（检测技术与自动化装置专业论文）冷轧系统温度及钢板缺陷检测的研究.pdf

摘要 摘要 在冷轧钢板制造过程中，由于连铸钢坯、轧制设备、加工工艺等 多方面的原因，导致钢板表面出现辊印、夹杂、结疤、划伤和压痕等 不同类型的缺陷，这些缺陷不仅影响产品的外观，更严重的是降低了 产品的抗腐蚀性、耐磨性和疲劳强度等性能。特别是自本世纪8 0 年 代以来，由于用户的需求，市场竞争的加剧和企业内部优质、高产、 低耗的生产压力对钢板表面质量提出了越来越高的要求。 在研究了目前现有先进的检测钢板表面缺陷的方法基础上，本文 提出了种基于线阵c c d 工业高速摄像机与p c i 总线板卡结合的解 决方案，该解决方案使用c p l d 与d s p 融合技术实现数据处理，具 有速度快、精度高的特点，可以自动完成图像采集、传输、显示、图 像增强和报警停车等任务。在对需求进行详细分析的情况下，本文搭 建了一个基于d s p 、c p u ) 及c a m e r a l i n k 协议的p c i 板卡，该板卡 的设计是根据冷轧钢板生产工艺各项指标的要求进行的设计，使用 p r o t e ld 进行板卡的原理图和p c b 部分设计，并使用测试板卡对 本系统进行调试，使用d r i v e r s t d i 0 3 2 编写了板卡的上位机驱动及测 试程序，最终实现了c a m e r a l i n k 协议图像传输部分的调试。 在搭建的测试平台上的测试结果表明，本系统可以较好的完成图 像数据处理及传输功能。本文全面的研究了基于线阵c c d 摄像机的 冷轧钢板表面缺陷在线检测系统，并在文章最后提出了改进措施，为 今后的开发提供参考。 关键词：冷轧系统，红外测温，图像增强，中值滤波，c a m 锄n k 摘要 a b s t r a c t 7 n l e r ea l w a y sa r es u r f a c en a w si i l p r o c c s so fc o l d r 0 us t e e ls h e e t c a u s e db yc a s ts t e e l ， r 0 1 l i n gd e v i c e a n dp i - o c e s s t e c h n i q u e se t c ，f b r e x a m p l e ，i m p r i n t i i l g ，i m p u r i t y ，s c a r ，l a c e r a t i o na n di m p r e s s i i ls t e e l s u 血c e ，w h i c hn o to n l yi 1 1 f l u e n c ea p p e a r a l l c eb u ta l s od e g r a d er e s i s t a n c e ， h a r d i i l e s s ，s t r e n g t h l i i l l i to fs t e e l h i g h e ra n dh i g h e rq u a l i t yo fs t e e l s u 血c ei s r e q u i r e d d u et oc u s t o m e rn e e da 1 1 dd r 硒t i c m a r k e t i n g c o m p e t i t i o ns i n c e8 0y e a r sl a s tc e n t u 醪 w i t hh a r ds t u d yo fa d v a n c e dd e t e c t i o nt e c l l i l i q u e s ，t h i sp a p e r b r i n g s f b 聊a r dap r o p o s a lb a s e do nc c da l l dp c if i e l d b u s ，w h i c hc a r r i e so u t h i g h s p e e da n da c c 加i r a c yd a t ap i d c e s s i n gb yc p l da n dd s pa n dc a n a u t o m a t i c a l l l y 铀i s hd a t ac o l l e c t i o n ，t r a n s l n i s s i o n ，d i s p l a y ，b u gd e t e c t i o n ， a 1 锄a n ds h u t t i n gd o w n r n l em a i np a r to fd e s i g ni sap c ii i l t e g r a t e d c 砌i tb o a r db a s e do nd s ec p 】：da n dc a m e r al i n kp r o t o c o la f t e r c o m p l e t e da n a l y s i s0 fd e m a n d n i s b o a r di s a c h i e v e da c c 0 r d i n gt 0 p r 0 c e s st e d m i q u e sr e q u 讹m e n t ，u s i i l gp r o t e ld x pt 0 血i s hc i 舰i t s c h e m ea n dp c bp a n s 础s ot h et e s tb o a r di su s e dt o d e b u g 锄d d r i v e r s t d i 0 3 2l i s e df o rd r i v e ra i l dt e s tp r 0 伊a m f i n a n y ，i t ss u c c e s s f l l lt 0 a 咖e v et h ed e b u go fi m a g et r a n s m i s s i o nb yc a m e r 山n k p r o t o c 0 1 t h et e s tr e s u l tg a i l l e d 矗o mt h ed e s 追ns y s t e mi n d i c a t e st h a ti tc a n g r e a t l ya c h i e v ef u n c t i o n 妇a g ed a t ap r o c e s sa n dt r a n s 皿s s i o n t h i sp a p e r e d u c e s 锄o i l l i n em e a s u r es y s t e mo fc o l d - r o l ls t e e lf l a wd e t e c t i o nb a s e d 明c c dc a m e r aa n dc o n d u d e si i n p r o v e m e n tp o i n tw r h i c hi sv a l u a b l e 舔 r e f e r e n c ef o rd e v e l o p m e n ti nf u t l l r e k e y 、o r d s ：c o l d - r o l ls y s t e m ，i n f r a r e dr a yt e m p e r a t u r em e a s u r e ， i m a g eb u i l t u p ，m e d i a nf i l t e r c 锄e r a 】一i n k n 符号说明 d s p c p l d r a m d r u c c d p c i p c b 符号说明 d i 酉t a ls i 萨dp r o c c s s o r 数字信号处理器 n p l e xp r o 伊锄a b l el 0 酉cd e v i c c 复杂可编程逻辑器件 r 触d o m - a c c c s sm e m o 巧随机存取存储器 d u a lp o nr 越d o m - a o c c s sm e m o 巧双端口随机存取存储器 c h a r g ec 0 u p l e dd e v i c e 电荷耦合器件 p c r i p h e m lc o m p o n e n th t e 瑚皿e c t 外设部件互连标准 p 血t e dc i 拟l i tb o a r d 印制电路板 v h 摘要 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：翌鱼 日期：圣翌宴：彭：! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位 论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权 单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存、汇编学位论文二 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：里查 导师签名：圣盘翅 日期：堑墨：每； 日期：麴壁：多! ! 第一章概述 1 1 目的和意义 第一章概述 在钢板制造过程中；由于连铸钢坯、轧制设备、加工工艺等多方面的原因， 导致钢板表面出现辊印、夹杂、结疤、划伤和压痕等不同类型的缺陷，这些缺陷 不仅影响产品的外观，更严重的是降低了产品的抗腐蚀性、耐磨性和疲劳强度等 性能。特别是自本世纪8 0 年代以来，由于用户的需求，市场竞争的加剧和企业 内部优质、高产、低耗的生产压力对钢板表面质量提出了越来越高的要求。 目前，世界各国在钢板生产产品的尺寸精度控制方面已取得显著成效，尤 其在厚度、宽度、板形等方面在生产中取得了实际应用。然而，在国内外先进的 钢铁制造企业中，特别是一些国内中小型企业中，数十年来一直沿用人工开卷抽 检或频闪光法等检测方法进行表面质量检测，经过概率计算并参考检测人员的经 验数据形成带卷的综合质量评定t l 叫。这些方法具有以下突出弊端： 1 ) 抽检率低，不能真实可靠地1 0 0 反映带卷上下表面的质量状况，很难 检测到细微缺陷，尤其是对于加工过程中产生的大量非周期性缺陷极有可能造成 漏检。以前用户一般只关心钢板的上表面质量，现在对下表面也提出了质量要求， 这样抽检的方法根本达不到用户的要求。 2 ) 只能用于检测运行速度很慢( 在5 0 玎虮n i n 以下) 的钢板表面，实时性 差，远不能满足生产线高速的生产节奏。由于生产线上速度很快，人眼很难发现 高速运行钢板表面的缺陷，所以通常会设置停车定位检测线，使得生产效率和质 量控制成为矛盾。 3 ) 缺乏检测的一致性、科学性，主要依赖检测员的主观判断，从而降低 了检测的置信度，检测环境恶劣( 特别在热轧现场) 、工作枯燥，对人身危害较 大，而且检测人员的疲乏和精力的分散，都会造成误判和漏检。 4 ) 后果影响严重，如若在钢板加工过程中的前期工序不能在线检测出某 些严重的表面缺陷，那么随着加工工序的延伸，势必将其引入后续工序，这将可 能导致整批产品的降级、重加工，甚至报废。 因此，实现钢板表面缺陷自动检测的目的就是在生产线正常运行的条件下 尽量实时、无遗漏地检测出钢板表面主要的缺陷类型，实现钢板表面缺陷的实时 检测、自动识别及分类功能，通过统计分析并参照产品质量等级评定标准，评估 出单个或批量产品的质量状况，并提供给工厂质量控制部分，作为其决策的依据， 这样就可以建立一个及时的信息反馈系统，把产品的质量信息及时反馈给生产 线，通过信息的反馈，及时对生产过程进行调整，如换轧辊、修正控制参量，及 北京化工大学硕士学位论文 时排除引起钢板表面缺陷的因素，减少后续产品的表面缺陷，构建一个高效先进 的生产流程。另外，可以将检测工人从枯燥、单调的工作中解脱出来，改善工人 的工作环境。而且，高质量的表面检测系统提供高置信度的数据，获得钢板表面 缺陷信息，供厂家和用户参考，通过分析检测信息，厂家可以依据事实数据进行 更加准确的产品等级划分，用户能根据产品实际情况，因材制宜，合理规划材料 的使用，做到物尽其用，这对于减少贸易纠纷，维护企业信誉有重大意义。因此， 发展钢板表面缺陷的在线检测技术，实现钢板生产过程的快捷、数字检测，具有 重大意义。 1 2 目前国内外研究概况 1 2 1 传统的检测方法 5 0 年代至6 0 年代，冷轧钢板表面缺陷检测主要采用人工目视检测方法，检 测者凭借肉眼观察缺陷，但是肉眼检测能力毕竟有限，在目标物速度过快的情况 下，眼球无法准确捕捉图像特征，从而产生“运动模糊感 目标物之移动速度 若在5 0 6 0 m m i n 之间，眼力尚能承受，若速度高于1 0 0 岫，就完全无法分 辨细微的表面缺陷了，从而产生钢板表面缺陷的大量误检。现在国内一些中小型 企业仍然采用这种方法，但是为了检测下表面的缺陷，在钢板运行检测线下方修 建一个监控室，采用平面镜反射观察下表面的缺陷，一旦发现缺陷就电话报警， 检测线只好停机翻板，这样就影响了生产流程，降低了生产效率。 频闪光检测其检测原理是具有l o 3 0 u s 的脉冲闪光会引起人的视网膜静止 反应，起到照相机快门的作用。将该种检测方法进一步发展，即将频闪光源与专 用的视频摄像机结合，通过监视器观察缺陷。这种方法自动化程度低。 1 2 2 自动检测方法 目前在实际中得到应用的表面缺陷自动检测方法主要有涡流检测技术、漏 磁检测技术、红外检测技术、超声波扫描法以及视觉检测技术。 1 涡流检测技术p 叫j 基于涡流检测的原理有两种，一种是以电磁效应为基础的，这种方法类似 两个线圈耦合( 待测钢板相当于一个线圈) ，当通以交变电流的线圈中无检测物 时，得到空载阻抗：z o r + j ，当线圈放入工件中，由于工件受到涡流影响， 线圈阻抗变为：z 。一r + j 础，通过z o 与z ，的比较，根据检测线圈的变化，便 可推知待检物对磁场影响，从而检测出表面缺陷【1 1 【2 1 。另一种方法是利用涡流的 2 第一章概述 趋肤效应，涡流在被检测工件中流过时，分布是不均匀的，涡流密集于靠近线圈 的工作表面，随着距离表面深度的增加，涡流逐渐减小，称为趋肤效应。表面缺 陷的检出灵敏度取决于所在位置的涡流密度。1 9 8 9 年法国洛林连轧公司福斯厂 研制成功一种安装在火焰切割设备前端，能够在线无损检测热连铸板坯表面质量 的涡流探测设备e d i s o l 该设备通过配置在板坯上下表面做横向往复移动 的涡流探测器检测纵裂纹，通过配置在板坯窄面和棱边处固定的涡流探测器检测 横裂和角裂，其检测原理如图1 1 所示。考虑到检测位置处板坯宽面温度通常 都大大高于居里点( 或磁性转变点7 6 8 0c ) ，而板坯的棱边附近和窄面的温度只 是接近或者低于居里点，因此对于纵裂、横裂和角裂的检测分别采用了两种不同 的差动式涡流探测器，根据板坯钢是否具有铁磁性来设计相应的工作频率。 a b b m e t a l l u r g y 公司采用多频涡流检测原理开发出的d e c r a c k t o r 连铸板坯表 面检测装置，可获得更多的检测参数，并抑制多种干扰因素的影响，提高检测的 分辨力与可靠性，从而准确评价待检板坯的表面质量。 图1 le d l s o l 涡流检测原理 f i 阴n l l e d l s o l 、b r 蛔【d e t e c ：t i 如p 血c i l l e 涡流方法只能检测金属板材表面和表皮下层阻流缺陷p 叫，例如：麻点等缺 陷。其次，此种检测需要大电流励磁，如果在生产线上。不仅造成能源极大浪费， 并且容易“污染 电网，给正常的生产造成困难。再次，涡流检测方法，要实现 热图像检测，必须具备两种条件：1 、检测前的板材为均匀温场，这对于热轧钢 板来说，几乎是无法满足的；2 、速度必然足够慢，使缺陷有足够的加热时间， 使缺陷充分暴露，这必然限制了检测和生产的速度，不利于生产的高速化实现。 因此这种方法不适宜高速轧制钢板的表面检测。 1 2 漏磁检测技术p 卅 漏磁检测法于8 0 年代开始研制，并应用于工业生产。但早期的磁传感器灵 敏度不高，所以产品并不成功。9 0 年代以后，日本钢管公司福山厂研制了“漏 磁法 ，并特别开发了高灵敏度的磁传感器“m g s + a ，能够稳定的测出5 1 0 4 m m 。j 的微小内部缺陷，并于1 9 9 1 年在日本n k k 公司福山制铁所投入使用，达到实 用阶段。如图1 2 所示，检测原理是利用漏磁通密度与缺陷的体积成正比的关 系，通过测量漏磁通密度从而确定缺陷的大小并对缺陷进行分类。日本川崎制铁 3 北京化工大学硕士学位论文 千叶制铁所于1 9 9 3 年开发出在线非金属夹杂物检测装置。该装置使用直流磁化 的漏磁法，励磁器与检测元件呈同一方向配置，检测元件采用了高灵敏度的半导 体式磁敏元件，用于检测水平磁通分量。磁敏传感器的输出信号经带通滤波器去 除噪声后，由计算机实时识别出缺陷目标并计算出非金属夹杂物的体积等参数。 漏磁检测技术广泛地应用于钢铁产品的无损检测场合，漏磁检测技术不仅能检测 表面缺陷，而且还能检测内部的微小缺陷，可用于在线确定钢板中微小的金属夹 杂物，但该方法不能检测表面粗糙度，并且由于采用漏磁原理来检测缺陷，因此 只能用于金属材料的检测，而且对于大量的表面缺陷类型的检测能力不足，无法 实现对缺陷进行准确的识别。 图1 2 漏磁检测装置原理 f i g i l 托1 2m a g n e 配f l u xl e a k a g el 舱p e c l i o np r n c l p l e 3 红外检测技术l j 牛训 挪威e l l 【e m 公司于1 9 9 0 年研制出n e 姗o m a t i c 连铸钢坯自动检测系统， 如图1 3 所示。该系统的检测原理是：在钢坯传送辊道上设置一个高频感应线 圈，当钢坯通过时在表面会产生感应电流，由于高频感应的趋肤效应，其穿透深 度将局限于1 姗m 以内。在有缺陷的区域内，感应电流将力图从缺陷下方流过， 从而增加了电流的行程，导致在单位长度的表面上消耗更多的电能，这将引起钢 坯表面温度的局部上升。由于缺陷处的局部温升取决于缺陷的平均深度、线圈工 作频率、特定的输入电能、被检钢坯的电性能和热性能、感应线圈的宽度、钢坯 的运动速度等因素，因此如若使其他各种因素在一定范围内保持恒定，便可以通 过检测局部温升值来计算缺陷的深度。t h e 咖o m a t i c 系统采用安装在钢坯周围 框架上的四个红外( m ) 扫描器来探测钢坯各表面的纵向温度分布，通过优化调 整高频线圈、m 扫描器和钢坯之间的相对位置，可以在线检出热钢坯表面的纵 裂纹和横裂纹等缺陷。日本茨城大学工学部的冈本芳三等人在检测板坯试件表面 的裂纹和微小针孔的实验研究中，综合比较了x 射线检测、超声波探伤及红外 检测等方法的检测性能，结果显示红外方法的缺陷检测分辨率高于前两者。 4 第一章概述 红外扫 连转钢坯 表层 圈1 3n e 曲旬一m a t i c 红外检测原理 f i g l i 聪1 1 3n e 衄o - m a 缸cl n f r a r e dd e t e c t 加p r i n c i p i e 4 超声检测技术瞄1 删 传统的超声检测用压电换能器生成和拾取超声信号。这种方法需要耦合剂， 对被测样品会产生影响，也比较容易受到外部的干扰而激光超声技术作为新兴 技术，是目前国际上超声检测技术的研究热点。它具有完全非接触、能用于远程 控制、转换效率高和受表面状况影响小等优点，测量的准确度和分辨力也很高， 非常适宜微裂纹的检测，多用于成型产品的检测。例如，在锅炉压力容器的使用 现场，对裂纹和焊缝进行检测。 上述方法各有特点，可以根据实际情况应用于不同的场合。目前，应用最 为广泛的、能够很好的实现钢板表面缺陷在线无损检测的是以计算机视觉技术为 基础的检测方法，包括激光扫描法和c c d 成像检测法，下面对这些方法及其典 型系统予以分析和重点介绍。 1 2 3 计算机视觉检测方法p 5 蛔 伴随着本世纪6 0 年代激光技术、c c d 器件的相继问世和计算机技术的飞速 发展，计算机视觉技术应运而生，并迅速在工业无损检测领域推广普及开来，有 效地拓展了无损检测技术的应用范围。进入9 0 年代，随着电荷耦合器件( c h 叫，e c 0 u p l e dd e v i c c ，c c d ) 、自动视觉检测技术( a u t o m a t i c 龇a li l l s p e c t i o n ，a ) 、 集成电路应用技术( a p p l i c a t i o ns p c c i 】丘ci n t e 伊a t c dc i i a l i t ，a s i c ) 、大规模集成 电路( v e r yi a r g i es c a l eh t e g 阮t i o n ，v 璐i ) 技术、，数字信号处理( d i 西t a ls i 印a l p r o h c e s s i l l g ，d s p ) 技术、计算机模式识别理论及人工智能理论等相关研究领域的 理论探索和应用研究日臻完善和实用化，钢板表面自动检测系统的研究工作日趋 5 北京化工大学硕士学位论文 深入和广泛。应用于钢板表面缺陷检测上面主要分为激光扫描法、线阵c c d 行 扫描检测法与面阵c c d 拼接成像检测方法，还有最新的“面阵c c d 传感器+ 线 阵c c d 传感器 的多传感器融合的检测方法。 1 基于激光扫描的计算机视觉检测技术 6 0 年代激光器的出现使光电检测技术有了更加引人瞩目的发展前景。激光 作为一种新型的光源显示出巨大的优越性。1 9 7 1 年，英国钢铁公司、伦敦c r i - y 大学、s 卫p a 工学院联合开发出以5 m w 的髓一n _ e 激光器作为扫描光源、1 2 面 反射棱镜和柱面镜光学系统、使用光电倍增管接收的检测系统。该系统的设计思 想和总体结构，成为以后各种有关激光表面检测技术发展的基础。1 9 8 5 年，日 本成功地将激光扫描技术应用于千叶厂和川崎厂，其扫描装置的光学系统采用了 会聚透镜和一个滤光面罩，提高了对缺陷的检测能力。1 9 8 8 年，德国s l c k 公司 在冷轧厂检测线安装五台表面缺陷检测设备( a s i s ) ，系统结构如图1 4 所示， 低功率h e n c 激光器发出的激光经过反射镜投射到一个高精度的多面体棱镜的 表面，通过多面体棱镜的旋转运动产生垂直于钢板运动方向的横向扫描。光线经 多面体棱镜反射后通过远心光路系统投射到钢板表面，钢板表面反射和散射的光 线被光接收装置接收并由光电倍增器完成光电转换后，传输至后级计算机系统， 完成图像信号处理和缺陷识别任务。s i c k 系统可以检出柏种以上的表面缺陷。 这套系统的特点之一是采用了一个抛物面反射镜的远心光学系统，它保证了在整 个钢板宽度方向上的均布平行光照。另外，它使用了光控导杆作为光收集器，保 证光垂直射入光控导杆，光在该杆内部全反射，最后在杆端被光电倍增管接收， 光控导杆具有很高的信噪比，可感受微小光能的变化。 c c d 成像检测法 c c ：d ( c h a f g ec 0 u p l e dd c v i c 舔) ，即电荷耦合器件，是一 种新型的固体成像器件。它是在大规模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集 成电路芯片，集光电转换、光积分、扫描三种功能为一体。其基本部分由m o s 光敏元阵列和读出移位寄存器组成。c c d 器件具有体积小、重量轻、耐振动冲 击、受环境电磁场影响小、工作距离大、测量精度高、成本低等优点，被广泛应 用于各种工业现场的测量和控制中。c c d 成像检测法分为两种：面阵c c d 图像 拼接法和线阵c c d 扫描法，两种方法各有特点，而且都有成功的例子，下面具 体分析这两种方法中的典型系统，深入探讨钢板表面缺陷自动检测系统的研究现 状和存在的问题。 6 第一章概述 i 、馓光或臼色光源2 、旋转棱镜3 、抛物面镜 4 、扫描光线出射窗5 、钢板 6 ，光接收棒t 、光电倍增管 图1 4s i c l 【激光扫描检测系统原理图 f i g i l n l _ 4 s i c k l a 螂s c 扭d e t e ( 垴s y s t c m 胁c i p i e 2 线阵c c d 器件扫描法计算机视觉检测技术 采用线阵c c d 扫描法的系统有意大利s i p 封公司、比利时的f a b r i c o m 公司、 英国的e u r o p c 锄e l c c 的n i cs y s t e m 但e s ) 公司与美国c o 萨懿公司研制的检测系 统l ，其中后两个系统最具有代表性，e e s 公司的研究重点放在提高系统的实用 性和可靠性，增强缺陷目标的检出能力和缺陷图像的显示质量，并完善系统对环 境的有效控制能力，其热轧钢板表面缺陷检测系统已在欧美主要钢铁制造企业中 得到应用。， ( 1 ) e e s 系统 e e s 系统是目前见诸报道的为数不多的成功应用于热连轧环境下的钢板表 面质量自动检测系统之一，其在最大带宽和最高带速下具有1 0 2 m m 2 0 3 m m 的 横纵向检测分辨率。该系统已于1 9 9 1 年在荷兰h 0 0 9 0 v 吼s 钢铁公司热轧生产线 投入试生产运行，并为美国h l 蛆d 钢铁公司和n l 肋r 钢铁公司所陆续采用。e e s 系统的研制目标是在热连轧的恶劣环境和高速下，能够实时地提供高清晰度、高 可靠的钢板上下两表面1 0 0 无遗漏的缺陷图像，最终交由操作员进行缺陷类型 判别并进而采取相应的修正措施。该系统最为显著的技术特色在于其突出的实用 性能。从具体实现来看，e e s 系统采用双总线结构，即v m e 总线和高速数据总 线，其中，v l v 【e 总线支持指令、控制和低速数据，高速总线提供高速数据传输。 图像处理板采用了基于内存的高速序列比较器技术，支持每个像素5 0 n s 级的预 处理操作。图形子系统可提供两种显示模式：连续显示模式和频闪显示模式，后 者可以“频闪方式在监视器上显示并直至冻结一幅缺陷图像，可用于严重缺陷 的在线预警。此外，为获得恒定的检测分辨率和c c d 曝光量，在数据采集部分 中对于带速、线阵c c d 帧转移速率和物镜可变光阑的孔径之间进行了匹配控制。 7 北京化工大学硕士学位论文 e e s 系统中最有成效的研究工作在于对环境的有效适应能力，所采取的相应控制 手段包括：通过在摄像机前端安装一系列滤光片，可有效滤除热态钢板表面辐射 出的红外光对检测光学系统的干扰；对c c d 摄像机进行了循环水冷却，并对照 明光源采取了通风散热措施；为彻底消除钢板辐射热对检测系统前端装置的直接 影响，在距离f 7 精轧机架出口侧1 2 m 处单独设置一个密闭的现场仪表总站( 采 用空调系统进行内部冷却) ，并将c c d 摄像机和照明光源安装在总站内部；在该 仪表站下方设置了多个空气喷嘴来清除钢板表面的蒸汽、水滴、油污及灰尘等杂 质，以便更加有效地进行光学检测。 ( 2 ) i s 一2 0 0 0 系统 美国c o g n e x 公司的系统的技术起点很高，功能全面完善，属于目前最先进 的钢板表面自动检测系统，在一定程度上代表了自动检测系统今后的发展趋势。 该系统于1 9 9 4 年8 月在美国u v 钢铁公司的镀锌生产线上投入实际运行。i s 一 2 0 0 0 系统框图如图1 5 所示，该系统主要研究了以下问题： 线阵c c d 摄像机 数字1 图像 采集 系统 数字 图像 处理 系统 报警或标记 。瞄) ) t 缺陷 图像 孑i 二il 磁带备份 q dl 砒市苗计 操作控制台 系统工作站恁j 琴打e 蹴 以太网 光纤控制链路到 远端计算机系统 图1 5i s 一2 0 0 0 系统结构框图 f i g l l r el - 5i s - 2 0 0 0s y s t e mf r a m es c h e m e 1 、探索了从光学信号传感系统、视频信号接口部件、数字图像预处理部件 到软件算法的全面解决方案，使系统的横纵向检测精度达到0 2 3 咖0 7 0 m m 。 具体技术措施包括：1 ) 钢板上下表面分别设置工作于明域和暗域的各两台c c d 摄像机，并通过明、暗域光学图像的匹配，以增加缺陷检出的数量；2 ) 将数字 图像的分辨率由8 b i t 像素提高至1 0 b i t 像素；3 ) 在摄像机a d 变换单元中具备 自动增益校正( a g c ) 功能，并在摄像机数字接口部件中配置了自适应的规格化 器，可动态补偿照明光源的不均匀和衰变的特性及钢板表面反射光的不规则；4 ) 最为关键的是综合了多只阈值化器：恒定阈值化器、基线跟随阈值化器、边缘检 出阈值化器、条纹检出阈值化器和低对比度阈值化器，这些算法分别适用于各自 特定的缺陷类型，并可编程为固定的和自适应的运行模式，其综合效果可将缺陷 釜燕 第一章概述 检测阈值严格控制在钢板正常表面像素值偏差的1 0 至1 6 倍，大大高于其他检 测系统中2 5 至3 o 倍的水平。 2 、提出了一个实用的自动分类系统i k a m ，如图1 6 所示。其中，分类表 1 直接利用了某些简单类型缺陷的先验分类知识，分类表2 可使用人工设计的早 期分类器，分类表3 则用于对已粗分类缺陷所隶属的子类别进行精确调整，自学 习的分类器部分利用离线训练所获得的知识给出缺陷类别的模糊置信度，通过调 整置信阈值，可以防止对于新缺陷类型发生误分类。i i 上啪系统运行于一个专用 处理器之上，可以保证在全轧制速度下实时地完成分类任务 耒分类 图l _ 6i h 锄自动分类器结构 f i 舯1 - 6i k 锄s e 壕m o t i a a 豁毋f r a m e 3 面阵c c d 器件图像拼接法计算机视觉检测技术 h t s 一2 系统与h t s 一2 w 系统德国p a r s 吼e c 公司开发了 f r s 一2 与h t s 一2 w 表面缺陷检测系统，分别应用与冷轧和热轧的钢板表面缺陷检测。h r s 系 统是面阵c c d 图像拼接法成功实现表面缺陷检测的最为成功的例子。系统主要 由以下主要部件构成： ( 1 ) 装有光源照明系统和面阵c c d 摄像机检测桥( 上下表面各一套) ；( 2 ) 缺陷分析计算机系统，其中每一个c c d 摄像机与一个双处理器的p e n t i l 啦多 媒体指令计算机相连，进行数据处理；一台双处理器的p e n t i u m 多媒体指令计 算机作为主计算机、缺陷数据存储计算机、系统和质量控制台；( 3 ) 操作人员工 作在操作控制室内，可以通过操作显示终端监测控制生产过程；( 4 ) 带卷和缺陷 的归档子系统有8 gb y t 锚的磁盘存储空间和备份容量，并有打印设备用来打印 缺陷报告等；( 5 ) 系统之间的联机接口，一些关键数据，如轧制速度、钢卷号等 可以通过t d 8 协( l 洲s ) 辜 仁、 r 椤吵 = 一 = 吩 c l o c k ( l d | 、，s ) 辜 闭 i j 5 互 8 图2 - 5c 锄e m u n l 【的工作链路层 f i g u 她2 - 5c 锄e 组曲咄u n l 【k l y c r 在图2 3 中每一路的e s 信号工作原理如图2 6 所示，根据该电路原理需 要在信号接收端为差分信号线间添加阻抗匹配电阻，其典型值为1 0 0q ，设计时 应使该电阻尽量接近信号接收端。 d l - l v e r 图2 6 u ，d s 信号工作原理 f i g i l 聆2 - 6u 旧ss 洒a lw b r k i n gp r i n c i p l e 1 6 第二章系统整体设计方案 2 2 3p c i 总线介绍 p c i 总线从9 2 年制定标准至今仍在使用，已成为了计算机的一种标准总线， 他有许多优点，比如即插即用( p l u g 狮dp l a y ) 、中断共享等。 从数据宽度上看，p c i 总线有3 2 b i t 、6 4 b i t 之分；从总线速度上分，有3 3 m 乜、 6 6 m h z 两种。目前流行的是3 2 m t 3 3 m h z ，而6 4 b i l 系统正在普及中。改良的 p c i 系统p c i x ，最高可以达到6 4 b i t 1 3 3 m h z ，这样就可以得到超过1 g b 拈 的数据传输速率。 p c i 总线的主要性能： 支持1 0 台外设 总线时钟频率3 3 3 m h 叫6 6 m 】眩 最大数据传输速率1 3 3 m b s 时钟同步方式 与c p u 及时钟频率无关 总线宽度3 2 位( 5 v ) ，6 4 位( 3 3 v ) 能自动识别外设 因此在3 2 b i t3 3 m h z 条件下使用p c i 总线，理论上可以达到1 3 3m = b s 的吞 吐率，但在实际应用中一般只能实现6 0 8 0 m b s 的传输速率。对于本课题来说这 个速度可以满足实时视频流传输的要求。 2 2 4 电源设计 p c i 规范规定了p c i 总线为板卡提供3 3 v 、5 v 和1 5 v 电源，并且设计 者可以根据p c i 插槽信号中p r s n t l 堋铂p r s n 黝来控制板卡实际消耗最大功 率。根据需要，本设计采用从p c i 插槽取5 v 电压后转换为3 3 v 和1 2 v 供芯片 使用的方案。 2 2 5 电路板设计部分 目前国内流行的电路图制作工具有p r o t e ld 、m c n t o r 公司的系列工具如 p a d s 2 0 0 7 、p o w e rp c b 等等。其中m e n t o r 公司的产品具有很大的灵活性，用 户可以根据自己的需要灵活修改设计规则，在比较复杂的高层板的设计中具有较 大优势；丽p 内t c l 在国内的用户比较多，版本从p r o t c l9 9 到目前的越t i u md i c s i g n c r 6 都延续了该产品的易上手、操作简单直观的特点，是个完整的板级全方位电子 设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层 1 7 北京化工大学硕士学位论文 印制电路板设计( 包含印制电路板自动布线) 、可编程逻辑器件设计、图表生成、 电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有c l i e n 临e r v c r ( 客户朋艮务器) 体系 结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如o r c a d ，p s p i c e ，e x c e l 等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度p c b 的1 0 0 布通率。 考虑到础t i u md e s i g n c r6 的简单易用可以节约开发时间，因此选择它作为 本系统硬件部分原理图和p c b 的设计工具。 1 8 第三章硬件部分设计 第三章硬件部分设计 3 1 冷轧工作辊温度监控系统 1 n 9 0 2 测温模块的输出为串行信号，在工业现场不具有通用性，而且传送 距离有限制，为了克服这些缺点采用t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 2 3 作为处理器，实现 温度信号的r s 4 8 5 串口信号输出和4 2 0 m a 电流信号、m 5 v 电压信号输出为 了使该设计适用的场合范围更宽广，在开发过程中设计该系统的硬件电路板尺寸 大小为1 5 3 5 c m ，因此该设计封装后的尺寸仅为2 9 1 0 5 c m ，相比同类设计 它占用的体积要小很多，更适合用于狭窄位置的温度检测。 m s p 4 3 0 f 1 2 3 作为本系统的核心微处理器，负责对1 n 9 0 2 模块进行控制和 通讯，并且对从t n 9 0 2 的d 觚a 引脚传过来的串行信号进行解码验证，最后将 温度数据送给m a x 3 4 8 5 转换为标准的r s 4 8 5 串口信号。 为了实现在如此小的电路板上将温度信号转换为电压和电流信号，本设计 采用了a m 4 6 0 芯片来处理模拟信号的输出。利用a m 4 6 0 的内置电位和一个运 算放大器输出供系统使用的3 3 v 电源，m s p 4 3 0 f 1 2 3 在接收到温度信号的同时 输出一定占空比的p w m 信号，经过r c 滤波后送给剐m 4 6 0 的运算放大器调整 放大，再将调理好的信号送给内置的v n 转换模块转换为电流信号。 图3 1 是电源及电流电压输出设计部分，图3 2 是m s p 4 3 0 f 1 2 3 设计原理图， f i g i l 弛3 - ls o u r o e 锄dc 啊加t 柚dv 0 1 吨eo u t l m td 髓i 萨 1 9 北京化工大学硕士学位论文 图3 2m s p 4 3 0 f 1 2 3 设计 鄹g i l 托3 2m s p 4 3 0 f 1 2 3d 戚弘 p 蚴 1 3 0 w c ； l 孤、蓐c 饼 t 乃o 玉口 8i i ， ，l i r 帕& j - i i l l ，1 0 x ：；j s 毫二 脚l 。l _ 二 勒 一 l n 一甍峦 l7 1 一 车i 哪豇? j 一 。 一 t 妨 一 i 二 ：豆8 ， 粥脚 一 l 叶一1 0 x ： ， 正 - m a 礤8 蜀蠡 i ； 图3 3 r s 4 8 5 信号输出设计 f i g u r e3 3r s 4 8 5s 啦a lo u t p u td e s i g n 一 ” i!：；l 。h ；：； p，l； 图3 - 4 最终设计实物图 f j g u r e3 - 4s o u r c ea j l dc u r r e n ta n d 、，o l t a g e0 u t p u td e s i 伊 缺陷检测系统 1 。2 ，1 数据处理部分设计 一、d s p 的选择 现今美国t i 公司的t m s 3 2 0 c 系列d s p 已经成为d s p 市场中的主流产品， 汀场份额的7 0 ，是世界上最大的d s p 芯片供应商，从芯片资料到产品的 、，l 望度来看，t i 的d s p 产品是我们的首选。t l 的d s p 产品系列及特点如表 表3 1t 1 的d s p 产品系列 c h a r t3 1t l d s pp r o d u c t i o ns e “e s j ) s p 系列速度( m i p s )用途 i f s 3 2 0 c 2 0 0 02 0 4 0工业自动化、电力交换系统、变频空调 l i m s 3 2 0 c 5 0 0 04 0 2 0 0无线通讯、i p 电话、便携信息系统、图像 压缩 i m s 3 2 0 c 6 0 0 01 2 0 0 2 4 0 0家庭宽带、多媒体处理 经过各系列d s p 性能的比较和市场购买难易程度的调查，选择了 f 一3 2 0 c 5 4 0 9 a 1 2 0 作为核心数据处理器，该芯片具有以下特点【4 7 4 9 1 ： 具有3 条分离的1 6 位数据总线和1 条程序总线 北京化工大学硕士学位论文 具有4 0 位的算法逻辑单元( a l u ) 包含一个4 0 位的桶型移位器和2 个独立的4 0 位累加器 比较、选择和存储单元( c s s u ) 1 6 位的计时器 2 个地址发生器、8 个辅助寄存器、2 个存储单元辅助寄存器( a r a l i s ) 数据总线具有保持功能 扩展的地址总线支持高达8 m 1 6 b i t 的程序或数据存储空间 3 2 k 1 6 b i t 的片上d i 乙蝴 可编程锁相环( p l l ) 支持1 尼到1 5 倍频一 支持软件和硬件设置等待周期，方便访问慢速外设 在本项目中选用该芯片有几大优点： 1 该芯片具有1 2 0 m h z 的主频，基本可以满足数据处理的实时要求。 2 1 m s 3 2 0 c 5 4 0 9 具有h p l 8 接口，该接口配合p c i 2 0 4 0 芯片可以实现d s p 与p c i 总线的无缝连接。 ， 3 ，i m s 3 2 0 c 5 4 0 9 片内具有3 2 k 字的d r 蝴，用它作为与p c i 总线通讯的 缓冲可以缓解突发的大量数据传输。 4 该芯片的地址总线多达2 2 位，易于片外洲和f 1 a s h 的扩充。 d s p 部分原理图如图3 5 所示。 图3 - 5 d s p 部分原理图 f i g l l n3 - 5d s pp 咖c i p l es c h e l l l e 为了增加系统的数据处理能力，为d s p 配置了2 个6 4 k 字的快速洲 第三章硬件部分设计 c y 7 c 1 0 2 1 作为程序空间和数据空间，c 订c 1 0 2 1 的读写访问周期为1 2 n s ，配合 ，i m s 3 2 0 c 5 4 0 9 的1 2 0 m 主频可以实现高速数据运算和存储，它们的控制使能和 读写位由c p l d 统一控制，地址总线和数据总线直接接到d s p 的地址和数据总 线。1 m s 3 2 0 c 5 4 0 9 没有片内f i a s h ，因此本系统采用s s t 3 9 v f 4 0 0 作为系统的 程序存储单元，该芯片具有2 5 6 k 字容量，完全可以满足d s p 程序和常量表的存 豳3 6d s p 的r a m 和f i 。a s h 原理图 f i g u 聆3 - 6r a m 柚d 膦h o fd s pp 血c i p l es c h e m e 二、c p l d 的选择 ： 目前全球最大的c p l d 和f p g a 生产厂商是x i l i