單機架可逆軋機組合負荷分配算法的應用

溫玉蓮，閆洪偉，齊海峰，趙文姣，溫 杰

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司冷軋部，河北 唐山 063200）

0 引言

隨著汽車輕量化和安全標準要求的逐年提高[1]，超高強度鋼板的生產比例和強度逐漸提高，連軋機在生產高強鋼過程中的難度凸顯。單機架可逆軋機生產組織靈活，可多道次重復軋制，在冷軋高強鋼市場中所占份額越來越重要。機組的模型設定參數既是為基礎自動化（L1）提供控制目標值，也是產品生產工藝在控制系統中的體現，因此模型設定計算的精度直接影響產品質量，而厚度控制和板型控制是保證冷軋產品質量的關鍵[2]，是評價軋機模型好壞的重要指標。

負荷分配[3]是模型計算的重要組成部分，是根據軋件特性、軋機特性和工藝要求快速計算出特定意義下最佳的生產道次和各道次壓下量的一種方法。負荷分配程序根據鋼卷的原始數據、軋機的設備參數、工藝要求和給定的負荷分配比例系數，對軋制工藝參數進行計算，在計算過程中對設備能力進行極限校核，如果超限則對超限的工藝參數進行修正計算[4]。本文利用三種負荷分配模式和軋制規程號相結合的方式確定了生產道次和各道次壓下量[5]，從而實現軋制基本設定模型的計算。

1 軋制規程計算

軋制規程[6]是帶鋼生產的主要工藝技術內容，是軋機生產能力發揮、產品質量及板形質量的根本保證。合理的軋制規程可以充分發揮軋機設備能力，減少能耗，保證帶鋼產品的精度，使軋制工藝達到最佳狀態。本文所述的軋制規程表（RCM_SCHEDNUMBER）根據鋼種的鋼級、帶鋼的原料寬度、原料厚度、目標厚度確定軋制規程號。其中鋼級根據屈服強度分為10 級，根據機組能力將原料寬度分為8 級、原料厚度分為7級、目標厚度分為9 級，共組合成5 040 個軋制規程號，每個軋制規程號代表了一種軋制規程，是模型計算的基礎。

2 基于軋制規程的負荷分配

模型提供了三種負荷分配計算方法，供生產操作選擇，通過模型控制標志位進行區分。三種計算方法各有優勢，適用于不同場景。

2.1 歷史規程

歷史規程使用最為普遍，它以數據庫表（RCM_HISTORYDRAFT）的形式存在，在原有軋制規程號基礎上，將原料厚度和目標厚度都細化為30 級，另外增加了是否使用開卷機及表面類型，使分檔更為細致，所以模型計算精度最高。不管以哪種方式進行模型計算，只要計算正確，模型設定值都會更新或插入歷史規程表，且隨著生產的不斷進行，數據庫表的記錄由無到有、由少到多，直至覆蓋所有規格。

由于采用厚度分檔方式，通過歷史規程表查到的記錄是落在同一檔的所有產品規格模型計算參考值，很可能會出現原料厚度或目標厚度與該歷史規程表查到的記錄不一致情況，所以不能完全按照歷史規程進行軋制，需要對各道次出口厚度進行二次分配。

基本算法描述：歷史表記錄各道次出口厚度按比例分配，算出每道次的絕對壓下率；再根據此壓下率和PDI 原料厚度、目標厚度按比例重新進行二次分配。此種算法既保證了歷史軋制規程的負荷分配比例得到繼承，又兼顧了每卷入口厚度和目標厚度的不同。

2.2 經驗規程

經驗規程是一種通過積累把經驗值固定下來的負荷分配算法，它以常數表的形式存在，是一種表格式軋制模型[7]。常數表可以參考其他項目積累的經驗，也可以是將歷史規程不斷完善后，把較為滿意的歷史規程固化到常數表。經驗規程與歷史規程一樣，由于采用厚度分檔方式，存在原料入口厚度或目標厚度與經驗規程查到的記錄不一致的情況，需要重新進行負荷分配調整，使算法與歷史規程二次負荷分配一致。

這種算法比較適用于新項目投產初期、新規格第一次生產、歷史規程中沒有記錄的情況，通過借鑒其他項目的生產經驗，讀取常數表獲取負荷分配值。

2.3 自動計算

自動計算是根據鋼種牌號和總壓下率來給定總道次數和各道次壓下率的一種簡單負荷分配算法。算法如下：在新鋼種進行參數維護時，根據總壓下率小于40%、50%、60%、70%、80%分別給定總道次數為3、4、5、6、7；然后在自動計算時，根據總道次數固化每道次的壓下率，如表1 所示。

表1 自動計算總道次及各道次壓下分配

這種算法適用于歷史規程和經驗規程都沒有的情況，模型必須提供一種算法，且能計算成功，為操作人員提供人機界面接口進行手動修正。同時，該算法也適用于特殊鋼種的批量生產及對產品規格分檔要求較低的情況。

2.4 三種負荷分配算法的優缺點對比

歷史規程：優點是分級最細，對每卷的規格針對性更強；能夠及時修正歷史記錄，對操作工手動修改過的參數具有記錄功能；同規格鋼卷如果選擇歷史規程軋制，模型參數具有繼承性，不需要對每卷進行修改。缺點是如果對同規格鋼卷修改了軋制規程，且寫入了歷史數據表，一旦觸發當前卷模型重計算，則計算結果會與之前軋制數據不同，容易造成同一卷軋制卻使用了兩種不同數據，因數據沖突造成嚴重錯誤。

經驗規程：優點是經驗表數值固定，不會自動更新，對同規格批次鋼卷針對性強；處于同一檔的所有卷使用同一規程，不受模型觸發計算的時刻影響，穩定性好。缺點是需要人工手動維護，不斷完善經驗表，使之覆蓋所有規格；規格分級較為粗略，對原料規格處于分檔臨界值的卷，計算出的模型數據可能差距很大，精度較歷史規程稍差。

自動計算：優點是針對鋼種進行最大道次分配和每道次壓下率設定，對特殊鋼種的針對性最強，能夠彌補歷史規程和經驗規程由于分檔導致的臨界值模型差距大的缺點；能夠解決歷史規程和經驗規程都不存在情況下的模型計算，保證模型計算的基本正確。缺點是需要人為在維護新鋼種時就對模型進行負荷分配，由于沒有生產經驗，所以維護初期負荷分配精度可能較差。

3 組合負荷分配算法及實際應用效果分析

組合負荷分配算法為操作人員提供了模型計算的選擇控制開關，可以選擇歷史規程、經驗規程或自動計算。如果選中的是歷史規程，則模型先查歷史規程表RCM_HISTORYDRAFT 獲取對應記錄，并進行二次負荷分配；如果歷史規程計算失敗，則使用經驗規程，并進行二次負荷分配；如果經驗規程計算失敗，則使用自動計算；如果自動計算也失敗，則只能通過手動添加經驗規程的方法，根據經驗人為分配道次，直至計算成功。

通過以上三種方式的任何一種計算出模型設定值后，都可以顯示在二級畫面中，為操作人員提供了人機交互的界面。如果操作人員需要對某個道次壓下率進行調整，那么模型將在原負荷分配基礎上，對未軋制的道次進行壓下分配調整策略，以達到操作人員手動修改的目標分配值。調整策略的主要方法如下：

1）計算原負荷分配各道次壓下率。

2）檢查操作人員輸入的壓下率參數是否合理，不合理直接退出。

3）如果所有道次壓下率均被修改，則計算末道次的出口厚度是否與目標產品厚度一致，不一致則報錯。

4）如果不是所有道次壓下率都被修改，則采用新的壓下分配調整策略計算出各道次最終的出口厚度。

5）如果輸入的總壓下量大于目標總壓下量，報錯退出。

6）迭代計算[8]，直到收斂次數大于1 000 或新的末道次出口厚度與讀表值（歷史規程或經驗規程計算的末道次出口厚度）之差小于0.003 mm，迭代結束。否則，收斂次數加1，針對所有道次，進行新的道次壓下率計算，操作人員手動修改的道次壓下率不變，其他道次新的壓下率=上一次計算道次壓下率+上一次計算道次壓下率/（500+收斂次數）。

7）迭代計算完成后，前幾道次根據最新的道次壓下率計算每道次出口厚度，末道次出口厚度以目標出口厚度為準，根據末道次出口厚度和目標出口厚度計算末道次壓下率。

該迭代算法具有速度快、收斂性好等特點，適于在線過程控制的編程實現[9]。本文以原料厚度為3.27 mm、原料寬度為1 407 mm、目標厚度為1.87 mm的某卷帶鋼為例，分別使用三種負荷分配算法，計算得到的各道次出口厚度和壓下率如表2 所示。

以經驗規程為例，操作工手動修改3 道次壓下率為15%，4 道次壓下率為10%，模型進行壓下分配調整，需要進行迭代計算，收斂過程如表3 所示。

表3 收斂計算過程

使用經驗規程算法，操作人員手動修改壓下率后的最終計算結果如表4 所示。

表4 收斂計算結果

4 結語

本項目開發的三種負荷分配算法，歷史規程可以實現繼承操作值分配，經驗規程可以實現按產品規格固定分配，自動計算可以實現按鋼種分配功能，系統適用性強，對其他項目具有參考意義。但是這三種負荷分配算法都是基于軋制規程的，受限于軋制規程分檔的精度，因此可對單機架可逆軋機在軋制規程人工智能化的研究方面進行進一步探索。