板帶在線實(shí)時(shí)質(zhì)量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

劉 博，王學(xué)敏

(寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900)

0 前言

在智慧制造大潮中，企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型是關(guān)鍵的一步。商業(yè)領(lǐng)域數(shù)字化應(yīng)用較普遍，工業(yè)領(lǐng)域由于其工況的復(fù)雜性、不確定性以及對(duì)精度的高要求，導(dǎo)致數(shù)字化和數(shù)據(jù)應(yīng)用的實(shí)施落后于商業(yè)領(lǐng)域。目前，各工業(yè)企業(yè)都在緊隨智慧制造發(fā)展的大方向積極推進(jìn)企業(yè)數(shù)字化和智能化的轉(zhuǎn)型[1-3]。

生產(chǎn)裝備的高度自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)的高性能、高存儲(chǔ)以及高速發(fā)展的互聯(lián)互通技術(shù)，為企業(yè)數(shù)字化提供條件，各大鋼鐵企業(yè)紛紛開展數(shù)據(jù)整合以推動(dòng)工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型，如中國的寶鋼、美國的大河鋼廠等。

在現(xiàn)有架構(gòu)下，傳統(tǒng)鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型是項(xiàng)復(fù)雜的、長期的巨大工程，不僅僅是實(shí)現(xiàn)各源數(shù)據(jù)的整合和存儲(chǔ)，更重要的是如何從頂層設(shè)計(jì)來滿足不同的應(yīng)用需求，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效預(yù)處理，進(jìn)而開展各類不同的應(yīng)用，以滿足企業(yè)降本增效、提高質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率等需求。

鋼鐵企業(yè)是復(fù)雜的流程性工業(yè)，盡管利用生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、跟蹤、診斷，優(yōu)化工藝過程，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)能力和產(chǎn)品質(zhì)量的提升，但是傳統(tǒng)的生產(chǎn)過程工藝數(shù)據(jù)利用程度較低，跨機(jī)組數(shù)據(jù)應(yīng)用基本停留在事后的離線歷史數(shù)據(jù)分析[4]。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起與硬件處理速度的提高，在線大數(shù)據(jù)應(yīng)用成為可能，實(shí)現(xiàn)了前后機(jī)組、前后工序數(shù)據(jù)的流動(dòng)和傳承，開展大數(shù)據(jù)應(yīng)用與分析，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。本文提供了一種思路和方法，旨在將流動(dòng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，用于產(chǎn)品質(zhì)量的在線實(shí)時(shí)預(yù)警，尤其是最復(fù)雜的冷軋工序產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測(cè)(如性能)。

1 確定目標(biāo)與數(shù)據(jù)分析

不同的分析目標(biāo)，所涉及的機(jī)組和數(shù)據(jù)項(xiàng)不同，有的分析需要跨機(jī)組數(shù)據(jù)，有的只用本機(jī)組數(shù)據(jù)即可，有的可能同時(shí)涉及工藝數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，需要先根據(jù)不同的分析目標(biāo)，結(jié)合行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和背景知識(shí)，確定數(shù)據(jù)項(xiàng)及其對(duì)應(yīng)的工序和機(jī)組。

數(shù)據(jù)流動(dòng)包含機(jī)組內(nèi)各工序間的數(shù)據(jù)流動(dòng)和跨機(jī)組的數(shù)據(jù)流動(dòng)。鋼鐵生產(chǎn)工藝流程長且復(fù)雜，從煉鐵、煉鋼、連鑄、熱軋，到冷軋、連退、熱鍍鋅等機(jī)組，實(shí)現(xiàn)全流程的數(shù)據(jù)流動(dòng)。以爐號(hào)、卷號(hào)或材料號(hào)為關(guān)鍵字，實(shí)現(xiàn)前后機(jī)組的勾聯(lián)與數(shù)據(jù)傳承。

對(duì)于煉鐵、煉鋼、連鑄，一爐鋼對(duì)應(yīng)一組數(shù)據(jù)，跟隨爐號(hào)或卷號(hào)傳遞到下游機(jī)組；但對(duì)于熱軋和冷軋，尤其是冷軋，由于板帶較長，生產(chǎn)過程中，工藝數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的波動(dòng)會(huì)影響板帶質(zhì)量，因此，一卷一組數(shù)據(jù)不能滿足精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)應(yīng)用需求，需要將數(shù)據(jù)落位到板帶相對(duì)應(yīng)的具體位置，能夠體現(xiàn)板帶全長范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)波動(dòng)情況及其對(duì)質(zhì)量的影響規(guī)律，高速連續(xù)生產(chǎn)的板帶，經(jīng)過某一工序時(shí)，利用機(jī)組內(nèi)的帶頭跟蹤儀或焊縫跟蹤儀、以及機(jī)組內(nèi)的計(jì)長編碼器[5-9]，將該工序瞬時(shí)工藝和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)映射到板帶具體位置，將數(shù)據(jù)與板帶長度位置匹配起來，一組數(shù)據(jù)與板帶位置呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，并跟隨實(shí)物板帶向下游工序、下游機(jī)組、甚至下游用戶流動(dòng)，下游可以利用傳承過來的數(shù)據(jù)，開展各類應(yīng)用。

2 在線數(shù)據(jù)預(yù)處理關(guān)鍵技術(shù)

利用大數(shù)據(jù)技術(shù)開展在線板帶質(zhì)量實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)技術(shù)，表面上看，是利用時(shí)序數(shù)據(jù)開展實(shí)時(shí)質(zhì)量預(yù)測(cè)(如性能)，但實(shí)際上，并非將實(shí)時(shí)采集上來的數(shù)據(jù)匯聚在一起，作為模型輸入用以對(duì)板帶質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)那么簡單。對(duì)板帶質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)(如板帶機(jī)械性能)，實(shí)際上是對(duì)板帶各個(gè)位置的質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，由于各設(shè)備安裝空間位置不同，在線實(shí)時(shí)獲得的各工序數(shù)據(jù)并非對(duì)應(yīng)板帶同一位置，如圖1所示，因此實(shí)時(shí)獲得的數(shù)據(jù)并非同一組數(shù)據(jù)，無法直接使用。

圖1 高速生產(chǎn)的板帶數(shù)據(jù)落位示意圖

如圖1所示，某熱鍍鋅機(jī)組板帶從右往左前進(jìn)，開卷后，板帶依次穿過焊機(jī)、退火爐各爐段、鋅鍋、平整機(jī)和拉矯機(jī)等設(shè)備。對(duì)于任一時(shí)刻，這些設(shè)備產(chǎn)生的瞬時(shí)數(shù)據(jù)并非對(duì)應(yīng)板帶同一位置。如焊機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)板帶位置1,退火爐加熱段對(duì)應(yīng)板帶位置2，退火爐均熱段對(duì)應(yīng)板帶位置3，退火爐冷卻段對(duì)應(yīng)板帶位置4，鋅鍋數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)板帶位置5，平整機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)板帶位置6，拉矯機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)板帶位置7。為了實(shí)時(shí)對(duì)板帶各位置質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，首先需要將這些數(shù)據(jù)映射到板帶物理位置上，每個(gè)物理位置對(duì)應(yīng)一組數(shù)據(jù)，利用該物理位置的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)該位置的質(zhì)量。

假設(shè)需要預(yù)測(cè)某位置的質(zhì)量，如機(jī)械性能， 影響機(jī)械性能的工序包括退火爐(加熱段、均熱段、緩冷段和快冷段)、平整機(jī)和拉矯機(jī)，拉矯機(jī)是該機(jī)組影響性能的最后一道工序，那么，需要待該位置到達(dá)拉矯機(jī)后，才能搜集完該位置的全部數(shù)據(jù)，才能開始對(duì)該位置的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)。

但在數(shù)據(jù)采集時(shí)，采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是時(shí)序數(shù)據(jù)，不管是熱軋還是冷軋，需要利用帶頭檢測(cè)儀(如冷軋的焊縫跟蹤儀)和計(jì)長編碼器相結(jié)合，實(shí)時(shí)計(jì)算帶頭移動(dòng)距離，定義為變量wplen，才能把實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)與位置對(duì)應(yīng)起來，且每個(gè)工序?qū)?yīng)的實(shí)時(shí)wplen值不同。

如圖2所示，假設(shè)需要預(yù)測(cè)距離帶頭wplen=100 m位置的性能，則需要收集完全部數(shù)據(jù)后，才能開始該位置的性能預(yù)測(cè)，假設(shè)：

T1時(shí)刻，帶頭離開退火爐加熱段wplen=100 m位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的退火爐加熱段工藝數(shù)據(jù)集為X1；

T2時(shí)刻，帶頭離開退火爐均熱段wplen=100 m位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的退火爐均熱段工藝數(shù)據(jù)集為Y1；

T3時(shí)刻，帶頭離開退火爐緩冷段wplen=100 m位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的退火爐緩冷段工藝數(shù)據(jù)集為Z1；

T4時(shí)刻，帶頭離開退火爐快冷段wplen=100 m位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的退火爐快冷段工藝數(shù)據(jù)集為K1；

T5時(shí)刻，帶頭離開平整機(jī)段wplen=100 m位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的平整機(jī)工藝數(shù)據(jù)集為N1；

T6時(shí)刻，帶頭離開拉矯機(jī)段wplen=100 m位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的拉矯機(jī)工藝數(shù)據(jù)集為P1；

當(dāng)T6時(shí)刻采集到拉矯機(jī)數(shù)據(jù)后，即意味著獲得了該位置wplen=100 m的性能預(yù)測(cè)所需要的全部工藝數(shù)據(jù)，此時(shí)可以開始該位置的性能預(yù)測(cè)。

圖2 帶頭離開各工序100 m時(shí)各工序數(shù)據(jù)落位示意圖

圖2是距離帶頭100 m即wplen=100 m時(shí)的數(shù)據(jù)采集與匹配的情況，以此類推，可以獲得wplen=L1，L2，L3，……，Ln時(shí)分別對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集。

假設(shè)需要預(yù)測(cè)性能的各點(diǎn)距離帶頭的長度依次為：L1，L2，L3，L4，L5，……，Ln；

各位置所對(duì)應(yīng)的退火爐加熱段瞬時(shí)工藝數(shù)據(jù)集依次為：X1，X2，X3，X4，X5，……，Xn；

各位置所對(duì)應(yīng)的退火爐均熱段瞬時(shí)工藝數(shù)據(jù)集依次為：Y1，Y2，Y3，……，Yn；

各位置所對(duì)應(yīng)的退火爐緩冷段瞬時(shí)工藝數(shù)據(jù)集依次為：Z1，Z2，Z3，……，Zn；

各位置所對(duì)應(yīng)的退火爐快冷段瞬時(shí)工藝數(shù)據(jù)集依次為：K1，K2，K3，……，Kn；

各位置所對(duì)應(yīng)的退火爐平整機(jī)瞬時(shí)工藝數(shù)據(jù)集依次為：N1，N2，N3，……，Nn；

各位置所對(duì)應(yīng)的退火爐拉矯機(jī)瞬時(shí)工藝數(shù)據(jù)集依次為：P1，P2，P3，……，Pn；

以此類推，可得板帶各長度位置所對(duì)應(yīng)的相關(guān)工序數(shù)據(jù)集，每一行表示一組，對(duì)應(yīng)板帶一個(gè)位置，參考表1(部分?jǐn)?shù)據(jù)格式樣張)。

表1 各相關(guān)工序數(shù)據(jù)集樣張

需要說明的是：采集數(shù)據(jù)時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)是離散的，不同工序數(shù)據(jù)不一定落位在板帶同一位置，但可以通過就近插值的方法統(tǒng)一長度位置。比如，變量X1和變量Y1在落位時(shí)不一定全部準(zhǔn)確落位在L1位置，但可以利用就近插值的方法獲得L1位置的對(duì)應(yīng)值，進(jìn)而獲得如表1所示的矩陣。

當(dāng)收集到L1位置的全部數(shù)據(jù)后，L1位置對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集為一組，作為模型的輸入，調(diào)用質(zhì)量預(yù)測(cè)模型(如性能預(yù)測(cè)模型)，計(jì)算輸出L1位置的性能值；

當(dāng)收集到L2位置的全部數(shù)據(jù)后，通過調(diào)用性能預(yù)測(cè)模型，輸出L2位置的性能值，可以在線實(shí)時(shí)顯示L2位置的機(jī)械性能預(yù)測(cè)值。

……

依次類推，板帶全長為Ln，當(dāng)收集到Ln位置的全部數(shù)據(jù)后，通過調(diào)用質(zhì)量預(yù)測(cè)模型(如性能)，輸出Ln位置的性能值。

通過在線實(shí)時(shí)顯示畫面，可以將這些實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)值呈顯給操作人員，若出現(xiàn)異常則可以及時(shí)對(duì)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

3 應(yīng)用案例

對(duì)某熱鍍鋅機(jī)組板帶機(jī)械性能(含屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

數(shù)據(jù)源1：前工序傳承下來的數(shù)據(jù)，包含具體位置數(shù)據(jù)或整卷數(shù)據(jù)(含鋼種、熱軋溫度等)。

數(shù)據(jù)源2：本機(jī)組各工序數(shù)據(jù)(含退火爐、平整機(jī)、拉矯機(jī))。

對(duì)各源數(shù)據(jù)實(shí)施在線匹配，以米級(jí)精度(每米一組)在線實(shí)時(shí)對(duì)各點(diǎn)性能進(jìn)行匹配和預(yù)測(cè)，匹配與預(yù)測(cè)結(jié)果見表2。

表2 在線性能實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)結(jié)果展示

4 結(jié)論

本文創(chuàng)新點(diǎn)在于：改變過去時(shí)序數(shù)據(jù)的思維[10-20]。將時(shí)間和空間統(tǒng)一起來，基于質(zhì)量與位置的實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在線實(shí)時(shí)應(yīng)用。帶鋼生產(chǎn)時(shí)，由于不同設(shè)備安裝位置不同，因此同時(shí)取到的數(shù)據(jù)并不是對(duì)應(yīng)帶鋼同一位置，若想預(yù)測(cè)帶鋼某個(gè)位置的性能，用同時(shí)取到的數(shù)據(jù)是不對(duì)的，需要對(duì)取到的時(shí)序數(shù)據(jù)做一定的轉(zhuǎn)化和處理方可使用。本文提出的一種在線流式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，以板帶長度位置為紐帶，將相關(guān)數(shù)據(jù)匹配成一組數(shù)據(jù)集作為模型輸入，然后調(diào)用模型計(jì)算，對(duì)板帶質(zhì)量進(jìn)行在線實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，該方法實(shí)時(shí)性高，對(duì)于出現(xiàn)質(zhì)量異常時(shí)，可以及時(shí)提示操作人員進(jìn)行干預(yù)，避免大批量產(chǎn)品質(zhì)量異常所帶來的經(jīng)濟(jì)損失，改進(jìn)了離線分析、事后處理的弊端，應(yīng)用案例證明了該方法具有可實(shí)施性。