УДК 621.745.56
ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА "VIZION" ДЛЯ ОЦЕНКИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПЛАВИЛЬНОГО АГРЕГАТА
INDUSTRIAL TESTS OF THE SYSTEM "VISION" DESIGNED TO THE PERFORMANCE EVALUATION OF THE MELTING FURNACE
Круглов Василий Николаевич
канд. техн. наук, доцент E-mail: v.krouglov@mail.ru
Круглов Артем Васильевич
аспирант
E-mail: avkruglov@yandex.ru
Гизаттулина Анжела Ренартовна
студент
E-mail: ss-silencesoul@yandex.ru
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина,
г. Екатеринбург
Аннотация: Представлены результаты промышленных испытаний программно-аппаратного комплекса "VIZION", предназначенного для оценки производительности плавильного агрегата. Подчеркнута актуальность применения таких систем для контроля технологического процесса при производстве минераловатной продукции. Описаны основные этапы функционирования комплекса. Рассмотрены высокоскоростные алгоритмы оценки скорости истечения струи расплава. Ключевые слова: машинное зрение, пирометр, производство минераловатной продукции, дебит струи расплава, цифровая обработка изображений, высокоскоростные алгоритмы, совмещение видеокадров.
ВВЕДЕНИЕ
Производство минераловатной продукции характеризуется высокой степенью автоматизации. Тем не менее, ряд проблем остается нерешенным, в том числе совместный оперативный учет температуры струи расплава и ее дебита (расхода). Прямые методы измерения расхода расплава плавильного агрегата неприменимы из-за агрессивности среды. Известны косвенные методы оценки дебита расплава плавильного агрегата, такие как оценка по изменению тока двигателя валков центрифуги, по количеству загруженного сырья, по весу готовой продукции. Однако, эти методы не позволяют получить точных количественных данных о расходе расплава и, соответственно, о производительности плавильной печи.
Из [1] известно устройство определения производительности плавильного агрегата по диамет-
Kruglov Vasilly N.
Ph. D. (Tech.), Associate Professor E-mail: v.krouglov@mail.ru
Kruglov Artyom V. Postgraduate
E-mail: avkruglov@yandex.ru
Gizattulina Angela R.
Student
E-mail: ss-silencesoul@yandex.ru
Ural Federal University n. a. the first President of Russia B. N. Yeltsin, Ekaterinburg city
Abstract: The article describes the results of industrial tests hardware-software complex VIZION, designed to evaluate the performance of the melting furnace. Emphasizes the importance of using such systems for technological process control in the mineral wool production. The basic operations of the complex are given. In addition, the high-speed algorithms for the estimation of the melt jet flow rate are considered.
Keywords: machine vision, pyrometer, production of mineral wool products, melt jet output, digital image processing, high-speed algorithms, video frames matching.
ру вытекающей струи. Оно состоит из оптической фокусирующей системы, диафрагмы и блока измерения. Правомерность метода измерения дебита расплава по диаметру струи доказывается установлением однозначной зависимости между диаметром струи и расходом расплава. Это утверждение справедливо только при следующих допущениях: струя расплава в поперечном сечении должна иметь форму круга, при этом кинематическая вязкость (или скорость истечения) расплава постоянна. Однако в условиях реального производства струя расплава как в продольном, так и в поперечном сечениях может принимать самые произвольные формы (рис. 1).
Кроме этого, и температура струи, и ее минералогический состав постоянно меняются, что приводит к изменениям кинематической вязкости и, как следствие, изменению скорости истече-
38
Sensors & Systems • № 6.2015
Рис. 1. Виды струи расплава
ния расплава. Все это показывает, что такое устройство при изменении температуры струи, ее вязкости, а также при возникновении деформации формы струи будет обладать большой погрешностью при определении производительности плавильного агрегата. Анализ литературных источников [2—5] показывает, что решать задачу совместной оперативной оценки дебита и температуры расплава плавильного агрегата наиболее целесообразно с помощью системы технического зрения, доукомплектованной пирометром.
Именно таким многофункциональным прибором является комплекс "УКЮ№', обеспечивающий:
— высокоточное определение количества минерального расплава, выпускаемого из плавильного агрегата;
— определение расхода расплава и его температуру в реальном времени, т. е. со скоростью, которая позволит своевременно реагировать на изменение расхода расплава;
— исключение человеческого фактора при проведении измерений;
— возможность дистанционного управления прибором и проведения измерений.
АНАЛИЗ СТРУИ РАСПЛАВА С ПОМОЩЬЮ КОМПЛЕКСА "УШОЫ"
Принцип функционирования комплекса "УКЮ№' заключается в следующем. При помо-
щи оптической системы видеокамеры, доукомплектованной световым фильтром, в режиме телевизионного стандарта формируется изображение струи. Доукомплектование световым фильтром оптической системы видеокамеры позволяет подчеркивать внутренние яркостные неоднородности струи (рис. 2).
Видеоизображение струи в цифровом виде поступает в компьютер для обработки. Анализ получаемых изображений производится в несколько этапов. Первоначально производится анализ формы струи и расчет ее текущего диаметра. Для этого струя не должна иметь сильные искажения формы, так как такие искажения затрудняют анализ изображений и не позволяют сделать достоверные расчеты текущего диаметра струи (рис. 3). Далее
Рис. 2. Усиление внутренних яркостных неоднородностей струи
Рис. 3. Примеры флуктуаций изображения формы струи, пригодных для определения скорости ее истечения
анализируется возможность определения текущей скорости струи. Если форма струи или ее внутренняя яркостная неоднородность позволяют рассчитать скорость ее истечения, то производится расчет текущей скорости. В противном случае данная величина определяется по последнему измеренному значению.
Традиционные методы оценки параметров
смещения текущего изображения /М (/, у) относи-
э м
тельно эталонного /м (/, у) являются по своей
природе двумерными. Поэтому их вычислительная сложность в значительной мере выше их одномерных аналогов. В связи с этим представляет значительный практический интерес разработка быстрых алгоритмов оценки смещения двумерных изображений, по вычислительным затратам приближающимся к одномерным алгоритмам.
Для решения данной проблемы в [4] был предложен следующий метод. Пусть Ак(1), I = 0, N - 1, N < М — вертикальная проекция наиболее рельефного участка изображения /М (I, у) струи расплава, где к — начальная строка этого участка.
Проекция Ак(() рассчитывается по формуле: 1 М-1 Э
Ак0) = М £ /М ('" + к, У).
М ] = о
Пусть также £¿(0, I = 0, N - 1 — вертикальная
т
проекция фрагмента изображения /М('", У), начинающаяся со строки к и определяемая как
1 м -1
ВД = М £ /М('" + к, У).
М ] = о
Далее рассчитывается мера сходства Л(к) по формуле:
N -1 _ _
£ [Ак(I) - Ак][ Бк (/) - Бк ]
ад = г'=0
П N-1 £ (Ак( I) - Ак) - £ (ЯА( 0 - )
г = 0
1 = о
_ N - 1 _ N - 1
где Ак(I) = ^^ £ Ак(1) и (I) = 1 £ ЗД. Зна-
г = 0
N
г = 0
одномерных, что позволяет перейти от обработки двумерных массивов к одномерным. Развязка производится путем вычисления циклических инвариантов каждой строки и каждого столбца — своеобразных обобщенных проекций ("теней") двумерного изображения на два взаимно перпендикулярных направления. Частным случаем этого метода является построение обычной "тени" — суммирование всех элементов строк и столбцов. Вычислив мгновенные значения диаметра струи и скорости ее истечения или выполнив аппроксимацию этих значений по предыдущим кадрам, рассчитывается текущий объем струи.
ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЙ КОМПЛЕКСА
Для проведения промышленных испытаний в качестве контролируемого объекта была выбрана плавильная печь № 1 ОАО "АКСИ", г. Челябинск. Испытания были проведены в режиме непрерывной работы системы в течение трех смен с периодическим измерением температуры в плавильной печи и отбором контрольного замера расплава плавильной печи № 1 (табл. 1 и табл. 2).
Среднее абсолютное различие между измеренной температурой расплава в печи № 1 и температурой струи составила 71,6 %. Такая разница обусловлена тем, что точка контроля параметров струи расположена на 1000 мм ниже выпускного отверстия печи, и расплав за время преодоления этого расстояния успевает охладиться. Так как данное расхождение в значениях температур является систематическим, то оно может быть учтено при контроле температуры. Итоговая относи-
Таблица 1
Контрольные измерения температуры в печи № 1
чение параметра к*, при котором Я(к*) ^ тах, и будет искомой величиной сдвига струи расплава в двух соседних видеокадрах.
В [6] предлагается метод развязки двумерного смещения на два независимых друг от друга
Номер смены Время отбора проб Температура в печи,°С Температура струи, °С Отклонение, °С
1 9-25 13-50 1422 1457 1360 1382 62 75
2 11-04 1458 1371 87
3 9-17 15-30 1430 1419 1365 1350 65 69
Среднее 1437,2 1365,6 71,6
40
Эепвогв & Эувгетв • № 6.2015
Таблица 2
Контрольные измерения дебита расплава в печи №1
Номер смены Время отбора Масса расплава, кг Ширина Производительность, т/ч Отклонение,
проб расчетная фактическая струи, мм расчетная фактическая %
1 9—25 13—50 0,05541 0,03838 0,06312 0,03926 12,9 10,2 3,63 2,30 3,85 2,36 5,83 2,24
2 11—04 0,0481 0,0489 12 2,89 2,93 1,64
3 9—17 15—30 0,04853 0,0461 0,05024 0,04682 12,9 11,4 4,16 2,77 4,31 2,81 3,40 1,54
Среднее 3,20 2,93
тельная погрешность оценки температуры не превысила 1,3 %.
Результаты испытаний показали, что расхождение между производительностью печи № 1, измеренной с помощью комплекса "УКЮ№', и контрольными измерениями не превысило 5,83 %. Средняя относительная погрешность составила 2,93 %.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, решение задачи совместной оперативной оценки дебита и температуры расплава плавильного агрегата наиболее целесообразно выполнять с помощью многофункциональных приборов, представляющих собой систему технического зрени
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.