（光学工程专业论文）炉口火焰图像判断炼钢终点的研究——数据的实时采集与处理.pdf

硕 1: 论 文 炉曰火焰图像判断炼钢终点的研究数据的实时采集与处理 abs tract an e wmel h o d o f t hee n d 一 poi ntcon l r o l o f b a s i c o x y g enfu rn 即 e ( b o f ) i s p r o p 0 se d ， w h i c h i s b as edonthe c o m b i nati o n o f th e fl ame 加age i n fo rmat i o n 初thth e l i ght i nt ens i ty i n the con v e rt e r m o u t h . the e x peri m e n tal盯 stemi s co mpri se d o f fl azne i m a g e c a p 加 ri n g 洲b 一 sys te m ，l i g h ti n te n s i ty s a m p l i n gs u b-s y stem andd a t aana l y s i n ga n dp r o ees s i n g su b 一 s y stem . the fi ajne i m ag e c a p t u r i ngsy stemc o ns i st s o f a te l e s c o pea n d a di gi talcam era. t h e p h o t o d e te c to r and th e opt i c alfi b e r c o n s t i t u t e the l i ght i n t e n s i tys a m p 1 i n g s y stem . t b e d a 1 a o f i m a g e andl i g hti nte n s i tyi s t r a n s m i tt ed tothe com p ut erth rou gh r s 一 2 3 2 seri alfo r 明 a l y s i n g an d p r o c e s s i n gm s c o mm co ntro l i s used too 沐n and i n i t i al i zethe s eria l 即rt ， w h i c h i s b ased on mf cl ib ran e s i n v c 料 6 . 0 ， i n d i rect l y t r a n s fe 币ng wi n d o w s a p i . s o me n e w fon c t i o n sa r ea l so a d d ed i n o r d e rto ma k e s u r ethat thed atat r a n s 们 。 i s s i o n i s homo 叮m i c and i n t i me ， w h i c h are a l so th e b as i s fo r the d ata p roc e s s i n g . wi n dows a p l i s usedtoi n vest i g ate th e al g o ri t h mo f m u l t i p l e . t h r e a d s u n d e r th e env i ronm ent o f v c 什 soas top ro ce ssthe d at a of image an d h ght inte ns ity conc urre nt ly . ap ro g r a misw r i tten for re adi ng and w ri t 1 ng the d at a h a rmo ni o u s l y . k e ywo r d s : fl ame im 鲍e in fo rmat ions te e lm aki ngendpo in t c o n t r o l s e r i a l p o rtre a l 一 t i m em u l t i 一 th rea d 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己 在论文 中作了明确的说明。 研究生签名: 啊 多 决 叮年 月 叮日 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. 材 生 知 口 了 年 “ 和 硕 : 论文 炉日火焰图像判断炼钢终点的研究数据的实时采集与处理 1绪论 1 . 1 转炉炼钢发展历史及意义 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。 1 95 2 年 氧 气 顶 吹 转 炉 在 奥 地 利 林 茨 . 道 纳 维 茨(l i n z ， d on awi tz ) 钢 厂 诞生 l ， 简 称l d ，其后陆续在一些国家获得广泛应用，并成为占主导地位的炼钢法。1964年我国 第1 家氧气顶吹转炉炼钢厂在首钢建成投产， 与此同时我国太钢从奥钢联引进了2 台50 t 氧气顶吹转炉， 使我国 的氧气顶吹 转炉 炼钢进入了发展的初始阶段。 自 70年代以 来， 攀钢、 鞍钢、 本钢、 首钢、 武钢、 宝钢的大型氧气顶吹转炉相继投产， 发展也比较快， 但全国50吨以下的小型转炉总容量还占一半以上。2 0 03年中国钢产量达到2 . 22亿吨， 是世界 上第一 产钢大国。 世界上约有6 0 0 座转炉 在运行， 约占 全球粗钢产量的6 0%， 在 我国，转炉钢产量占粗钢总产量的80% 以上，德国一8 3 % ，日本、芬兰、英国、巴西、 韩国、 加拿大、台 湾地区 一7 0 一 7 5%，奥 地利、 澳大 利亚、 比利时、 卢森堡、 荷兰 等一 9 0 % 以 上 ” 。 转炉炼钢法之所以 应用如此广 泛是因为 其拥有如下很多优点: 氧气顶吹转炉炼钢法炉内反应速度快， 冶金时间短，具有很高的生产率。 氧气顶 吹转炉是当今世界上效率最高的炼钢方法。 可冶炼的品种多.氧气顶吹转炉可冶炼平炉的所有钢种和电炉的一部分钢种。 钢材质量好。 由于炼钢的主要原料是钢水， 废钢所占比例不大， 因此钢中镍、 铬、 铝、 铜、 砷等残余元素 少。 由 于钢中 气体含量 低。 氧 气顶吹 转炉钢具有良 好的 抗时效 性能、冷加工变形性能和焊接性能。 原材料选用性强。 氧气顶吹转炉不仅能吹 炼平炉炼钢生铁， 而 且能吹 炼中 磷和高 磷生铁。 耐火材料消耗低。 由 于氧气顶吹转 炉炉龄的 提高 ， 使耐火材 料的消 耗大幅 度降 低， 目 前大型转炉采用煤炭砖后 ， 炉 龄提高 到 2 0 00 到3 0 00 炉，使耐火材料的单耗小 于2 公斤。 投资省、 建设速度快。 氧气顶吹 转炉设 备简单、 重量较轻、 所需厂房面积和所需 重型设备的数量比 平炉 炼钢 厂少， 因 此投资比 相同规模平炉 炼钢厂少304 0%， 建设 速度也快。 此外， 氧气顶吹转炉炼钢的 冶炼时间短， 容易和连铸配合， 容易进行煤 气 回 收 和 采 用 电 子 计 算 机 控制 4 . 硕上论文炉口火焰图像判断炼钢终点的研究数据的实时采集与处理 1 . 2转炉吹 炼流程 转炉炼钢的基本原料包括: 铁水、 废钢、 铁合金、 造渣料、 熔剂、 冷却剂、 氧气、 氮 气、 氢气、 二氧化碳等. 炼钢过程中 通过 造渣料和氧气的 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: 吹炼初期由 于铁水温度不高 ， 51、 m n 的氧 化速度比c 快， 开吹2 4 分 钟时， 51、 m n已基本上被氧化。同时，铁水也被氧化形成 feo进入渣中，石灰逐渐溶解，使 p 也氧化进入炉渣中. 51、 mn、 p 、 f e 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 铁尘和小铁珠在空气中燃 烧而形成。开吹时，由于渣料乳化 形成而 噪声变得柔和。吹 炼前期的 任务 是化好渣、 早化渣，以利磷和 硫的去除:同时也 要注意造渣，以减少 炉渣对炉衬材料的 侵蚀。 接着，铁水中的 51、枷 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。 吹 炼中 期是碳氧反应剧烈时期， 此 间供熔 池中的氧气几乎100%的和 碳反 应， 使脱碳速度达到最大.由 于碳氧剧烈反应， 使炉温升高，渣中 feo的含量降低，磷和锰在渣一 金间分配发生变化，产生回磷回锰 现象。 但此间由于高 温、 低f eo、高c ao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。 到了吹炼后期，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。 这时吹入 熔池中的氧气 使铁部分氧化， 使渣中( feo)和钢水中( 0)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 、 p 、 5 含 量 合乎 出 钢 要 求 5. 6 . 1 . 3终点控制 转炉炼钢是一个复杂的高 温物理化学反 应过程， 其间 涉及气体、 液体、 固 体在钢 液、 炉渣和炉气 三相间的流动、 传热、 传质、 熔化、 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，从而去除 杂质， 获得要求的钢水成分。 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5 、 p 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， 通过供 氧、 造渣等操作， 经过一系列物理化学反应， 而达 硕士论文炉口火焰图像判断炼钢终点的研究- 数据的实时采史与处理 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)钢中碳含量达到所炼钢种要求的控制范围; ( 2)钢中p 、5 含量低于规定下限要求的一定范围; ( 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7 。 ( 1) 终点碳含量控制 对于一个炼钢厂来说， 铁水中的磷、 硫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 00 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 以 “ 1 。 1 . 4终点控制类型的发展 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60 年代开始，国 外逐步采用计算 机对转炉吹炼进行控制， 70 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 硕士论文炉口火焰图像判断炼钢终点的研究数据的实时采集与 处理 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。 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 补吹一定时间，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61% ， 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 . 02 % 0 . 03% ， 磷含量全部在0 . 0 4 8% 0 . 08既之间。 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l 。 “ 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 . 07% ， 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 eo ) 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 2 。 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己 知的原材料条 件和吹炼钢种的 终点成分和温 度， 依据物料 硕 二 论文炉口火焰图像判断炼钢终点的研究数据的实时采集与处理 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 s 。 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、 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 以 长 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) 气相( 质谱仪) 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。 质谱仪法是将氢、 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 氢气为例， 将吹 入气体、 吹炼氧气和混入空气中的氢作为 炉内 氢 气的 输入源， 用质谱仪测定烟道内的 烟气成分， 根据氢含量计算烟气流量， 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 硕 士 论 文炉口火焰图像判断炼钢终点的研究数据的实时采集与处理 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， 动态控 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， 在日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 枪已 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 法 和q v 法。 0 3 ， 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。 qv 法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。 在高 碳区， 渣中分压与钢中 0 。 值相差5 巧倍， 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【 。 ， 计算氧 分压，确定钢水成分;测定氧浓度，确定终点成分。 硕 卜 论文炉口火焰图像判断炼钢终点的研究数据的实时采集与处理 冶炼后期，利用钢、 渣接近平 衡的 关系， 根据【 田， ， 确定各种成分。 方法是 用副 枪 探 测 仪 来 测 定 叨 ， ， 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 图 。 1 . 5其它控制方法 5 . 1 静态图象处理的方 法 随着图像处理、 模式识别、 计算机视觉 等学科的发展， 由于 其有模拟人工判断的 可能， 因此新兴了 一些利用图像处理方法 判断炼钢终点的方 法。 (l ) 模 式 识 别 法 91 : 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 幻 : 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 练理基 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人工神经网 络的 方法 此 外 ， 国 内 还 通 过 神 经 网 络 建 立 动 态 控 制 的 模 型 叫。 首 先 建 立 一 个 对 象 的 正 模 型， 利用逆神经网络的期望输入与受控系 统正模型输出之差来调 整逆神 经网 络的 权 值， 因而它是使系统正模型输出与期望 输出 之差最小而不是 使逆神 经网 络输出与 系统 输入之差最小.神经网络控制模型为两个: 一个是补吹阶段所需吹氧量神经网络，另 一个则是补吹阶段加入冷却剂神经网 络， 网 络结构为三 层bp网. 主要是因 为， 从动态 终点控制模型可知， 在补吹阶段所需吹氧量与副枪检测时钢水中的碳含量、目 标碳含 量以 及补吹阶 段加入的冷却剂有关， 在实 际炼 钢中， 为了 操作方便， 通常只加入一种 冷却剂， 而其它辅助原料加入量很少， 忽略 其对氧气量的影响， 因 此， 补吹氧气量 神 经网络 控制器输入节点为3 个，分别对 应上述三 个变量，网 络输出 对应于补吹氧气量 vo ， 而补吹阶段加入的 冷却剂 量则与 副枪检 测时的 钢水温度和碳含量以 及目 标钢 水 温度和 碳含量有关，因 此加入冷却剂 神经网络 控制器输入节点为4 个，网络输出 对 应 于加入的冷却剂量，隐含层节点数通过训练决定。 7 硕十论文炉口火焰图像判断炼钢终点的研究数据的实时采集与处理 人工神经网络技术在冶金领域的发展为冶金工作者提供了一个全新的知识获取 和处理手 段. 与 其它 传统模型 ( 如数学 模型、回归 模型、 时间序列模型及经 验分析模 型) 相比， 它不仅具有较强的非线性问 题处理能力， 还能 在运行过程中依动态数 据库 而自 我完善、 发展以 提高运行 精度. 另 外， 它的实时 性又使其能对过程实现在 线响应。 正是基于此， 它在烧结、炼铁、炼钢、 精炼、连铸整个钢铁冶炼过程的各个生产环节 中都得 到了 很好的应用。 但是， 人工神经网 络在钢铁冶炼终点预报方面的发 展还处于 初始阶段， 它在揭示冶金过程机理及解决确定性知识方面不能代替传统处理方法， 在 炉 况异 常时不能代替专家判断。 其次， 人工 神经网 络模型的容错性使其在不充 分的检 测条 件下能较理想地在线预见生产过程， 但它不能取代检 测手段。 这一方面是由 于检 测手段可以提供掌握过程机理的信息， 从而实现冶金过程和冶金效果的优化; 另一方 面， 人工神经网络也需要必要的 检测手段 作为 其输入特征数据的来源和提高 精度的保 障.因此， 从总体发展来看， 人工神经网络的实时性应用将对过程检测， 尤其是在线 检测提出更高的要求。 1 . 5 . 3光学处理的方法 针对传统方法有的对终点判断不够准确， 或者成本高适用性不广， 许多利用转炉 炉口 光学参数或图像 参数 进行终点 判断的 新型控制方法从 上个世 纪 80年代开始就 进 行了尝试。 1 99 7 年 后， 国 外 逐 渐 出 现了 以 红 外 激 光 穿 透 炉口 炉 气 s， 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 ( c 0. 0 6 % 的 情况时， 其测量误差很大。 温 度 连 续 监 测 系 统 vai 一 c 0n te 帅 一 奥 钢 联 开 发 的 一 种 技术 9 ， 通过 风 嘴 向 钢 水 吹入惰性气体， 这样在风嘴喷嘴前 方的钢水中 形成脉动的球形空穴。 这空穴的内 表面 辐射出 红外电磁波， 部分电 磁波就通过风嘴向 装在风嘴上位于冶金容器外的 测温系统 前进。 红外 波用特殊的抗高温透镜聚焦在敏 感元件上， 于是从敏感元件向处 理机发出 信号。温度数据就这样被监控和贮存，这项技术仍未实用化。 1 . 6本文所做的工作 针对上述国内 外研究 现状与 存在的问 题， 在转炉终点判断的两种新型方法( 炼钢 过程中 炉口 光强度与终点的对应关系和炉口火 焰图像信息中的 色度成分在炼钢过程 中 变 化 与 终 点 的 关 系 l4 一 17 1)的 基 础 上 ， 提 出 了 一 种 综 合 利 用 炉口 光 强 度 和 炉口 火 焰 图 像信息的实时在线检测炼钢终点的新方法。 本文所做的主要 工作: ( 1)在已构建的数据 采集系 统的 基础上， 结合原有的数据采集软件， 对整个系 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)基于数据处理的 算法， 参考了国内 外的相关资料，进一步设计和完善了 数 据 采集程 序，并 提出了 并发 处理两组数据的要求。 (3 ) 在确定了串口标准后，通过调用 v c +的 m fc 类库中的 mscom!n 控件，实现了 串口 的 初始化 操作， 并 添加了 一些功能， 实现了图 像、 光强数据的实时获取。 对图 像 进行格式转换，用以数据的处理。 (4 ) 在实时处理上，由于无须创建用户界面，在 m fc 与windo ws ap工 两种调用多 线程的 主流方 法中， 选择使用 w lnd ows a pi 函数，在 vc+环境下， 研究了多线 程编 程的算法， 实现两组数据的并发处理， 并进行了仿真测试， 以判断并发算法的正确性。 ( 5)由 于更新与读取数据等多个线程将同时 访问 共享数据资 源，这必 然导 致了 系 统的竞 争状态， 将严重影响实时处理的结果 ， 因此本文采用了 多线程的同步机制， 结 合课题自身的 特点， 在四 种同 步机制算法中 选择了 临界段对象的 方法， 对共享资 源实 现了 加锁和解锁的操作， 并 减小了 系统开销， 以避免由于处理程序之间的冲突而 带来 的负面问题。 硕 七 论文炉口火焰图像判断炼钢终点的研究数据的实时采集与处理 2系 统模型介绍 2 . 1系统的基本构成 本系统主要由两部分构成: 数据采集系统和数据处理系统。 数据采集部分又分为图像采集和光强采集两个部分。系统框图如下所示。 据理控软 数处与制件 一磕俪降1旧 、厂/ 图像 采集 系统 一- -卜 光电 探测 系统 图2 . 1 . 1 系统设 计框图 系统的工作流程就是由图像采集系统从火 焰图像中 采集图像信息， 光强采集系 统从火焰图像中记录下光强值， 然后 将这两组数 据通过串口 传输到计算机， 由 计算机 根据预先编写好的算法并发处理，之后实时显示出二者的曲线图，进而判断规律。 2 . 2摄像望远系统 由于在距炼钢炉较远的地方进行数据采集，因此需要对广角的摄像头配备望远 镜，以提高图像的放大倍数， 获得炉口图像较大的图像， 丰富信息量。 对望远镜的要 求是 放大倍率大，中 心视场清晰， 而对像 差要求不高 ( 肉眼可以 接受范围内即 可)。 实验中采用的是h o ken n公司的放大 10 (2x s) 倍的望远镜。该望远镜具有体积 小，调试简单等优点，实验中基本满足了要求 2 . 3图 像采集软硬件系统 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口 l 0 硕 士论 文炉口火焰图像判断炼钢终点的研究数据的实时采集与处理 火焰的摄像头。本项目使用的是l 0 git ech(罗技) p r o40 0o摄像头。其技术规格如下: 视频捕捉: 最高6 40 x4 8 o 像素 静止图 片捕捉: 最高 1280 x9 60 像素 帧速率: 最高为每秒30帧 实验中通过调节摄像头的快门 的速率与 摄像头的放大倍数来选择最佳的 采集画 面， 以及最 清晰的视图 效果。 本实验使用的快门 速率是9 6 00， 放大倍数是 3 倍，图 象采集频率是 巧帧/ 秒。 图 像采集系统的 作用是 将摄像 头通过 u 阳 连接线送过来的图像信号读到内 存中 来，以 进行 下一步处 理。 本系统中由 于摄像头符合 v fw 标准，采集软件是利用 v 阳 构建的，主 要用的是 体系中 的a v ic a p 系列函 数。 下面简要介绍一下v 限系统及 其他 可以 用 于 视 频 采 集的 系 统 i7。 2 . 3 . i v 砰简介 v fw是m ic r oso ft1 9 9 2 年 推出的 关于数字视频的一个软件包， 它能使 应用程 序数 字化并 播放从传统模拟视频源得到的视频剪 辑。 v 畔 的 一个关键思想是播 放时 不需要 专 用硬件， 为了解决数字视频数据量大的问 题， 需要对数据进行压缩。 它引 进了 一种 叫a v i 的文件标准， 该标准未规定如何对视频进行捕获、 压缩及播放，仅规定视频和 音频该 如何存储在硬盘上，在a vl文件中 交替存储视频帧和与之相匹配的音频 数据。 v fw给程序员 提供. vbx 和a v i c 叩 窗口 类的高 级编程工具， 使程序员能通过发 送消息 或设置 属性来捕获、 播放和 编辑视频剪辑。 现在 用户不 必专门 安装v fw 了， w in d o w s 95 本身 包括了v ideo f or w i nd owsl. 1 ，当 用户在安装 w i n d ows 时，安装程 序会自 动地 安装配置视频所需的组件，如设备驰动程序、视频压缩程序等. v 附 主 要由以 下六个模块组成: ( 1) a v i c a p . d l l:包含了执行视频捕获的函数，它给 a vi 文件 1/0 和视频、音频 设备驱动程序提供一个高级接 口: ( 2 ) m s vid e o . d l l : 用一套特殊的dr awd ib函 数来处理屏幕上的 视频操作; ( 3 )珑i a v i . d rv: 此驱动程序包括对v fw 的毗1 命令的解释器; ( 4 ) a vifil ed l l:支持由 标准多媒体 1 /0 ( nunio)函数提供的更高的命令来访 问. a v i 文件: ( 5 ) 压缩管理器 ( i c m ): 管理用于 视频压缩一 解压缩的 编解码器 (c o d e c) : ( 6 ) 音频压缩管理器a c m : 提供与i c m 相似的 服务， 不同 的是它适于波形音频。 v i s u a 1 c + + 在支持v 畔 方面提供有 v f w 3 2 . l i b 、 m s a c m 3 2 . l i b、w i n 咖. l i b 等类 似的 库。 特别是它 提供了 功能强 大、 简单易 行、 类似于毗工 w nd的窗口类a v 工 c 即。 a v ic ap 为应用程序提供了一个简单的、基于消息的接口，使之能访问视频和波形音频硬件， 硕 士论 文炉口火焰图像判断炼钢终点的研究数据的实时采集与处理 并能在将视频流捕获到硬盘 上的 过程中 进行 控制。 2 ， 3 . 2其它视频采集方式简介 与v f w 相对的另 一种主流的视频采集模 式是w i n d o w s o r i v e r m o d e l ( w n m ) 。 它是 基于m ic rosoft 的c om 技术， 包含于d i rec t x 框架内的 采集系统。 主要 通过 流媒体 与f i l t er工 n t e r faces 的相互 作用工作， 而 避开了 流媒体的原始数据。因 而它工作较 快， 对c pu 资源消耗小， 但其结构复杂不易掌 握， 且编程、 维护困 难。由 于本系统中 需要接触图像的原始数据 ( r g b 值) ，而且 采用的 摄像头只是暂时 初步的研究， 为了 节约开发成本，采用了 vfw系统采集图像数据。 2 . 4颜色信息处理的对象 下面简要介绍一下本实验数据的处理方 法。 受锅炉火焰处理的启发，由 于本文 研 究的转炉火焰图像中的颜色信息与人工 判断终 点规律中的火焰颜色信息有极大的相 关性， 因此本文火焰图 像信息提取的重点 放在了 色 度信息的提取上。 本课题采用的是 咖tlab软件 进行图象处理。 受锅炉火焰处理的启发， 由 于本文研究的 转炉火焰图 像中的 颜色信息与人工判断 终点规律中的火焰颜色信息有极大的相关性， 因此本文火焰图像信息提取的重点放在 了色度信息的提取上。 而 颜色模型是在某种 特定上下文中 对于颜 色的特性和行为的解释方法。 没有哪一 种颜色模型能 解释所有的 颜色问 题， 因此我们 分析不同的模型来找到合适与火焰图 像 处 理 的 模型 。 常用 的 几 种 基 本 的 颜 色 模 型 是 卿 : rg b ， y iq ， h sv， 撇。 基于三刺激理论( t risti m ulus t h eory ) ， 我们的眼睛通过三种可见光对视网 膜的 锥状细 胞的 刺激来感受 颜色。 这些光在波长为6 30m ( 红色) 、 5 3 o m ( 绿色) 和4 50m( 蓝 色) 时的刺激达到高峰。通过光源中的强度比较，我们感受到光的颜色。这种视觉理 论是使 用三种颜色基色: 红、 绿和蓝在视频监 视器上显示彩色的基础， 称为 rg b 颜 色 模型。 其色彩立方体示 意图 如图2 . 51 所示。 这是 三维直角坐 标系中 的一个单位立方体。( 0 ， 0 ， 0) 为黑色， ( 1 ， 1 ，1) 为 白 色，中间为 各种颜色， 其颜色数量可达2 封 种，通常用于彩色阴极射线管和彩色光 栅图形 显示器， 其三原色为加性原 色。由 于容易编 程、 硬件易于 使用， r gb颜色模型 广泛应 用于图 像显示中， 但该 颜色模型与 人的直 观的 颜色概念没 有直接的联系。 一 般 认为， r ， g ， b 颜色空间 与人眼的感知差别 很大。 例如， 距离为 50 的(0 ，0 ，0) ， ( 5 0 ， 0 ， 0 )两种 r g b颜色认为是同一种黑色， 而距离 5 0的 ( 2 0 0 ， 1 5 0 ，0 ) 与 ( 2 0 0 ， 2 0 0 ， 0) 则是差别很 大的 两种颜色 ( 黄色和绿色) ， 因此， r gb 颜色模型主要是面向 硬件的， 不太适用于图 像理解和分析领域. 硕十论文 护口火焰图像判断炼钢终点的研究数据的实时采集与 处理 3串口 数据采集 3 . 1串 行接口 标准简介 本课题采取的串口标准是美国电子1业协会 e i a ( e l e c t r o n i cl n d u s t r i e s a s s o c i a t i o n ) 与b e l l 等 公 司 一 起 开 发 的r s 一 2 3 2 c 标 准， ，1 . 它 适 合 于 数 据 传 输 率 在。 2 0 0 0 0 b i t / 5 范围内 的通信。 字母r s 表 示r e c o mme n d e d s t a n d ard ( 推荐 标准) ， 2 3 2 是 识别代号，c 是标准的版本号。 r s 一 2 3 2 c 标准最初是为t 远程数 据终端设备d t e ( d a t a t e r m i n a l e q u i p o e n t ) 与数 据通信设备dce( d a t ac o 咖u n i c a t i o n e q u i p m e n t ) 而制定的.但目 前更 广泛地应用 于计算机与终端或外设 之间的 近距离 连接。 这个标准对串 行 通信接口的 有关问 题， 如 信号 功能、 电 气特性和机械特性等做了 较明确的规定。 由 于通信接口 与设备制 造厂商 都生 产与r s 2 3 2 c 兼容的 通信设备， 因 此它成为微机串 行通信接口 中广泛采用的 一种 娜淮。 1 .机械特性 机械特性主要规定了使用的连接器的机 械规格 和电缆 线的 长度。 由 于r s 一 2 3 2c 呱 1. 2 标 准 只 规 定了 采 用 一 对 物 理 连 接 器 ， 但 对 连 接 器 本 身 的 物 理 特性没有任何定义，因而出现了 d b 一 25、d b 巧 和 d b 一 9 等各种类型的连接器，其引脚 的定 义也各不相同。 鉴于d b 一 9 型 连接 器使用比 较多， 并且目 前的计算机只配备该 型 号串行 接口， 下面只介绍这种连接器的引脚 分配。图3 . 1 . 1 是d b 一 9