李玉良 李 坤 錢 猛
摘 要：電氣自動(dòng)化技術(shù)是現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展的重要基礎(chǔ)，是保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、提高市場(chǎng)信譽(yù)的關(guān)鍵。帶鋼熱連軋工藝集合了當(dāng)今裝備行業(yè)各種高新技術(shù)應(yīng)用，日益成熟的熱連軋電氣自動(dòng)化技術(shù)提高了生產(chǎn)效率，改進(jìn)了產(chǎn)品精度和性能，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。因此熱連軋智能化技術(shù)應(yīng)用具有創(chuàng)新的重要意義。
關(guān)鍵詞：智能化；工藝流程；模型
0 引言
為什么智能制造如此重要？ 前哈佛大學(xué)教授，著名經(jīng)濟(jì)學(xué)家、世界銀行經(jīng)濟(jì)顧問霍利斯·錢納里曾在《工業(yè)化和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)比較研究》一書中指出：“以制造業(yè)增長(zhǎng)為代表的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，會(huì)加速經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)進(jìn)程；制成品出口導(dǎo)向國家，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)變化速度較快，國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)聯(lián)系程度更高，制造業(yè)對(duì)增長(zhǎng)貢獻(xiàn)也更大。”我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展在于成功利用了人口帶來的勞動(dòng)力優(yōu)勢(shì)。據(jù)工信部2019年的數(shù)據(jù)，我國制造業(yè)增加值達(dá)26.9萬億元，占全球比重28.1%，連續(xù)十年保持世界第一制造大國地位。目前面臨著來自內(nèi)外兩方面的挑戰(zhàn)。 一內(nèi)部，國內(nèi)制造業(yè)“用工荒”逐年加劇，疫情之后一度成為社會(huì)熱點(diǎn)。人口紅利使低端產(chǎn)業(yè)造成了對(duì)低成本勞動(dòng)力的依賴，而年輕群體則不再滿足于傳統(tǒng)制造業(yè)工人微薄的收入。 二外部，以德國提出 “第四次工業(yè)革命”、美國“智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟”、英國《英國工業(yè)2050戰(zhàn)略》等等為首。在國際范圍內(nèi)，多個(gè)政府或組織正在大力推動(dòng)新型高自動(dòng)化制造形式，智能制造已逐漸成為新的趨勢(shì)。智能制造技術(shù)起到關(guān)鍵作用。其目標(biāo)是高效率、高質(zhì)量，關(guān)鍵技術(shù)包括智能傳感、AI技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等。
1 熱連軋帶鋼工藝生產(chǎn)流程線的組成
1.1 板坯庫
為了節(jié)省能源希望能加大熱裝比例，但為了便于軋制品種靈活變動(dòng)和產(chǎn)品寬度規(guī)格調(diào)整，以及緩沖軋機(jī)與連鑄機(jī)生產(chǎn)能力的不協(xié)調(diào)，因此需要設(shè)置板坯庫以堆放板坯。板坯在庫內(nèi)有規(guī)則的放置，考慮到板坯爐里溫度高由生產(chǎn)控制級(jí)計(jì)算機(jī)通過無線遙控吊車進(jìn)行吊裝，減少了人員設(shè)置，確保了本質(zhì)安全。智能物流模塊。釆用激光成像、無線通信、電子防搖、微波測(cè)距等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)熱軋板坯庫智能庫管與行車無人化控制，成為熱軋板坯庫物流無人化車間。
加熱爐是軋線用來加熱板坯的，現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的是四段步進(jìn)式加熱爐，利用汽化冷卻原理保護(hù)爐體運(yùn)行，其能有效減小水印，提高板坯溫度的均勻性，一般板坯的出爐溫度為1250℃左右。板坯加熱質(zhì)量將直接影響軋制帶鋼質(zhì)量。板坯的上下面加熱不均將在粗軋時(shí)形成翹頭或扣頭，長(zhǎng)度方向加熱不均將影響成品厚度精度等帶鋼全長(zhǎng)質(zhì)量指標(biāo)。爐內(nèi)殘氧含量實(shí)時(shí)分析是關(guān)鍵指標(biāo)，不僅會(huì)造成氧化鐵皮數(shù)量的變化，空煙外排帶走了熱量加大了能源消耗，必須控制在2%以內(nèi)。
1.3 粗軋機(jī)
粗軋機(jī)現(xiàn)在較為流行的是板坯厚度低于200㎜采用單機(jī)架四輥或兩輥軋機(jī)方案，即采用一架強(qiáng)力粗軋機(jī)進(jìn)行3～7道次可逆制制來滿足精軋的坯料要求。當(dāng)板坯厚度大于230㎜時(shí)粗軋采用雙機(jī)架串聯(lián)的布置方案。為達(dá)到提高精軋入口溫度的目的，除了減少粗軋軋制時(shí)間提高粗軋出口溫度外，也可以在粗軋機(jī)出口設(shè)計(jì)保溫罩或熱卷箱。
1.4 精軋機(jī)組
精軋機(jī)組是帶鋼熱連軋生產(chǎn)線的核心設(shè)備，產(chǎn)品質(zhì)量主要取決于精軋機(jī)組的裝備水平和控制水平。精軋機(jī)組主要包括入口側(cè)導(dǎo)板、飛剪、精軋除鱗箱、精軋機(jī)架（現(xiàn)以7架四輥軋機(jī)最為普遍）、除鱗水裝置、熱軋工藝潤(rùn)滑裝置、活套裝置、板形控制裝置等。精軋終軋溫度一般控制在850～900付左右，以保證精軋機(jī)組能在奧氏體范圍內(nèi)軋出成品帶鋼。
1.5 卷取機(jī)
卷取區(qū)設(shè)有側(cè)導(dǎo)板、夾送輥、卷取機(jī)，在帶鋼咬入卷取機(jī)后及時(shí)建立張力，保證成品卷不出塔形，邊部整齊。目前普遍采用機(jī)前側(cè)導(dǎo)板采用伺服閥執(zhí)行壓力環(huán)+位置環(huán)控制方式，液壓助卷輥以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)踏步控制（AJC），其目的是使帶鋼頭部能無沖擊地平穩(wěn)進(jìn)入每個(gè)助卷輥，保證帶鋼表面不出現(xiàn)壓痕和避免對(duì)助卷機(jī)構(gòu)造成沖擊損傷?，F(xiàn)在卷取機(jī)多數(shù)采用三個(gè)助卷輥，結(jié)構(gòu)和維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單實(shí)用。卷取機(jī)的能力（最大卷取厚度，卷徑和卷取速度）限制了已有軋機(jī)能力的進(jìn)一步提高及產(chǎn)品的最大厚度規(guī)格，目前設(shè)計(jì)能力厚度一般是不超過25㎜。
2 熱連軋電氣自動(dòng)化技術(shù)
熱連軋電氣自動(dòng)化系統(tǒng)多數(shù)廠家采用由三級(jí)構(gòu)成，即：（1）基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)（L1級(jí)），主要完成設(shè)備的順序控制、位置控制、速度控制等任務(wù)。（2）過程自動(dòng)化級(jí)（L2級(jí)），主要執(zhí)行基于數(shù)學(xué)模型的軋制規(guī)程制定與優(yōu)化功能，完成工藝過程參數(shù)的設(shè)定計(jì)算任務(wù)。（3）生產(chǎn)控制管理級(jí)（L3/L4級(jí)），主要完成生產(chǎn)管理任務(wù)。
2.1 基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)（L1級(jí)）
基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)主要包括自動(dòng)位置控制（APC）、自動(dòng)厚度控制（AGC）、自動(dòng)寬度控制（AWC）、板形控制（ASC）、卷取溫度控制等，其中又以自動(dòng)厚度控制（AGC）最為重要。AGC系統(tǒng)的控制模式和控制算法有很多，例如基于彈跳方程的GM-AGC，基于X射線測(cè)厚儀的監(jiān)控AGC、動(dòng)態(tài)設(shè)定型AGC、相對(duì)AGC、絕對(duì)AGC、軋制力前饋AGC、硬度前饋AGC等。在一個(gè)實(shí)際的AGC系統(tǒng)中往往包含了多種控制模式。
2.1.1 彈跳方程與出口厚度檢測(cè)
由著名的彈跳方程式得出：h＝So+P/C（2-1）
考慮到軋機(jī)零調(diào)及軸承油膜厚度對(duì)輥縫的影響以及一些不可測(cè)因素，因此實(shí)際板厚應(yīng)為h＝S+（P—p）/C h精軋出口厚度
P 軋制力 p零調(diào)壓力 C軋機(jī)剛度
2.1.2 厚度給定值的確定
厚度給定值的確定分為兩種方法，即絕對(duì)AGC和相對(duì)AGC。絕對(duì)AGC是以各機(jī)架按照負(fù)荷分配原則所設(shè)定的出口厚度作為該機(jī)架AGC系統(tǒng)控制的目標(biāo)厚度。絕對(duì)AGC理論上具有合理性，但由于基于彈跳方程的板厚間接測(cè)量方法精度較低，絕對(duì)AGC要想達(dá)到理想的使用效果，仍然面臨著比較大的困難。和絕對(duì)AGC相比，相對(duì)AGC使用更普遍，也更成熟。所謂相對(duì)AGC是指不論是否符合厚度設(shè)定值，各機(jī)架厚度控制系統(tǒng)均以末機(jī)架帶鋼頭部實(shí)際軋出厚度的測(cè)量值連續(xù)測(cè)量一定數(shù)量的平均厚度作為厚度目標(biāo)值。相對(duì)AGC首先避免了AGC系統(tǒng)以設(shè)定厚度作為目標(biāo)值投入后所引起的大范圍壓下調(diào)整，有利于軋制過程的穩(wěn)定，保證了通板同條差穩(wěn)定。其次，相對(duì)AGC采用鎖定板厚的方法可以消除基于彈跳方程的厚度測(cè)量方法的系統(tǒng)固有誤差的影響。相對(duì)AGC的缺點(diǎn)是可能造成實(shí)際軋制狀況與計(jì)算規(guī)程出現(xiàn)較大偏差，軋制負(fù)荷分配失準(zhǔn)，且?guī)т擃^部絕對(duì)厚度精度缺乏保證。
2.1.3 X-監(jiān)控 AGC
基于彈跳方程的間接測(cè)量方法測(cè)量精度較低，根本不能滿足對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求，因此為保證成品帶鋼的絕對(duì)厚度，即使已經(jīng)存在GM-AGC，且不論是絕對(duì)AGC還是相對(duì)AGC，都需要X射線測(cè)厚儀所給出的厚度偏差實(shí)測(cè)值對(duì)AGC系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并及時(shí)將實(shí)測(cè)值和目標(biāo)值比較反饋到上位機(jī)安排執(zhí)行修正。
檢測(cè)值——給定值（對(duì)比后）——調(diào)節(jié)量——反饋到上位機(jī)——AGC動(dòng)作調(diào)整——檢測(cè)這個(gè)過程是閉環(huán)執(zhí)行。
2.1.4. 鑒于帶鋼生產(chǎn)的連續(xù)性，表面質(zhì)量的控制改進(jìn)始終是當(dāng)前面臨的難題。出現(xiàn)表面缺陷時(shí)，由人工進(jìn)行設(shè)備與工藝的排査，耗時(shí)耗力，效率低。表面質(zhì)量中的帶鋼表面氧化鐵皮壓入、邊部線狀缺陷等是目前的突出質(zhì)量問題，用戶質(zhì)量異議、抱怨較多。采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，開展表面氧化鐵皮、邊線缺陷AI建模、缺陷智能診斷研究。研究工作包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與處理、AI建模、工藝診斷優(yōu)化三部分。對(duì)于AI模型，探索了多種建模方法，最終發(fā)現(xiàn)以Xgboost建立的表面缺陷預(yù)測(cè)模型綜合精度最好，AUC值(學(xué)習(xí)器性能優(yōu)劣衡量指標(biāo)))達(dá)到0.92。
2.2 過程自動(dòng)化（L2級(jí)）
過程自動(dòng)化包括設(shè)定計(jì)算和設(shè)定、軋件跟蹤、數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)記錄和報(bào)表、模擬軋鋼以及數(shù)學(xué)模型等。數(shù)學(xué)模型中以精軋?jiān)O(shè)定模型應(yīng)用得最好。精軋?jiān)O(shè)定模型主要包括以下幾個(gè)數(shù)學(xué)模型：1）溫度預(yù)報(bào)模型；2）軋制力預(yù)報(bào)模型；3）軋制功率、軋制力矩預(yù)報(bào)模型；4）軋機(jī)彈跳模型；5）輥縫計(jì)算模型。其中軋制力預(yù)報(bào)模型是重點(diǎn)。軋制力數(shù)學(xué)模型中除了考慮軋件的寬度和軋輥的接觸弧長(zhǎng)之處，把軋制力分解成兩個(gè)函數(shù)的乘積。一個(gè)是變形抗力，另一個(gè)是應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)。因此，
Fi=Kmi*Qpi＊L*W
式中F-軋制力，kN；Km-變形抗力，kg/mm2；QP-應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)；Ld-軋輥的接觸弧長(zhǎng)，mm；W-軋件的寬度mm
2.3 生產(chǎn)控制管理級(jí)
生產(chǎn)控制管理主要包括合同管理、軋制計(jì)劃編排、產(chǎn)品質(zhì)量管理系統(tǒng)、作業(yè)記錄、軋制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及管理、板坯及鋼卷庫管理、產(chǎn)品發(fā)貨管理、財(cái)務(wù)管理、各生產(chǎn)線的相互協(xié)調(diào)、按合同申請(qǐng)材料、跟蹤生產(chǎn)情況和質(zhì)量情況、組織成品出廠發(fā)貨等任務(wù)。不同的鋼鐵企業(yè)會(huì)根據(jù)自己的管理體制設(shè)置相應(yīng)的管理功能來豐富其中的內(nèi)涵。
3 熱連軋電氣自動(dòng)化技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展
對(duì)熱連軋電氣自動(dòng)化技術(shù)的創(chuàng)新研究方向主要是：
（1）自動(dòng)厚度控制（AGC）；自動(dòng)厚度
控制模式和控制算法較多，而且一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)中也往往包含了前饋 反饋 監(jiān)控等多種控制模式，但不管哪種控制模式，AGC系統(tǒng)作為一個(gè)快捷執(zhí)行者都要按照彈塑方程落實(shí)結(jié)果。對(duì)AGC控制結(jié)構(gòu)、控制策略、和控制算法的改進(jìn)與創(chuàng)新是一個(gè)不斷不展的過程，尤其是控制速度，伺服閥的精度是重點(diǎn)。
（2）熱連軋數(shù)學(xué)模型；現(xiàn)階段數(shù)學(xué)模型里設(shè)定模型和溫度模型應(yīng)用較好，但板形模型普遍存在問題，需要在板形模型上加大投入力度，不斷在模型上融入新技術(shù)，使模型的軟件趨于標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品化、適用于各種類型的熱軋生產(chǎn)線，并在模型上加上自適應(yīng)修正，使模型能夠自學(xué)習(xí)。目前看多數(shù)模型基礎(chǔ)來自于國外，國內(nèi)吸收改進(jìn)后在精細(xì)化存在一定差距。
4 結(jié)束語
熱軋電氣自動(dòng)化控制技術(shù)本身是個(gè)復(fù)雜的控制體系，它的應(yīng)用對(duì)鋼鐵廠至關(guān)重要，必須不斷創(chuàng)新發(fā)展自動(dòng)化技術(shù)，不僅可以提高生產(chǎn)效率，并且大大改進(jìn)產(chǎn)品精度和性能，減少人工投入帶來本質(zhì)安全，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的意義。
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