日本JFE鋼鐵公司控制技術的發展方向

日本JFE鋼鐵公司控制技術的發展方向

1前言

鋼鐵業已經進入了多品種、小批量的生産時代,向客戶提供多樣性要求的高質量婷婷开心中文變得越來越重要。在這種情況下,迫切需要提高檢測、控制技術以保證婷婷开心中文內外質量和穩定生産,迫切需要提高生産計劃、物流計劃編制技術以縮短生産周期,保證婷婷开心中文按時送達到客戶。本文對JFE鋼鐵公司控制技術的發展、進步做簡要介紹。

2控制技術的發展趨勢和技術動向

在控制技術方面,以魯棒性控制理論爲代表的最新控制理論和FAN(模糊控制、人工智能控制、神經元網絡控制)等基礎技術的實際應用機遇大大增加。相應的設計、解析軟件水平提高,成爲這些理論和技術應用的有力工具。實際生産采用先進控制技術已經成爲鋼鐵生産發展的趨勢。

JFE鋼鐵公司曆經10年的大型設備建設已經告一段落,目前的工作重點是使現有設備穩定運轉並生産出高質量的婷婷开心中文,以及根據客戶需求的新婷婷开心中文開發的高效率化,並且在婷婷开心中文生産中實現節能減排。爲此必須對控制技術進行開發。該公司控制技術經過10年的發展已經突破了原有的應用範圍,在所有領域得到擴大應用。這些控制技術擴大應用的領域包括婷婷开心中文性能在線測定、由對個別生産工序控制擴大到對生産全工序的連貫控制、操作、設備異常現象預報技術等等。此外,由于操作數據庫充實和PC計算速度提高,使高精度統計模型技術得到積極利用。

3控制技術

3.1控制技術开发的方向性变化

在进行婷婷开心中文过程控制技術的开发时,首先要制作描述控制对象动态特性的模型,然后根据要求的控制特性进行控制设计。过去有报告报道了对连铸结晶器钢液面高度控制和热轧带钢精轧张力活套控制的研究情况。这些控制根据控制对象的物理现象制作成控制模型构架,为了进行控制系统设计需要高精度求出模型参数。在钢铁婷婷开心中文中存在着不能直接测定的参数,所以会产生模型与实际工艺不一致的现象。在这种差异存在的情况下,仍可实现要求特性的控制系统的设计理论是鲁棒性控制理论。

另一方面,魯棒性控制理論也指出,控制對象存在不確

定性时,控制性能是有界限的。这就是说,在控制对象不确定性很大的情况下,利用控制理论建立新的控制系统也不能获得期望的性能。因此,虽然在20世纪80-90年代控制理论在钢铁婷婷开心中文的应用十分活跃,但到了21世纪初控制理论在钢铁婷婷开心中文中的应用处于停滞状态。其原因就是上述的鲁棒性控制理论指出的控制性能局限性。为了突破控制理论应用的停滞状态,JFE钢铁公司扩大了控制技術的应用范围,并且在更大的范围内进行控制技術的开发。图1是JFE钢铁公司在各个方面扩大应用控制技術的情况。
图一

3.2控制技術开发的拓展

传统控制系统中的控制量(要控制的物理量)是轧材的尺寸形状、温度、张力、钢液面高度等可以在线精确测定的量。对婷婷开心中文的力学性能进行在线连续稳定测量则有很大困难。但婷婷开心中文力学性能是婷婷开心中文质量控制的重要项目,是控制技術应处理的控制量。此外,在上游工序也有应进行管理和控制的参量,但这些参量也很难直接测定。图2汇总了各控制项目可视性容易实现的程度。为了处理难于直接测定的控制量,采用软测量技术(sof t sensing)来推定难测定控制量。软测量技术是由推定控制量的模型和软测量仪表组成的系统技术,该技术将软测量仪表测定值作为输入值输入到推定控制量的模型,推定出不能直接测定的控制量值。
图二

采用軟測量技術控制鋼的性能時,首先要根據鋼的成分、軋制條件、冷卻條件推定鋼的性能模型,得到鋼成分的分析值後,利用該模型求出獲得要求性能的軋制條件和冷卻條件,進行前饋控制。圖3是JFE鋼鐵公司厚鋼板性能控制的示意圖。該模型也適用于決定各工序的工藝條件。
图二

過去婷婷开心中文制造工藝由具有豐富工藝知識和婷婷开心中文知識的設計者進行設計確定,采用上述厚板性能控制模型,可以使工藝設計更加精確。

連鑄結晶器內駐波推定是采用軟測量技術的另一個例子。過去對鋼液液面高度控制時,通過對鋼液擾動的觀察推定流入/流出結晶器的鋼水量,並通過流入流出量的平衡,防止鋼液面高度的變化。由于結晶器內發生自激振蕩引起的鋼液波動飛濺,使鋼液面産生駐波振動。駐波引起的鋼液面變動,不是鋼水大量流動造成的,所以利用滑動水口操作控制駐波振動會使鋼液面不穩定,效果反而更不好。但僅利用鋼液面高度測定值不能區分駐波引起的鋼液面變動和其他因素引起的鋼液面變動,以便對液面進行控制。所以說,過去並沒有切實有效的鋼液面控制方法。

JFE鋼鐵公司開發的鋼液面控制系統,從液面測定值中剔除駐波成分,將剔除駐波成分的信號用于液面控制。這種控制方法沒有促進駐波的發展,提高了鋼液面控制水平,降低了鋼液面的波動,提高了連鑄坯的質量。

有些工藝只能觀察到其內部的有限區域。軟測量技術對于這類工藝的可視化也十分有效。以高爐爲例,利用數據同化方法將模型與局部測量信息結合起來,可以推定高爐內的整體狀況。

3.2.1利用作業數據的模型化技術

爲了提高控制精度,在作業中進行實時控制的同時,作業前操作參數初始設定的設定控制也十分重要。JFE鋼鐵公司構建了基于精細軋制理論的設定控制模型。事前高精度設定操作條件非常重要,但有時僅利用物理模型不能達到要求的高精度設定。

在物理模型不能获得足够控制精度时,采用了统计模型。JFE 钢铁公司曾开发出的神经元网络模型就是一种统计模型。由于该模型难于对输入、输出数据间的非线性特性进行适当调整,所以该模型开发后几乎没有得到实际应用。为此,JFE 钢铁公司采用JIT(Justin-Time)模型,使过去开发的神经元网络模型得到应用。

JIT模型最初的設想來源于東京大學木村英紀教授關于軋制設定模型的講座。該模型每次都對存儲的操作數據中的過去事例和將要設定條件的類似度進行評價,並對類似度高的事例給予較大加權,以此來更新操作數據庫,使模型保持高精度,並可用于非線性問題。JIT模型的應用範圍很廣,有婷婷开心中文性能控制模型、熱精軋負荷模型、厚鋼板寬度控制模型、操作者操作模型等。

3.2.2由單一工序控制轉變爲全工序連貫性控制

JFE 钢铁公司在钢铁婷婷开心中文的每个工序都分别建立了控制系统,使控制量达到目标值。由于钢铁婷婷开心中文是经过许多工序制造成的,所以对这些工序进行连贯性管理和控制可以进一步提高婷婷开心中文的质量。

前述的厚板性能控制系統,就是基于上述思路建立起來的。厚板性能控制系統根據煉鋼工序的作業結果,調整軋制條件,在全工序上對婷婷开心中文性能進行控制,制造出高性能婷婷开心中文。
此外,如果对各个工序的操作数据同时进行监测,就可以早期发现导致婷婷开心中文质量异常的原因。但相应的数据非常庞大,传统控制方法难于胜任。为此,JFE 钢铁公司开发出运用多变量统计性工艺控制技術(MSPC)的薄钢板质量操作控制系统。MSPC技术对主要成分进行分析并计算出若干个统计量。对这些统计量进行检测,提高了婷婷开心中文中异常现象的检出能力并进行高效率控制。薄钢板质量操作控制系统是对炼钢、轧制、退火等工序进行自动化连贯控制的系统,促进了婷婷开心中文质量的稳定化。

3.2.3設備和操作故障預兆檢出

设备和操作故障使婷婷开心中文质量下降,并导致延迟交货。早期或事前检出设备和操作故障预兆,就可以抑制故障的发生。为此JFE 钢铁公司着力对故障预兆检出传感器和检出系统进行了开发。JFE钢铁公司开发的连续退火炉带钢断带预报技术采用了正准相关分析的统计方法。采用该方法不仅得出操作变量间的关系, 而且得出操作变量在长度方向上的关系,提高了对这些变量偏离值的检出能力,从而提高了設備和操作故障預兆檢出能力。

焦炉操作时,要根据原料成分、干馏条件和炉壁状况,调整出焦时的推焦力。极端情况下,一般的焦炉设备会出现焦炭推不出去的现象,导致作业事故的发生。为防止这种现象的发生,JFE 钢铁公司开发出焦炭推出性预报模型。该模型运用统计方法根据焦炉作业数据库,选定模型变量,得出可实用的焦炭推出性预报公式。

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