基于“大數(shù)據(jù)”的冷軋板形分析與控制技術(shù)研究

包仁人，張 杰，李洪波，程方武，賈生暉

（1.北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083；2.武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司，武漢 430083）

0 引言

近年來(lái)，“大數(shù)據(jù)”引起了社會(huì)各界廣泛的高度關(guān)注。2012年3月22日，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬正式宣布美國(guó)政府將斥資2億美元啟動(dòng)“大數(shù)據(jù)研究和發(fā)展計(jì)劃（Big Data Research and Development Initiative）”。這是繼1993年美國(guó)政府宣布“信息高速公路”計(jì)劃后的再一次重大的科技發(fā)展部署，美國(guó)對(duì)大數(shù)據(jù)的研究上升為國(guó)家意志，必將對(duì)未來(lái)科技、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響[1]。在維克托·邁爾-舍恩伯格及肯尼斯·庫(kù)克耶編寫(xiě)的《大數(shù)據(jù)時(shí)代》中“大數(shù)據(jù)”指不用隨機(jī)分析法（抽樣調(diào)查）這樣的捷徑，而采用所有數(shù)據(jù)用于分析的方法，大數(shù)據(jù)具有4V特點(diǎn)：Volume（大量）、Velocity（高速）、Variety（多樣）、Veracity（真實(shí)性）[2]。

目前對(duì)“大數(shù)據(jù)”的研究多集中在數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、讀取等方面[3, 4]，建立可快速讀取的數(shù)據(jù)平臺(tái)，而如何從工業(yè)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)并總結(jié)規(guī)律方面的研究較少?，F(xiàn)代化的冷連軋機(jī)配備有完整的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，涉及軋制過(guò)程監(jiān)測(cè)與控制、物料系統(tǒng)跟蹤、合同訂單跟蹤等，生產(chǎn)線上有大量的傳感器，實(shí)時(shí)采集的信息數(shù)據(jù)量以GB為單位存儲(chǔ)在服務(wù)器中，僅某六輥CVC冷連軋機(jī)基礎(chǔ)自動(dòng)化部分傳感器所記錄的數(shù)據(jù)量每天可達(dá)6GB，這些數(shù)據(jù)被大部分被束之高閣，僅用于出現(xiàn)事故時(shí)定點(diǎn)分析及查詢(xún)[5]。如何科學(xué)、高效的處理軋制過(guò)程工藝參數(shù)，明確板形控制狀態(tài)，是冷軋生產(chǎn)單位的迫切需求[6～8]，因此可將聚類(lèi)分析、數(shù)據(jù)挖掘等“大數(shù)據(jù)”分析方法引入到冷軋板形分析領(lǐng)域。

1 冷軋板形缺陷的聚類(lèi)分析

解決冷軋板形缺陷問(wèn)題的前提是準(zhǔn)確分析板形缺陷的形式，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中往往通過(guò)實(shí)物板形跟蹤來(lái)確定板形缺陷的類(lèi)型，但這種靠人工進(jìn)行的判斷方法存在著效率低下的問(wèn)題，且因采樣較少不能全面的反映板形缺陷問(wèn)題。因此有學(xué)者提出利用模式識(shí)別方法來(lái)對(duì)板形缺陷進(jìn)行分析[9, 10]，將板形儀的檢測(cè)信號(hào)識(shí)別為幾類(lèi)確定的板形缺陷，如中浪、邊浪、四分之一浪和邊中復(fù)合浪，這類(lèi)識(shí)別方法中多需對(duì)板形檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行擬合，面對(duì)成千上萬(wàn)組的板形檢測(cè)結(jié)果計(jì)算速度較慢。

某冷連軋機(jī)為五機(jī)架超寬六輥CVC軋機(jī)，最大可軋帶鋼寬度達(dá)2080mm，通過(guò)對(duì)其所軋帶鋼板形長(zhǎng)達(dá)兩年的跟蹤，發(fā)現(xiàn)同批軋制規(guī)格和鋼種近似的帶鋼，穩(wěn)定軋制階段的板形缺陷具有相似性，其浪形幅值和形態(tài)接近，因此本文借鑒了“大數(shù)據(jù)”的思想，采用基于密度和網(wǎng)格的聚類(lèi)分析方法[11]對(duì)大批量帶鋼的板形檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行特征提取，再利用模式識(shí)別方法計(jì)算各板形缺陷分量，并利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)聚類(lèi)分析與模式識(shí)別過(guò)程[12]，與傳統(tǒng)板形模式識(shí)別方法相比，省去了大量的曲線擬合過(guò)程，計(jì)算速度從每千幀信號(hào)30s，降低至每千幀5s以?xún)?nèi)，而所得板形缺陷識(shí)別結(jié)果與傳統(tǒng)方法保持一致，證明對(duì)冷軋板形分析而言，采用聚類(lèi)分析的方法是可行的。通過(guò)對(duì)1000多卷，近百萬(wàn)幀冷軋帶鋼板形檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，此機(jī)組所軋帶鋼板形缺陷以邊中復(fù)合浪為主，且軋機(jī)難以對(duì)此類(lèi)板形缺陷進(jìn)行有效控制，嚴(yán)重影響后續(xù)生產(chǎn)以及用戶(hù)的使用。

2 冷軋板形相關(guān)工藝參數(shù)的大數(shù)據(jù)分析

為確定復(fù)雜板形缺陷難以控制的原因，需對(duì)軋機(jī)的板形控制工藝參數(shù)進(jìn)行分析，以往多對(duì)單參數(shù)的時(shí)域檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析，忽視了各工藝參數(shù)間的聯(lián)系性，不能準(zhǔn)確反映軋機(jī)的工作狀態(tài)。利用Excel的VBA功能，開(kāi)發(fā)了工藝參數(shù)讀取程序，從軋機(jī)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)文件中讀取工藝參數(shù)。

提取了2012年2月至3月中旬一個(gè)半月內(nèi)某冷連軋機(jī)連續(xù)生產(chǎn)的12000卷帶鋼的板形控制工藝參數(shù)，包括帶鋼的規(guī)格，各機(jī)架工作輥彎輥（WRB）、中間輥彎輥（IMRB）、中間輥竄輥（IMRS）數(shù)據(jù)。以任意兩個(gè)參數(shù)為橫縱坐標(biāo)（如圖1所示），分析其關(guān)系，發(fā)現(xiàn)工作輥彎輥、中間輥彎輥、中間輥竄輥受帶鋼寬度B變化影響較大，受帶鋼厚度變化影響相對(duì)較小，因此將寬度作為影響板形控制手段調(diào)節(jié)量的主要因素進(jìn)行分析。

2.1 彎輥與帶鋼寬度關(guān)系

以帶鋼寬度為橫坐標(biāo)，以歸一化彎輥值為縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖。從圖1和圖2中可看出對(duì)于S1（第1機(jī)架）而言，僅當(dāng)所軋帶鋼寬度B≤1500mm時(shí)，工作輥彎輥存在超過(guò)正彎50%的情況，中間輥彎輥存在超過(guò)30%的情況，當(dāng)帶鋼寬度B>1500mm時(shí)，工作輥彎輥常用范圍約為正彎40%～50%，中間輥彎輥常用范圍約為15%～30%。

圖1 工作輥彎輥與帶鋼寬度關(guān)系

圖2 中間輥彎輥與帶鋼寬度關(guān)系

2.2 彎輥與中間輥竄輥關(guān)系

從圖3中和圖4中可以看出，僅當(dāng)IMRS≥180mm時(shí)才會(huì)出現(xiàn)工作輥彎輥超過(guò)50%，中間輥彎輥超過(guò)正彎極限40%的情況，僅當(dāng)IMRS≥180mm時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)工作輥彎輥和中間輥彎輥超過(guò)30%，甚至達(dá)100%的情況。

2.3 中間輥竄輥與帶鋼寬度關(guān)系

圖3 工作輥彎輥與中間輥竄輥關(guān)系

圖4 中間輥彎輥與中間輥竄輥關(guān)系

從圖5中可以看出，當(dāng)所軋帶鋼寬度B≤1500mm時(shí)，S1中間輥均處于正竄區(qū)間，進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，IMRS≥180mm的頻率為52.7%；當(dāng)B≥1900mm時(shí)，中間輥竄輥均處于負(fù)竄區(qū)間，IMRS≤-180mm的頻率為0.6%。

圖5 中間輥竄輥與帶鋼寬度關(guān)系

其他4個(gè)機(jī)架的工藝參數(shù)分布與第1機(jī)架的工藝參數(shù)基本一致，分析結(jié)果表明在此冷連軋機(jī)在軋制寬度低于1500mm帶鋼時(shí)，存在邊浪控制能力不足的問(wèn)題，而恰好其所軋帶鋼寬度小于1500mm的較窄帶鋼占總卷數(shù)的75%，使邊浪問(wèn)題更為突出。

3 中間輥輥形優(yōu)化與工業(yè)應(yīng)用

一直以來(lái)，輥形進(jìn)行優(yōu)化被認(rèn)為是提高軋機(jī)板形控制能力的有效手段，針對(duì)此軋機(jī)存在邊浪控制能力不足的問(wèn)題，考慮利用分段輥形為軋機(jī)增加邊部板形控制能力，進(jìn)而將原邊中復(fù)合浪缺陷轉(zhuǎn)化為中浪缺陷，以便于采用其他手段消除。

按照這一思路，同時(shí)考慮到中間輥竄輥與帶鋼寬度之間存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系（如圖5所示），可在中間輥端部疊加一段二次多項(xiàng)式輥形（如圖6所示），以降低帶鋼邊部的壓下率，且中間輥可橫向竄動(dòng)，擴(kuò)大了其倒角的利用范圍，更加有利于消除邊浪。

圖6 中間輥CVC分段輥形示意圖

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)輥形的板形控制能力，于2013年8月在某超寬冷連軋機(jī)組上進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用，結(jié)果表明：該輥形優(yōu)化方案能夠有效消除窄帶鋼和寬幅帶鋼的邊中復(fù)合浪，從而使帶鋼板形質(zhì)量有所提高；工作輥彎輥力有所下降，提高了軋機(jī)邊浪控制能力。

4 結(jié)論

本文利用聚類(lèi)分析方法對(duì)大量板形檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，明確某冷連軋機(jī)存在邊中復(fù)合浪難以控制的問(wèn)題，進(jìn)一步利用“大數(shù)據(jù)”思想，對(duì)12000卷帶鋼軋制過(guò)程工藝參數(shù)的分析，找到邊浪難以控制的原因在于冷連軋機(jī)現(xiàn)有板形控制手段能力不足，進(jìn)而提出了能提高軋邊部板形控制能力的輥形優(yōu)化方案，對(duì)軋機(jī)板形控制能力分析與優(yōu)化進(jìn)方法行了有益的探索，同時(shí)也說(shuō)明將“大數(shù)據(jù)”的相關(guān)思想引入到冷軋板形分析過(guò)程當(dāng)中是可行且有效的。

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