（光学工程专业论文）炉口火焰图像信息用于转炉炼钢终点判断的研究——基于dsp的图像采集与处理.pdf

硕士论文炉e l 火焰图像信息用于转炉炼钢终点判断研究甚于d s p 的视频图像处理 摘要 针对国内外转炉炼钢终点控制现状和发展趋势，结合炉口火焰图像信息与d s p 视 频采集与处理系统，提出了一种实时判断转炉炼钢终点的方法，提取炉口火焰图像特 征信息并实时显示。本文研究内容具体包括：搭建了图像采集与显示系统，配置d m 6 4 2 工作环境，通过滤除噪声、图像增强等方法预处理原始图像，分析颜色模型用于转炉炼 钢终点判断的理论依据，利用转炉炉口火焰图像信息的色度成分在炼钢过程中与终点 之间的相互关系，结合t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的高效实时处理特性，找到了一种实时观测用于 炼钢终点判断的图像特征信息的方法。通过设计颜色模型转换程序，设计色度值直方 统计图显示程序，并进行优化，获得实时数据。得出结论：通过实时显示色度值直方统 计图为转炉炼钢终点判断提供了直观的观察方式；d s p 系统的高效实时性可用于现场采 集火焰图像的去噪、图像增强等预处理工作，并在后期也可用于光谱与光强的探测工 作，即提取光强特征信息或者归纳光强数掘拟合曲线等实时显示也可为算法验证甚至 现场终点判断提供直观的观察方式。 关键词：火焰图像信息，颜色模型，炼钢终点控制，实时显示 a b s t r a c t i nv i e wo ft h ep r e s e n ta n df u t u r es i t u a t i o no fb o fs t e e l m a k i n ge n d 。p o i n tc o n t r o l ，w e c o n b i n e 矗l m a c ef l a m ei n f o r m a t i o na n dd s ps y s t e m ，p r o p o s ean e w m e t h o df o re s t i m a t i n g t h ee n d - p o i n tc o n t r o lo fb a s i co x y g e nf u r n a c e ( b o f ) ，c o l l e c ts p e c i a li n f o r m a t i o n sf r o m f i l m a c ef l a m el i g h ti m a g e sa n dd i s p l a yt h e m t h i sa r t i c l em a i n l yi n c l u d e s ：e s t a b l i s ha n i m a g ec a p t u r i n ga n dd i s p l a y i n gs y s t e m ，c o n f i g u r ed m 6 4 2w o r k i n g e n v i r o n m e n t ，f i l t e rl m a g e n o i s ea n ds t r e n g t h e nt h ef l a m ei m a g e ，e x p l a i nh o w c o l o rm o d e l e sa t eu s e dt oj u d g et h eb o f e n d p o i n t f i n dt h ec o n n e c t i o nb e t w e e n h u ei n f o r m a t i o ni nf l a m el i g h ti m a g ea n dt h ee n d p o i n t t i m e m a k eag r e a tu s eo ft h eh i g hs p e e dr e a lt i m eh a n d l i n ga b i l i t yo ft m s 3 2 0 d m 6 4 2 d e s i g np r o g r a m sf o rc o l o rm o d e lc o n v e r s i o na n dh u ev a l u ed i s p l a y i nc h a r t ，o p t i m i z e 撕t h m e t i ci no r d e rt of i n dt h ee n d p o i n ti nr e a lt i m e w em a k ea c o n c l u s i o nt h a t ：d i s p l a y i n g h u ev a l u ei nc h a r tp r o v i d e si n t u i t i o n i s t i cw a t c h i n gw a yf o re n d p o i n tc o n t r o l ，a n dd s p s y s t e mi sn o to n l yh i g he f f i c i e n tw h e nu s e di nf i l t e r i n gi m a g e n o i s ea n ds t r e n g t h e n i n gf l a m e i m a g e ，b u ta l s oa b l et ob eu s e di nd e t e c t i n gl i g h ti n t e n s i t ya n ds p e c t r u mi nf u t u r e ，p i c k i n gu p l i g h ti n t e n s i t yc h a r a c t e ri n f o r m a t i o no rc o n c l u d i n gl i g h ti n t e n s i t yd a t at h e nd i s p l a y i n gt h e m i nc u r v e s t “sm e t h o dc a na l s ob eu s e dt ov a l i d a t ea r i t h m e t i c ，e v e nu s e di ne n d p o i n tc o n t r o l k e yw o r d s ：f l a m ei m a g ei n f o r m a t i o n ，c o l o rm o d e l ，s t e e l m a k i n ge n d p o i n tc o n t r o l ， r e a l - t i m ed i s p l a y i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：罩鬈立垦1 ，o 年6 1 月f 7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：二雌 ，1 年g 月f 7 日 硕士论文炉口火焰图像信息用于转炉炼钢终点判断研究基于d s p 的视频图像处理 1 绪论 1 1 选题应用背景和科学意义 转炉炼钢过程中吹氧终点的准确判断，是国内外一直急待解决的问题，解决这一 问题对提高转炉炼钢的生产效率有着重要的意义。 转炉炼钢就是将含有较多杂质的铁水与吹入的氧气发生反应，达到去除杂质的目 的，从而获得符合要求的钢水。转炉吹炼的终点控制是转炉吹炼末期的重要操作，通常 总是尽可能提前让磷、硫去除到终点所要求的范围内，故终点控制简要为碳含量和温 度的控制。通过转炉吹炼自动化控制系统，借助相应的吹炼数学模型，实现终点的控 制。 自上世纪5 0 年代初氧气顶吹转炉问世以来，转炉生产规模，工艺流程，设备和自 动控制水平等方面发展迅速，在世界范围内得到迅速推广。氧气转炉工艺是当今占主 导地位的炼钢法。在世界钢总产量中，转炉钢的平均额份达到7 0 左右。最近几年许多 国家转炉钢比率一直保持较高水平：芬兰、韩国、英国、日本、巴西、加拿大、台湾 地区7 0 一7 5 ，德国8 3 ，澳大利亚、奥地利、卢森堡、比利时、荷兰等叫0 以上。转炉炼钢法之所以应用如此广泛是因为其拥有很多优点：氧气项吹转炉炼钢法 炉内具有很高的生产率、效率高、反应速度快，冶金时间短，钢的质量好、可冶炼的 品种多、原材料选用性强、氧气顶吹转炉炼钢的冶炼时间短，容易进行煤气回收，容 易和连铸配合和采用电子计算机控制1 。 近五年，我国钢铁行业迅速发展，钢铁产品质量不断提高，钢铁生产规模同益扩 大。炼钢作为钢铁生产的重要工序，对提高钢铁产品质量，降低生产成本，扩大产品 范围，具有决定性影响n 1 。 国内目前大多数的转炉炼钢生产采用人工经验进行终点判断，这种方法和现场工 人的经验及工作状态有着密切的关系，难以保证比较高的终点命中率，存在着很大的 不稳定性，造成效益低下，资源浪费。因此，对炼钢终点的精确控制决定了所炼钢的 质量的好坏，准确控制终点碳含量、温度的意义在于： 由于精确了解钢水碳、温度的全部变化过程，避免了人工测温、取样时常常需 要的重吹，可保证钢的质量。 可实现吹炼终点自动控制，减轻炼钢工的劳动强度，提高转炉炼钢的自动化水 平。 提高转炉冶炼终点命中率、缩短冶炼时间1 - - 3 分钟( 与冶金操作条件有关) ， 从而提高生产效率，降低成本。 为此，本文试图通过理论分析以及实验验证找到转炉炉口图像信息与冶炼终点之 1 绪论硕j ：论文 间的关系，从而进行准确的终点判断。 1 2 转炉炼钢简介 转炉炼钢的基本原料包括：废钢、铁水、造渣料、铁合金、冷却剂、熔剂、氧气、 氩气、氮气、二氧化碳等。炼钢过程中通过氧气和造渣料的共同作用达到去除铁水中 的杂质的目的，从而冶炼出合格的钢。这一过程中伴随着激烈而复杂的物理化学反应， 而转炉内的成分也发生着不断的变化。根据这一成分变化，通常把冶炼过程分为三个 阶段： ( 1 ) 吹炼前期 吹炼初期铁水温度不高，m n 、s i 的氧化速度比c 快，开吹2 - 4 分钟时，s i 、m n 已 基本上被氧化。同时，铁水也被氧化形成f e o 进入渣中，石灰逐渐溶解，使p 也氧化 进入炉渣中。s i 、f e 、p 、m n 的氧化放出大量热，使熔炉迅速升温。吹炼初期炉口出现 黄褐色的烟尘，然后燃烧成火焰，这是由于带出的小铁珠和铁尘在空气中燃烧而形成。 开吹时，由于渣料乳化形成噪声而变得柔和。吹炼前期的任务是早化渣、化好渣，以 利硫和磷的去除；同时也要注意造渣，以减少炉渣对炉衬材料的侵蚀。 ( 2 ) 吹炼中期 吹炼中期是碳氧反应剧烈时期，此间供熔池中的氧气几乎1 0 0 的和碳反应，使脱 碳速度达到最大。铁水中的s i 、m n 氧化后，熔池的温度升高，炉渣也基本化好，c 的 氧化速度加快。此时从炉口冒出的浓烟急剧增多，火焰变大，亮度也提高；同时炉渣 起泡，炉口有小渣块溅出，这标志着反应进入吹炼中期。由于碳氧剧烈反应，使炉温 升高，渣中f e o 的含量降低，锰和磷在渣金问分配发生变化，产生回锰回磷现象。但 此间由于高温、低f e o 、高c a o 的存在，使脱硫反应得以大量进行。同时，由于熔池温 度升高使废钢大量熔化。吹炼中期的任务是脱碳和去硫，因此应控制好供氧和底气搅 拌，防止炉渣反干和喷溅的发生。 ( 3 ) 吹炼后期 吹炼后期，铁水中碳含量低，脱碳速度减小，从炉口排出的火焰逐渐收缩，透明 度增加。这是吹入熔池中的氧气使铁部分氧化，使钢水中( 0 ) 和渣中( f e o ) 含量增加。 同时，温度达到出钢要求，钢水中磷、硫得以去除。吹炼后期要做好终点控制，保证 温度和c 、s 、p 含量合乎出钢要求。 转炉炼钢是一个复杂的高温物理化学反应过程，其间涉及液体、气体、固体在钢 液、炉渣和炉气三相间的流动、传质、熔化、传热、溶解和高温化学反应等复杂现象。 转炉炼钢的目的就是将含有较多杂质的铁水与吹入的氧气发生反应，达到去除杂质的 目的，从而获得要求的温度和钢水成分。 硕一t - 论文炉1 ：3 火焰图像信息用于转炉炼钢终点判断研究一摹于d s p 的视频图像处理 1 3 终点控制类型 终点控制主要是指终点温度和成分的控制。对转炉终点的精确控制不仅要保证终 点碳、温度的精确命中，确保p 、s 成分达到钢要求，而且要求控制尽可能低的钢水氧 含量。转炉兑入铁水后，通过造渣、供氧等操作，经过一系列物理化学反应，而达到 该钢种所要求的成分和温度的时刻，称为“终点”。转炉炼钢中炼钢终点控制是转炉 吹炼后期的重要操作。 到达终点的具体标志如下： ( 1 ) 钢中p 、s 含量低于规定下限要求的一定范围； ( 2 ) 钢中碳含量达到所炼钢种要求的控制范围； ( 3 ) 出钢温度保证能顺利进行精炼和浇注； ( 4 ) 达到钢种要求控制的氧含量。 铁水中其他的杂质像磷硫很容易去除，因此转炉吹炼的终点控制主要指终点的碳 含量和温度的控制呤1 。 ( 1 ) 终点碳含量控制 对于一个炼钢厂来说，铁水中的硫、磷含量一般相对来说比较稳定，采用经验渣 量方程一般可以满足生产要求。随钢种类不同，对碳在成品中的含量有不同的要求。 终点碳含量的控制主要依靠改变吹氧量来实现。 ( 2 ) 终点温度控制 吹炼任何钢种，对其出钢温度都有要求。出钢温度过低或过高，会影响钢的质量， 过高时还会增加铁的烧损，降低合金元素吸收率，降低炉衬和钢包内衬寿命，造成连 铸坯( 或钢锭) 多种缺陷甚至浇注漏钢。因此，控制好终点温度是顶吹转炉吹炼工艺的 重要环节之一。控制好炼钢过程熔池的温度是确保终点温度达到目标值的关键。只有 这样才能保证吹炼中的精炼反应要按标准情况所要求的进行，也只有这样才能确保连 铸时的浇铸温度恰当。随着碳含量的不同，钢的凝固温度不同，所以所要求的含碳量 决定了终点熔池温度的控制目标。一般说来，停吹温度选择在以1 6 0 0 度为中心的一个 较宽的范围内是终点温度控制的目标。 终点含碳量主要根据所炼钢种来控制，但应考虑到脱硫剂和铁合金含碳量的影响。 由于氧气顶吹转炉脱碳速度快，而钢种规格要求含碳量的范围窄，所以终点碳的控制 比较困难。在通常情况下氧气顶吹转炉采用单渣法操作时，在吹炼过程中不倒炉，吹 炼末期，当判断终点后，则停止吹氧，倒炉测温并取样。最理想的是一次性倒炉后， 钢液成分和温度即符合出钢要求，否则必须进行补吹、生产实践表明，在进行补吹的 情况下，钢在渣中损失增加，钢中氧和氮含量升高，炉衬腐蚀严重，因此有必要改进 终点判断的方法h 5 ，。 l 绪论 硕十论文 1 4 终点控制方法的现状 转炉吹炼终点的控制主要经历了人工经验控制、静态控制和动态控制几个发展阶 段。自2 0 世纪6 0 年代开始，国外逐步采用计算机对转炉吹炼进行控制，7 0 年代从静 态控制向动态控制发展。国内除宝钢、首钢等少数转炉采用动态控制外，大多数转炉 的装备、控制水平还较低，处于经验控制向自动控制的过渡。 1 4 1 人工经验控制 终点的经验控制主要是在常规吹炼条件下，借助一些常规监测手段，对终点( 终碳) 进行人工控制。经验控制常采用“拉碳”和“增碳”两种操作方法，常用的辅助手段 为测温定碳和炉前取样快速分析。采用哪种控制方法与所炼钢种有关。 所谓“拉碳”法，就是在吹炼时判定已达终点而停止吹氧。由于在中、高碳钢种的 含碳范围内脱碳速度较快，一次判别终点不太容易，所以采用“高拉补吹”的办法。国 内在采用“高拉补吹法吹炼中、高碳钢时，一般根据吹炼特征，参考供氧时间及耗氧 量，按所炼钢种碳规格稍高一些来拉碳，取样分析，再按这一含碳量的脱碳速度补吹一 定时问，以使其达到终点所要求的含量。国外氧气转炉常采用“高拉碳”操作冶炼高碳 钢，如美国普韦洛厂用氧气转炉生产的高碳钢占全部产量的6 1 ，均采用“高拉碳”法 的工艺进行生产。采用“高拉碳”法生产高碳钢是因所用铁水含硫量只有0 0 2 - - - , 0 0 3 ， 磷含量全部在0 0 4 8 - 0 0 8 0 之间。用这样的铁水炼钢，成品中硫和磷含量几乎无需考 虑。“高拉碳法冶炼高碳钢，渣中氧化铁低，金属收得率略高，氧气和脱氧剂消耗略 低，终点钢水中气体含量较低口，。 “增碳”法就是终点按低碳钢控制( 许多厂家甚至采取“一吹到底”的操作方法) ， 然后在出钢过程中增碳，使钢水中的含碳量达到所炼钢种的要求范围。在“增碳”法中， 要求所用增碳剂具有很高的纯度、很低的硫含量，以免对钢水造成污染。这种方法在操 作上易于掌握，但在其后的增碳过程中，应着重把握两个环节：一是增碳剂的质量，二 是增碳剂的收得率。某些炼钢能力大于炼铁能力的企业为了用有限的铁水生产更多的 钢，多吃废钢降低铁耗，往往采用“增碳”法终点控制。欧洲大多数钢厂都把终点含碳 量控制在0 0 7 ，然后在钢包内用石油焦增碳操作来冶炼中高碳钢。 一般而言，“拉碳法具有终点钢水氧含量和终渣( f e o ) 较低、终点钢中含锰量较 高、氧气消耗较少等优点：“增碳”法省去倒炉、取样及随后的补吹时间，因而具有生 产率高、终渣( f e o ) 高、化渣好、脱磷率高、热收入较多以及有利于增加废钢用量等特 点。吹炼中采用何种操作方法除取决于所炼钢种外，还涉及到吹炼习惯、现场监测条件、 操作水平和原料条件等因素。选取合适的操作控制方法对提高吹炼的技术经济指标具有 十分重要的作用。 4 硕t 论文 炉l 火焰图像信息用于转炉炼钢终点判断研究一幕于d s p 的视频图像处理 1 4 2 静态控制 转炉静态控制是转炉计算机的基本控制方式，副枪动态控制也以静态控制为基础， 静态模型包括终点控制模型、供氧模型、造渣模型和底吹模型。 终点静态控制是按照已知的原材料条件和吹炼钢种的终点成分和温度，依据物料 平衡和热平衡原理，参考统计分析和操作经验所确定的基本公式，计算铁水、废钢、 冷却剂、渣料、铁合金及供氧量的加入量，并按照计算结果装料和吹炼，吹炼过程中 不作任何修正，这种控制方法称为静态控制。 终点控制模型是静态控制模型中最主要、最复杂的模型，它通常选取钢水终点温 度和终点碳作为目标值，以冷却剂( 矿石或铁皮等) 加入量和氧耗量作控制变量，即用 冷却剂加入量控制终点温度，用氧耗量控制终点碳。因此，终点控制模型包括冷却剂 加入量和氧耗量两个方程。此模型根据建模方法的不同，有机理模型( 即以热力学参数 反映炉内反应，它根据物料平衡和热平衡方程，参考生产实际并在一系列假设下推导 得出并建立模型) 、统计模型( 应用数理统计方法，例如多元回归法等对大量生产数据 进行统计分析来建立模型) 和经验模型三种。”。 和人工经验控制相比，终点静态控制能更加有效地利用吹炼过程的初始条件进行 定量计算并进行控制，使终点钢水温度与碳含量的命中率有所提高，但由于仅考虑始 态和终态之间的差别，未考虑吹炼过程的信息，不能进行在线跟踪实时修正，终点命 中率低的，为提高控制精度，提出了动态控制法。 目前国内相当数量的中小型转炉仍处在经验炼钢和单一静态控制模式，终点命中 率低，与世界先进水平相距甚远，同时又正值各转炉炼钢厂淘汰落后工艺、提高装备 水平、向质量效益型企业发展的时期，无论是新建厂、还是旧厂改造，其所具有的一 个共同点就是要通过采用一些动态控制技术，提高冶炼过程的自动化控制水平，提高 转炉冶炼终点命中率，以获得更大的竞争优势。 1 4 3 动态控制 动态控制h 5 舢是在静态控制的基础上，应用副枪、炉气分析仪、自动测温装置等检 测吹炼过程中有关变量随时间变化的动态信息，依据检测到的动态信息对吹炼参数及 时进行修正，以达到预定的吹炼目标，提高命中率。 下面就几种常用的动态控制技术作简单介绍： ( 1 ) 使用质谱即气相仪定碳判定终碳 气相定碳是通过分析转炉炉气成分来连续预测吹炼过程中钢水碳含量的一种方法， 气相定碳主要应用的分析仪器为红外分析仪和质谱仪两种。从目前情况看，质谱仪的使 用已占优势。质谱仪法是将氩、氦等惰性气体作为示踪剂，通过气体物料平衡来决定烟 气流量。以氩气为例，将吹入气体、吹炼氧气和混入空气中的氩作为炉内氩气的输入源， 1 绪论 硕一l ：论文 用质谱仪测定烟道内的烟气成分，根据氩含量计算烟气流量，再根据烟气成分和流量， 不断地对熔池脱碳速度和渣中氧的吸收速度做出评价。在吹炼过程中，根据从质谱仪得 到的废气分析值信号、供氧速度、丙烷流量和辅助原料( 铁矿石、石灰、萤石) 投入速度 等实际吹炼数据，每隔2 秒对相关项目进行一次计算质谱仪的优点是可以连续预测钢水 碳含量和炉气成分，有利于控制有用炉气的回收和废气的排放，而且其使用不受炉容大 小的限制。但质谱仪在控制转炉吹炼温度上还没有取得大的突破。 ( 2 ) 副枪测定终点控制系统由一个动态模型和一个反馈计算模型所组成，动念控制 模型计算副枪测量过程中以及吹炼结束时所需要的氧量和冷却剂量。副枪动态控制是 在吹炼接近终点时，在静态模型确定的副枪应该插入的时刻将副枪插入熔池，检测熔 池内部的温度和碳含量，同时取得金属样本。反馈计算模型任务是根据检测到的数据， 修正静态模型的计算结果，确定达到吹炼终点所需要的供氧量和副原料加入量，这样 终点命中率得到增加，转炉冶炼自动化水平也得到提高，可以配合计算机实现对转炉 冶炼的动态控制。使用由副枪所测得的值和实际操作值，实时估算钢水温度和碳含量。 随着一个炉役期中命中率的变化，系统可以准确地估计钢水温度和碳含量，无需在炉 役期内调整模型参数，在r 常操作中的成功率已达到足够高的精确程度。但这种方法 投资较大，副枪探头成本高，由于炉口尺寸限制，容量较小的转炉不适用，所以目前 仅在现代化的大型转炉钢厂应用。 在氧气炼钢中，副枪系统被用来测定钢水熔池的实际成分和温度，成分和温度用 做动态过程控制系统的输入和吹炼终点检查。使用副枪系统的主要目的是严格控制炼 钢时间以适应连铸工序，避免重复吹炼，节省能源，改善工作条件和环境状况，降低 耐火材料消耗，并可能作为底搅拌操作的检验设备。 就研究和发展而言，副枪是研究由于原料和吹炼方法变化引起的工艺条件变化的 必不可少的工具。 使用副枪在转炉上测定钢水熔池温度的想法是奥地利于六十年代最先提出了的。 在七十年代美国和日本也采用了副枪技术，并且将其扩展到钢水取样。日本四大钢铁 公司他们新建的钢厂成功地在使用了副枪装置。在其它工业化国家( 北美、西欧、澳大 利亚等) 副枪己被广泛使用。 ( 3 ) 终点成分测算系统 成分测算系统主要是通过对终点成分的判定来控制吹炼终点，实现快速出钢。根 据采用的不同测算手段，分为 0 r 法和q v 法。 0 ，法在测定氧浓度的基础上，根据钢一渣之间的平衡关系测算成分。此法 适用于低碳钢。 q v 法一利用副枪测温并获取样品，通过光谱仪在现场快速分析成分，测定碳含 量。此法能精确测定优质钢和高碳钢。 6 硕十论文 炉口火焰图像信息用于转炉炼钢终点判断研究一基于d s p 的视频图像处理 在高碳区，渣中分压与钢中 0 r 值相差5 1 5 倍，二者可视为无相关关系。随 c 的降低，钢渣间氧分压差的差距缩小，当达0 0 6 以下时就可根据钢中 0 ，计算氧分 压，确定钢水成分；测定氧浓度，确定终点成分。 冶炼后期，利用钢、渣接近平衡的关系，根据 o r ，确定各种成分。方法是用副枪 探测仪来测定 o ，并且考虑加入的造渣剂等操作因素，用统计法计算各种成分阳3 。 1 5 新型终点控制方法 1 5 1 静态图像处理的方法 随着图像处理、模式识别、计算机视觉等学科的发展，新兴了一些利用图像处理 方法判断炼钢终点的方法。 ( 1 ) 模式识别法障1 ：将图像分成若干个区域，根据特定区域内特征像素点的出现概率 作为特征，通过模式识别的手段将图像识别为炼钢特定阶段的图像，用判断炼钢阶段 的方法判断终点。这种做法的好处是对图像的识别十分准确，而且对炼钢阶段的判断 也很准确。但是炼钢的第三阶段与炼钢终点还是有很大差别的，该方法无法判断炼钢 的准确终点。而且该方法算法复杂从而失去了判断火焰图像短时间变化的可能，而在 炼钢过程中火焰的平稳总是相对短暂的，所以短时间的火焰变化也很有意义。 ( 2 ) 纹理分析法旧1 ：利用图像处理中的纹理分析的方法，通过分析计算每幅图像的纹 理结构特征，根据图像的纹理特征的变化来判断终点。目前有两种研究图像纹理的方 法：一类是从图像有关属性的统计分析出发的统计分析方法；另一类是力求找出纹理基 元，再从结构组成上探索纹理的规律和直接去探求纹理构成的结构规律的结构分析方 法。目前常用的方法是统计分析方法。但是这两种方法用到炼钢终点判断上仍然有速 度慢的缺点，而且纹理分析的理论和炼钢的过程也没有明显的联系，实际人工判断的 过程中也并非利用火焰的纹理。 1 5 2 神经网络的方法 随着智能控制技术的不断深入，转炉炼钢终点控制的建模方向开始转向神经网络 的智能建模。 ( 1 ) 基于b p 网的建模方式 主要是以副枪测定时刻钢水检测数据作为神经网络的输入矢量，以目标钢水成分、 温度及补吹时间为输出矢量，运用b p 算法进行学习的神经网络，结果是钢水温度和碳 含量都能大体上反映实际的变化趋势。 韩国s y y u n 和k s c a n g 等人用b p 神经网络建立了氧气顶吹转炉工艺控制的新 型动态模型n 训，该模型包括一个输入层、两个隐含层和一个输出层，采用了韩国浦项 钢铁有限公司( p o s c o ) 第二炼钢厂的一座氧气顶吹转炉实时采集的数据进行训练和预 1 绪论 硕十论文 报。结果表明，预报的钢水温度和碳含量的动态情况与实际工艺数据相似，而磷和锰 的动态预测效果不是很理想，该文作者认为是由于训练的数据太少造成的，不是因为 该神经网络模型不好。钢铁研究总院丁容、刘浏等将b p 人工神经网络技术与传统的 增量模型结合，开发出转炉炼钢人工智能静态模型引，通过在武钢8 0 t 转炉上的生产 实验证明，该模型提高了静态模型的控制精度和终点命中率。该b p 网络采用3 层结构， 输入层1 6 个变量，1 个隐含层，输出层2 个变量即终点温度和碳含量。要求终点控制 精度为：终点温度( 1 6 0 0 _ + 1 2 ) ，终点碳( o 0 6 0 0 2 ) 。仿真结果表明，温度命中 率7 8 4 ，碳命中率7 3 ，温度和碳双命中率6 2 2 。上海大学屠海、洪新等利用b p 神经网络建立转炉终点锰、磷的离线预报模型5 1 。该模型利用m a t l a b 程序中的神经网 络工具箱中的b p 网络计算，输入层神经元个数为1 2 个，隐含层神经元为4 个，输出 为终点m n 和p 。结果表明当预报误差目标精度耋2 0 时，预报命中率超过9 0 。 ( 2 ) 基于r b f 神经网络的终点预报 主要是从神经网络的学习算法角度来考虑建模问题。由r b f 替代b p 网就是为了改 进b p 网收敛速度慢，且容易陷入局部极值的缺陷，其仿真效果高于b p 算法。 东北大学谢书明等人采用r b f 神经网络预报转炉炼钢终点温度和碳含量，在此基 础上提出了基于神经网络的动态终点控制方法来确定在补吹阶段需要的吹氧量和加入 的冷却剂量，克服了传统控制方法中基于热平衡和氧平衡控制模型不准确的缺点，提 高了终点命中率6 1 。东北大学的王中杰等人针对传统加热炉钢温预报模型依赖求解偏 微分方程的缺陷，用r b f 神经网络建立加热炉钢温预报模型n7 1 ，仿真结果表明所建立 的模型简单、精度高，满足工程要求。 以上神经网络模型同样完全是根据实际炼钢过程的统计数据建立的，亦即使用黑 箱原理，只考虑输入输出参数和行为，并且是以消除随机偏差为目的。但它们本身还 不同于常规的统计建模方法。除了具备统计模型的优势外，这些模型本身还具有很强 的非线性函数逼近能力及对不确定性的描述能力等。这种黑箱原理并非最理想的建模 方法，但是针对转炉炼钢这种多元多相的高温物理化学反应过程，目前机理研究尚不 透彻的前提下，它的确具有某些独到的优势。重点考虑输出量与输入量之间的统计关 系，可以对随机偏差进行分析，消除随机因素的影响，因而能保证一定的精度，且结 构比较简单。 经过以上的分析可知，神经网络应用于转炉炼钢终点判断是最新的趋势，因为神 经网络在理论上有无可比拟的优势，同时也能定量预测转炉炼钢终点。但是以上利用 神经网络判断转炉炼钢终点的方法其输入量的获取比较困难，基本上都是以装入铁水 量、废钢量、加入原料量和副枪测得的数据作为输入数据，因此很难在现场直接准确 获取这些数据，无法实现在线判断炼钢终点。 8 硕士论文 炉i - 7 火焰图像信息用于转炉炼钢终点判断研究蒜于d s p 的视频图像处理 1 5 3 采用质谱仪转炉动态控制技术 提高转炉冶炼终点命中率，是炼钢生产发展的必然要求，是冶金企业增强竞争力 的有效手段之一，也是转炉冶炼控制技术发展的方向。近1 0 年来，国外钢厂利用质谱 仪和计算机对转炉冶炼过程进行动态控制的研究工作发展极为迅速。 1 9 8 9 年日本住友金属工业公司高轮武志等人利用质谱仪分析炉气成分。用文氏管 测废气流量，并利用副抢进行中间校正，制定了b o f 转炉的动态控制模型。结果碳、 磷和温度的控制精度分别达到0 0 5 ，0 0 1 和2 0 c “1 。 1 5 4 光学方法 由于炉口的光强光谱会随着吹炼的过程呈现出一定的规律，而且光强光谱探测准 确理论成熟，所以已经有光学方法来判断转炉炼钢终点的很多尝试。 1 9 9 7 年后，国外逐渐出现了以红外激光穿透炉口炉气n 2 1 来，通过检测穿过炉气激 光发生的变化情况来测量炉气成分来判断终点的光电探测器，该方法的主要原理就是 检测炉气中的一氧化碳的含量，由上面转炉炼钢的简介知道炉内碳含量多时碳氧反应 激烈，炉其中一氧化碳的含量就高，然后根据炉气中的一氧化碳的成分变化来进行终 点控制，但这种方法仅对于碳含量很低( o 0 6 的情况时，其测量误差很大。另 外这种装置应用的大型转炉炼钢而且吹氧量相对平缓，其装置中有烦琐的冷却和供冷 装置，这些都不适合我国以小型转炉炼钢为主的情况h 5 1 。 1 6d s p 技术的介绍 近些年来，随着芯片处理能力的不断提升，嵌入式系统尤其是d s p 系统越来越广 泛的应用于视觉处理算法领域，以构建可独立运行的嵌入式视觉平台。为了快速实时 的完成数字信号处理运算，d s p 器件通常具有以下特点 ( 1 ) 快速的运算速度 ( 2 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法运算 ( 3 ) 独立的数据空间和程序空间，可以同时访问指令和数据 9 l 绪论硕一i ：论文 ( 4 ) 片内具有快速多总线结构的以m ( 5 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持 ( 6 ) 快速的中断处理和硬件i 0 支持 ( 7 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器 ( 8 ) 可以并行执行多个操作 ( 9 ) 支持流水线操作，使取码、译码和执行等操作可以重叠执行 目前单片d s p 芯片的主频最高已达到1 1 g h z ，处理能力高达近9 0 0 0 m i p s ( 每秒百 万条指令) 。这使得实时信号处理的应用空间越来越广阔，尤其是实时图像处理领域。 以往由于图像处理的数据量以及运算量过于庞大，利用单芯片或m c u ( ( m i c r o c o n t r o l l e ro n i t ) 是无法实时处理的，往往只能依赖于多处理器系统或者功能强大的 p c 机。现在，d s p 芯片的迅猛发展使得用单片d s p 芯片实现实时图像处理己成为可能。 d s p 构成的嵌入式系统，相对于传统的p c 机，价格低廉，体积小巧，易于安装和维护， 功耗也较低。在需要实时实地处理数据的领域具有得天独厚的优势。 1 7 本课题主要工作 针对上述国内外研究现状与存在的问题，本文试图利用转炉炉口火焰图像信息的 色度成分在炼钢过程中与终点之间的相互关系，结合t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的高效实时处理特 性，提出了一种实时观测炼钢终点的方法。 本课题的主要工作包括： 1 ) 在现有设备基础上，分析两套转炉炼钢实时采集与处理系统的优劣。对d m 6 4 2 系 统的软硬件环境进行了深入的研究，对各部分功能有了较全面的认识。 2 ) 对现有数据进行预处理，通过得到的炉口火焰图像数据，从中找到火焰图像特 征量与转炉炼钢终点的对应关系。 3 ) 搭建图像采集与显示系统，配置d m 6 4 2 工作环境。 4 ) 设计颜色模型转换程序，设计色度值直方统计图显示程序，并进行优化。达到 实时判断炼钢终点目的。 5 ) 基于c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 的d s p 软件开发技术，图像处理算法的编程实 现与代码优化。包括三个部分：1 研究实时图像处理的理论及算法：2 基于d s p 技术 的理论及c c s 等开发工具，开发d s p 系统下的实时图像处理算法及软件系统；3 基于 d s p 软、硬件体系的特点，进行算法优化的研究。 1 0 硕t 论文 炉口火焰图像信息用于转炉炼钢终点判断研究一基于d s p 的视频图像处理 2d m 6 4 2 系统模型 2 1 系统方案选择 实现转炉炼钢图像处理系统，可通过三类方案来完成，分别是采集设备结合p c 机 处理系统、通用d s p 芯片系统、专用视频数字信号处理芯片系统。通过分析比较选择 第三类系统作为本课题使用系统。下面对这三类方案分别进行介绍。 2 1 1 采集设备结合p c 机处理系统 第一类方案采用系统如下： 炉口火 摄像系计算机 焰阁像采集卡 信息 统( v c ) 图2 1 1 1 采集设备结合p c 机处理系统系统框图 图像采集系统( 摄像系统) 由摄像头和望远镜两部分组成瞳4 l 。摄像头采集图像数据， 经过初步处理过以后由软件分析处理。软件处理系统负责从图像中提取有用数据进行 后续判断，存储有用数据，使用分析软件v c + + 6 0 或m a t l a b 进行特征分析，提取与炼 钢终点特征相关的图像特征，并实现实时控制。 系统整体设计要求： 图像采集系统需要实现的功能是采集炉口火焰图像送到电脑中并进行处理提取出 对终点判断有用的数据。与光强同样的由于转炉炉口环境条件恶劣，整个系统要能够 远离转炉采集，这就需要光学望远系统实现；其次需要选择一个可以清晰采集炉1 ：2 火 焰的摄像头；最后需要编写采集和处理软件将图像数据的信息提取供电脑判断，所以 需要相应的通讯处理软件。因此图像采集系统也由三部分组成：光学系统、摄像头、 采集处理软件。下面逐一讨论各个部分： ( 1 ) 光学系统：这里由于需要采集的是图像，所以需要采用的光学系统是望远系 统。主要要考虑的是望远系统的放大倍数像差等参数，而且还需要兼顾望远镜的大小 要便于试验。 ( 2 ) 摄像头的选择：摄像头要求可以清晰采集图像，并且需要结构简单、操作方 便、编程方便，而且最好能够体积小巧便于试验需要。 ( 3 ) 处理软件的设计：处理软件不仅需要负责采集图像数据，还需要从图像中提 2d m 6 4 2 系统模型 硕十论文 取有用数据提供给后续的判断软件。因为首先图像数据庞大，变化复杂，不利于直接 判断，所以需要对数据简化提取有用信息；其次图像数据采集需要消耗很多c p u 资源， 所以对图像的处理需要仔细选择简便的算法；最后提取出的数据需要能够准确地反映 炼钢终点。 系统架构完全独立设计，能有效地获得炉口火焰图像信息，并且可自主对采集卡 进行二次开发，可维护性强，基于m a t l a b 或v c 代码皆可自行编制并进行修改优化。 后期特征判断需将保存数据导入应用软件，运算效率降低，实时处理达不到理想效果。 2 1 2 通用d s p 芯片 第二类方案采用通用的高性能数字信号处理芯片( d s p ) 。如t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列；a d 公司的s h a r ca d s p 2 1 1 6 0 系列。这些芯片由于是面向实时的信号处理，因此 其核心运算部件具有很高的运算速度。这一类实现方案的优点是可以根据不同的视频 应用将其设计成为一个通用平台，由于没有相应的外设接口，开发难度大。 2 1 3 专用视频数字信号处理芯片系统 第三类是采用专用视频数字信号处理芯片( v i d e od s p ) 。如p h i l i p s 公司的 p n x l 5 0 0 系列芯片；t i 公司的d m 6 4 x 系列等。在d s p 平台上进行视频产品开发有以下 几方面的优势晗即： ( 1 ) 用户丌发自由度更大，支持多种个性化开发，可以满足市场不断提出的新的 要求，在第一时间提升产品性能，增强产品的竞争能力； ( 2 ) d s p 处理能力强，可以在一个d s p 上同时实现多路音视频信号的压缩处理， 同时为了及时满足应用的需要、还提供了很多视频专用功能，比如视频滤波、 d e i n t e r l a c e 处理、高分辨显示输出、o s d 功能等，甚至如网络接口、i d e 接口都成为 了视频d s p 的主要功能，这样使进一步大幅度降低产品的成本成为可能( 这一点很重 要) ： ( 3 ) 开发周期短，实现快速技术更新和产品换代： ( 4 ) 芯片功耗低，对提高产品的稳定性提供可靠保障。 本系统使用第三套方案，系统方案介绍下面详细介绍。考虑到使用基于d s p 系统 的用于终点判断的视频图像处理是判断转炉炼钢终点预测的一个新起点，在后期可结 合光强、光谱等信息进行综合判断，所以需要一个灵活的系统，可以根据研究进展及 需要更改系统方案。因此，在选用终点判断图像处理硬件平台上面选用t i 公司推出的 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 专用视频信号处理芯片作为处理系统的主芯片，d m 6 4 2 是t i 公司2 0 0 3 年 底推出的一款针对多媒体应用的芯片，它提供丰富的用于多媒体处理的视频和音频处 理接口，主频达到7 2 0 m h z ，它的运算能力足够完成一系列的图像算法，而且还有可能 空出一部分资源完成控制，刺激方案选择等功能。 1 2 碰士论文 * u 火焰幽像信息用于转炉炼钢终点判断研究一基十d s p 的视额留像处a 2 2d m 6 4 2 系统介绍 教研室使用型号为s e e d v p m e 4 2 的工具箱实现转炉炼钢用于终点判断的图像的实 时采集处理，v p m 6 4 2 集成了t i 公司产品d s p 芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 2 及c c d 液晶显示屏、 仿真器以及音视频输入输出接口设备等。 2 2 1s e e d v p m 6 4 2 系统简介 s e e d v p m 6 4 2 是台众达电子开发的一款可广泛应用于多路视频监控、视频服务器、 数字视频录像记、d m 6 4 2 硬件评估系统、h 2 6 4 算法场合的嵌入式软硬件平台。它采用 t i 用于数字视频应用的3 2 位定点d s p ：t m s 3 2 0 d m 6 4 2 处理器，工作主频7 2 0 删z ，处理 性能可达5 7 6 0 m i p s 。 工作平台如图2 2 1i 所示 、 | - - 。 圈22 1 1d m 6 4 2i 具箱 硬件平台： ( 1 ) t m s 3 2 0 d m 4 2c p u 主频6 0 0 m h z ( 2 ) s d r a m ：4 m 6 4 位，f l a s h ：4 m 8 位，实时时钟r t c + 5 1 2 8 位e e p r o m ( 3 ) 4 路视频输入：标准p a l 或n t s c 制模拟视频输入( c v b s 复合视频信号或s 端 子信号输入等) ，l 路视频输出：标准p a l 或n t s c 制模拟视频输出( c v b s 复合视频信 号或s 端子信号输入等) 2d m 6 4 2 系统横型 碰j 论文 ( 4 ) 4 路音频输入输出：标准模拟音频输入( m i c r o p h o n e 或l i n ei n 输入) 输 ，音频视频同步采样 ( 5 ) 2 路异步串口：可编程配置为r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 标准，用于控制云台或其 他设备 ( 6 ) 标准的i d e 硬盘接1 ：3 ：用于本地存储太容量数字视频数据，实现数字视频录像 机功能d v r ( 7 ) r j 4 5 标准i o i o o m 以太网接口，实现视频服务器或网络摄像机功能 ( 8 ) 8 路数字输入输出，实现现场环境检测与控制 ( 9 ) 硬件可加密，有效保护用户的知识产权 ( 1 0 ) 支持脱机与p c i 两种工作模式 ( 1 1 ) 配一个c c d 摄像头、一个彩色液晶显示器、个u s b 2 0 仿真器 图2 212 为s e e d v p m b 4 2 芯片图 爪 h * 、一= 】 倒22l2 集成删s 3 2 0 d m 6 4 2 芯片主扳 软件平台： c c $ 6 0 0 0 ：c c s 2 2 2 2 2 基本功能 d s p 系统中的可编程d s p 芯片可使设i , t 人员在开发过程中灵话方便地对软件进行修 改和升级。 d s p 提供在片仿真支持，它使得c c s 能够控制程序的执行，实时监视程序运行。增强 型j t a g 连接提供了对在片仿真的支持，它是一种可与任意d s p 系统相连的低侵扰式的连 1 4 硕- l ：论文 炉口火焰图像信息用于转炉炼钢终点判断研究一基于d s p 的视频图像处理 接。仿真接口提供主机一侧的j t a g 连接口刭。 在片仿真硬件提供多种功能： d s p 的启动、停止或复位功能 向d s p 下载代码或数据 检查d s p 的寄存器或存储器 硬件指令或依赖于数据的断点 包括周期的精确计算在内的多种记数能力 主机和d s p 之间的实时数据交换 2 2 3d m 6 4 2 系统结构 本文使用的视频图像系统采用t i t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ( 简称“d m 6 4 2 ) 作为处理器， 公司2 0 0 2 年生产的专用多媒体芯片 能够实现4 路音视频同时采