程阻塞。程序飞跑和死循环。由于 FPGA不在操作系统上工作，所以消除了操作系统自生存在的许多不可预见的因素。大大提高设备工作的稳定度和实时性。

对实时高速运行带钢图像进行了形态分析、模式识别、数理统计、前趋追溯及智能综合可以有效排除水汽、水花和高速运行钢带无规则抖动干扰，正确定位运动钢带边沿位置。为能实现有效控制高速运动带钢中心偏移提供行之有效的检测系统。

本智能化热连轧精轧区域的带钢跑偏监测系统采用四相机模式。由于相机感光传感器 COMS 技术不断成熟，其制造成本大幅下降。德国 Basler aviator 系列

AvA1900-50G 面阵工业数码相机价格只有原先的 1/8。但采用四相机工作模式可以大大提高了图像处理质量、带钢边沿定位的精度和系统工作的稳定性和冗余能力。本系统可以确保不在同一边的两个相机同时发生故障，不会影响系统正常工作。

本智能化热连轧精轧区域的带钢跑偏监测系统中图像采集和处理器采用双电源冗余工作模式，确保在某个电源故障时不影响系统正常工作。

系统具有自动运行监测功能，任何潜在缺陷都会在图形工作站电脑屏上报警显示。

整个检测系统具有冗余工作能力，以保证在发生设备缺陷时，系统仍能正常工作。

一、系统组成

运动钢带中心位置测量系统 FM CPMS 是基于视觉检测和运动物体边缘检测技术。它主要由视觉图像获取系统和图像处理分析系统组成。

二、视觉图像获取系统

视觉图像获取系统是由四台高速高分辨率的工业数码相机一台视觉图像控制器、10 台千兆以太网光纤转发器组成。

高速高分辨率的工业数码相机采用德国 Basler aviator 系列面阵工业数码相机，型号和技术参数如下：

avA1900-50mg 工业相机接口采是 Gigabit Ethernet（GigE）接口。GigE 接口是工业应用所新开发的一种图像接口技术，以 Gigabit Ethernet 协议为标准，主要用做高速、大数据量的图像传输，远距离图像传输及降低远距离传输时电缆线的成本。可通过一台控制单元对多台千兆网工业相机进行图像采集，目前千兆网工业相机已代替其他接口成为主流.

avA1900-50mg 工业相机有两种工作模式，API 模式和 I/O 控制模式。 avA1900-50mg 或 MV-CA023-10G 工业相机允许用户采用 API 模式通过千兆以太网向工业相机发送各种控制参数，设定相机工作方式，控制相机工作；读取工业相机工作状态和获取的实时图像。

avA1900-50mg 工业相机也允许用户同时采用 API 和 I/O 控制模式。通过千兆以太网向工业相机发送各种相机控制参数，设定相机工作方式，读取工业相机获取的实时图像。而通过 I/O 控制相机的工作和获取相机的工作状态。

视觉图像控制器是视觉图像获取系统的指挥中心。它才用了美国 TI 公司高性 FPGA EP4CE55F23I8N 为核心的嵌入式工业控制器。

视觉图像控制器硬件配置和技术指标

视觉图像控制器具有上电自起动功能，被设计成无人值守工作模式。它有 9个千兆以太网口，其中 TCP 端口 1、3、5、7 通过千兆光纤收发器 DGE872 与相机1、2、3、4 连接，接收来自现场钢带信息。TCP 端口 2、4、6、8 与图形工作站计算机（IMPC）的 scoket5（TCP5）连接，用于传送钢带图形信息供显示和存盘用。TCP 端口 9 接受来自 IMPC 的各种控制参数和向 IMPC 发送工业相机的工作状态和视觉图像获取系统的工作状况的信息。

视觉图像控制器有 8 个高速 12BIT AI 转换器，转换速率达到 200KS/S 其中 AD1 可接收 4-20MA 现场信号，连接至现场钢胚运动速度传感器。AD2 连接至视觉图像获取系统控制柜内部温度传感器，检测视觉图像获取系统控制柜内工作温度。 AD3、AD4 备用。

视觉图像控制器有 8 个高速 16BIT AO 转换器，转换速率达到 200KS/S 其中AO1 1#视觉图像控制器钢带中心偏移输出，精度 0.2%；

AO2 1#视觉图像控制器钢带宽度偏移输出（参考）；

AO5 2#视觉图像控制器钢带中心偏移输出，精度 0.2%；

AO6 2#视觉图像控制器钢带宽度偏移输出（参考）；

AO3、AO4 1#视觉图像控制器钢带中心偏移控制输出（备用）；

AO7、AO8 2#视觉图像控制器钢带中心偏移控制输出（备用）；

视觉图像控制器有8路数字量输入，其编号为DI0-DI7，每路输入在电气和信道上隔离，并能承受1MHz开关频率。信号电平符合HTL标准。各路DI输入均经光电隔离连接到FPGA，在FPGA中为每路DI均配置了数字滤波器，虑除干扰信

号，提高系统的抗EMC能力。（备用）

视觉图像控制器有8路数字量输出。其编号为DO0-DO7，每路输出在电气和

信道上隔离，并能承受500KHz开关频率。输出干节点可以承受DC24v0.2A负载。

以太网光纤收发器的作用是将以太网线缆通过光纤收发器转换成光纤传

输。在视觉图像获取系统需要10台光纤收发器，其中1#-8#光纤收发器供四台工业相机所用，9-10#光纤收发器连接视觉图像控制器的TCP1，6#光纤收发器备

用。

光纤收发器采用友讯的DEG872。

主要特性

-遵循IEEE 802.3, 802.3u ,802.3/ab 10/100/1000BASE-T 标准;

-遵循IEEE 802.3z 1000BASE-X 标准;

-双绞线极性自动检测

-支持单模光纤，最远传输距离20KM。

-光口为1000M 全双工模式；电口为10/100/100M 自适应模式；

-电口能自适应直通线/ 交叉线连接方式;

-电口支持全双工/ 半双工工作模式；

-LED 状态指示灯

-便携式，重量轻，可与机框式产品共用（DMC-1100，DMC-1000）

三、系统工作过程：

运动钢板边沿位置检测图像数据分析处理器是本次研发项目的核心任务。在本项目里我们采用FPGA技术。实现软件硬件化。整个图像数据分析处理器由7片现场可编程逻辑芯片和若干片千兆以太网模块构成。现场可编程逻辑芯片采用美国INTER公司的CLONE系列的四代EP4CE75F23I7和EP4CE55F23I7。千兆以太网芯片采用RTL8211EG。其中FPGA1-FPGA4是图像数据接收模块，FPGA5是图像处理和计算模块，FPGA6是通讯模块，FPGA7是数字与模拟量输入输出模块。

图像数据分析处理器工作原理和技术要求如下所述：

图像接收存储单元，由4片FPGA1-FPGA4和相应的千兆网接收模块组成，

FPGA采用美国INTER公司的CLONE系列的四代EP4CE75F23I7。千兆网接收模块采用RTL8211EG。遵循GIGE V2.0协议。最大传输1920*1200*50每秒。最大存储量为1920*1200B。FPG1-FPGA4模块功能是实现将由千兆以太网模块传来的图像数据保存到双口内存中。并通知图像处理模块FPGA5可以对已保存的图像数据进行处理。

图像处理模块FPGA5采用美国INTER公司的CLONE系列的四代EP4CE75F23I7。 FPGA5中有五个进程分别为P1-P4是图像处理进程，P5是钢板宽度、中心偏移和钢板两侧高度偏差计算进程。图像处理模块FPGA5的P1-P4的四个进程同步进

行，首先要对图像质量进行检测，并根据需要适当调节曝光时间，提高下一副图像质量。然后，对图像进行增强、降噪、去雾、形态分析、模式识别、数理统计和智能综合，最终计算出钢板边沿在各图像中的准确位置。P5进程将对图像处理进程P1-P4获得的四个钢板边沿位置，根据光学成像原理计算出钢板的中心偏差、钢板的宽度（参考）。

通讯处理模块采用美国INTER公司的CLONE系列的四代EP4CE55F23I7、德国赫优信COMX51等芯片组成（选用）。FPGA6由四个进程组成。P1进程是PN通讯接口。P2进程是OUCTCP通讯接口。进程P1和P2将FPGA5模块的P5进程得到的钢板数据实时的送至PLC。P3进程是MODBUSTCP接口，将FPGA5模块的P1-4进程得到的曝光时间送至相机控制器，同时读取四个相机的工作温度,和现场柜的环境温度。进程4是图像处理器与上位计算机通讯接口。通过此接口图像处理器把实时图

像，实时测量数据及相机的工作状况实时地传送至PC机。

数字模拟量输入输出模块FPGA7采用美国INTER公司的CLONE系列的四代

EP4CE55F23I7及美国德州公司的DI、DO隔离芯片、AI、AO芯片等组成。该模块的功能是满足一些没有PN接口的PLC。通过图像处理器提供的数字模拟量输入输出模块FPGA7，可以方便的与没有PN接口的PLC进行信息交流。数字模拟量输入输出模块FPGA7由四个进程组成。P1进程是数字量输入进程，此进程可同时对8个数字量高速信息进行处理，响应时间100us。8个数字量输入隔离，可以 DC24V—AC24V@10KHZ数字量信号，极性任意。P2进程是数字量输出进程，8个数字量输出隔离，可以输出4路电平0-24V，信号频率DC-10KHZ，电流250MA共源数字量信号和4路电平0-24V，频率DC-0.5KHZ，输出电流2A极性任意数字量信号。P3进程是4路模拟量输入，输入信号电平±10V、±5V、0-10V、0-5V、4-

20MA、0-20MA。输入信号频率DC-10KHZ.各通道隔离。P4进程是4路模拟量输出，输出信号电平0-10V、0-5V、4-20MA、0-20MA。输出信号频率DC-10KHZ。 4路模拟量输出通道分别对应钢板的中心偏差精度0.2%、钢板的宽度（参考）。

四、图形显示、图形保存、数据保存及人机交流工作站

采用至强6或I9 研华工业计算机。主频5.7G 内存128GDDR6、硬盘SSD 6T*3。

工作站功能：

1、实时显示钢板实际运动状况图像，并保存。

2、实时显示钢板边沿位置、中心偏差、宽度（参考），并存盘，使用Iba5.2可历览数据。

3、实时显示相机和现场柜工作环境温度及相机工作情况及对系统发生的各种缺陷作出报警。

五、技术指标

1、带钢位置检测静态精度±2mm。

2、带钢位置检测动态精度±0.2%。

3、整个检测系统电磁兼容达到工业四及标准。