日本JFE鋼鐵公司控制技術(shù)的發(fā)展方向
1前言
鋼鐵業(yè)已經(jīng)進(jìn)入了多品種、小批量的生產(chǎn)時(shí)代，向客戶提供多樣性要求的高質(zhì)量產(chǎn)品變得越來越重要。在這種情況下，迫切需要提高檢測(cè)、控制技術(shù)以保證產(chǎn)品內(nèi)外質(zhì)量和穩(wěn)定生產(chǎn)，迫切需要提高生產(chǎn)計(jì)劃、物流計(jì)劃編制技術(shù)以縮短生產(chǎn)周期，保證產(chǎn)品按時(shí)送達(dá)到客戶。本文對(duì)JFE鋼鐵公司控制技術(shù)的發(fā)展、進(jìn)步做簡要介紹。
2控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和技術(shù)動(dòng)向
在控制技術(shù)方面，以魯棒性控制理論為代表的最新控制理論和FAN（模糊控制、人工智能控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制）等基礎(chǔ)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用機(jī)遇大大增加。相應(yīng)的設(shè)計(jì)、解析軟件水平提高，成為這些理論和技術(shù)應(yīng)用的有力工具。實(shí)際生產(chǎn)采用先進(jìn)控制技術(shù)已經(jīng)成為鋼鐵生產(chǎn)發(fā)展的趨勢(shì)。
JFE鋼鐵公司歷經(jīng)10年的大型設(shè)備建設(shè)已經(jīng)告一段落，目前的工作重點(diǎn)是使現(xiàn)有設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)并生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，以及根據(jù)客戶需求的新產(chǎn)品開發(fā)的高效率化，并且在產(chǎn)品生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。為此必須對(duì)控制技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。該公司控制技術(shù)經(jīng)過10年的發(fā)展已經(jīng)突破了原有的應(yīng)用范圍，在所有領(lǐng)域得到擴(kuò)大應(yīng)用。這些控制技術(shù)擴(kuò)大應(yīng)用的領(lǐng)域包括產(chǎn)品性能在線測(cè)定、由對(duì)個(gè)別生產(chǎn)工序控制擴(kuò)大到對(duì)生產(chǎn)全工序的連貫控制、操作、設(shè)備異?，F(xiàn)象預(yù)報(bào)技術(shù)等等。此外，由于操作數(shù)據(jù)庫充實(shí)和PC計(jì)算速度提高，使高精度統(tǒng)計(jì)模型技術(shù)得到積極利用。
3控制技術(shù)
3.1控制技術(shù)開發(fā)的方向性變化
在進(jìn)行生產(chǎn)過程控制技術(shù)的開發(fā)時(shí)，首先要制作描述控制對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的模型，然后根據(jù)要求的控制特性進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。過去有報(bào)告報(bào)道了對(duì)連鑄結(jié)晶器鋼液面高度控制和熱軋帶鋼精軋張力活套控制的研究情況。這些控制根據(jù)控制對(duì)象的物理現(xiàn)象制作成控制模型構(gòu)架，為了進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要高精度求出模型參數(shù)。在鋼鐵生產(chǎn)中存在著不能直接測(cè)定的參數(shù)，所以會(huì)產(chǎn)生模型與實(shí)際工藝不一致的現(xiàn)象。在這種差異存在的情況下，仍可實(shí)現(xiàn)要求特性的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論是魯棒性控制理論。
另一方面，魯棒性控制理論也指出，控制對(duì)象存在不確
定性時(shí)，控制性能是有界限的。這就是說，在控制對(duì)象不確定性很大的情況下，利用控制理論建立新的控制系統(tǒng)也不能獲得期望的性能。因此，雖然在20世紀(jì)80-90年代控制理論在鋼鐵生產(chǎn)的應(yīng)用十分活躍，但到了21世紀(jì)初控制理論在鋼鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用處于停滯狀態(tài)。其原因就是上述的魯棒性控制理論指出的控制性能局限性。為了突破控制理論應(yīng)用的停滯狀態(tài)，JFE鋼鐵公司擴(kuò)大了控制技術(shù)的應(yīng)用范圍，并且在更大的范圍內(nèi)進(jìn)行控制技術(shù)的開發(fā)。圖1是JFE鋼鐵公司在各個(gè)方面擴(kuò)大應(yīng)用控制技術(shù)的情況。
3.2控制技術(shù)開發(fā)的拓展
傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的控制量（要控制的物理量）是軋材的尺寸形狀、溫度、張力、鋼液面高度等可以在線精確測(cè)定的量。對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)性能進(jìn)行在線連續(xù)穩(wěn)定測(cè)量則有很大困難。但產(chǎn)品力學(xué)性能是產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要項(xiàng)目，是控制技術(shù)應(yīng)處理的控制量。此外，在上游工序也有應(yīng)進(jìn)行管理和控制的參量，但這些參量也很難直接測(cè)定。圖2匯總了各控制項(xiàng)目可視性容易實(shí)現(xiàn)的程度。為了處理難于直接測(cè)定的控制量，采用軟測(cè)量技術(shù)（sof t sensing）來推定難測(cè)定控制量。軟測(cè)量技術(shù)是由推定控制量的模型和軟測(cè)量儀表組成的系統(tǒng)技術(shù)，該技術(shù)將軟測(cè)量儀表測(cè)定值作為輸入值輸入到推定控制量的模型，推定出不能直接測(cè)定的控制量值。
采用軟測(cè)量技術(shù)控制鋼的性能時(shí)，首先要根據(jù)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后，利用該模型求出獲得要求性能的軋制條件和冷卻條件，進(jìn)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。
過去產(chǎn)品制造工藝由具有豐富工藝知識(shí)和產(chǎn)品知識(shí)的設(shè)計(jì)者進(jìn)行設(shè)計(jì)確定，采用上述厚板性能控制模型，可以使工藝設(shè)計(jì)更加精確。
連鑄結(jié)晶器內(nèi)駐波推定是采用軟測(cè)量技術(shù)的另一個(gè)例子。過去對(duì)鋼液液面高度控制時(shí)，通過對(duì)鋼液擾動(dòng)的觀察推定流入/流出結(jié)晶器的鋼水量，并通過流入流出量的平衡，防止鋼液面高度的變化。由于結(jié)晶器內(nèi)發(fā)生自激振蕩引起的鋼液波動(dòng)飛濺，使鋼液面產(chǎn)生駐波振動(dòng)。駐波引起的鋼液面變動(dòng)，不是鋼水大量流動(dòng)造成的，所以利用滑動(dòng)水口操作控制駐波振動(dòng)會(huì)使鋼液面不穩(wěn)定，效果反而更不好。但僅利用鋼液面高度測(cè)定值不能區(qū)分駐波引起的鋼液面變動(dòng)和其他因素引起的鋼液面變動(dòng)，以便對(duì)液面進(jìn)行控制。所以說，過去并沒有切實(shí)有效的鋼液面控制方法。
JFE鋼鐵公司開發(fā)的鋼液面控制系統(tǒng)，從液面測(cè)定值中剔除駐波成分，將剔除駐波成分的信號(hào)用于液面控制。這種控制方法沒有促進(jìn)駐波的發(fā)展，提高了鋼液面控制水平，降低了鋼液面的波動(dòng)，提高了連鑄坯的質(zhì)量。
有些工藝只能觀察到其內(nèi)部的有限區(qū)域。軟測(cè)量技術(shù)對(duì)于這類工藝的可視化也十分有效。以高爐為例，利用數(shù)據(jù)同化方法將模型與局部測(cè)量信息結(jié)合起來，可以推定高爐內(nèi)的整體狀況。
3.2.1利用作業(yè)數(shù)據(jù)的模型化技術(shù)
為了提高控制精度，在作業(yè)中進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的同時(shí)，作業(yè)前操作參數(shù)初始設(shè)定的設(shè)定控制也十分重要。JFE鋼鐵公司構(gòu)建了基于精細(xì)軋制理論的設(shè)定控制模型。事前高精度設(shè)定操作條件非常重要，但有時(shí)僅利用物理模型不能達(dá)到要求的高精度設(shè)定。
在物理模型不能獲得足夠控制精度時(shí)，采用了統(tǒng)計(jì)模型。JFE 鋼鐵公司曾開發(fā)出的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型就是一種統(tǒng)計(jì)模型。由于該模型難于對(duì)輸入、輸出數(shù)據(jù)間的非線性特性進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，所以該模型開發(fā)后幾乎沒有得到實(shí)際應(yīng)用。為此，JFE 鋼鐵公司采用JIT（Justin-Time）模型，使過去開發(fā)的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型得到應(yīng)用。
JIT模型最初的設(shè)想來源于東京大學(xué)木村英紀(jì)教授關(guān)于軋制設(shè)定模型的講座。該模型每次都對(duì)存儲(chǔ)的操作數(shù)據(jù)中的過去事例和將要設(shè)定條件的類似度進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)類似度高的事例給予較大加權(quán)，以此來更新操作數(shù)據(jù)庫，使模型保持高精度，并可用于非線性問題。JIT模型的應(yīng)用范圍很廣，有產(chǎn)品性能控制模型、熱精軋負(fù)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(zhuǎn)變?yōu)槿ば蜻B貫性控制
JFE 鋼鐵公司在鋼鐵生產(chǎn)的每個(gè)工序都分別建立了控制系統(tǒng)，使控制量達(dá)到目標(biāo)值。由于鋼鐵產(chǎn)品是經(jīng)過許多工序制造成的，所以對(duì)這些工序進(jìn)行連貫性管理和控制可以進(jìn)一步提高產(chǎn)品的質(zhì)量。
前述的厚板性能控制系統(tǒng)，就是基于上述思路建立起來的。厚板性能控制系統(tǒng)根據(jù)煉鋼工序的作業(yè)結(jié)果，調(diào)整軋制條件，在全工序上對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行控制，制造出高性能產(chǎn)品。
此外，如果對(duì)各個(gè)工序的操作數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，就可以早期發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量異常的原因。但相應(yīng)的數(shù)據(jù)非常龐大，傳統(tǒng)控制方法難于勝任。為此，JFE 鋼鐵公司開發(fā)出運(yùn)用多變量統(tǒng)計(jì)性工藝控制技術(shù)（MSPC）的薄鋼板質(zhì)量操作控制系統(tǒng)。MSPC技術(shù)對(duì)主要成分進(jìn)行分析并計(jì)算出若干個(gè)統(tǒng)計(jì)量。對(duì)這些統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行檢測(cè)，提高了生產(chǎn)中異?，F(xiàn)象的檢出能力并進(jìn)行高效率控制。薄鋼板質(zhì)量操作控制系統(tǒng)是對(duì)煉鋼、軋制、退火等工序進(jìn)行自動(dòng)化連貫控制的系統(tǒng)，促進(jìn)了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定化。
3.2.3設(shè)備和操作故障預(yù)兆檢出
設(shè)備和操作故障使產(chǎn)品質(zhì)量下降，并導(dǎo)致延遲交貨。早期或事前檢出設(shè)備和操作故障預(yù)兆，就可以抑制故障的發(fā)生。為此JFE 鋼鐵公司著力對(duì)故障預(yù)兆檢出傳感器和檢出系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)。JFE鋼鐵公司開發(fā)的連續(xù)退火爐帶鋼斷帶預(yù)報(bào)技術(shù)采用了正準(zhǔn)相關(guān)分析的統(tǒng)計(jì)方法。采用該方法不僅得出操作變量間的關(guān)系， 而且得出操作變量在長度方向上的關(guān)系，提高了對(duì)這些變量偏離值的檢出能力，從而提高了設(shè)備和操作故障預(yù)兆檢出能力。
焦?fàn)t操作時(shí)，要根據(jù)原料成分、干餾條件和爐壁狀況，調(diào)整出焦時(shí)的推焦力。極端情況下，一般的焦?fàn)t設(shè)備會(huì)出現(xiàn)焦炭推不出去的現(xiàn)象，導(dǎo)致作業(yè)事故的發(fā)生。為防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，JFE 鋼鐵公司開發(fā)出焦炭推出性預(yù)報(bào)模型。該模型運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法根據(jù)焦?fàn)t作業(yè)數(shù)據(jù)庫，選定模型變量，得出可實(shí)用的焦炭推出性預(yù)報(bào)公式。