近年來，在熱連軋智能工廠建設(shè)的探索與實踐中，軋線的“無人駕駛”（自動軋鋼、一鍵軋鋼）理念深受推崇，可有效減少操作人員的頻繁干預(yù)，提升生產(chǎn)穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。目前，限制熱連軋“無人駕駛”的主要瓶頸為粗軋的翹扣頭、鐮刀彎以及精軋機架間跑偏等運行非對稱問題。熱軋運行非對稱會造成帶鋼楔形指標(biāo)波動與整體中心線偏移，在薄規(guī)格軋制過程中極易產(chǎn)生機架間浪形，影響產(chǎn)品質(zhì)量與成材率；同時，帶鋼翹扣頭、跑偏會造成表面與邊部損傷，并對軋輥、導(dǎo)衛(wèi)等設(shè)備造成損害，嚴(yán)重時會引起機架間甩尾和堆鋼事故。目前生產(chǎn)過程中，非對稱控制依賴操作工憑經(jīng)驗進行人工觀察與調(diào)節(jié)，缺乏準(zhǔn)確的監(jiān)測手段，操作難度大，控制精度和穩(wěn)定性差。

通過近十年持續(xù)的研發(fā)投入，北京科技大學(xué)工程技術(shù)研究院（簡稱“北科工研”）已開發(fā)包含翹扣頭、鐮刀彎、機架間跑偏的系列非對稱在線測控技術(shù)，并實現(xiàn)穩(wěn)定工業(yè)應(yīng)用，能夠有效抑制運行非對稱問題，降低薄規(guī)格產(chǎn)品的甩尾率與廢鋼概率，提高軋制穩(wěn)定性。

熱連軋運行非對稱測控技術(shù)，包括粗軋中間坯鐮刀彎、翹扣頭以及精軋機架間跑偏的在線檢測與自動控制系統(tǒng)，總體方案思路如圖1所示。

其中，鐮刀彎與翹扣頭檢測儀表，可根據(jù)現(xiàn)場條件靈活布置于粗軋機的入口或者出口；精軋機架間跑偏檢測儀表，也可以根據(jù)監(jiān)控要求選擇安裝機架。檢測儀表人機界面放置于操作臺，用于實現(xiàn)非對稱運行狀態(tài)的人工監(jiān)控與操作支持。同時，自動調(diào)平計算模型可以計算出建議輥縫調(diào)平值供人工操作采用，形成半自動控制；也可以通過相應(yīng)的控制系統(tǒng)接口配置，自動下達輥縫調(diào)平值，實現(xiàn)全自動控制。

熱連軋運行非對稱測控技術(shù)，包括檢測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)兩個方面，技術(shù)內(nèi)容介紹如下。

熱連軋運行非對稱檢測系統(tǒng)主要工作原理為：通過安裝在粗軋機出入口（或精軋機架間）的工業(yè)CCD相機，當(dāng)中間坯（或帶鋼）進入相機拍攝視野范圍時，咬鋼信號與基礎(chǔ)自動化級（一級）實時工藝參數(shù)及通過工作站傳輸至圖像處理服務(wù)器，過程自動化級（二級）設(shè)定參數(shù)通過以太網(wǎng)傳輸至服務(wù)器，根據(jù)咬鋼等信號觸發(fā)的相機邏輯控制，一級與二級工藝參數(shù)用于設(shè)置相機的拍攝參數(shù)，設(shè)置完成后，相機開始按照設(shè)定的頻率進行采樣，當(dāng)中間坯（帶鋼）離開相機視野范圍時，停止拍攝；采集到的圖像通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器將采集到的圖像進行存儲和處理，得到中間坯的鐮刀彎、翹扣頭以及帶鋼的跑偏信息，并通過人機界面進行顯示，實現(xiàn)檢測功能。

以鐮刀彎檢測系統(tǒng)為例，其硬件組成與系統(tǒng)布置見圖2。檢測系統(tǒng)硬件主要通訊模塊、圖像檢測及安裝平臺、數(shù)據(jù)存儲和輔系統(tǒng)等四部分構(gòu)成。其中，通訊部分由西門子PLC、交換機、光轉(zhuǎn)及相應(yīng)線纜組成，主要用于一級與二級工藝數(shù)據(jù)的傳輸及系統(tǒng)邏輯控制信號和圖像數(shù)據(jù)的傳輸；檢測部分主要由安裝平臺、相機安裝支架及工業(yè)CCD相機和鏡頭組成，主要用于中間坯圖像的拍攝及相機自由度調(diào)整；數(shù)據(jù)存儲部分主要由高性能服務(wù)器和顯示器組成，用于圖像數(shù)據(jù)處理、工藝數(shù)據(jù)的存儲和歸檔以及人機交互；輔系統(tǒng)主要包括熱檢和冷卻系統(tǒng)，前者用于熱源信號的檢測并作為相機控制信號的輸入，后者主要用于提供循環(huán)冷卻水，以保證相機的正常工作。

運行非對稱檢測系統(tǒng)的軟件部分主要包括相機控制程序、通訊程序、數(shù)據(jù)歸檔程序、檢測程序等部分組成，整體構(gòu)架見圖3。其中，相機控制程序主要實現(xiàn)相機的參數(shù)設(shè)定和狀態(tài)監(jiān)控；通訊程序完成多進程管理以及與軋線一級和二級的通訊管理，并為檢測模塊與數(shù)據(jù)庫模塊的線程間通訊提供平臺；數(shù)據(jù)歸檔程序完成檢測程序所需數(shù)據(jù)及測量結(jié)果的發(fā)送與接收，并對工藝數(shù)據(jù)庫和質(zhì)量數(shù)據(jù)庫進行維護，最終實現(xiàn)檢測結(jié)果的離線分析與報表功能；檢測程序通過圖像處理，完成粗軋鐮刀彎和精軋帶鋼跑偏的檢測，并進行可視化動態(tài)展示。對于中間坯鐮刀彎圖像，需要將多張局部圖像進行拼接，得到中間坯整體輪廓圖像，才能提取到完整的鐮刀彎信息；對于翹扣頭與精軋帶鋼跑偏圖像，則不需要進行拼接，將采樣圖像進行實時處理，得到連續(xù)變化的中心線偏移點坐標(biāo)，即中心線偏移量。

粗軋中間坯鐮刀彎自動控制模型，依據(jù)機架前、后的鐮刀彎檢測儀表獲得的中間坯鐮刀彎實測數(shù)據(jù)計算輥縫傾斜調(diào)整量，用以在下一道次開軋前自動設(shè)定下達。其技術(shù)路線如下圖所示：

a. 針對軋機兩側(cè)壓下特性差異的調(diào)平計算模型

依據(jù)軋機兩側(cè)剛度差進行變形過程彈塑性分析，基于彈跳方程和改進影響函數(shù)法建立輥系彈性變形計算模型，在此基礎(chǔ)上計算由兩側(cè)剛度引起的“輥系-軋件”系統(tǒng)的輥縫傾斜量，并進一步結(jié)合軋輥磨損、熱膨脹、輥縫自學(xué)習(xí)等因子計算調(diào)平補償值。

b. 針對板坯走偏的調(diào)平計算模型

通過輥系的彈性變形和軋件的塑性變形規(guī)律建立板坯走偏與出口板坯楔形及兩側(cè)軋制力偏差的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上根據(jù)鐮刀彎檢測儀表獲得的道次入口板坯走偏數(shù)據(jù)，計算基于板坯走偏的鐮刀彎調(diào)平補償值，以消除道次入口板坯走偏造成的出口板坯楔形和鐮刀彎。

c. 糾正已有鐮刀彎的調(diào)平計算模型

通過鐮刀彎檢測儀表，得到本道次入口板坯兩側(cè)的相對延伸比例，根據(jù)體積不變原理，并結(jié)合三維塑性變形流動因子計算，可以預(yù)報得到道次出口板坯楔形和鐮刀彎程度，在此基礎(chǔ)上，通過輥系的彈性變形和軋件的塑性變形規(guī)律可以推導(dǎo)得到糾正已有鐮刀彎的調(diào)平計算模型。

d. 鐮刀彎分段策略與調(diào)平值綜合設(shè)定模型

設(shè)計對板坯全長鐮刀彎的分段策略，對各分段內(nèi)分別基于軋機兩側(cè)剛度差、消除道次入口板坯走偏影響和糾正建立的鐮刀彎調(diào)平計算模型計算結(jié)果進行綜合，可以得到針對下一道次各個分段的鐮刀彎輥縫調(diào)平設(shè)定值。

e. 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型動態(tài)優(yōu)化

通過T-S模糊模型，動態(tài)分析鐮刀彎控制效果，建立粗軋鐮刀彎生成過程的時變數(shù)學(xué)描述，動態(tài)優(yōu)化特征功效系數(shù)，每道次軋制完成后，更新調(diào)平模型關(guān)鍵參數(shù)。

粗軋中間坯翹扣頭自動控制模型，依據(jù)機架前、后的翹扣頭檢測儀表獲得的道次間中間坯頭尾上翹或下扣程度，計算粗軋機上、下輥速差的調(diào)整量，在下一道次開軋前自動設(shè)定下達。其技術(shù)方案如下圖所示：

a. 翹曲曲線預(yù)測模型

采用顯式動力彈塑性有限元對中間坯軋制過程頭部翹曲形成機理進行仿真分析，并依據(jù)軋制變形理論，推導(dǎo)得到基于各影響因素如上、下工作輥直徑、工作輥線速度、工作輥摩擦系數(shù)等計算中間坯翹曲程度的翹曲曲線預(yù)測模型。

b. 雪橇系數(shù)設(shè)定模型

對翹扣頭檢測系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)進行識別，提取翹曲方向與程度特征數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上依據(jù)翹曲曲線預(yù)測模型以及異步軋制的后滑模型，計算雪橇系數(shù)設(shè)定值，并計算得到軋輥上下輥速差修正量，用于下一道次的設(shè)定，實現(xiàn)翹扣頭優(yōu)化控制。

c. 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的模型動態(tài)優(yōu)化

基于機器學(xué)習(xí)方法，通過采集翹扣頭實際檢測值與工藝過程參數(shù)控制，動態(tài)補償翹曲曲線預(yù)測模型、調(diào)整雪橇系數(shù)與上下輥速差計算值，提高模型計算精度以及針對工況干擾因素的適應(yīng)性。

精軋機架間跑偏自動控制模型，依據(jù)精軋入口鐮刀彎、機架間跑偏以及出口多功能儀實測數(shù)據(jù)，針對預(yù)設(shè)定、穿帶、穩(wěn)態(tài)及拋尾整個精軋運行過程實現(xiàn)調(diào)平值自動計算與動態(tài)下達。其技術(shù)路線如下圖所示：

a. 基于軋制單元的基礎(chǔ)設(shè)定模塊

根據(jù)軋機兩側(cè)壓下特性不同的輥縫調(diào)平值，通過自動計算軋機兩側(cè)剛度等非對稱壓下特性，計算兩側(cè)輥縫調(diào)平補償量。

b. 精軋調(diào)平預(yù)設(shè)定模塊

基于來料鐮刀彎實測數(shù)據(jù)與立輥位置信息的輥縫調(diào)平設(shè)定值。通過提取粗軋末道次鐮刀彎的模態(tài)與特征參數(shù)，并根據(jù)立輥開口度與偏移量預(yù)報精軋入口跑偏信息，計算調(diào)平預(yù)設(shè)定值，實現(xiàn)精軋咬鋼前的輥縫預(yù)擺，消除由來料因素造成的機架間跑偏。

c. 穿帶跑偏控制模塊

基于機架間跑偏實測數(shù)據(jù)的穿帶過程自動糾偏控制。以上一機架咬鋼信號作為觸發(fā)條件，通過機架間實時測量帶鋼頭部位置偏移數(shù)據(jù)，結(jié)合各機架軋制力、活套張力等工藝過程信息，計算得到下一機架的輥縫預(yù)控值，保障穿帶過程對中性。

d. 穩(wěn)態(tài)軋制非對稱控制模塊

在穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)過程中的全機架自動糾偏控制。針對上游機架，利用機架間跑偏實測數(shù)據(jù)進行上一機架自動糾偏控制；針對下游機架，利用精軋F7出口多功能儀測量的楔形、平坦度建立非對稱評價參數(shù)，并綜合各機架軋制力、活套張力等工藝過程信息，調(diào)整F4~F7機架輥縫調(diào)平值。

e. 拋鋼動態(tài)控制模塊

針對帶尾拋鋼過程的自動糾偏控制。通過粗軋鐮刀彎數(shù)據(jù)，以及精軋機架間跑偏實測數(shù)據(jù)動態(tài)計算下一機架的輥縫動態(tài)調(diào)整值，結(jié)合各機架軋制力、活套張力等工藝過程信息，實現(xiàn)帶尾偏移量的快速糾正，減少甩尾發(fā)生概率。

熱連軋運行非對稱測控系統(tǒng)在國內(nèi)多條熱連軋產(chǎn)線進行現(xiàn)場應(yīng)用并實現(xiàn)穩(wěn)定運行，其在現(xiàn)場的安裝位置見下圖：

如上圖所示，鐮刀彎檢測設(shè)備安裝在粗軋R2出口防撞梁平臺上，精軋跑偏設(shè)備安裝在F2軋機出口，通訊部分安裝在地下線纜室，就地箱和冷卻設(shè)備安裝在檢測設(shè)備附近，服務(wù)器放置于二級機房，終端置于操作臺。

下圖為通過檢測系統(tǒng)獲取的測量結(jié)果，分別為在“3+3”軋制模式下R2第3道次的4種不同彎曲形狀的中間坯形狀，分別為OS側(cè)C型彎曲、DS側(cè)C型曲、S型彎曲和M型彎曲，以及精軋機組帶鋼跑偏和寬度的檢測值。實際現(xiàn)場應(yīng)用證明，鐮刀彎和跑偏的檢測精度分別達到±3mm和±2mm以內(nèi)。

粗軋鐮刀彎和精軋跑偏主界面分別見圖9（a）、（b）。通過該人機界面可給出建議輥縫傾斜調(diào)整值，指導(dǎo)操作人員實施調(diào)平控制，如圖10所示。同時，系統(tǒng)可以投入自動調(diào)平控制模式，針對粗軋、精軋各個工序進行自動糾偏控制。

系統(tǒng)整體實施效果為：

1、針對粗軋鐮刀彎、翹扣頭以及精軋機架間跑偏，實現(xiàn)自動調(diào)平控制，人員工作模式從頻繁干預(yù)操作轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)監(jiān)控為主。

2、有效提高全線非對稱質(zhì)量的控制水平，減少粗軋中間坯頭尾偏移及翹曲。

3、有效抑制堆鋼、甩尾發(fā)生概率，減少由此造成的停機處理、設(shè)備維護時間，大幅度降低甩尾率，提高楔形命中率。