基于定尺的連鑄機(jī)定重優(yōu)化切割系統(tǒng)的研究

陳世超

（唐山鋼鐵集團(tuán)有限公司,河北 唐山 063000）

0 前言

連鑄作為鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，其主要為后續(xù)軋鋼工序提供合格的坯料。當(dāng)前基本所有鋼鐵企業(yè)均采用定尺切割方式對軋鋼工序供應(yīng)定長坯料。然而在連鑄機(jī)生產(chǎn)過程中，結(jié)晶器不斷地發(fā)生磨損，連鑄坯外形尺寸發(fā)生一定的變化，造成鑄坯重量不準(zhǔn)確。同時(shí)在生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)因素以及工藝因素的變化，也會造成同尺寸的鑄坯，其重量變化較大。由于棒材成品均為定尺發(fā)貨，造成大量的非定尺材（通尺材）損失，嚴(yán)重影響了棒材軋制的成材率。因此，分析和研究定重切割對于提升軋鋼成材率，提升企業(yè)效益具有重要意義。

1 鑄坯定重切割技術(shù)

定重切割的核心是“重量不變”，在生產(chǎn)過程中,通過MES（ 制造執(zhí)行系統(tǒng)manufacturing execution system，簡稱MES）系統(tǒng)，將所需坯料重量傳遞到煉鋼系統(tǒng)作為目標(biāo)重量，近年來，有很多鋼鐵企業(yè)在開發(fā)和研究定重切割技術(shù)，其主要原理是將鑄坯重量換算成定尺長度，并將其作為連鑄的設(shè)定坯長進(jìn)行定尺切割，然后將切割后的鑄坯進(jìn)行在線稱重，將其實(shí)際重量與設(shè)定重量進(jìn)行比較得出偏差。然后對下一支將要切割的鑄坯設(shè)定長度進(jìn)行補(bǔ)償。

1.1 影響鑄坯重量的因素分析

連鑄機(jī)生產(chǎn)鑄坯采用定尺切割，為軋鋼工序提供定長的坯料，然而在實(shí)際生產(chǎn)中，采用定尺坯進(jìn)行軋制造成較多廢料，影響成材率，究其原因在于同樣尺寸的坯料其重量不同導(dǎo)致。

影響連鑄機(jī)鑄坯重量的因素重點(diǎn)包括以下幾方面：

（1）設(shè)備因素，重點(diǎn)包括切割系統(tǒng)圖像采集精度、控制反應(yīng)精度、設(shè)備執(zhí)行機(jī)構(gòu)等狀況，以上因素直接影響鑄坯切割精度；

（2）工藝影響因素，重點(diǎn)包括鋼水成分、鋼包過熱度、拉速、鑄坯冷卻凝固制度等因素，以上因素直接造成相同長度尺寸的鑄坯重量不同；

（3）結(jié)晶器磨損情況，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，結(jié)晶器銅管磨損也會造成鑄坯尺寸變化，進(jìn)而影響鑄坯重量，但在連續(xù)生產(chǎn)過程中，其變化量極小，可忽略不計(jì)。

1.2 基于定尺的定重切割

基于定尺的定重切割系統(tǒng)是借助目前連鑄機(jī)的非定尺切割系統(tǒng)，以及高精度稱量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)連鑄坯的定重切割。基于定尺的定重切割的流程圖如圖1所示。

基于定尺的定重切割原理：基于定尺的定重切割系統(tǒng)是將定尺切割與定重切割相結(jié)合的模式，可以根據(jù)生產(chǎn)需要實(shí)現(xiàn)定尺切割和定重切割兩種方式，通過選擇0和1分別選擇定尺切割和定重切割兩種切割模式。當(dāng)選擇1進(jìn)行定重切割模式時(shí)，將切割后的鑄坯進(jìn)行稱量，得出的重量與目標(biāo)重量比較，將重量偏差折合成長度作為修正值，利用該修正值作為下一根鑄坯定尺尺寸的修正值進(jìn)行切割。

圖1 基于定尺的定重切割流程

2 基于支持向量機(jī)回歸預(yù)測模型

支持向量機(jī)的出現(xiàn)為解決強(qiáng)非線性系統(tǒng)建模的問題提供了新的方法。近年來，支持向量機(jī)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)環(huán)保等方面得到了廣泛的應(yīng)用，在模式識別、回歸估計(jì)、概率密度函數(shù)估計(jì)等領(lǐng)域均取得了良好的效果。

2.1 基于SVM的鑄坯重量預(yù)測

關(guān)于特征量的選取：

2.1.1 鑄坯長度的選取

因?yàn)椴捎矛F(xiàn)有紅外定尺測長已經(jīng)非常穩(wěn)定，且其檢測精度較高，因此仍采用原測長系統(tǒng)進(jìn)行鑄坯長度的采集，并將其作為一個(gè)輸入特征量；

2.1.2 拉速特征值的選取

由于分析的是拉速對重量的影響，而通過研究分析鑄坯形成的全過程主要集中在鑄坯凝結(jié)過程，即結(jié)晶器段、二冷段、三冷段區(qū)域，因此以每次鑄坯切割開始時(shí)點(diǎn)作為拉速采樣開始時(shí)刻，通過計(jì)算將該鑄坯凝結(jié)過程階段各時(shí)點(diǎn)的拉速進(jìn)行采集，并將其作為拉速特征值。另外由于該連鑄機(jī)的拉速基本控制在2m/min，每根鑄坯基本長度在11m左右，因此鑄坯生產(chǎn)至少需要5min。為便于系統(tǒng)處理，將凝結(jié)過程段300 s的拉速作為鑄坯拉速變化規(guī)律的代表，用300 s的拉速值作為拉速特征量。

圖2 定重切割控制系統(tǒng)流程

在連鑄生產(chǎn)過程中，定重切割系統(tǒng)將實(shí)時(shí)采集的300個(gè)拉速值和鑄坯長度值作為輸入，依據(jù)建立好的重量回歸模型，回歸預(yù)測重量值，當(dāng)預(yù)測的重量達(dá)到設(shè)定重量時(shí)，發(fā)出切割指令進(jìn)行切割。

通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析和歸納，將偏差較大（偏差在±10 kg以上）的數(shù)據(jù)進(jìn)行屏蔽，并選取了80根同一流上的鑄坯，每根鑄坯兩次切割時(shí)間內(nèi)前300個(gè)時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的拉速值X和這80根的長度值作為訓(xùn)練樣本的輸入，對應(yīng)的80根的實(shí)際的鑄坯重量值Y作為輸出，進(jìn)行訓(xùn)練。測試樣本A選了同一流上的另外10根不同時(shí)間段的鑄坯的拉速值和長度值作為輸入以檢驗(yàn)其準(zhǔn)確性。基于以上分析，通過SVM回歸模型的開發(fā)，其定重切割系統(tǒng)流程，見圖2。

2.2 模型參數(shù)的選擇

主要使用SVM工具箱在Matlab中進(jìn)行預(yù)測運(yùn)算，通過對徑向基函數(shù)各種形式的對比測試得出，徑向基核函數(shù)（rbf）僅有參數(shù)σ，具有更少的參數(shù)，因而具有更小的模型選擇復(fù)雜度。對核參數(shù)的選擇也僅考慮rbf核函數(shù)。

上述采用的核函數(shù)，具備如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）表示形式簡單，即時(shí)對于多變量輸入也不增加太多的復(fù)雜性；

（2）徑向?qū)ΨQ；

（3）光滑性好，任意階導(dǎo)數(shù)均存在；

（4）由于該基函數(shù)表示簡單且解析性好，因而便于理論分析。

SVM的性能取決于一組好的參數(shù)，包括懲罰參數(shù)C、不敏感參數(shù)ε、核函數(shù)的參數(shù)σ。支持向量機(jī)的推廣性能與模型中具體參數(shù)的選擇有密切的關(guān)系。通過對參數(shù)的調(diào)整進(jìn)行了多次試驗(yàn)，對結(jié)果進(jìn)行對比分析，最終選取C=50，ε=0.35，σ=20，得到的均方誤差為0.2798。

2.3 訓(xùn)練結(jié)果及分析

數(shù)據(jù)采用最小—最大規(guī)范化，將數(shù)據(jù)映射到[-1，1]，核函數(shù)為rbf，參數(shù)C=50,ε=0.35，σ=20。通過參數(shù)的設(shè)置，SVR對訓(xùn)練集和測試集分別進(jìn)行訓(xùn)練和預(yù)測，隨機(jī)抽取10組預(yù)測結(jié)果，見表1。

表1 鑄坯重量預(yù)測結(jié)果對比

將上述結(jié)果用點(diǎn)狀圖進(jìn)行處理，如下圖3所示。

從上表結(jié)果來看，實(shí)際值和預(yù)測值差值在±3Kg以內(nèi)的樣本數(shù)量達(dá)到了90%。其預(yù)測精度較高。究其原因，在于在實(shí)際生產(chǎn)中，實(shí)際重量值在2440±3Kg的鑄坯達(dá)到70%左右，致使[2437,2443]Kg區(qū)間范圍內(nèi)樣本預(yù)測值較準(zhǔn)確。從圖中可以看到預(yù)測重量值與實(shí)際重量值相差不大，具有較高的準(zhǔn)確性，證明該預(yù)測模型具有良好的泛化性能。

圖3 鑄坯實(shí)際重量與預(yù)測重量對比結(jié)果1

3 基于SVM的定重切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

定重切割系統(tǒng)由火焰切割系統(tǒng)、鑄坯跟蹤控制系統(tǒng)、鑄坯稱量系統(tǒng)、輥道升降系統(tǒng)、基于SVM的預(yù)測分析系統(tǒng)組成。

3.1 定重切割系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該稱量秤體由液壓升降系統(tǒng)、輥道梁、拉桿、托盤、稱量傳感器等組成。稱量秤設(shè)置三個(gè)托盤沿輥道輸送方向均勻布置，以保證鑄坯在稱量時(shí)受重量影響造成鑄坯彎曲等情況。托盤上表面略低于輥道上表面，托架下部與稱重臺板進(jìn)行焊接。當(dāng)鑄坯到達(dá)稱量區(qū)域的輥道時(shí)，輥道下降，鑄坯落到稱量秤托盤上，實(shí)現(xiàn)鑄坯的稱量。為了保證傳感器受力均勻，通過拉桿可以對稱重臺板進(jìn)行水平調(diào)整和垂直調(diào)整，以消除傳感器受力不均影響稱量精度。如圖4、圖5。

圖4 鑄坯秤

圖5 鑄坯稱總裝圖

其中：1托盤、2拉桿、3傳感器、4支架、5稱重臺板、6基礎(chǔ)、7輥道梁、8升降液壓缸、9托輥、10碟簧、11球面墊圈、12錐面墊圈。

其中：17熱軋工字鋼、18熱軋槽鋼、19鋼板、20連接板

稱量傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮現(xiàn)場環(huán)境的惡劣性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，傳感器受力的均勻性，因此在輥道下方支架上，安裝四個(gè)高精度拉式傳感器以保證稱量精度。

此外，選用德國HBM公司C3級高精度稱重傳感器，型號：HLCB2-S-C3-1100，精度1/3000；稱重變送器型號：AED9101C，精度1/10000。高精度傳感器和數(shù)據(jù)變送器共同組成稱量信號傳輸系統(tǒng)，保證了鑄坯在線的稱量精度。

3.2 定重切割系統(tǒng)軟件系統(tǒng)

定重切割軟件系統(tǒng)功能：數(shù)據(jù)采集和分析處理功能；貼近現(xiàn)場生產(chǎn)實(shí)際的人機(jī)交互功能，其中包括可視化的圖形界面、報(bào)警信息、現(xiàn)場各數(shù)字量模擬量信號狀態(tài)顯示；歷史趨勢查詢；記錄報(bào)表歸檔、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)庫；遠(yuǎn)程監(jiān)控和查詢等。

3.2.1 稱重系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

稱重系統(tǒng)模塊主要通過軟件把鑄坯的重量讀取出來保存到數(shù)據(jù)庫，以實(shí)現(xiàn)對各種信息的分析、整理和歸納。通過采集PLC信號以及與相關(guān)數(shù)據(jù)終端的數(shù)據(jù)通訊可以實(shí)現(xiàn)鑄坯重量、拉速、切割時(shí)間以及生產(chǎn)信息如爐號、鋼種等信息的采集。

根據(jù)撈鋼車位置及輥道熱檢信號確定鑄坯來源，并對鑄坯進(jìn)行編號計(jì)數(shù)，實(shí)時(shí)記錄鑄坯重量。對鑄坯重量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。接收鑄坯實(shí)時(shí)拉速，接收鑄坯切割長度，根據(jù)拉速及長度計(jì)算切割長度調(diào)整量發(fā)送給定尺切割系統(tǒng)。圖6 為撈鋼車定位控制系統(tǒng)。

圖6 撈鋼車定位控制系統(tǒng)

連鑄坯在稱量過程中不斷地發(fā)生阻尼振蕩，稱量儀表接收的數(shù)據(jù)為低頻波和高頻波疊加，在此情況下，借鑒自動化數(shù)字濾波的移動窗口算法，通過移動窗口法對數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)過濾分析，把最符合實(shí)際坯重的數(shù)據(jù)選擇出來進(jìn)行數(shù)據(jù)推理運(yùn)算。具體算法為鑄坯在稱體上停留一段時(shí)間，軟件連續(xù)取若干稱量值進(jìn)行數(shù)據(jù)算法運(yùn)算，取最優(yōu)值作為鑄坯單重值，如圖7。

圖7 鑄坯稱重值算法

稱重軟件采用VS2005編程軟件編寫，數(shù)據(jù)庫軟件采用SQL Server2008，電腦與PLC之間的通訊采用OPC通訊協(xié)議，與儀表通訊采用COM通訊協(xié)議，軟件運(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行界面如圖8。

3.2.2 定尺定重切割系統(tǒng)

本系統(tǒng)軟件的主要功能模塊有：

（1）圖像卡控制模塊：用于控制圖像卡按一定的時(shí)序和時(shí)間間隔進(jìn)行圖像采集并將其通過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信息；

圖8 稱重軟件運(yùn)行圖

（2）圖像處理模塊：將數(shù)字信號進(jìn)行圖像處理，如前面提到的數(shù)字濾波、二值化轉(zhuǎn)換等；

（3）圖像識別模塊：根據(jù)圖像處理結(jié)果隨時(shí)檢測連鑄坯坯頭位置，與給定位置進(jìn)行比較，在到達(dá)給定位置時(shí)發(fā)出定尺信號；

（4）控制輸出模塊：將識別模塊發(fā)出的定尺信號通過數(shù)字量輸出模板和繼電器，發(fā)送給PLC；

（5）PLC控制模塊：用PLC編程語言編寫，在接收到定尺到達(dá)信號后控制火焰切割機(jī)完成切割周期循環(huán)，并可實(shí)現(xiàn)切割循環(huán)與澆鑄狀態(tài)下的聯(lián)鎖控制。

本系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面功能，如圖9。通過人機(jī)界面，操作員可設(shè)定定尺長度、改變各種運(yùn)行參數(shù)、調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，所更改的參數(shù)可選擇存盤，不須每次設(shè)置；操作員可取消自動在人機(jī)界面上手動控制切割。各流可單獨(dú)調(diào)整更改參數(shù)，不互相干擾。在人機(jī)界面上還可實(shí)時(shí)顯示熱鋼坯的運(yùn)行狀態(tài)，顯示相應(yīng)參數(shù)，如：切割狀態(tài)、每流拉速、當(dāng)前時(shí)間和開澆時(shí)間、當(dāng)前所切定尺長度、每流切割根數(shù)、連鑄機(jī)總切割根數(shù)，可按日、月查詢數(shù)據(jù)打印報(bào)表。

圖9 6#連鑄機(jī)定重切割軟件系統(tǒng)

4 結(jié)論

通過在小方坯連鑄機(jī)實(shí)施基于定尺的連鑄機(jī)定重優(yōu)化切割系統(tǒng)，5號機(jī)定重率為75%左右，6號機(jī)定重率為80%左右，棒材通尺率得到下降，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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