近年來，在熱連軋智能工廠建設(shè)的探索與實(shí)踐中，軋線的“無人駕駛”（自動(dòng)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(jī)架間跑偏等運(yùn)行非對稱問題。熱軋運(yùn)行非對稱會(huì)造成帶鋼楔形指標(biāo)波動(dòng)與整體中心線偏移，在薄規(guī)格軋制過程中極易產(chǎn)生機(jī)架間浪形，影響產(chǎn)品質(zhì)量與成材率；同時(shí)，帶鋼翹扣頭、跑偏會(huì)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(shí)會(huì)引起機(jī)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(yàn)進(jìn)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(jī)架間跑偏的系列非對稱在線測控技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工業(yè)應(yīng)用，能夠有效抑制運(yùn)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(yùn)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(jī)架間跑偏的在線檢測與自動(dòng)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(jī)的入口或者出口；精軋機(jī)架間跑偏檢測儀表，也可以根據(jù)監(jiān)控要求選擇安裝機(jī)架。檢測儀表人機(jī)界面放置于操作臺(tái)，用于實(shí)現(xiàn)非對稱運(yùn)行狀態(tài)的人工監(jiān)控與操作支持。同時(shí)，自動(dòng)調(diào)平計(jì)算模型可以計(jì)算出建議輥縫調(diào)平值供人工操作采用，形成半自動(dòng)控制；也可以通過相應(yīng)的控制系統(tǒng)接口配置，自動(dòng)下達(dá)輥縫調(diào)平值，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制。

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

熱連軋運(yùn)行非對稱檢測系統(tǒng)主要工作原理為：通過安裝在粗軋機(jī)出入口（或精軋機(jī)架間）的工業(yè)CCD相機(jī)，當(dāng)中間坯（或帶鋼）進(jìn)入相機(jī)拍攝視野范圍時(shí)，咬鋼信號(hào)與基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)（一級(jí)）實(shí)時(shí)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(dòng)化級(jí)（二級(jí)）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(hào)觸發(fā)的相機(jī)邏輯控制，一級(jí)與二級(jí)工藝參數(shù)用于設(shè)置相機(jī)的拍攝參數(shù)，設(shè)置完成后，相機(jī)開始按照設(shè)定的頻率進(jìn)行采樣，當(dāng)中間坯（帶鋼）離開相機(jī)視野范圍時(shí)，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(jìn)行存儲(chǔ)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(jī)界面進(jìn)行顯示，實(shí)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(tái)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jī)、光轉(zhuǎn)及相應(yīng)線纜組成，主要用于一級(jí)與二級(jí)工藝數(shù)據(jù)的傳輸及系統(tǒng)邏輯控制信號(hào)和圖像數(shù)據(jù)的傳輸；檢測部分主要由安裝平臺(tái)、相機(jī)安裝支架及工業(yè)CCD相機(jī)和鏡頭組成，主要用于中間坯圖像的拍攝及相機(jī)自由度調(diào)整；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)和歸檔以及人機(jī)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(hào)的檢測并作為相機(jī)控制信號(hào)的輸入，后者主要用于提供循環(huán)冷卻水，以保證相機(jī)的正常工作。

運(yùn)行非對稱檢測系統(tǒng)的軟件部分主要包括相機(jī)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(jī)控制程序主要實(shí)現(xiàn)相機(jī)的參數(shù)設(shè)定和狀態(tài)監(jiān)控；通訊程序完成多進(jìn)程管理以及與軋線一級(jí)和二級(jí)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(tái)；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(jìn)行維護(hù)，最終實(shí)現(xiàn)檢測結(jié)果的離線分析與報(bào)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(jìn)行可視化動(dòng)態(tài)展示。對于中間坯鐮刀彎圖像，需要將多張局部圖像進(jìn)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(jìn)行拼接，將采樣圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得到連續(xù)變化的中心線偏移點(diǎn)坐標(biāo)，即中心線偏移量。

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

a. 針對軋機(jī)兩側(cè)壓下特性差異的調(diào)平計(jì)算模型

依據(jù)軋機(jī)兩側(cè)剛度差進(jìn)行變形過程彈塑性分析，基于彈跳方程和改進(jìn)影響函數(shù)法建立輥系彈性變形計(jì)算模型，在此基礎(chǔ)上計(jì)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(jìn)一步結(jié)合軋輥磨損、熱膨脹、輥縫自學(xué)習(xí)等因子計(jì)算調(diào)平補(bǔ)償值。

b. 針對板坯走偏的調(diào)平計(jì)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(jì)算基于板坯走偏的鐮刀彎調(diào)平補(bǔ)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(jì)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(dòng)因子計(jì)算，可以預(yù)報(bào)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(jì)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(jì)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(jī)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(jì)算模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合，可以得到針對下一道次各個(gè)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(dòng)的模型動(dòng)態(tài)優(yōu)化

通過T-S模糊模型，動(dòng)態(tài)分析鐮刀彎控制效果，建立粗軋鐮刀彎生成過程的時(shí)變數(shù)學(xué)描述，動(dòng)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(dòng)控制模型，依據(jù)機(jī)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(jì)算粗軋機(jī)上、下輥速差的調(diào)整量，在下一道次開軋前自動(dòng)設(shè)定下達(dá)。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(dòng)力彈塑性有限元對中間坯軋制過程頭部翹曲形成機(jī)理進(jìn)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(jì)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(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)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(jì)算雪橇系數(shù)設(shè)定值，并計(jì)算得到軋輥上下輥速差修正量，用于下一道次的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)翹扣頭優(yōu)化控制。

c. 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型動(dòng)態(tài)優(yōu)化

基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法，通過采集翹扣頭實(shí)際檢測值與工藝過程參數(shù)控制，動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(jì)算值，提高模型計(jì)算精度以及針對工況干擾因素的適應(yīng)性。

精軋機(jī)架間跑偏自動(dòng)控制模型，依據(jù)精軋入口鐮刀彎、機(jī)架間跑偏以及出口多功能儀實(shí)測數(shù)據(jù)，針對預(yù)設(shè)定、穿帶、穩(wěn)態(tài)及拋尾整個(gè)精軋運(yùn)行過程實(shí)現(xiàn)調(diào)平值自動(dòng)計(jì)算與動(dòng)態(tài)下達(dá)。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(jī)兩側(cè)壓下特性不同的輥縫調(diào)平值，通過自動(dòng)計(jì)算軋機(jī)兩側(cè)剛度等非對稱壓下特性，計(jì)算兩側(cè)輥縫調(diào)平補(bǔ)償量。

b. 精軋調(diào)平預(yù)設(shè)定模塊

基于來料鐮刀彎實(shí)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(bào)精軋入口跑偏信息，計(jì)算調(diào)平預(yù)設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)精軋咬鋼前的輥縫預(yù)擺，消除由來料因素造成的機(jī)架間跑偏。

c. 穿帶跑偏控制模塊

基于機(jī)架間跑偏實(shí)測數(shù)據(jù)的穿帶過程自動(dòng)糾偏控制。以上一機(jī)架咬鋼信號(hào)作為觸發(fā)條件，通過機(jī)架間實(shí)時(shí)測量帶鋼頭部位置偏移數(shù)據(jù)，結(jié)合各機(jī)架軋制力、活套張力等工藝過程信息，計(jì)算得到下一機(jī)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(jī)架自動(dòng)糾偏控制。針對上游機(jī)架，利用機(jī)架間跑偏實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行上一機(jī)架自動(dòng)糾偏控制；針對下游機(jī)架，利用精軋F(tuán)7出口多功能儀測量的楔形、平坦度建立非對稱評價(jià)參數(shù)，并綜合各機(jī)架軋制力、活套張力等工藝過程信息，調(diào)整F4~F7機(jī)架輥縫調(diào)平值。

e. 拋鋼動(dòng)態(tài)控制模塊

針對帶尾拋鋼過程的自動(dòng)糾偏控制。通過粗軋鐮刀彎數(shù)據(jù)，以及精軋機(jī)架間跑偏實(shí)測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)計(jì)算下一機(jī)架的輥縫動(dòng)態(tài)調(diào)整值，結(jié)合各機(jī)架軋制力、活套張力等工藝過程信息，實(shí)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(yùn)行非對稱測控系統(tǒng)在國內(nèi)多條熱連軋產(chǎn)線進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)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(tái)上，精軋跑偏設(shè)備安裝在F2軋機(jī)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(jí)機(jī)房，終端置于操作臺(tái)。

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(jī)組帶鋼跑偏和寬度的檢測值。實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用證明，鐮刀彎和跑偏的檢測精度分別達(dá)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(jī)界面可給出建議輥縫傾斜調(diào)整值，指導(dǎo)操作人員實(shí)施調(diào)平控制，如圖10所示。同時(shí)，系統(tǒng)可以投入自動(dòng)調(diào)平控制模式，針對粗軋、精軋各個(gè)工序進(jìn)行自動(dòng)糾偏控制。

系統(tǒng)整體實(shí)施效果為：

1、針對粗軋鐮刀彎、翹扣頭以及精軋機(jī)架間跑偏，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jī)處理、設(shè)備維護(hù)時(shí)間，大幅度降低甩尾率，提高楔形命中率。