單機(jī)架可逆軋機(jī)組合負(fù)荷分配算法的應(yīng)用

溫玉蓮，閆洪偉，齊海峰，趙文姣，溫 杰

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司冷軋部，河北 唐山 063200）

0 引言

隨著汽車輕量化和安全標(biāo)準(zhǔn)要求的逐年提高[1]，超高強(qiáng)度鋼板的生產(chǎn)比例和強(qiáng)度逐漸提高，連軋機(jī)在生產(chǎn)高強(qiáng)鋼過程中的難度凸顯。單機(jī)架可逆軋機(jī)生產(chǎn)組織靈活，可多道次重復(fù)軋制，在冷軋高強(qiáng)鋼市場(chǎng)中所占份額越來越重要。機(jī)組的模型設(shè)定參數(shù)既是為基礎(chǔ)自動(dòng)化（L1）提供控制目標(biāo)值，也是產(chǎn)品生產(chǎn)工藝在控制系統(tǒng)中的體現(xiàn)，因此模型設(shè)定計(jì)算的精度直接影響產(chǎn)品質(zhì)量，而厚度控制和板型控制是保證冷軋產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵[2]，是評(píng)價(jià)軋機(jī)模型好壞的重要指標(biāo)。

負(fù)荷分配[3]是模型計(jì)算的重要組成部分，是根據(jù)軋件特性、軋機(jī)特性和工藝要求快速計(jì)算出特定意義下最佳的生產(chǎn)道次和各道次壓下量的一種方法。負(fù)荷分配程序根據(jù)鋼卷的原始數(shù)據(jù)、軋機(jī)的設(shè)備參數(shù)、工藝要求和給定的負(fù)荷分配比例系數(shù)，對(duì)軋制工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算過程中對(duì)設(shè)備能力進(jìn)行極限校核，如果超限則對(duì)超限的工藝參數(shù)進(jìn)行修正計(jì)算[4]。本文利用三種負(fù)荷分配模式和軋制規(guī)程號(hào)相結(jié)合的方式確定了生產(chǎn)道次和各道次壓下量[5]，從而實(shí)現(xiàn)軋制基本設(shè)定模型的計(jì)算。

1 軋制規(guī)程計(jì)算

軋制規(guī)程[6]是帶鋼生產(chǎn)的主要工藝技術(shù)內(nèi)容，是軋機(jī)生產(chǎn)能力發(fā)揮、產(chǎn)品質(zhì)量及板形質(zhì)量的根本保證。合理的軋制規(guī)程可以充分發(fā)揮軋機(jī)設(shè)備能力，減少能耗，保證帶鋼產(chǎn)品的精度，使軋制工藝達(dá)到最佳狀態(tài)。本文所述的軋制規(guī)程表（RCM_SCHEDNUMBER）根據(jù)鋼種的鋼級(jí)、帶鋼的原料寬度、原料厚度、目標(biāo)厚度確定軋制規(guī)程號(hào)。其中鋼級(jí)根據(jù)屈服強(qiáng)度分為10 級(jí)，根據(jù)機(jī)組能力將原料寬度分為8 級(jí)、原料厚度分為7級(jí)、目標(biāo)厚度分為9 級(jí)，共組合成5 040 個(gè)軋制規(guī)程號(hào)，每個(gè)軋制規(guī)程號(hào)代表了一種軋制規(guī)程，是模型計(jì)算的基礎(chǔ)。

2 基于軋制規(guī)程的負(fù)荷分配

模型提供了三種負(fù)荷分配計(jì)算方法，供生產(chǎn)操作選擇，通過模型控制標(biāo)志位進(jìn)行區(qū)分。三種計(jì)算方法各有優(yōu)勢(shì)，適用于不同場(chǎng)景。

2.1 歷史規(guī)程

歷史規(guī)程使用最為普遍，它以數(shù)據(jù)庫表（RCM_HISTORYDRAFT）的形式存在，在原有軋制規(guī)程號(hào)基礎(chǔ)上，將原料厚度和目標(biāo)厚度都細(xì)化為30 級(jí)，另外增加了是否使用開卷機(jī)及表面類型，使分檔更為細(xì)致，所以模型計(jì)算精度最高。不管以哪種方式進(jìn)行模型計(jì)算，只要計(jì)算正確，模型設(shè)定值都會(huì)更新或插入歷史規(guī)程表，且隨著生產(chǎn)的不斷進(jìn)行，數(shù)據(jù)庫表的記錄由無到有、由少到多，直至覆蓋所有規(guī)格。

由于采用厚度分檔方式，通過歷史規(guī)程表查到的記錄是落在同一檔的所有產(chǎn)品規(guī)格模型計(jì)算參考值，很可能會(huì)出現(xiàn)原料厚度或目標(biāo)厚度與該歷史規(guī)程表查到的記錄不一致情況，所以不能完全按照歷史規(guī)程進(jìn)行軋制，需要對(duì)各道次出口厚度進(jìn)行二次分配。

基本算法描述：歷史表記錄各道次出口厚度按比例分配，算出每道次的絕對(duì)壓下率；再根據(jù)此壓下率和PDI 原料厚度、目標(biāo)厚度按比例重新進(jìn)行二次分配。此種算法既保證了歷史軋制規(guī)程的負(fù)荷分配比例得到繼承，又兼顧了每卷入口厚度和目標(biāo)厚度的不同。

2.2 經(jīng)驗(yàn)規(guī)程

經(jīng)驗(yàn)規(guī)程是一種通過積累把經(jīng)驗(yàn)值固定下來的負(fù)荷分配算法，它以常數(shù)表的形式存在，是一種表格式軋制模型[7]。常數(shù)表可以參考其他項(xiàng)目積累的經(jīng)驗(yàn)，也可以是將歷史規(guī)程不斷完善后，把較為滿意的歷史規(guī)程固化到常數(shù)表。經(jīng)驗(yàn)規(guī)程與歷史規(guī)程一樣，由于采用厚度分檔方式，存在原料入口厚度或目標(biāo)厚度與經(jīng)驗(yàn)規(guī)程查到的記錄不一致的情況，需要重新進(jìn)行負(fù)荷分配調(diào)整，使算法與歷史規(guī)程二次負(fù)荷分配一致。

這種算法比較適用于新項(xiàng)目投產(chǎn)初期、新規(guī)格第一次生產(chǎn)、歷史規(guī)程中沒有記錄的情況，通過借鑒其他項(xiàng)目的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，讀取常數(shù)表獲取負(fù)荷分配值。

2.3 自動(dòng)計(jì)算

自動(dòng)計(jì)算是根據(jù)鋼種牌號(hào)和總壓下率來給定總道次數(shù)和各道次壓下率的一種簡(jiǎn)單負(fù)荷分配算法。算法如下：在新鋼種進(jìn)行參數(shù)維護(hù)時(shí)，根據(jù)總壓下率小于40%、50%、60%、70%、80%分別給定總道次數(shù)為3、4、5、6、7；然后在自動(dòng)計(jì)算時(shí)，根據(jù)總道次數(shù)固化每道次的壓下率，如表1 所示。

表1 自動(dòng)計(jì)算總道次及各道次壓下分配

這種算法適用于歷史規(guī)程和經(jīng)驗(yàn)規(guī)程都沒有的情況，模型必須提供一種算法，且能計(jì)算成功，為操作人員提供人機(jī)界面接口進(jìn)行手動(dòng)修正。同時(shí)，該算法也適用于特殊鋼種的批量生產(chǎn)及對(duì)產(chǎn)品規(guī)格分檔要求較低的情況。

2.4 三種負(fù)荷分配算法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

歷史規(guī)程：優(yōu)點(diǎn)是分級(jí)最細(xì)，對(duì)每卷的規(guī)格針對(duì)性更強(qiáng)；能夠及時(shí)修正歷史記錄，對(duì)操作工手動(dòng)修改過的參數(shù)具有記錄功能；同規(guī)格鋼卷如果選擇歷史規(guī)程軋制，模型參數(shù)具有繼承性，不需要對(duì)每卷進(jìn)行修改。缺點(diǎn)是如果對(duì)同規(guī)格鋼卷修改了軋制規(guī)程，且寫入了歷史數(shù)據(jù)表，一旦觸發(fā)當(dāng)前卷模型重計(jì)算，則計(jì)算結(jié)果會(huì)與之前軋制數(shù)據(jù)不同，容易造成同一卷軋制卻使用了兩種不同數(shù)據(jù)，因數(shù)據(jù)沖突造成嚴(yán)重錯(cuò)誤。

經(jīng)驗(yàn)規(guī)程：優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)驗(yàn)表數(shù)值固定，不會(huì)自動(dòng)更新，對(duì)同規(guī)格批次鋼卷針對(duì)性強(qiáng)；處于同一檔的所有卷使用同一規(guī)程，不受模型觸發(fā)計(jì)算的時(shí)刻影響，穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)是需要人工手動(dòng)維護(hù)，不斷完善經(jīng)驗(yàn)表，使之覆蓋所有規(guī)格；規(guī)格分級(jí)較為粗略，對(duì)原料規(guī)格處于分檔臨界值的卷，計(jì)算出的模型數(shù)據(jù)可能差距很大，精度較歷史規(guī)程稍差。

自動(dòng)計(jì)算：優(yōu)點(diǎn)是針對(duì)鋼種進(jìn)行最大道次分配和每道次壓下率設(shè)定，對(duì)特殊鋼種的針對(duì)性最強(qiáng)，能夠彌補(bǔ)歷史規(guī)程和經(jīng)驗(yàn)規(guī)程由于分檔導(dǎo)致的臨界值模型差距大的缺點(diǎn)；能夠解決歷史規(guī)程和經(jīng)驗(yàn)規(guī)程都不存在情況下的模型計(jì)算，保證模型計(jì)算的基本正確。缺點(diǎn)是需要人為在維護(hù)新鋼種時(shí)就對(duì)模型進(jìn)行負(fù)荷分配，由于沒有生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，所以維護(hù)初期負(fù)荷分配精度可能較差。

3 組合負(fù)荷分配算法及實(shí)際應(yīng)用效果分析

組合負(fù)荷分配算法為操作人員提供了模型計(jì)算的選擇控制開關(guān)，可以選擇歷史規(guī)程、經(jīng)驗(yàn)規(guī)程或自動(dòng)計(jì)算。如果選中的是歷史規(guī)程，則模型先查歷史規(guī)程表RCM_HISTORYDRAFT 獲取對(duì)應(yīng)記錄，并進(jìn)行二次負(fù)荷分配；如果歷史規(guī)程計(jì)算失敗，則使用經(jīng)驗(yàn)規(guī)程，并進(jìn)行二次負(fù)荷分配；如果經(jīng)驗(yàn)規(guī)程計(jì)算失敗，則使用自動(dòng)計(jì)算；如果自動(dòng)計(jì)算也失敗，則只能通過手動(dòng)添加經(jīng)驗(yàn)規(guī)程的方法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)人為分配道次，直至計(jì)算成功。

通過以上三種方式的任何一種計(jì)算出模型設(shè)定值后，都可以顯示在二級(jí)畫面中，為操作人員提供了人機(jī)交互的界面。如果操作人員需要對(duì)某個(gè)道次壓下率進(jìn)行調(diào)整，那么模型將在原負(fù)荷分配基礎(chǔ)上，對(duì)未軋制的道次進(jìn)行壓下分配調(diào)整策略，以達(dá)到操作人員手動(dòng)修改的目標(biāo)分配值。調(diào)整策略的主要方法如下：

1）計(jì)算原負(fù)荷分配各道次壓下率。

2）檢查操作人員輸入的壓下率參數(shù)是否合理，不合理直接退出。

3）如果所有道次壓下率均被修改，則計(jì)算末道次的出口厚度是否與目標(biāo)產(chǎn)品厚度一致，不一致則報(bào)錯(cuò)。

4）如果不是所有道次壓下率都被修改，則采用新的壓下分配調(diào)整策略計(jì)算出各道次最終的出口厚度。

5）如果輸入的總壓下量大于目標(biāo)總壓下量，報(bào)錯(cuò)退出。

6）迭代計(jì)算[8]，直到收斂次數(shù)大于1 000 或新的末道次出口厚度與讀表值（歷史規(guī)程或經(jīng)驗(yàn)規(guī)程計(jì)算的末道次出口厚度）之差小于0.003 mm，迭代結(jié)束。否則，收斂次數(shù)加1，針對(duì)所有道次，進(jìn)行新的道次壓下率計(jì)算，操作人員手動(dòng)修改的道次壓下率不變，其他道次新的壓下率=上一次計(jì)算道次壓下率+上一次計(jì)算道次壓下率/（500+收斂次數(shù)）。

7）迭代計(jì)算完成后，前幾道次根據(jù)最新的道次壓下率計(jì)算每道次出口厚度，末道次出口厚度以目標(biāo)出口厚度為準(zhǔn)，根據(jù)末道次出口厚度和目標(biāo)出口厚度計(jì)算末道次壓下率。

該迭代算法具有速度快、收斂性好等特點(diǎn)，適于在線過程控制的編程實(shí)現(xiàn)[9]。本文以原料厚度為3.27 mm、原料寬度為1 407 mm、目標(biāo)厚度為1.87 mm的某卷帶鋼為例，分別使用三種負(fù)荷分配算法，計(jì)算得到的各道次出口厚度和壓下率如表2 所示。

以經(jīng)驗(yàn)規(guī)程為例，操作工手動(dòng)修改3 道次壓下率為15%，4 道次壓下率為10%，模型進(jìn)行壓下分配調(diào)整，需要進(jìn)行迭代計(jì)算，收斂過程如表3 所示。

表3 收斂計(jì)算過程

使用經(jīng)驗(yàn)規(guī)程算法，操作人員手動(dòng)修改壓下率后的最終計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表4 收斂計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

本項(xiàng)目開發(fā)的三種負(fù)荷分配算法，歷史規(guī)程可以實(shí)現(xiàn)繼承操作值分配，經(jīng)驗(yàn)規(guī)程可以實(shí)現(xiàn)按產(chǎn)品規(guī)格固定分配，自動(dòng)計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)按鋼種分配功能，系統(tǒng)適用性強(qiáng)，對(duì)其他項(xiàng)目具有參考意義。但是這三種負(fù)荷分配算法都是基于軋制規(guī)程的，受限于軋制規(guī)程分檔的精度，因此可對(duì)單機(jī)架可逆軋機(jī)在軋制規(guī)程人工智能化的研究方面進(jìn)行進(jìn)一步探索。