一、研究的背景與問題
寬厚板作為鋼鐵材料中的重要品種之一，廣泛應(yīng)用于航天軍工、能源動(dòng)力、交通運(yùn)輸、海洋船舶等領(lǐng)域，是國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐，在整個(gè)國防和經(jīng)濟(jì)布局中占有舉足輕重的地位。2010年以來，我國寬厚板制造過程自動(dòng)化水平取得長足進(jìn)步，但在關(guān)鍵工序質(zhì)量參數(shù)感知、多工序協(xié)調(diào)、優(yōu)化決策等方面存在突出短板，原有制造技術(shù)已很難適應(yīng)日益苛刻高端制造產(chǎn)業(yè)鏈的品質(zhì)要求。以海洋工程裝備、高技術(shù)船舶、大型施工裝備等為代表的高端裝備制造業(yè)為例，對(duì)寬厚板產(chǎn)品的尺寸外形精度提出了高于現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，寬度尺寸波動(dòng)要求控制在幾個(gè)毫米以內(nèi)，不平度要求≤2mm/m等，外形尺寸檢測仍以人工線下測量為主，多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)無法在線感知。嚴(yán)苛的質(zhì)量要求對(duì)過程精準(zhǔn)控制水平和品質(zhì)保證能力提出了極大挑戰(zhàn)，嚴(yán)重制約了我國寬厚板制造技術(shù)的再發(fā)展。
新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展正在推動(dòng)著制造業(yè)向著智能化生產(chǎn)方式變革，而通過智能化技術(shù)推動(dòng)鋼鐵工業(yè)發(fā)展則是中國從鋼鐵大國走向鋼鐵強(qiáng)國的必由之路。我國寬厚板制造行業(yè)自動(dòng)化基礎(chǔ)普遍較好，擁有工業(yè)制造領(lǐng)域最為豐富的應(yīng)用場景，以CPS信息物理系統(tǒng)和數(shù)字孿生為代表的新興技術(shù)在感知、計(jì)算、通信、控制等方面展現(xiàn)出得天獨(dú)厚的強(qiáng)大優(yōu)勢，能夠通過數(shù)字孿生體和CPS信息物理系統(tǒng)所具有的相互映射、實(shí)時(shí)交互、高效協(xié)同機(jī)制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)控制單元按需響應(yīng)、快速迭代、動(dòng)態(tài)優(yōu)化的功能。可見，運(yùn)用新興智能化手段進(jìn)一步精準(zhǔn)控制水平，增強(qiáng)質(zhì)量保證能力，推動(dòng)鋼鐵行業(yè)技術(shù)進(jìn)步并保證我國鋼鐵領(lǐng)域內(nèi)科技引領(lǐng)具有重要意義。
通過對(duì)國內(nèi)近百條中厚板生產(chǎn)線的工藝技術(shù)裝備現(xiàn)狀研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)線普遍在關(guān)鍵工藝質(zhì)量參數(shù)感知、多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化方面，長期面臨如下突出問題：
1、生產(chǎn)過程中軋制、剪切等工序的自動(dòng)化達(dá)到較高水平，但是各工序控制系統(tǒng)相對(duì)孤立，尚未形成聯(lián)動(dòng)，部分工序缺失關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)，不能基于反饋進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制，機(jī)理模型的預(yù)測和控制精度低，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成材率的提升；
2、缺少鋼板輪廓識(shí)別和板形檢測關(guān)鍵大型儀表，導(dǎo)致軋后鋼板頭尾形貌、輪廓和板形等關(guān)鍵質(zhì)量參數(shù)難以在線精準(zhǔn)識(shí)別，仍以人工方式線下測量，無法與軋制過程形成在線反饋控制，難以通過在線工藝優(yōu)化來保證最終產(chǎn)品質(zhì)量；
3、依靠人工經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)組板系統(tǒng)訂單匹配度低、精準(zhǔn)剪切控制能力偏低，無法根據(jù)鋼板實(shí)時(shí)輪廓信息優(yōu)化組板策略導(dǎo)致組板余材過多，影響生產(chǎn)效率和成材率。剪切工序也無法根據(jù)實(shí)時(shí)輪廓形狀優(yōu)化剪切策略。此外，剪切工序與軋制過程、組坯過程除基礎(chǔ)的產(chǎn)品信息交互之外，無其它過程質(zhì)量數(shù)據(jù)交互，迫切需要將軋后鋼板實(shí)際輪廓形狀與訂單合同進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)匹配，急需開發(fā)面向多目標(biāo)約束的優(yōu)化剪切和動(dòng)態(tài)組板策略，以實(shí)現(xiàn)減少切損的同時(shí)提高訂單的匹配度。
針對(duì)寬厚板制造領(lǐng)域內(nèi)過程精準(zhǔn)控制科學(xué)問題和相關(guān)技術(shù)瓶頸，2010年由山鋼與東北大學(xué)等單位組建聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在國家十三五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃《基于CPS架構(gòu)的多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化與質(zhì)量精準(zhǔn)控制及應(yīng)用示范》（2017YFB0304103）項(xiàng)目和山東省《寬厚板智能軋制數(shù)字化車間是的試點(diǎn)示范》項(xiàng)目的支撐下，依托山東省山鋼王國棟院士工作站科研平臺(tái)，深入推進(jìn)開展產(chǎn)學(xué)研合作和協(xié)同創(chuàng)新，發(fā)揮高?；A(chǔ)研究理論創(chuàng)新優(yōu)勢與企業(yè)產(chǎn)工程技術(shù)優(yōu)勢，聯(lián)合開展本項(xiàng)目關(guān)鍵共性技術(shù)的科研攻關(guān)工作。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)聚焦“組板-軋制-剪切”關(guān)鍵工序，第一次在行業(yè)內(nèi)明確了多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化機(jī)制及其所需要解決的科學(xué)問題。應(yīng)用所研制的輪廓和板形檢測儀器裝置實(shí)現(xiàn)了熱軋工序關(guān)鍵質(zhì)量數(shù)據(jù)感知能力大幅提升。集中解決了CPS信息物理系統(tǒng)構(gòu)建、“數(shù)據(jù)+機(jī)理”模型雙驅(qū)動(dòng)外觀尺寸控制模型、多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化決策等多項(xiàng)長期難以突破的技術(shù)難題，成功構(gòu)建了寬厚板制作過程多工序間高效協(xié)同的原創(chuàng)性技術(shù)理論體系。所開發(fā)的寬厚板輪廓板形CPS智能制造技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)線關(guān)鍵工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)高質(zhì)量貫通，軋鋼過程中的精準(zhǔn)控制能力明顯增強(qiáng)，寬厚板產(chǎn)線多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化控制水平得到大幅度提升。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
本項(xiàng)目創(chuàng)新應(yīng)用機(jī)器視覺、數(shù)字孿生和信息物理CPS等先進(jìn)技術(shù)，將寬厚板生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)映射到數(shù)字空間中，融合機(jī)理模型+數(shù)據(jù)模型建立包括動(dòng)態(tài)在線設(shè)定、輪廓板形感知反饋的寬厚板雙閉環(huán)優(yōu)化CPS信息物理系統(tǒng)，如圖1所示。內(nèi)環(huán)系統(tǒng)通過機(jī)理模型和機(jī)器學(xué)習(xí)滿足過程控制的實(shí)時(shí)高精度設(shè)定（淺色箭頭），外環(huán)系統(tǒng)通過機(jī)器視覺技術(shù)感知寬厚板三維形貌，并建立數(shù)字孿生體反饋優(yōu)化模型參數(shù)（深色箭頭），實(shí)現(xiàn)控制模型參數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化。這樣就可以在虛擬數(shù)字空間優(yōu)化工藝參數(shù)和工序間的協(xié)調(diào)關(guān)系，把實(shí)測三維形貌數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字空間對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體，通過相應(yīng)的算法模型計(jì)算獲得優(yōu)化策略，并通過指令反饋到物理空間中相關(guān)工序執(zhí)行相關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)寬厚板制造過程參數(shù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)優(yōu)化。
圖1 技術(shù)路線圖
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
本項(xiàng)目針對(duì)行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)所面臨的共性技術(shù)難題，聚焦輪廓和板形在線檢測技術(shù)和儀器裝置、輪廓及板形動(dòng)態(tài)CPS系統(tǒng)、多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化控制等涉及寬厚板制造過程精準(zhǔn)控制的技術(shù)瓶頸，通過理論與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生和CPS信息物理系統(tǒng)理論、大型在線檢測儀器裝置、多工序協(xié)調(diào)控制、工程化創(chuàng)新應(yīng)用的一體化創(chuàng)新，并取得了很好的應(yīng)用實(shí)施效果。主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下：
1、率先研制出基于機(jī)器視覺的寬厚板輪廓和板形在線檢測技術(shù)以及兩大儀器裝置，在具有代表性的4300mm級(jí)寬厚板產(chǎn)線進(jìn)行首次穩(wěn)定化工程應(yīng)用。
針對(duì)熱軋寬厚板產(chǎn)線現(xiàn)場存在大量冷卻水導(dǎo)致的水汽、輥道上方照明不均并存在反光、鋼板表面隨機(jī)分布除鱗殘?jiān)头蹓m、鋼板運(yùn)動(dòng)過程中震動(dòng)打滑等惡劣工況，基于人眼雙目視覺理論提出了多陣列相機(jī)組圖像采集機(jī)制，研究出高斯噪聲、椒鹽噪聲、脈沖噪聲等多類型混雜噪聲高效濾除算法，開發(fā)了包涵自適應(yīng)圖像分割、激光條紋圖像特征、自適應(yīng)ROI、翹曲特征提取等算法庫和模型庫，探索并建立了七大類上千個(gè)品種規(guī)格寬厚板產(chǎn)品的冷/熱態(tài)尺寸映射模型體系，實(shí)現(xiàn)了冷/熱態(tài)大尺寸不規(guī)則運(yùn)動(dòng)鋼板的輪廓和板形在線高精度檢測。所研制的檢測裝置在寬度方向檢測精度達(dá)到±2mm、長度方向檢測誤差小于5‰、側(cè)彎量檢測精度達(dá)到±5mm，頭尾不規(guī)則變形區(qū)檢測精度達(dá)到±5mm，板形平直度檢測精度達(dá)到±1mm。動(dòng)態(tài)鋼板輪廓和板形在線檢測儀器裝置的成功開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了軋制后1000℃~室溫工藝區(qū)間內(nèi)的鋼板三維信息在線感知，完全取代了人工估計(jì)和線下測量的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，在大型檢測儀器裝置研制方面填補(bǔ)了國際空白。同時(shí)，也為依據(jù)工藝規(guī)則并融合數(shù)據(jù)反饋開展鋼板外形尺寸智能化控制提供了數(shù)據(jù)支撐。
圖2 本項(xiàng)目所開發(fā)的輪廓在線檢測儀器裝置
2、基于板形在線檢測信息構(gòu)建了多源數(shù)據(jù)與多模型聯(lián)合解析的板形動(dòng)態(tài)數(shù)字孿生模型體系，探索并開發(fā)出具有板形在線識(shí)別、精準(zhǔn)計(jì)算、閉環(huán)控制和動(dòng)態(tài)優(yōu)化等特征的板形CPS系統(tǒng),為軋制過程平面形狀精準(zhǔn)控制提供了全新的智能化技術(shù)支撐。
圖3 本項(xiàng)目采用的平面形狀數(shù)字孿生體模型構(gòu)建方法
基于鋼坯軋制過程板形成因機(jī)理解析，以鋼坯軋制過程中平面形狀的過程控制參數(shù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化為核心，開發(fā)出鋼坯精軋成型過程中的帶載輥縫形狀、輥系彈性變形、軋件長度預(yù)測、平面形狀可控點(diǎn)、形變區(qū)域微跟蹤等多個(gè)機(jī)理預(yù)測模型體系，并進(jìn)行了工業(yè)化應(yīng)用，軋制過程平面形狀精準(zhǔn)可控能力大幅度提高。為進(jìn)一步提高智能化控制能力，依托現(xiàn)有控制系統(tǒng)中的工藝實(shí)績、模型設(shè)定、來料尺寸和成分等多源信息建立數(shù)據(jù)模型，并在幾何建模、“數(shù)據(jù)+機(jī)理”模型融合的基礎(chǔ)上探索構(gòu)建出板形數(shù)字孿生體，如圖3所示。在引入利用本項(xiàng)目研制的板儀裝置檢測的板形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出具有板形信息動(dòng)態(tài)反饋、設(shè)定精準(zhǔn)計(jì)算、軋制過程閉環(huán)控制和模型動(dòng)態(tài)優(yōu)化等特征的板形CPS系統(tǒng)，一舉突破了軋鋼過程中傳統(tǒng)的板形控制滯后的工藝瓶頸，形成了板形精準(zhǔn)控制智能化新工藝技術(shù)。
3、開發(fā)出數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的可控點(diǎn)平面形狀智能預(yù)測技術(shù)，創(chuàng)新提出面向多目標(biāo)約束的剪切優(yōu)化策略和基于視覺反饋的動(dòng)態(tài)組板策略，成功構(gòu)建出寬厚板多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化的輪廓CPS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“組板-軋制-剪切”三個(gè)關(guān)鍵工序間的協(xié)調(diào)優(yōu)化。
依托輪廓數(shù)據(jù)反饋和平面形狀預(yù)測模型，開發(fā)出基于工藝約束的智能化子板排布策略和基于多背包問題的母板組板模型，實(shí)現(xiàn)了連鑄出鋼材、余材板坯、余材鋼板的科學(xué)動(dòng)態(tài)組板，最大程度降低了組板損耗。根據(jù)鋼板寬度、長度、側(cè)彎、板形以及頭尾部不規(guī)則區(qū)域尺寸等輪廓信息在線檢測，結(jié)合當(dāng)前合同訂單信息在線計(jì)算鋼板剪切策略，確定最佳剪切線位置，實(shí)現(xiàn)智能化剪切。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索了七大類上千個(gè)品種規(guī)格寬厚板產(chǎn)品在1000℃~室溫間的外形尺寸映射模型體系，破解了鋼板冷卻過程中外形參數(shù)無法測量這一“黑箱”過程。圍繞輪廓檢測數(shù)據(jù)、組板計(jì)劃數(shù)據(jù)、軋制過程平面形狀預(yù)測高質(zhì)量融合，在“組板-軋制-剪切”三個(gè)關(guān)鍵工序間探索出以鋼板二維平面輪廓和板形控制為核心的多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化輪廓CPS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鋼板組板科學(xué)、鋼板外形尺寸控制精準(zhǔn)的智能化技術(shù)體系。
四、應(yīng)用情況與效果
應(yīng)用本項(xiàng)目所研制的檢測儀器裝置實(shí)現(xiàn)了鋼板輪廓和板形在線高精度檢測，取代了人工線下測量的生產(chǎn)方式，產(chǎn)線關(guān)鍵工序的質(zhì)量信息感知能力得到明顯提升。以輪廓和板形控制為核心，應(yīng)用所開發(fā)的CPS智能制造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了寬厚板組板、軋制以及剪切幾個(gè)關(guān)鍵工序間的動(dòng)態(tài)閉環(huán)協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。此外，本項(xiàng)目的成功應(yīng)用還將數(shù)字孿生和CPS信息物理系統(tǒng)等新興技術(shù)由概念普及推向至創(chuàng)新應(yīng)用的新階段，在寬厚板生產(chǎn)流程的智能制造“無人區(qū)”起到示范引領(lǐng)作用。圖4為依托本項(xiàng)目所開發(fā)的4300mm寬厚板輪廓及板形CPS系統(tǒng)。
本項(xiàng)目所開發(fā)的基于機(jī)器視覺的寬厚板多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化CPS系統(tǒng)于2017年在萊鋼4300mm寬厚板生產(chǎn)線進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了多工序協(xié)調(diào)優(yōu)化CPS系統(tǒng)在“組板-軋制-剪切”等主線工序的融合創(chuàng)新，有效提升了工序間的協(xié)同效率，產(chǎn)線整體智能化水平得到了明顯提升。同時(shí)，有效降低了作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，使產(chǎn)線綜合成材率、生產(chǎn)效率、工序成本等得到明顯改善。其中，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)調(diào)整組板策略，提高余材組板成功率50%；產(chǎn)線生產(chǎn)效率由147噸/小時(shí)提高到172噸/小時(shí)，提高25噸/小時(shí)；產(chǎn)線成材率由項(xiàng)目實(shí)施前91.21%提高91.65%，提高0.44%；帶出品率由1.38%降低到0.31%，降低1.07%，噸鋼電耗由105.37kW/t降低至91.11kW/t，降低14.26kW/t；單支鋼板剪切時(shí)間由原1.43min降低至1.2min，剪切線生產(chǎn)效率提高13.3%。項(xiàng)目整體成果應(yīng)用三年以來，創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)2.3億元。
圖4 4300mm寬厚板輪廓及板形CPS系統(tǒng)
依托本項(xiàng)目所開發(fā)的相關(guān)技術(shù)在我國三鋼、唐鋼等中厚板等產(chǎn)線進(jìn)行應(yīng)用，提高了板形和平面形狀控制精度，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。
在技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)性方面，本項(xiàng)目涉及的檢測儀器裝置以及寬厚板輪廓和板形CPS系統(tǒng)均為行業(yè)首次研制和首次應(yīng)用。與傳統(tǒng)工藝相比，本項(xiàng)目所研制裝置的檢測精度明顯優(yōu)于國外相關(guān)技術(shù)。
