【摘要】：對(duì)于鋼鐵、化工等流程工業(yè),產(chǎn)品在制造過(guò)程中涉及多個(gè)連續(xù)銜接的工序,每個(gè)工序都要求工藝參數(shù)的設(shè)定值和質(zhì)量指標(biāo)控制在確定的范圍內(nèi),才能確保成品的最終質(zhì)量。目前,企業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量管控的主要手段是通過(guò)“事后”抽樣方式來(lái)判定產(chǎn)品的最終品質(zhì)。這種依賴于“事后”判定的方式容易出現(xiàn)批量的產(chǎn)品質(zhì)量判廢的問(wèn)題,進(jìn)而導(dǎo)致用戶由于質(zhì)量異議提出索賠和退貨,中國(guó)鋼鐵企業(yè)每年僅質(zhì)量判廢和質(zhì)量異議所造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)百億元。因此,提高產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性是當(dāng)目前鋼鐵企業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。隨“工業(yè)4.0”時(shí)代的來(lái)臨,制造技術(shù)正逐步從自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向智能化方向發(fā)展。作為工業(yè)4.0的重要策略—信息物理系統(tǒng)(信息物理融合系統(tǒng),Cyber Physical System,CPS),由于其具有自主判斷、自主決策、自主調(diào)控的能力,將CPS和數(shù)字孿生模型應(yīng)用于流程工業(yè)的智能制造引起了業(yè)內(nèi)的高度關(guān)注。冶金企業(yè)經(jīng)過(guò)近十年的升級(jí)改造,在信息化系統(tǒng)和控制技術(shù)上取得了顯著進(jìn)步,多數(shù)企業(yè)都配置了ERP/MES/PCS/PLC四級(jí)信息化系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)和檢測(cè)系統(tǒng)。但是,現(xiàn)有的制造系統(tǒng)主要針對(duì)集中式制造模式,缺乏產(chǎn)品質(zhì)量在線管控能力,難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量個(gè)性化定制的智能制造要求。本論文針對(duì)流程工業(yè)在產(chǎn)品質(zhì)量管控中存在的問(wèn)題,提出將產(chǎn)品質(zhì)量的數(shù)字孿生模型嵌入到系統(tǒng)級(jí)和單元級(jí)CPS中,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的在線管控、自主判斷和優(yōu)化控制,從而提高鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)針對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)中通常存在高維、強(qiáng)相關(guān)、非線性等特點(diǎn),提出基于拉普拉斯核矩陣的非線性同等縮放算法,使得高維數(shù)據(jù)在縮放成2D數(shù)據(jù)后,其內(nèi)在的非線性特征保持不變。在此基礎(chǔ)上,利用非線性同等縮放方法構(gòu)建了不同鋼種所對(duì)應(yīng)的工藝參數(shù)在2D空間中的映射地圖,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)鋼種的自動(dòng)判級(jí)。以汽車鋼實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例,4類牌號(hào)的鋼種在線判級(jí)的準(zhǔn)確率為97%,而傳統(tǒng)線性PCA方法在線判級(jí)的準(zhǔn)確率僅為90%。(2)針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品質(zhì)量在線動(dòng)態(tài)優(yōu)化準(zhǔn)確率低的問(wèn)題,提出產(chǎn)品質(zhì)量在線監(jiān)控、診斷與優(yōu)化的集成方法。首先,利用基于支持向量描述的軟超球體方法進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量異常點(diǎn)的在線識(shí)別;然后,通過(guò)貢獻(xiàn)圖對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行診斷分析;最后,利用鄰近點(diǎn)局部投影變換方法實(shí)現(xiàn)異常工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)優(yōu)化。以IF鋼實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證,新方法的質(zhì)量在線判定的準(zhǔn)確率達(dá)到99%,明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的Hotelling-T2方法。(3)針對(duì)在產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計(jì)和工藝規(guī)范制定中,依賴人的經(jīng)驗(yàn)來(lái)制定的方式,易造成產(chǎn)品質(zhì)量偏差大,提出基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計(jì)和工藝規(guī)范制定方法。首先,建立基于多類鄰近域主流形學(xué)習(xí)的工藝參數(shù)設(shè)定模型,提取出潛含在數(shù)據(jù)中的主流形“管道”,根據(jù)“管道”的流向和區(qū)間大小來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)CPS的產(chǎn)品質(zhì)量設(shè)計(jì);在此基礎(chǔ)上,建立基于軟超球體最大內(nèi)接矩形的工藝規(guī)范制定模型,獲得在當(dāng)前工藝裝備能力制約下的工藝參數(shù)有效控制區(qū)間。通過(guò)IF鋼的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了方法的有效性。(4)針對(duì)曲線型生產(chǎn)數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確表征,導(dǎo)致模型預(yù)測(cè)精度低問(wèn)題,提出基于函數(shù)型數(shù)據(jù)分析的質(zhì)量預(yù)測(cè)方法。首先,對(duì)隨時(shí)間連續(xù)變化的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行函數(shù)化擬合;在獲得系統(tǒng)行為隨時(shí)間變化規(guī)律的函數(shù)后,建立工藝參數(shù)與控制目標(biāo)之間的預(yù)測(cè)模型。以轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制為例,利用新模型可以實(shí)現(xiàn)煉鋼全過(guò)程的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè),終點(diǎn)碳在±0.02%誤差范圍內(nèi)的命中率為95%,終點(diǎn)溫度在±20℃誤差范圍內(nèi)的命中為90%,比現(xiàn)有方法的命中率提高了近10%,具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。以上研究是國(guó)家工信部“智能制造”專項(xiàng)中“鋼鐵全流程產(chǎn)品質(zhì)量在線管控系統(tǒng)”的主要研究?jī)?nèi)容,該系統(tǒng)已在冶金企業(yè)4條生產(chǎn)線中得到成功應(yīng)用。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：F426.31;F273.2
【圖文】：

為工藝裝備、工藝參數(shù)、質(zhì)量指標(biāo)、服役行為等產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、使用過(guò)逡逑程中提供了與產(chǎn)品相關(guān)的各種信息與數(shù)據(jù)。ＣＰＳ將虛擬世界和實(shí)體世界銜接逡逑在一起，形成信息物理系統(tǒng)，圖２－１給出了邋ＣＰＳ的概念圖。應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程逡逑的邋ＣＰＳ邋也稱為邋ＣＰＰＳ邋（Ｃｙｂｅｒ－Ｐｈｙｓｉｃａｌ邋Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ邋Ｓｙｓｔｅｍ）。逡逑－４－逡逑

圖２－２基于ＣＰＳ的鋼鐵智能制造系統(tǒng)架構(gòu)逡逑系統(tǒng)級(jí)：在現(xiàn)有ＭＥＳ和ＰＣＳ基礎(chǔ)上，通過(guò)內(nèi)部的寬帶高速互聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)逡逑場(chǎng)總線、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同工序間生產(chǎn)計(jì)劃、工藝數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、檢測(cè)逡逑數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、裝備數(shù)據(jù)、能源需求數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，并在此基礎(chǔ)上對(duì)不逡逑同工序的工藝裝備進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)控制與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)信息空間與物理空間的逡逑協(xié)同和統(tǒng)一。系統(tǒng)級(jí)ＣＰＳ的關(guān)鍵在于建立全流程數(shù)字化制造系統(tǒng)，現(xiàn)有的逡逑ＭＥＳ和ＰＣＳ僅滿足于生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)品質(zhì)量、工藝設(shè)計(jì)的靜態(tài)優(yōu)化，難以滿逡逑足全流程的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)控制與優(yōu)化．逡逑全流程數(shù)字化制造系統(tǒng)通過(guò)建立鋼鐵智能制造過(guò)程的數(shù)字孿生模型，實(shí)逡逑現(xiàn)信息空間與物理空間的整體協(xié)同與優(yōu)化。數(shù)字化制造系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技逡逑術(shù)與人工智能方法，建立各工序精準(zhǔn)的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、工藝、質(zhì)逡逑量三位一體的在線協(xié)同優(yōu)化。數(shù)字化制造系統(tǒng)將改變產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)、試制、生逡逑產(chǎn)、銷售、服務(wù)等環(huán)節(jié)的傳統(tǒng)管理模式，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在制造過(guò)程全流程數(shù)字化、逡逑

逑－邐針對(duì)圖２－２提出的基于ＣＰＳ的鋼鐵智能制造系統(tǒng)架構(gòu)，本論文重點(diǎn)研宄逡逑了系統(tǒng)級(jí)中全流程產(chǎn)品質(zhì)量管控ＣＰＳ模型和單元級(jí)中相關(guān)工序的ＣＰＳ建模方逡逑法。ＳｏＳ級(jí)的決策支持系統(tǒng)和系統(tǒng)級(jí)的其它模塊的ＣＰＳ模型有待于繼續(xù)開(kāi)展逡逑后續(xù)的研究工作。逡逑２．邋４論文的研究?jī)?nèi)容及章節(jié)安排逡逑本論文通過(guò)ＣＰＳ所具有的自主判斷、自主決策、自主調(diào)控能力，利用數(shù)逡逑據(jù)分析方法，建立系統(tǒng)級(jí)和單元級(jí)ＣＰＳ的數(shù)字孿生模型，對(duì)全流程各工序的逡逑工藝參數(shù)和質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行在線監(jiān)控、診斷與優(yōu)化，由“事后”抽檢方式轉(zhuǎn)變逡逑成“事前”的優(yōu)化和“事中”在線管控，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的精準(zhǔn)管控，提高產(chǎn)逡逑品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本及節(jié)能降耗。逡逑重點(diǎn)研宄采用嵌入式ＣＰＳ的產(chǎn)品質(zhì)量在線管控方法和工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，論逡逑文研宄整體框架如圖２－３所示。逡逑具體章節(jié)安排如下：逡逑第一章為引言部分，介紹了本論文的研宄目的與意義，以及目前存在的逡逑問(wèn)題

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本文編號(hào)：2746102