基于机器视觉的张减管长度在线测量系统研制

2022-09-18郑建聪刘宏申周炜

钢管 2022年2期

郑建聪，刘宏申，周炜

（1.宝山钢铁股份有限公司，上海 201900；2.安徽工业大学，安徽马鞍山 243000）

无缝钢管壁厚数据是无缝钢管生产中最重要的质量参数之一[1]，但在无缝钢管生产的各工艺环节中，由于管子外径小，输送速度快，叠加生产现场的高温、震动、灰尘等因素，较难获得准确的壁厚数据。宝山钢铁股份有限公司（简称宝钢股份）Φ140 mm机组现有的张力减径管测厚设备测出的是两通道的壁厚数据，测得的平均壁厚数据与实际钢管壁厚数据偏差较大。在体积一定情况下，平均壁厚与钢管长度是一一对应的，因此可以通过测量管长来获得准确的钢管壁厚质量[2]。

钢管长度测量因为现场环境工况差（高温、震动、粉尘等），一些测长方式如激光测长、红外线测长等不能满足现场的使用及精度要求。基于机器视觉的测量方法可以远离这一恶劣环境，测量是通过非接触、保持适当距离的方式进行[3-6]。机器视觉方法测量钢管长度的核心技术就是图像处理技术。采用图像处理技术来测量钢管长度已有人研究过[3-6]，这些研究成果由于以下原因无法在本系统直接应用：①除了使用了图像处理技术外，本系统还需要针对特定工况和需求进行一些特定的设计；②测长对象、工艺和环境差异较大；③成果比较老旧，没有将最新的互联网技术和成果引入。随着互联网技术的发展和网络技术的普及，当今的技术和成果可以让用户不需要从系统软硬件低层开始设计，设计出来的系统可移植性大[7-9]。

由于在线钢管的温度高，从背景中把被测量目标分割处理不是很难。但要实现一个有足够稳定性和健壮性的、在工业现场使用的在线测量系统，还是有一些问题需要研究设计。工业现场应用的系统一般是服务型程序，即一次启动后连续运行，其执行逻辑是与生产进程一一对应、具有循环重复执行特点。系统的足够稳定性和健壮性要求程序循环结构体执行时间必须小于等于现场生产过程的周期。这一要求对一般系统不是问题，但对基于机器视觉的测量系统可能会成为问题，因为图像数据较大、处理需要较长时间。因此测量钢管长度机器视觉方法的核心在于如何减少数据处理量、保证测量系统的节奏与现场工业生产过程的节奏一致[10-15]。

基于机器视觉的测长系统本质上属于测量系统。一般测量系统都需要先确定测量坐标系，然后建立测量坐标系与世界坐标系的变换。对本系统而言，确定测量坐标系工作就是确定拍照地点、工业相机型号和数量及设计拍照方案。在这其中，在保证满足现场对本系统测量的精度要求的前提下，要设法减少系统的数据处理量。在有多个拍摄点可选的情况，离拍摄对象距离越近、拍摄需要的相机数越少越好[6,14]。

1 无缝钢管轧线张力减径管生产区域环境

宝钢股份Φ140 mm浮动芯棒连轧管机组轧线生产节奏快，张力减径管外径小、倍尺多，输送速度快。张力减径管出张力减径机后通过输出辊道进入冷床区域，在纵向输送过程中抛料机构将钢管从辊道推出抛入冷床第一个管槽，并对钢管实施制动。经过一个时间间隔后，由抛料机构将钢管抛入步进梁式冷床的齿条。冷床齿条上有槽位，分固定齿条和活动齿条，活动齿条在下降位置时可以看到抛料位置处的管子。Φ140 mm生产线生产规格多，管子长度跨度大（8～140 m），管子外径31.8～203 mm。冷床长度设计为165 m，从张力减径机后输出辊道抛出的管子在冷床中的起始位置不固定。

抛料区域的北侧是挡板，上方由于温度较高以及没有可以依托的支架等原因不适合安装工业相机。相机唯一可以安装的地方就是冷床南侧行车轨道上方。图1所示是在行车轨道上面用手机拍摄的抛料区域和冷床图像。

图1 张力减径管冷床区域环境

经过现场实际察看，比较理想的观察点位置在对面行车轨道上方，观察点距观察对象张力减径管之间距离如图2所示。由于张力减径管温度与环境温度相差较大，从背景中把它分割出来不是难事，因此现场拍摄就没有考虑光源。

图2 张力减径管距离相机距离

2 张力减径管在线测长系统架构

张力减径管在线测长系统是属于视觉系统，符合一般视觉系统的架构，但具体的结构与应用的需求有关。一般视觉系统包括图像采集设备、运行图像处理软件的计算机（简称上位机）以及把二者联系起来的导线或者网络。由于工业现场环境的要求，在线测量系统中图像采集设备与运行软件的计算机一般距离较远，二者连接采用网络方式。鉴于此情况，测长系统的图像采集设备选用带GigE（Gigabit Ethernet千兆以太网）接口的工业相机，采集图像的工业相机与上位计算机构成网络。在线测长系统一般不是只有连接相机的孤立的网络系统，都与工业现场的管理系统L1、L2有信息的交互，如待测对象的身份信息的获取、测长结果也要及时发送回L2料流跟踪系统。在线测长系统至少有两种及以上的网络，一种是上位机与相机连接的网络，一种是测长系统与现场系统连接的网络。鉴于上述情况，张力减径管在线测长系统包含工业相机、传输网络、上位计算机平台和测长处理软件三部分。该相机拍照点与电气控制室之间铺线距离超过1 km，两者之间的网络必须使用光纤和交换机来实现。

2.1 相机数和参数确定

张力减径管管长最长达140 m以上，无法使用一台相机完成测长，需要多相机画面拼接、协同来完成测长。相机数的确定是一个非常重要的问题，它会影响网络架构、系统运行速度和测量精度等重要方面。相机数越多，测量精度会提高，但系统处理数据量增加、处理速度会下降。在保证测量精度前提下，尽量减少相机数量。相机数量与物距、画幅及待测目标长度等有关。

物距与安装地点相关。这要求摄像机的景深要足够远才能满足要求。相机画幅宽度是决定系统需要的工业相机数的主要因素。在相机分辨率一定的情况下，画幅与测量精度成反比，与相机数成正比。对测长系统而言，追求过高的精度就意味着需要较多的相机才能完成。相机画幅与相机镜头的焦距、物距和相机本身靶面尺寸等有关，在物距和靶面长度确定情况下，画幅宽度与焦距成反比，画幅越宽要求镜头焦距越短。焦距/物距=靶面横向长度/画幅宽度。

张力减径管本身长度虽然是140 m，但由于拍摄时其管端位置不固定，可能处在160 m冷床的任意位置，因此拍摄区域总长160 m。每个相机的画幅确定要考虑物距、相机靶面尺寸和镜头焦距。相机靶面是相机的重要参数，与具体品牌型号有关。本系统物距是31.5 m，以画幅宽20 m选取合适类型的相机，需要相机160/20=8个。多相机拼接画面时，每相邻的两个相机画面之间要有一定重叠区域。设定重叠区域实际长度为0.5 m，则每个相机的画幅为21 m，这8个相机从左到右分别命名为D1～D8。

画幅的确定还要考虑系统测量精度要求。相机画幅为21 m，其测量精度=21 m/相机在管长方向的像素点数。相机在管长方向的像素点数就是相机沿管长方向长度分辨率。画幅一定的情况下，精度与分辨率的关系：画幅宽度/精度=符合要求的最低分辨率。按照本系统的精度要求，本系统使用的相机横向分辨率不小于2 100 dpi。

2.2 测量坐标系的建立以及系统架构

测长方案采用多相机同时拍照钢管两端。由于每次通讯数据量都非常大，按照相机的要求，每个相机与上位机构成一个独立的网络。由于相机与上位机所在的控制室距离长，因此它们之间最合适的物理链路就是光纤网络，8个相机共享这一物理链路。利用现场的交换机把8个相机和上位机通过光纤网络连接起来（图3）。

图3 测长系统架构示意

当相机安装好后，每个相机就有自己独立的测量坐标系，测量算法对其拍摄图像处理后获得的值是基于自己的这个测量坐标系的值，再由算法把该值变换到统一的世界坐标系下的长度值，该值就是钢管的实际长度。

3 确定抓拍时机和拍照控制

鉴于钢管在生产线上有静止状态且空间位置固定，为了减少数据处理量，提高系统的稳定性和健壮性，相机采用触发模式工作。相机的触发有硬触发和软触发两种，本系统采用软触发，即由软件通过指令来触发，这个指令由上位机发出，工业相机接到拍照指令才拍照并回传图像数据。

根据张力减径管的生产工艺流程，张力减径输送辊道上的张力减径管经过两次抛料后进入冷床，张力减径管在第一次抛料并进入冷床后有一段时间处于静止状态，此刻被系统定为拍照时机。L2料流跟踪系统能确定钢管是否处在静止状态，即拍照时机。有两种方案让测量系统上位机触发拍照指令：方案一是L2服务器通过端口socket与测长系统建立通讯渠道来实现；方案二是测长上位机通过数据采集卡获取L1的相关信号自行判断拍照时机。这两种方案各有利弊，方案一优点是测长系统结构简单一些，软件负责的任务减少了，缺点是及时性相较于方案二要差一些。测长系统测得的长度最终还是要送到L2服务器，待测管子的身份信息等也需要由L2服务器发送过来。考虑到这些因素，系统选择方案一来确定拍照时机，L2服务器通过端口socket与测长系统建立通讯渠道。

拍照时机确定采用L2系统发送电文来解决，即拍照时机出现时L2服务器给本系统发送一条电文。本系统根据接收到的电文进行拍照，电文与相机拍照对应关系见表1。一旦出现0003电文相机D1～D8拍照一次。这样一次测量系统要处理8幅图像获得张力减径管的长度信息。

表1 电文与控制拍照相机对应关系

4 系统运行过程和结果

根据上述确定的拍照方案，整个测长系统涉及到三方实体部分，即L2服务器、本系统所在的上位机和工业相机。这三个实体是通过特定网络相联系和传递数据的，L2服务器与本系统上位机是通过已有的工业现场网络实现通讯的；本系统上位机与工业相机是通过新架设的千兆网相联系。完成一次测量有7个处理步骤，具体工作流程如图4所示。

图4 测长系统工作流程

图4中，①L2为发送电文过来，电文头0003（接收程序）；②为接收程序，解析电文，做一些图像处理前的准备工作；③为启动相机拍照；④为相机接到指令，拍照并将图像数据通过网络回传；⑤为相机通知本系统拍照完成；⑥为系统调用处理算法进行长度检测；⑦为将结果回传L2（发送程序）。从上述步骤可知，本系统一个循环周期时间主要用在解析电文②、启动相机③、等待相机工作完成回传图像数据（④+⑤）、测度检测算法⑥和结果回传⑦。实验结果表明采集8幅图像回传到本系统不到100 ms。由于采用了优化，本系统测长算法分析8幅图像需要的时间不到500 ms，再加上结果回传需要的时间，循环体总时间不到1 s左右。生产线上两个管子之间的最短时间间隔在9 s以上，因此本系统是稳定的和健壮的。