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研究背景
鋼鐵生產(chǎn)是涵蓋多工序、多控制層級的大型復(fù)雜工業(yè)流程，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐。軋制過程生產(chǎn)工藝復(fù)雜、動態(tài)響應(yīng)速度快、控制精度要求極高，是鋼鐵工業(yè)最復(fù)雜的生產(chǎn)場景。受制于簡化性假設(shè)和不確定性邊界條件等限制，各工序機(jī)理模型能力趨近于飽和，難以支撐復(fù)雜工況下的高精度控制，限制了產(chǎn)品質(zhì)量的進(jìn)一步提升。因此，需要充分發(fā)揮我國鋼鐵行業(yè)海量的數(shù)據(jù)資源優(yōu)勢，采用機(jī)理和工業(yè)數(shù)據(jù)融合驅(qū)動的生成式數(shù)字孿生建模，融合生產(chǎn)過程中的工業(yè)數(shù)據(jù)信息，自動調(diào)整和優(yōu)化生產(chǎn)過程，實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量、成本和效率等進(jìn)一步提升，更好地助力鋼鐵行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。
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關(guān)鍵技術(shù)
為實現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)過程的精準(zhǔn)描述，東北大學(xué)項目團(tuán)隊（以下簡稱“團(tuán)隊”）結(jié)合傳熱學(xué)、流體力學(xué)等理論與人工智能等方法建立高保真、可泛化、具有一定解釋能力的數(shù)字孿生內(nèi)核模型，融合生產(chǎn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗知識，共同驅(qū)動，提高模型對復(fù)雜工況的適應(yīng)能力，實現(xiàn)對物理實體運行規(guī)律的精準(zhǔn)描述，從而實現(xiàn)熱連軋、冷連軋和中厚板過程產(chǎn)品高質(zhì)化控制和過程高穩(wěn)定性控制，為鋼鐵生產(chǎn)各過程智能高效運行提供支撐。
2.1熱連軋數(shù)據(jù)驅(qū)動建模與智能優(yōu)化控制技術(shù)熱連軋生產(chǎn)過程控制精度要求高、動態(tài)響應(yīng)時間短、軋制速度快及工藝參數(shù)多。在軋制高強(qiáng)鋼過程中存在品規(guī)切換效率低、過渡材消耗大、板形控制水平低、設(shè)定模型精度低、軋機(jī)振動頻發(fā)等難題，團(tuán)隊開展系統(tǒng)分析和研究攻關(guān)，形成了高強(qiáng)鋼品規(guī)快速過渡和穩(wěn)定軋制智能優(yōu)化控制生產(chǎn)體系，提升了高強(qiáng)鋼批量穩(wěn)定生產(chǎn)能力。取得了如下創(chuàng)新成果：1）構(gòu)建了面向快速過渡的“機(jī)理+數(shù)據(jù)”雙驅(qū)動控制模型，開發(fā)了基于概念偏移檢測及遷移學(xué)習(xí)的滾動優(yōu)化方法，實現(xiàn)了高強(qiáng)鋼三維尺寸和板形高精度控制，取得自主開發(fā)模型與產(chǎn)線進(jìn)口模型高效融合創(chuàng)新突破，全面提升過程控制模型的適應(yīng)性和精準(zhǔn)性。2）從工序遺傳角度出發(fā)，創(chuàng)新研發(fā)了基于自抗擾控制的熱連軋機(jī)組振動抑制調(diào)節(jié)器優(yōu)化技術(shù)，建立了軋機(jī)振動能量預(yù)測模型，給出了精準(zhǔn)判定軋機(jī)振動的能量判據(jù)，顯著降低了軋機(jī)振動能量，為熱連軋高強(qiáng)鋼穩(wěn)定高效生產(chǎn)提供保障。3）研發(fā)了高強(qiáng)鋼軋制狀態(tài)綜合診斷分析技術(shù)，開發(fā)了綜合診斷分析系統(tǒng)，形成了診斷分析報表和診斷人機(jī)交互工業(yè)軟件，實現(xiàn)了對高強(qiáng)鋼軋制狀態(tài)的精準(zhǔn)診斷分析。4）構(gòu)建了品規(guī)快速過渡與穩(wěn)定軋制協(xié)同管控方法，實現(xiàn)了軋輥輥形配置和板形優(yōu)化、軋制計劃優(yōu)化以及生產(chǎn)穩(wěn)定性提升，提升了高強(qiáng)鋼品規(guī)快速過渡水平和產(chǎn)線整體調(diào)控能力。2.2高品質(zhì)帶鋼冷軋智能化核心技術(shù)創(chuàng)新冷連軋控制系統(tǒng)核心技術(shù)“黑箱”成為高端產(chǎn)品研發(fā)和前沿技術(shù)創(chuàng)新的“卡脖子”問題。面向帶鋼尺寸和軋制穩(wěn)定性等核心難題，融合生產(chǎn)數(shù)據(jù)提升了模型精度與適應(yīng)能力，引入智能算法實現(xiàn)工藝參數(shù)協(xié)調(diào)優(yōu)化，研發(fā)出冷連軋智能化全套控制系統(tǒng)，滿足了高品質(zhì)冷軋帶鋼極薄厚度、更高精度和更高穩(wěn)定性的生產(chǎn)需求。取得了如下創(chuàng)新成果：1）提出了基于人機(jī)混合智能的軋制規(guī)程多目標(biāo)設(shè)計方法。構(gòu)建了軋制過程知識圖譜，實現(xiàn)了極薄帶材復(fù)雜軋制工藝與經(jīng)驗規(guī)則知識化，提出了融合經(jīng)驗知識的軋制規(guī)程多目標(biāo)優(yōu)化方法，實現(xiàn)了極薄高強(qiáng)精密帶材軋制規(guī)程的智能設(shè)計。2）實現(xiàn)了非穩(wěn)態(tài)過程厚度-張力綜合協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。構(gòu)建了冷連軋數(shù)字孿生模型，精準(zhǔn)再現(xiàn)厚度-張力的動態(tài)演變過程，提出多機(jī)架厚度-張力綜合協(xié)調(diào)新模式，解決了單指標(biāo)、單機(jī)架獨立控制相互干擾的問題，實現(xiàn)了非穩(wěn)態(tài)過程厚度、機(jī)架間張力波動較國外系統(tǒng)降低30%以上。3）創(chuàng)建了板形解析數(shù)學(xué)模型與板形精準(zhǔn)控制信息物理系統(tǒng)。創(chuàng)建了考慮原料狀態(tài)和寬展變形的板形解析模型，構(gòu)建了虛實映射的板形控制信息物理系統(tǒng)，實現(xiàn)了多機(jī)架的板形協(xié)調(diào)優(yōu)化?？刂齐y度最大的極薄帶材板形標(biāo)準(zhǔn)差小于7IU，較引進(jìn)系統(tǒng)控制精度提升23.2%。4）開發(fā)出關(guān)鍵設(shè)備健康狀態(tài)與軋機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)評估成套技術(shù)。設(shè)計了軋機(jī)關(guān)鍵設(shè)備故障診斷與健康度評估方法，形成了工藝自適應(yīng)調(diào)整振動抑制策略，實現(xiàn)了0.18mm薄硬帶鋼1450m/min的高速穩(wěn)定軋制，突破了國內(nèi)外同類產(chǎn)線1200m/min的速度極限。2.3中厚板生產(chǎn)數(shù)字化與智能控制體系中厚板軋線工藝流程復(fù)雜、工藝設(shè)備多樣，工藝控制難度極大，在工藝控制核心區(qū)域存在諸多常規(guī)控制系統(tǒng)難以有效解決的技術(shù)難題。針對軋制過程的自動轉(zhuǎn)鋼、平面形狀控制，異常軋制工況鐮刀彎和翹扣頭控制等難題，搭建“嵌入式感知-智能決策-精準(zhǔn)執(zhí)行”的閉環(huán)智能體系，以數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)對復(fù)雜工況的具身推理，取得了如下創(chuàng)新技術(shù)成果：1）搭建了基于虛擬化技術(shù)的中厚板軋機(jī)數(shù)字化系統(tǒng)平臺，解決了高性能物理硬件性能過剩和老舊硬件性能過低的重組重用問題，透明化底層物理硬件，為數(shù)字化應(yīng)用提供柔性擴(kuò)展的物理條件。2）開發(fā)了基于具身智能技術(shù)的中厚板軋機(jī)自動轉(zhuǎn)鋼系統(tǒng)。自動轉(zhuǎn)鋼數(shù)字模型基于具身智能克隆算法，通過在中厚板轉(zhuǎn)鋼的數(shù)字場景中接受訓(xùn)練，并在實際操作中持續(xù)學(xué)習(xí)和適應(yīng)環(huán)境，獲得最佳的自動轉(zhuǎn)鋼效果。3）研發(fā)出中厚板平面形狀數(shù)字孿生控制技術(shù)。運用關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘技術(shù)解析歷史軋制數(shù)據(jù)中工藝參數(shù)與形狀指標(biāo)的隱式關(guān)系，實現(xiàn)實測數(shù)據(jù)與工藝參數(shù)的端到端映射。投入平面形狀數(shù)字孿生控制技術(shù)后可提高綜合成材率0.5%以上。4）研發(fā)出中厚板異常軋制工況的智能感知與控制技術(shù)。構(gòu)建鋼板形態(tài)的實時感知具身智能單元，形成鐮刀彎與翹扣頭測量數(shù)據(jù)集?；诙嘧兞狂詈献饔玫姆蔷€性映射，獲得鐮刀彎與翹扣頭調(diào)整策略，形成具備環(huán)境適應(yīng)能力的“感知-決策-控制”的閉環(huán)智能系統(tǒng)。3
技術(shù)路線與實施方案
基于鋼鐵企業(yè)創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施“1網(wǎng)-3平臺”的基本架構(gòu)，開展軋制流程數(shù)字化技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用和落地，充分發(fā)揮數(shù)字技術(shù)的放大、倍增、疊加作用，加快鋼鐵行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的速度，在企業(yè)形成創(chuàng)新的數(shù)字化生態(tài)。鋼鐵企業(yè)創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)圖如圖1所示。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將底層數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭吘壖霸浦械臄?shù)據(jù)中心/機(jī)器學(xué)習(xí)平臺，在邊緣形成數(shù)字孿生模型代原有的機(jī)理模型，在云中通過機(jī)器學(xué)習(xí)處理實時數(shù)據(jù)，形成操作指令或進(jìn)行操作指導(dǎo)，對資源配置進(jìn)行優(yōu)化與管理。
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落實產(chǎn)業(yè)與實施效果
團(tuán)隊以企業(yè)為主體，以市場為導(dǎo)向，將科技創(chuàng)新與鋼鐵產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新融合，聚焦創(chuàng)新和轉(zhuǎn)化，充分發(fā)揮了鋼鐵行業(yè)數(shù)據(jù)資源和應(yīng)用場景優(yōu)勢，實現(xiàn)了數(shù)字化技術(shù)的落地實施。相關(guān)技術(shù)落地產(chǎn)線與實施效果如下。
4.1熱連軋數(shù)據(jù)驅(qū)動建模與優(yōu)化技術(shù)
技術(shù)成功應(yīng)用于山鋼日照2050mm熱連軋產(chǎn)線，提升了高強(qiáng)鋼品規(guī)快速過渡時模型的適應(yīng)性、精準(zhǔn)性和軋制穩(wěn)定性，平直度命中率提高到97.5%，楔形命中率提高到95.9%，凸度命中率達(dá)到96.5%。降低了軋機(jī)振動能量，振動速度由5mm/s降到1mm/s以內(nèi)，具備2mm以下高強(qiáng)鋼批量穩(wěn)定生產(chǎn)能力，高強(qiáng)鋼占比提高到20.43%，過渡材減少到1.67%，過渡輥耗由40.81噸降低至34.95噸。本項目相關(guān)技術(shù)還推廣應(yīng)用到首鋼、鞍鋼、馬鋼、本鋼等熱連軋產(chǎn)線，在汽車鋼、管線鋼、建筑用鋼等典型產(chǎn)品實現(xiàn)了品規(guī)快速過渡與穩(wěn)定軋制，極大提升了產(chǎn)線效率和效益。
4.2高品質(zhì)帶鋼冷軋智能化核心技術(shù)
團(tuán)隊在遷安九江薄板建成了我國第一條完全自主開發(fā)控制系統(tǒng)的高端冷連軋機(jī)組，在鞍鋼、寶武、沙鋼對國際頂級的PRIMETALS、TMEIC等引進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行升級優(yōu)化，完成了引進(jìn)系統(tǒng)的全套國產(chǎn)化替代，且板形控制核心技術(shù)輸出至韓國高端汽車鋼制造企業(yè)現(xiàn)代制鐵，實現(xiàn)了從智能化系統(tǒng)自主研發(fā)到引進(jìn)系統(tǒng)升級優(yōu)化、再到關(guān)鍵技術(shù)輸出的歷史跨越。相關(guān)技術(shù)已應(yīng)用于20余條高端冷軋和30余條精密軋制產(chǎn)線，保障了高檔汽車面板、高品質(zhì)電工鋼、食品級鍍錫板、高端不銹鋼等高品質(zhì)板帶材自主供給，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于交通、能源、國防軍工等重點領(lǐng)域，并批量出口至德國、日本、法國等。
4.3中厚板智能化核心技術(shù)
中厚板軋線數(shù)字化推廣至南鋼5000mm、鞍鋼4300mm、寶鋼湛江4200mm、南陽漢冶3800mm、普陽3500mm、唐山中厚板3500mm、南鋼中板2800mm、新天鐵2500mm、金鼎2500mm等十余條中厚板產(chǎn)線。自動轉(zhuǎn)鋼控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于寶鋼湛江、新天鐵、普陽等產(chǎn)線；自動轉(zhuǎn)鋼系統(tǒng)在現(xiàn)場的投入率超過99%，自動轉(zhuǎn)鋼控制相比手動模式，每塊鋼坯平均轉(zhuǎn)鋼時間縮短超過1s。平面形狀智能優(yōu)化控制技術(shù)在福建三鋼、唐山中厚板、首鋼京唐、普陽、柳鋼、南鋼等十余條中厚板生產(chǎn)線應(yīng)用，原來不具備平面形狀控制功能的軋線提高綜合成材率0.5%以上；國外引進(jìn)系統(tǒng)通過智能優(yōu)化技術(shù)后，綜合成材率提升0.1%-0.2%。
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結(jié)語
我國鋼鐵行業(yè)要充分發(fā)揮自己在數(shù)據(jù)資源、應(yīng)用場景和實時反饋賦能等方面的優(yōu)勢，將數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)字化技術(shù)與鋼鐵工業(yè)實體經(jīng)濟(jì)結(jié)合，研發(fā)數(shù)字化核心關(guān)鍵技術(shù)，“智改數(shù)轉(zhuǎn)”“數(shù)字換腦”“模型換代”，實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，并賦能綠色化、高質(zhì)化與強(qiáng)鏈化，有組織引導(dǎo)實施鋼鐵數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，確保數(shù)字化關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控，全面提升產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)線運行水平，全方位提升鋼鐵行業(yè)的競爭力，形成創(chuàng)新生態(tài)，占領(lǐng)鋼鐵行業(yè)智能化發(fā)展的制高點。
