徐利璞，計(jì) 江，高朝波，甄永富，姜萬錄

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.燕山大學(xué)，河北 秦皇島 066004)

0 前言

冷連軋生產(chǎn)線是冶金行業(yè)中裝備精度要求最嚴(yán)格、工藝過程最復(fù)雜、自動化程度最高的機(jī)組之一，其生產(chǎn)過程中軋制速度達(dá)每分鐘千米以上、動態(tài)響應(yīng)達(dá)毫秒級、厚度控制精度達(dá)微米級、傳感器與執(zhí)行器達(dá)上千個(gè)，可以說其工藝裝備及自動化系統(tǒng)是最復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)之一，在一定程度上代表了國家工業(yè)技術(shù)發(fā)展水平[1]。德國、日本等發(fā)達(dá)國家長期壟斷了高端冷連軋機(jī)組的市場，我國引進(jìn)的過程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及核心數(shù)學(xué)模型基本都進(jìn)行了封裝，嚴(yán)重制約了產(chǎn)品開發(fā)和后續(xù)優(yōu)化升級[2-3]。鋼鐵行業(yè)已進(jìn)入“高產(chǎn)能、高產(chǎn)量、低利潤”的時(shí)代，加快產(chǎn)業(yè)升級和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整是發(fā)展趨勢。開發(fā)具有全套自主知識產(chǎn)權(quán)的冷連軋生產(chǎn)線并實(shí)現(xiàn)智能化創(chuàng)新，是產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)行水平進(jìn)一步提升的關(guān)鍵，也是我國鋼鐵行業(yè)“從大到強(qiáng)”轉(zhuǎn)型升級的核心要素之一[4]。

1 機(jī)組設(shè)備及工藝控制系統(tǒng)組成

面向汽車板和高檔家電板等寬幅高精度高附加值產(chǎn)品，中國重型院依托國家智能制造裝備發(fā)展專項(xiàng)，研制高端冷連軋生產(chǎn)工藝及裝備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度冷連軋核心裝備與工藝控制模型的國產(chǎn)化和智能化。機(jī)組采用全連續(xù)冷連軋生產(chǎn)工藝流程，將酸洗后的熱軋帶鋼頭尾焊接，常溫狀態(tài)下連續(xù)不斷地在五機(jī)架冷帶軋機(jī)上進(jìn)行軋制，獲得各類規(guī)格、具有所要求厚度、板形及表面質(zhì)量的冷軋鋼卷。機(jī)組采用雙上料系統(tǒng)自動上卷、開卷，激光焊機(jī)首尾焊接，經(jīng)張力輥組和糾偏輥進(jìn)入雙車六層活套系統(tǒng)，主軋機(jī)全部采用UCM型六輥軋機(jī)，采用滾筒飛剪進(jìn)行分切，雙卷筒卷取機(jī)進(jìn)行卷取，最后由步進(jìn)梁運(yùn)輸鋼卷，機(jī)組主體設(shè)備如圖1所示。機(jī)組配備了激光測速儀、X射線測厚儀、壓磁式張力計(jì)、高精度板形儀和焊縫檢測儀等大型檢測儀器儀表，安裝了磁致伸縮位移傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、激光測距儀、超聲波傳感器、光電開關(guān)和行程開關(guān)等傳感元器件，為生產(chǎn)線的自動化和智能化打下了良好基礎(chǔ)。

圖1 冷連軋機(jī)組現(xiàn)場

針對高端帶鋼冷連軋生產(chǎn)線的工藝控制要求，設(shè)計(jì)了包含基礎(chǔ)自動化和過程自動化的智能化控制系統(tǒng)方案，系統(tǒng)硬件、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與主要功能如圖2所示。應(yīng)用了自主創(chuàng)新的智能跟蹤控制、主令速度控制、機(jī)架間張力控制、板厚控制、板形控制、表面質(zhì)量控制、質(zhì)量監(jiān)測與分析系統(tǒng)等系列智能化系統(tǒng)，為機(jī)組的穩(wěn)定、快速、精確的運(yùn)行提供技術(shù)保障。項(xiàng)目組采用產(chǎn)、學(xué)、研、用合作模式，攻克了多項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 冷連軋智能化控制系統(tǒng)

2 寬幅帶鋼智能化高精度控制技術(shù)

針對冷軋帶鋼核心質(zhì)量指標(biāo)：板厚精度、板形精度和表面質(zhì)量，開發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)學(xué)模型和智能工藝控制技術(shù)，涵蓋智能板厚控制系統(tǒng)、智能板形控制系統(tǒng)和表面質(zhì)量智能控制系統(tǒng)。

2.1 智能板厚控制系統(tǒng)

智能板厚控制系統(tǒng)將非穩(wěn)態(tài)高精度厚度控制技術(shù)與穩(wěn)態(tài)厚控技術(shù)有效結(jié)合，開發(fā)了一種冷軋軋制升降速過程中板帶厚度補(bǔ)償控制方法，結(jié)合前饋控制、反饋控制、質(zhì)量流控制等厚度控制技術(shù)，以達(dá)到軋制過程厚度精度控制的最優(yōu)化。厚控系統(tǒng)的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)為壓下油缸及其伺服系統(tǒng)，對此開發(fā)了電液伺服系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集軟件，該系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的核心——軋制規(guī)程設(shè)定采用粒子群擬牛頓混合算法，并將改進(jìn)的量子遺傳算法應(yīng)用于負(fù)荷分配優(yōu)化過程[5]，同時(shí)應(yīng)用智能板厚協(xié)調(diào)控制策略，集成采用柔性切換技術(shù)、分級協(xié)調(diào)控制技術(shù)、變增益死區(qū)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)冷連軋機(jī)組控制方式在線平滑切換、復(fù)雜系統(tǒng)解耦、通訊快捷可靠，達(dá)到多個(gè)環(huán)路協(xié)調(diào)工作、快速響應(yīng)的目的。將設(shè)限頻域板厚控制與軋制過程厚度定位波函數(shù)模型緊密結(jié)合，構(gòu)成基于波函數(shù)模型的設(shè)限頻域板厚控制方法，有效提高板厚控制精度[6]。同時(shí)，充分考慮軋輥熱膨脹和偏心補(bǔ)償，建立軋輥偏心在線軟測量模型，利用小波濾波、相干時(shí)間平均法實(shí)現(xiàn)依據(jù)帶鋼軋制過程數(shù)據(jù)進(jìn)行軋輥角域偏心波形的分析和提取，進(jìn)而對軋輥偏心精確補(bǔ)償。

2.2 智能板形控制系統(tǒng)

建立智能化閉環(huán)板形控制系統(tǒng)，消除板形實(shí)測值與板形目標(biāo)曲線之間的偏差，對軋制中的帶鋼板形進(jìn)行連續(xù)的、動態(tài)的、實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)，最終使板帶產(chǎn)品的板形達(dá)到穩(wěn)定、良好。采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的條元法進(jìn)行板形良好判據(jù)的計(jì)算，從而構(gòu)建軋后帶材失穩(wěn)判別模型。目標(biāo)曲線的疊加補(bǔ)償曲線充分考慮了輥系變形、板形輥表面軸向溫度分布不均勻、帶鋼橫向溫度分布不均勻、板形輥撓曲變形、板形輥或卷取機(jī)幾何安裝誤差、帶卷外廓形狀變化等因素的影響。開發(fā)的板形閉環(huán)控制系統(tǒng)主要包括板形調(diào)控功效系數(shù)在線自學(xué)習(xí)模型、多變量最優(yōu)板形閉環(huán)控制模型、板形前饋控制模型、板形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的動態(tài)替代控制模型、中間輥橫移控制模型、非對稱彎輥控制模型以及軋輥精細(xì)冷卻控制模型等[7-9]。同時(shí)采用核偏最小二乘+神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的多機(jī)架板形優(yōu)化設(shè)定，顯著地降低板形的標(biāo)準(zhǔn)差。

2.3 表面質(zhì)量智能控制系統(tǒng)

開發(fā)的表面質(zhì)量智能控制系統(tǒng)由軋機(jī)振動自動識別及預(yù)報(bào)系統(tǒng)、軋制區(qū)打滑自動識別及預(yù)報(bào)系統(tǒng)、帶鋼表面粗糙度預(yù)報(bào)系統(tǒng)等組成?；谲堉扑俣扰c軋機(jī)自激振動誘發(fā)條件之間的關(guān)系建立臨界軋制速度的理論計(jì)算模型，通過不同工藝條件下軋制速度的穩(wěn)定性裕量及前滑值的異常變化實(shí)現(xiàn)對自激振動失穩(wěn)的評估預(yù)測，提出相應(yīng)的工藝調(diào)整和優(yōu)化措施，提高系統(tǒng)的失穩(wěn)臨界速度，從而實(shí)現(xiàn)對自激振動的有效抑制[10-11]。同時(shí)深入研究機(jī)組壓下、彎輥、橫移等核心電液伺服系統(tǒng)，針對其工作過程中容易出現(xiàn)非線性振動、噪聲、沖擊和爬行等異?，F(xiàn)象，根據(jù)非線性動力學(xué)原理，建立電液伺服系統(tǒng)的非線性動力學(xué)模型[12]。通過理論研究，探索非線性液壓彈簧力和非線性摩擦力等非線性因素對系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響規(guī)律。結(jié)合軋機(jī)振動模型和帶鋼表面粗糙度轉(zhuǎn)印規(guī)律及預(yù)測模型建立帶鋼打滑智能識別的計(jì)算模型及預(yù)報(bào)系統(tǒng)和帶鋼表面粗糙度智能預(yù)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對任意軋制條件下是否發(fā)生打滑進(jìn)行預(yù)報(bào)，抑制打滑的措施可以通過相應(yīng)的可行工藝條件實(shí)現(xiàn)，同時(shí)對高強(qiáng)度帶鋼表面粗糙度在工業(yè)生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)在線預(yù)測。

3 冷連軋智能化過程控制系統(tǒng)

采用先進(jìn)的過程控制技術(shù)使得機(jī)組具備數(shù)據(jù)管理、物料跟蹤、模型設(shè)定、參數(shù)自適應(yīng)及自學(xué)習(xí)、系統(tǒng)監(jiān)控與診斷、軋制參數(shù)優(yōu)化等功能[13]。在此基礎(chǔ)上，提高機(jī)組的整體控制性能，提升軋制速度與產(chǎn)品精度。針對軋制過程，設(shè)計(jì)融合數(shù)據(jù)和軋制機(jī)理的智能建模的整體結(jié)構(gòu)，研究數(shù)據(jù)預(yù)處理方法及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法，充分利用工業(yè)大數(shù)據(jù)構(gòu)建智能化過程控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通過修正非穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)過程中機(jī)架相關(guān)的其他未知因素對軋制參數(shù)的影響，建立各機(jī)架的校正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)建可拓展的冷連軋工藝約束模型庫，綜合考慮軋制力、電機(jī)功率等設(shè)備能力和壓下率、軋制力、功率等負(fù)荷平衡工藝規(guī)則，并將軋機(jī)振動、打滑、熱劃傷等工藝狀態(tài)以約束形式進(jìn)行模型化描述。給出各工藝質(zhì)量參數(shù)的滿意度柔性區(qū)間系數(shù)，從軋制穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量的角度明確各工藝約束條件的優(yōu)先級和加權(quán)系數(shù)，以最優(yōu)運(yùn)行指標(biāo)評價(jià)函數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控非穩(wěn)態(tài)過程運(yùn)行狀態(tài)。提出變形抗力、摩擦系數(shù)等難測參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化算法，通過對軋制潤滑、軋制規(guī)程和軋輥制度的實(shí)時(shí)檢測和在線感知，確保系統(tǒng)工作在最佳工藝窗口，實(shí)現(xiàn)薄硬帶鋼的高速穩(wěn)態(tài)軋制。

以物料跟蹤為例，對冷連軋機(jī)生產(chǎn)線上的所有鋼卷在過程控制系統(tǒng)中進(jìn)行物料跟蹤，首先對生產(chǎn)線上的每一個(gè)鋼卷建立電子標(biāo)簽，通過實(shí)時(shí)通訊實(shí)現(xiàn)從開卷區(qū)到卷取區(qū)的鋼卷跟蹤傳遞、存儲記錄及歸檔查詢。持續(xù)跟蹤帶鋼規(guī)格、鋼卷號、目標(biāo)成品、板厚板形精度等數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)處理[14]。根據(jù)軋制過程狀態(tài)，系統(tǒng)具有自動剔卷功能和分卷功能?；诟櫡治瞿Ｐ停兄陀?jì)算在線各卷帶鋼具體位置，確定剩余帶鋼處理時(shí)間。激光焊機(jī)將前后帶鋼首尾焊接后，即進(jìn)入焊縫跟蹤，直至飛剪在線完成分切。在雙車六層活套系統(tǒng)內(nèi)，能夠根據(jù)活套車的實(shí)際位置，計(jì)算充套和放套時(shí)間，監(jiān)視活套車位置；模型能夠根據(jù)入/出口速度和加速度有效穩(wěn)定控制活套內(nèi)多層帶鋼張力，并利用EMG檢測儀和單/雙/三輥糾偏裝置對帶鋼進(jìn)行糾偏；焊縫跟蹤包括變規(guī)格焊縫，即需變規(guī)格的前后兩個(gè)鋼卷間的焊縫，在軋機(jī)入口段進(jìn)行跟蹤，而進(jìn)入軋機(jī)后將對楔形區(qū)起始位置進(jìn)行跟蹤。同時(shí)研發(fā)的智能起車提速控制系統(tǒng)和分切卷取控制系統(tǒng)也是冷連軋智能化過程控制系統(tǒng)的重要組成部分。

4 軋輥高效使用及管理技術(shù)

軋輥消耗是控制生產(chǎn)成本的重要指標(biāo)。在軋制生產(chǎn)過程中，軋輥使用環(huán)境和條件復(fù)雜，是軋制過程中最為關(guān)鍵的設(shè)備“工具”和最貴的“耗材”，直接影響軋機(jī)的生產(chǎn)率、帶鋼的表面質(zhì)量和生產(chǎn)成本。研發(fā)團(tuán)隊(duì)建立了軋輥表面粗糙度及換輥節(jié)點(diǎn)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，針對工作輥表面微觀形貌的細(xì)觀磨損，應(yīng)用元胞自動機(jī)方法仿真研究了工作輥表面粗糙峰的細(xì)觀磨損行為及機(jī)理。同時(shí)針對工作輥表面粗糙度的特殊要求和控制難題，通過大工業(yè)生產(chǎn)中工作輥表面粗糙度衰減規(guī)律的大量跟蹤測試，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法歸納分析實(shí)測數(shù)據(jù)，最終建立工作輥表面粗糙度預(yù)測模型[15]。研究結(jié)果用于工業(yè)生產(chǎn)過程中合理安排軋制計(jì)劃和確定工作輥下機(jī)時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

開發(fā)了快速在線換輥裝置及系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)工作輥和中間輥的快速自動換輥。極大地減少了人工操作及失誤，提高了生產(chǎn)率，并為甩機(jī)架軋制建立了良好基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的無帶鋼換輥方式，操作動作多，連鎖關(guān)系復(fù)雜，換輥時(shí)間長，重新穿帶易傷輥，另外也無法適應(yīng)甩機(jī)架軋制和動態(tài)變規(guī)格軋制。機(jī)組輥系裝配優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用在線帶鋼的換輥方式。根據(jù)換輥需求，一鍵全自動拖出舊輥裝入新輥，啟動新/舊輥徑偏差補(bǔ)償功能，啟動輥縫標(biāo)定功能。應(yīng)用該技術(shù)可以節(jié)約換輥及穿帶時(shí)間，提高軋制生產(chǎn)率。另外，建立了軋輥服役狀態(tài)與周期管理系統(tǒng)，使用戶實(shí)時(shí)掌握每一跟軋輥的使用情況及預(yù)期壽命。該系統(tǒng)詳細(xì)記錄軋輥的使用狀態(tài)和預(yù)期壽命，包括輥號、是否在機(jī)架上、歷史修磨次數(shù)、當(dāng)前直徑、極限直徑、自身硬化層曲線、表面粗糙度等參數(shù)信息，對企業(yè)生產(chǎn)管理、備件采購、生產(chǎn)成本、資金使用提供有利支撐，減少軋輥浪費(fèi)，提升生產(chǎn)效益，降低事故率。

5 冷連軋智能化質(zhì)量監(jiān)測與分析平臺

自主開發(fā)并成功搭建了完善的冷連軋智能化質(zhì)量監(jiān)測與分析平臺，對機(jī)組在線運(yùn)行狀態(tài)、產(chǎn)品質(zhì)量判定、設(shè)備(遠(yuǎn)程)運(yùn)維提供了便捷高效的操作手段，極大地提高了生產(chǎn)線的可靠性、可維護(hù)性以及產(chǎn)品的質(zhì)量水平和成材率。智能化質(zhì)量監(jiān)測與分析平臺功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能化質(zhì)量監(jiān)測與分析平臺

該平臺主要由帶鋼在線質(zhì)量判定系統(tǒng)、質(zhì)量保證智能化系統(tǒng)和生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與分析智能化系統(tǒng)等三個(gè)子系統(tǒng)組成，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)融合、分析與挖掘，提升產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)線運(yùn)行水平。在線質(zhì)量判定系統(tǒng)對帶鋼進(jìn)行板形、板厚在線監(jiān)測和判定，并融合各檢測數(shù)據(jù)得到帶鋼質(zhì)量綜合判定結(jié)果，最終生成整卷帶鋼質(zhì)量評估報(bào)表。質(zhì)量保證智能化系統(tǒng)，根據(jù)質(zhì)量判定結(jié)果及生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)對質(zhì)量問題進(jìn)行溯源，對未出現(xiàn)質(zhì)量問題的工藝作為標(biāo)準(zhǔn)工藝積累建立工藝知識庫，當(dāng)產(chǎn)品要求、設(shè)備調(diào)整時(shí)可智能識別軋制工藝[16]。生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與分析智能化系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前工藝要求，融合各關(guān)重部件實(shí)時(shí)參數(shù)信息，智能分析、評估生產(chǎn)線核心零部件及工藝系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并對運(yùn)維提供指導(dǎo)。

6 結(jié)束語

圍繞冷連軋過程的高精度、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在深層次掌握軋制機(jī)理和關(guān)鍵控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，該機(jī)組配置智能化裝備與系統(tǒng)，引入智能化方法提升產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)穩(wěn)定性。項(xiàng)目攻克了非穩(wěn)態(tài)過程厚度自適應(yīng)控制技術(shù)，構(gòu)建了調(diào)控功效自學(xué)習(xí)的板形控制系統(tǒng)；建立了數(shù)據(jù)與機(jī)理融合的軋制工藝數(shù)學(xué)模型，完成了冷連軋過程的動態(tài)優(yōu)化設(shè)定；搭建了較為完善的智能化、模塊化的在線質(zhì)量監(jiān)測與分析平臺。核心關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用是機(jī)組高效高速穩(wěn)定運(yùn)行、產(chǎn)品高精度及高成材率的保證。重慶萬達(dá)1 780 mm冷連軋生產(chǎn)線自2015年6月正式投產(chǎn)以來，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，智能化控制系統(tǒng)應(yīng)用效果良好，典型薄帶產(chǎn)品規(guī)格厚度精度小于±3 μm，板形標(biāo)準(zhǔn)差小于7I。項(xiàng)目的實(shí)施形成了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專有技術(shù)和產(chǎn)品，其整體技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，研發(fā)成果已推廣至唐山瑞豐、江蘇陽光等多條冷連軋生產(chǎn)線。