表面缺陷檢測系統(tǒng)在寶鋼冷軋帶鋼的應用

王濤 佘焱

摘要：對寶鋼新日鐵汽車板有限公司冷軋帶鋼生產(chǎn)線進行改造，增設西門子表面缺陷檢測系統(tǒng)，在不改變冷軋帶鋼現(xiàn)有生產(chǎn)速度的情況下，增加對冷軋帶鋼表面的缺陷的自動檢測和缺陷種類的自動鑒別。既保證了冷軋帶鋼機組連續(xù)可靠的運行，又減少了檢測工人的勞動強度和因人為經(jīng)驗造成人工漏檢而引發(fā)的質(zhì)量問題。本文通過對表面缺陷監(jiān)測系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)進行分析，討論了影響表面缺陷檢測系統(tǒng)的各種因素和實際應用效果。結(jié)果表明在冷軋帶鋼機組中增加在線表面缺陷檢測系統(tǒng)，并組建全廠缺陷檢測網(wǎng)絡，可以大幅度減輕冷軋后續(xù)精整線的檢測壓力，使得帶鋼生產(chǎn)過程更加自動化。

關鍵詞：缺陷檢測系統(tǒng)，帶鋼表面缺陷，缺陷檢測網(wǎng)絡

引言

在鋼鐵冶金企業(yè)中，隨著對冷軋帶鋼需求量的增加和冷軋軋制速度的不斷提升，市場上對冷軋帶鋼的質(zhì)量要求也越來越高。而在冷軋帶鋼的生產(chǎn)過程中，因原料質(zhì)量，設備及生產(chǎn)工藝的原因而造成的帶鋼表面缺陷如：擦傷、裂紋、輥印、氧化鐵夾雜等是影響帶鋼表面質(zhì)量的重要因素。在傳統(tǒng)的冷軋生產(chǎn)過程中，這些表面缺陷需要由專業(yè)的檢測人員通過肉眼識別的方法來進行檢測。檢測的結(jié)果往往受人為經(jīng)驗及主觀因素的影響，同時只能應用于帶鋼速度較慢的場合，個別微小的缺陷更是只憑肉眼難以進行察覺。由此造成的人工漏檢，缺陷流出引發(fā)了不少客戶對冷軋帶鋼產(chǎn)品質(zhì)量的異議。而長時間的停機進行人工檢測，又會降低生產(chǎn)速度，與機組日益高速的生產(chǎn)要求產(chǎn)生矛盾。

為了解決人工漏檢的問題，為了保證冷軋帶鋼機組高速連續(xù)可靠地運行和減輕后續(xù)精整線的人工勞動強度和檢測壓力。在冷軋帶鋼生產(chǎn)線中加裝在線表面缺陷檢測系統(tǒng)，對運行中的冷軋帶鋼表面進行自動檢測，并將不同的表面缺陷自動進行分類和記錄，同時配合表面缺陷檢測網(wǎng)絡，實現(xiàn)表面缺陷數(shù)據(jù)報表的傳遞與跟蹤，對減少產(chǎn)品質(zhì)量異議，降低勞動強度和提高冷軋帶鋼機組自動化控制水平具有十分重要的意義。

寶鋼新日鐵汽車板有限公司于2008年起，相繼在其1號熱鍍鋅機組、連續(xù)退火機組、3號熱鍍鋅機組、2號熱鍍鋅機組增設了Siemens VAI表面缺陷檢測系統(tǒng)，并在寶日汽車板全廠范圍內(nèi)，建設了一套表面缺陷檢測網(wǎng)絡。其中的2號熱鍍鋅機組出口帶鋼最大速度為190m/min，所生產(chǎn)帶鋼寬度范圍為800～1630mm，根據(jù)生產(chǎn)要求，2號熱鍍鋅機組是一條年設計產(chǎn)量為35萬噸，以生產(chǎn)汽車板和高級家電板為主打產(chǎn)品的機組，對產(chǎn)品質(zhì)量要求非常嚴格。

本文將根據(jù)表面缺陷檢測系統(tǒng)的設計要求，以2號熱鍍鋅機組增設表面缺陷檢測系統(tǒng)為例。介紹表面缺陷檢測系統(tǒng)的檢測原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，并通過分析表面缺陷檢測系統(tǒng)的影響因素，為在冷軋帶鋼機組中增設自動化表面缺陷檢測系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1表面缺陷檢測系統(tǒng)的原理

目前在冶金領域，對帶鋼表面的缺陷檢測系統(tǒng)主要有兩種裝置，一種是采用無損探傷檢測技術的缺陷檢測裝置，另外一種是基于機器視覺技術的缺陷檢測裝置。前者利用渦流探測器或各種探傷射線，對帶鋼和鋼坯的表面裂紋進行探測，其檢測原理導致檢測缺陷的種類具有一定的局限性，普遍應用于連鑄、熱軋等對鋼坯和鋼板表面質(zhì)量要求不高的場合。而后者的檢測原理則是利用帶鋼表面不同缺陷之間的光學特性差異，通過特殊的光學裝置對帶鋼表面進行照射，同時采用圖像采集裝置對反射光線進行采集，將采集信號傳送至計算機，再通過圖像處理技術，生成特征值并與計算機表面缺陷數(shù)據(jù)庫中特征值進行比對，從而代替人眼和大腦對帶鋼表面各種缺陷進行識別。伴隨著計算機事業(yè)的發(fā)展和高性能圖像采集技術的應用，人工神經(jīng)網(wǎng)絡模式識別和專家系統(tǒng)的日益成熟，這種基于機器視覺的表面缺陷檢測技術已經(jīng)能夠自動完成對冷軋帶鋼表面絕大多數(shù)缺陷的實時檢測。

Siemens VAI的全自動在線表面缺陷檢測系統(tǒng)，正是機器視覺檢測技術在冷軋帶鋼領域的最先進應用，它的表面缺陷采集裝置工作原理如圖1-1所示。

將此套裝置安裝于轉(zhuǎn)向輥上方，利用光源對輥面上的帶鋼進行照射，光源的角度可以根據(jù)需要進行調(diào)整，同時利用高分辨率的攝像機接受反射光線對帶鋼表面進行超高速的線性掃描，圖像掃描完成后，將圖像的采集信號通過轉(zhuǎn)換送到缺陷檢測系統(tǒng)的主控柜中，隨著冷軋帶鋼連續(xù)不斷的運行，圖像的采集也是連續(xù)的。表面缺陷檢測裝置配合編碼器，就可以在數(shù)據(jù)庫中形成一條連續(xù)的帶鋼表面圖像，再通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡模式識別對其中的帶鋼表面缺陷進行快速的定位、判別、分類，最后生成一個該卷帶鋼的數(shù)據(jù)報表供用戶查驗。Siemens VAI的表面缺陷檢測系統(tǒng)更具有一套自我學習能力，通過表面缺陷檢測不斷對自身數(shù)據(jù)庫中的特征值進行完善，從而提高帶鋼表面自動檢測和分類的效率并降低帶鋼表面缺陷漏檢的幾率。

2表面缺陷檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成

Siemens VAI表面缺陷檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，現(xiàn)場部分由上表面缺陷檢查儀、下表面缺陷檢查儀、孔洞檢查儀、編碼器和水冷裝置組成，出口操作室和出口質(zhì)檢室內(nèi)由主控柜、操作站、大屏幕顯示器和聲光報警裝置組成。

以寶鋼新日鐵汽車板有限公司2號熱鍍鋅機組為例，主控柜安裝在該機組出口操作室一層，上表面缺陷檢查儀安裝在11號測張輥上方，下表面缺陷檢查儀和孔洞檢查儀安裝在10號測張輥上方，編碼器安裝在10號測張輥的端蓋板上，由于出口質(zhì)檢臺和上下表面缺陷檢查儀之間還有一段出口活套，所以利用編碼器的數(shù)據(jù)和從2號熱鍍鋅機組中得到的出口活套充套量數(shù)據(jù)就可以精確計算出檢測到的帶鋼表面缺陷到達質(zhì)檢室的速度和時間，以便將檢測到的缺陷數(shù)據(jù)實時顯示在質(zhì)檢室內(nèi)的操作站的大屏幕上，配合質(zhì)檢室內(nèi)的聲光報警裝置，提醒檢測工人在質(zhì)檢臺處對一些缺陷進行人工打磨消除，可以提高冷軋帶鋼的產(chǎn)品質(zhì)量。而且正是由于出口活套的存在，表面缺陷檢查儀和質(zhì)檢臺之間擁有一個緩沖帶?？梢栽诓挥绊憴C組正常運行速度的情況下，在出口活套前對帶鋼表面進行高速連續(xù)在線檢測，而在質(zhì)檢臺處對一些帶鋼表面缺陷進行及時的人工處理。當一卷帶鋼生產(chǎn)完畢，其產(chǎn)品所包含的缺陷數(shù)據(jù)報表也隨之生成，它們將按照鋼卷編號進行歸檔，并傳送至全廠表面缺陷檢測網(wǎng)絡，由L2統(tǒng)一安排管理，傳送至后續(xù)該鋼卷所在的精整機組供進一步查驗處理。

根據(jù)功能的不同，該套表面缺陷檢測系統(tǒng)在組成上，主要分為以下幾項：

（1）上下表面圖像采集系統(tǒng)，分別含有一套高分辨率緊湊型相機單元，每套相機單元配置一臺分辨率高達8K像素的線性掃描相機。相機被安裝在一個封閉的金屬箱體內(nèi)，箱體配有水冷裝置與鏡頭吹掃裝置。同時每個相機單元配合使用一套高強度LED光源裝置，與相機單元安裝在帶鋼表面的同一側(cè)。通過光線反射獲得高質(zhì)量的帶鋼表面圖像。

（2）孔洞儀檢測系統(tǒng)，其系統(tǒng)組成和表面采集系統(tǒng)類似，唯一不同的地方在于，孔洞儀的相機單元與LED光源分別布置在帶鋼的兩側(cè)，利用表面孔洞的透光原理對帶鋼表面的孔洞缺陷進行檢測。

（3）終端硬件系統(tǒng)，一套主控柜，包含三套緊湊型圖像采集單元，一套服務器單元，采用強大的服務器處理機，可以快速處理各種不同的帶鋼表面缺陷數(shù)據(jù)，其硬盤容量能存儲至少4個月的檢測數(shù)據(jù)。

（4）操作站系統(tǒng)，一套實時操作站，布置在出口質(zhì)檢室，通過缺陷圖像實時顯示屏顯示選定缺陷的種類。一套離線操作站，布置在出口操作室，并接入全廠表面缺陷網(wǎng)絡。

（5）聲光報警系統(tǒng)，一套聲光報警裝置，包含8個聲光報警指示燈，用于在質(zhì)檢室對當前到達并需要處理的表面缺陷進行分類報警。

（6）數(shù)據(jù)管理和軟件系統(tǒng)，一套友好的人機界面，供操作人員進行在線操作，該軟件包含了一個表面缺陷分類編輯器，利用強大的分類算法，能夠?qū)Ω鞣N帶鋼表面缺陷的圖像進行歸類，并能通過手動挑選缺陷種類，形成所挑選的缺陷種類的報表，從而對一些不影響帶鋼表面質(zhì)量的因素，例如細小油斑等進行過濾。此外軟件還可以通過不斷地自我學習，完善自己的數(shù)據(jù)庫，自動調(diào)整適應所檢測的帶鋼產(chǎn)品。

（7）全廠表面缺陷網(wǎng)絡系統(tǒng)，采用光纖將寶日汽車板各冷軋帶鋼機組和后續(xù)精整機組的質(zhì)檢站、操作站連接起來，讓各個站可以通過鋼卷號對表面缺陷網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)進行訪問。

（8）檢測裝置配套供配電系統(tǒng)，由于本套表面缺陷檢測裝置的用電設備采用了寬電壓范圍進行設計，所以配套供配電系統(tǒng)只包含了一個220V常規(guī)動力配電箱和一個220V UPS動力配電箱，其中常規(guī)動力配電箱主要向LED光源，操作站PC機，水冷裝置，主控柜風扇和聲光報警裝置供電，而上下表面及孔洞儀相機和主控柜的電源則由220V UPS動力配電箱負責。這樣，既減少了對UPS電源的容量的要求，又滿足了表面缺陷檢測系統(tǒng)運行的穩(wěn)定和可靠。

3表面缺陷檢測系統(tǒng)的影響因素和解決方法

3.1振動因素

由于表面缺陷檢測儀是基于視覺成像技術原理而產(chǎn)生的檢測裝置，攝像機在帶鋼表面高速進行掃描的同時，帶鋼本身也在高速運行。振動因素會使得表面缺陷檢測儀的相機和光源相對帶鋼表面的位置發(fā)生變化，從而進一步導致焦距變化引起圖像失真，缺陷誤報，這些都是設計過程中需要避免的。

振動因素按成因一般又分為2大類，一種是因為冷軋帶鋼本身高速運行時自身抖動而引起的振動，一種是因為表面缺陷檢測裝置的設備框架穩(wěn)定性而引起的相機和光源的振動。對于前者本次設計中通過將檢測點放在轉(zhuǎn)向輥表面上進行避免，而后者則通過將相機和光源的支架直接安裝在機組的基礎地坪上，避免同周圍其他有可能產(chǎn)生振動的物體接觸。

3.2環(huán)境因素

雖然冷軋帶鋼機組相對冶金行業(yè)的其他生產(chǎn)線來說，環(huán)境要相對干凈和整潔，但現(xiàn)場生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的油污和粉塵還是無法避免。單靠設備人員對相機鏡頭進行維護，又會產(chǎn)生一定的勞動成本，本設計充分考慮現(xiàn)場環(huán)境因素的影響，在相機單元內(nèi)部增加了鏡頭吹掃裝置，通過引入少量的壓縮空氣，對鏡頭表面進行長時間吹掃，降低了勞動維護的成本。本次設計中還引入了水冷裝置對燈管和相機單元進行冷卻，延長了表面缺陷檢測裝置的使用壽命。

4結(jié)論

通過以上理論分析，我們可以看出，表面缺陷檢測系統(tǒng)的檢測點位置應盡量靠近冷軋帶鋼機組出口卷取段，以保證檢測到的缺陷數(shù)據(jù)是有意義的。但結(jié)合現(xiàn)場實際情況，考慮到部分缺陷可以在出口質(zhì)檢臺通過局部人工打磨處理進行消除，從而提高冷軋帶鋼的產(chǎn)品質(zhì)量，所以有必要將表面缺陷檢查儀盡量安裝在機組出口質(zhì)檢臺前面的出口活套前，這樣，利用出口活套作為緩沖，既不影響原有機組生產(chǎn)速度，也可以在質(zhì)檢臺及時人工干預，處理一些表面缺陷。配合全廠級表面缺陷網(wǎng)絡，各個機組操作站、質(zhì)檢站可以通過缺陷數(shù)據(jù)網(wǎng)絡查詢、讀取、重放本機組的缺陷信息，各精整機組根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)記錄的質(zhì)量情況，可以對鋼卷的運行速度進行合理分配，在缺陷區(qū)域低速檢查，在良好區(qū)域則可以提速運行。綜上所述，在冷軋帶鋼機組中增設全自動在線表面缺陷檢測系統(tǒng)是十分有必要的。

5表面缺陷檢測系統(tǒng)在寶鋼的應用效果

自寶鋼新日鐵汽車板有限公司冷軋帶鋼機組增設Siemens VAI表面缺陷檢測系統(tǒng)和建立表面缺陷檢測網(wǎng)絡以來，系統(tǒng)運行狀況良好，產(chǎn)品缺陷漏檢率大幅度降低，達到了各類缺陷正確檢出率高于80%的設計要求，降低了人工檢測的勞動強度，減少了各精整機組的檢測壓力，提高了冷軋帶鋼的產(chǎn)品質(zhì)量。提升了寶日汽車板冷軋帶鋼產(chǎn)品在市場上的的核心競爭力。

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作者簡介：王濤，1984年6月出生，男，河南省安陽市，本科學士學位（工程碩士在讀），本科（工程碩士在讀），工程師，研究方向：電力，電氣。

佘焱，上海交大電氣工程學院，副教授。