JP6292309B2 - Rolling simulation device - Google Patents
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Description
本発明は、金属製品を製造する圧延ラインおよび圧延操業を模擬し、金属材料の寸法や合金組成、加熱、圧延、冷却の目標値およびプロセスを変更した場合の、操業安定性、プロセス中間材質、製品品質を予測する、圧延シミュレーション装置に関するものである。 The present invention simulates a rolling line and a rolling operation for producing a metal product, and changes the dimensions and alloy composition of the metal material, the target value and process of heating, rolling and cooling, the operation stability, the process intermediate material, The present invention relates to a rolling simulation apparatus for predicting product quality.
鋼を始めとする金属材料において、機械的特性(強度、成形性、靭性等)、電磁的特性(透磁率等)などの材質は、その合金組成、加熱条件、加工条件、および、冷却条件によって変化する。合金組成は、成分元素の添加量を制御することで調整するが、成分調整時には例えば100トン前後の溶鋼を保持できる成分調整炉を用いるなど、1つのロット単位が大きい。そのため、15トン前後になる個々の製品ごとに添加量を変更することは不可能である。したがって、所望の材質の製品を製造するためには、加熱条件、加工条件、および、冷却条件を適正にし、材質を造り込むことが重要である。さらに、これらのプロセス条件は、材質のみならず製品寸法や形状などの製品品質や、安定した操業の実現にも重要である。 In metal materials such as steel, materials such as mechanical properties (strength, formability, toughness, etc.) and electromagnetic properties (permeability, etc.) depend on the alloy composition, heating conditions, processing conditions, and cooling conditions. Change. The alloy composition is adjusted by controlling the addition amount of the component elements, but one lot unit is large at the time of component adjustment, such as using a component adjustment furnace capable of holding molten steel of about 100 tons. For this reason, it is impossible to change the addition amount for each product of about 15 tons. Therefore, in order to manufacture a product of a desired material, it is important to make the material by making heating conditions, processing conditions, and cooling conditions appropriate. Furthermore, these process conditions are important not only for materials but also for product quality such as product dimensions and shapes, and for the realization of stable operations.
熱間圧延プロセスにおいては、製品品質や操業条件に関するプロセス条件である様々なプロセスパラメータの目標値を変更することにより、製品を作り分けている。プロセスパラメータには、例えば、仕上入側温度、仕上出側温度、巻取温度などに代表される圧延ライン上の各ポイントにおける目標温度や、各パスの板厚スケジュールや、圧延機に備えられているデスケーラのパス毎の使用要否や、連続圧延機のスタンド間に配置されたインタースタンドクーリングの使用要否および使用初期流量や、仕上圧延機で用いる潤滑油量や、ランアウトテーブルで用いる冷却パターンなどがある。 In the hot rolling process, products are created by changing target values of various process parameters, which are process conditions relating to product quality and operating conditions. Process parameters include, for example, target temperatures at each point on the rolling line represented by finish entry temperature, finish delivery temperature, coiling temperature, plate thickness schedule for each pass, and rolling mills. Necessary use of descaler for each pass, use necessity of interstand cooling placed between stands of continuous rolling mill and initial flow rate, amount of lubricant used in finishing mill, cooling pattern used in runout table, etc. There is.
目標の製品品質を達成するように、つまり、上記の各種プロセスパラメータの目標値を達成するように、設定計算機によるプロセス制御がなされる。 The process control by the setting computer is performed so as to achieve the target product quality, that is, to achieve the target values of the various process parameters.
設定計算機は、加熱、圧延、冷却、搬送などの各プロセスの物理現象を表現したモデル式を用い、上記の各種プロセスパラメータの目標値を達成するように、設定計算を行う。設定計算では、各種アクチュエータの制御目標値の計算と、プロセスの各段階における圧延材(金属材料)の状態の予測計算とを繰り返し行う。 The setting computer uses a model expression expressing physical phenomena of each process such as heating, rolling, cooling, and conveyance, and performs setting calculation so as to achieve the target values of the various process parameters. In the setting calculation, calculation of control target values for various actuators and prediction calculation of the state of the rolled material (metal material) at each stage of the process are repeatedly performed.
設定計算で使用される、圧延荷重、変形抵抗、ロールギャップ、温度、粒径などの物理量を計算するモデル式は、入力変数、機械定数、調整項、学習項を入力とした関数で表される。 Model formulas used in setting calculations to calculate physical quantities such as rolling load, deformation resistance, roll gap, temperature, and grain size are expressed as functions with input variables, machine constants, adjustment terms, and learning terms as inputs. .
特許文献1や特許文献2には、設定計算機が、モデル予測値と、圧延ラインに設けられたセンサから得られた温度、形状、板厚、板幅、圧延荷重などの実績値とを比較して、モデル式の学習項を、予め自動的に学習し、モデル式の精度およびそれを用いた制御精度を向上させる方法が開示されている。
In Patent Document 1 and
また、特許文献3には、圧延材のミクロ組織の変化および最終製品の機械的性質を予測する材質予測モデルについて、一部の製品コイルに対して実施される引張試験や組織観察など機械的性質の測定試験結果で得られる機械的性質の実績値を用いてモデル学習する方法が提案されている。一般に、モデルパラメータ(機械定数、調整項、学習項)は、モデル誤差の生じやすい因子、例えば、鋼種、目標板厚、目標板幅、目標温度などで区分された層別テーブルを用いて、設定計算機に属するデータベース内で管理される。
Further,
尚、出願人は、本発明に関連するものとして、上記の文献を含めて、以下に記載する文献を認識している。 The applicant has recognized the following documents including the above-mentioned documents as related to the present invention.
従来、圧延操業のプロセスパラメータは、製品仕様毎に長年に亘る経験に基づいて決められ、これを達成するように、温度制御および寸法制御を行う方法が一般的であった。ところが、近年、製品仕様への要求の高度化、多様化が著しく、経験に基づく方法ではこれら目標値を必ずしも適正に決めることができず、所望の寸法や機械的性質といった目標の最終品質を達成できない場合がある。また、プロセスパラメータの目標値を、既存の設備で達成できるかの判断が難しい場合がある。 Conventionally, the process parameters of the rolling operation are determined on the basis of many years of experience for each product specification, and a method of performing temperature control and dimensional control to achieve this has been common. However, in recent years, the demand for product specifications has become increasingly sophisticated and diversified, and the method based on experience cannot always determine these target values properly and achieve the final quality of the target such as desired dimensions and mechanical properties. There are cases where it is not possible. In addition, it may be difficult to determine whether the target value of the process parameter can be achieved with existing equipment.
このため、ある合金組成およびプロセスパラメータの下で製造された製品が所望の製品品質を得るかを事前検討するために、加熱、加工、および、冷却の各製造工程をモデル化したプロセスモデルを用いて、製造工程をオフラインでシミュレーションする装置が提案されている(例えば特許文献4)。シミュレーション装置は、時々刻々の金属材料の寸法、温度、製造ライン上の位置などの状態を予測し、金属材料の合金組成の情報および製造工程のシミュレーションから得られた加工履歴および温度履歴の情報を入力値とし、ミクロ組織予測モデルによって時々刻々の圧延材のミクロ組織の変化および最終製品の機械的性質を予測する。また、シミュレーション装置は、所望の品質を得るような合金組成およびプロセスパラメータの目標値を見出すためにも用いられる。 For this reason, a process model that models heating, processing, and cooling manufacturing processes is used to examine in advance whether a product manufactured under a certain alloy composition and process parameters will achieve the desired product quality. An apparatus for simulating a manufacturing process offline has been proposed (for example, Patent Document 4). The simulation device predicts the state of the metal material from time to time, such as dimensions, temperature, and position on the production line, and provides information on the alloy composition of the metal material and information on the processing history and temperature history obtained from the simulation of the production process. As input values, the microstructure prediction model predicts changes in the microstructure of the rolled material and the mechanical properties of the final product. The simulation device is also used to find alloy composition and process parameter target values that will achieve the desired quality.
シミュレーションでは、実操業の設定計算で用いられるモデルと同じモデル、簡易化したモデル、あるいは、一部をより物理現象に忠実にモデル化した高精度なモデルなどが使われる。シミュレーションには、実操業に用いられる設定計算機や、上記プロセスパラメータやモデルパラメータが管理されるデータベースは用いられず、シミュレーション専用の計算機およびデータベースが別途用意される。実際の圧延操業を模擬する用途でシミュレーションし、実操業の設定計算で用いられるモデル式と同じ関数を用いる場合であっても同様である。これは、シミュレーションのための、計算やデータベースへの読み書きによる負荷が、実操業に影響を及ぼすことがあってはならないからである。 In the simulation, the same model as the model used in the actual operation setting calculation, a simplified model, or a highly accurate model in which a part is modeled more faithfully to a physical phenomenon is used. For the simulation, a setting computer used for actual operation and a database for managing the process parameters and model parameters are not used, and a computer and a database dedicated to the simulation are prepared separately. The same applies to the case where a simulation is performed for the purpose of simulating an actual rolling operation and the same function as the model formula used in the actual operation setting calculation is used. This is because the load for calculation and reading / writing to the database for simulation should not affect the actual operation.
実操業では、1本の圧延材に対して、加熱炉在炉中は設定計算の試計算、加熱炉抽出時は設定計算、抽出後は圧延中に随時収集された実績値に基づき、数回から数十回の設定計算が繰り返し実行される。使用されるパラメータ、収集される実績値、設定計算の出力は、膨大でかつデータのやり取りが頻繁なため、データベースへの読み書きの負荷が大きい。さらに、当該圧延材前後の数本の圧延材に対しても、同様の設定計算やデータベースへの読み書きが行われる。計算負荷の急激な増加や、データベースに対する高頻度の読み書きによって、実操業の設定計算に問題が生じると、圧延操業を停止せざるを得ず、大きな損失になる。実操業の設定計算では、その設備の圧延ピッチや収集データ点数などに基づき、計算タイミングやデータベースへのアクセス方法やタイミングが綿密に設計されている。 In actual operation, for a single rolled material, several times based on trial calculation of setting calculation during heating furnace in-furnace, setting calculation during extraction of heating furnace, and actual values collected at any time during rolling after extraction The setting calculation is repeated several tens of times. Since the parameters used, the actual values collected, and the output of setting calculations are enormous and data is frequently exchanged, the read / write load on the database is heavy. Further, the same setting calculation and reading / writing to the database are performed for several rolled materials before and after the rolled material. If a problem arises in the actual operation setting calculation due to a sudden increase in calculation load or frequent reading and writing to the database, the rolling operation must be stopped, resulting in a large loss. In actual operation setting calculation, calculation timing, database access method and timing are carefully designed based on the rolling pitch of the equipment and the number of collected data.
ところで、シミュレーションの場合、模擬されたプロセスをオフラインで計算するため、実際の圧延操業のプロセス制御と異なり、プロセスの各所に設置したセンサで得られる荷重や温度、寸法の実績値や製品コイルの機械的性質の実績値を得られない。よって、シミュレーションと同条件で実際の圧延を行った場合に、プロセスパラメータの目標値、ひいては、目標の製品品質が達成されるかは、シミュレーションからは完全には確認できない。また、実績値に基づいた圧延中のフィードフォワード、フィードバック、ダイナミックなどの各種制御は実施されないため、モデル予測誤差が生じた場合は、それが蓄積され、プロセスの後段ほど、プロセスパラメータの目標値と実績値との差が大きくなり、製品品質が正しく予測されない。よって、シミュレーションで使用されるプロセスのモデル式の精度(特に、モデルパラメータの精度)そのものが、シミュレーションの精度、つまり、実際の圧延操業をどの程度模擬できるかに、顕著に関わる。 By the way, in the case of simulation, since the simulated process is calculated offline, unlike the actual rolling operation process control, the actual values of the load, temperature, dimensions obtained by sensors installed in various parts of the process, and the product coil machine The actual value of physical properties cannot be obtained. Therefore, when actual rolling is performed under the same conditions as the simulation, it cannot be completely confirmed from the simulation whether the target value of the process parameter, and thus the target product quality, is achieved. In addition, since various controls such as feedforward, feedback, and dynamic during rolling based on the actual values are not performed, if model prediction errors occur, they are accumulated, and the target values of the process parameters are The difference from the actual value becomes large, and the product quality is not predicted correctly. Therefore, the accuracy of the model expression of the process used in the simulation (particularly, the accuracy of the model parameters) itself is significantly related to the accuracy of the simulation, that is, how much the actual rolling operation can be simulated.
しかしながら、製造ラインおよび金属材料はシミュレータ上のモデルで模擬されたものであり、また、実操業の設定計算とは、計算機やそれに属するデータベースを共有していないため、モデル式内の調整項や学習項、各アクチュエータの機械特性を表す機械定数が更新されない。特許文献4では、設備更新がされた場合でも実機圧延ラインを模擬できるように、設備に係るモデルパラメータを容易に修正できる工夫がされている。しかし、モデルの学習項、調整項は、パラメータの種類が膨大で、なおかつ、圧延毎や調整毎のように頻繁に更新されるため、変更のたびにパラメータを適宜修正することは難しい。その場合、実操業の制御や予測に用いる計算機に内在するモデルとは異なり、実圧延プロセスを精度よく模擬できないため、シミュレーションで用いた合金組成やプロセスパラメータを実操業に適用しても、期待した製品品質が得られない問題があった。
However, since the production line and metal material are simulated by a model on the simulator, and the setting calculation for actual operation does not share the computer or the database belonging to it, adjustment terms and learning in the model formula Term, the machine constant representing the mechanical characteristics of each actuator is not updated. In
この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、実操業の設定計算機とは異なる計算機上で、実操業の圧延ラインを用いた仮想金属材料の圧延過程を精度高くシミュレーションできる圧延シミュレーション装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is a rolling simulation capable of accurately simulating the rolling process of a virtual metal material using a rolling line in actual operation on a computer different from the actual operation setting computer. The object is to provide a device.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、金属材料を加熱し圧延し冷却し搬送するアクチュエータ群および前記アクチュエータ群の制御実績値および前記金属材料の状態実績値を検出するセンサ群を有する圧延ラインと、前記アクチュエータ群の制御目標値や前記金属材料の状態予測値を算出する設定計算機とを備えた圧延システムに接続される圧延シミュレーション装置であって、
前記設定計算機は、
前記圧延ラインにおける加熱、圧延、冷却、搬送の各プロセスの物理現象を表現したモデル式であって入力変数とモデルパラメータ群とを入力とする関数で表される第1モデル式を有し、
前記第1モデル式を用いて、前記金属材料を実際に圧延する実操業における製品品質や操業条件に関するプロセス条件を達成するように、前記アクチュエータ群の制御目標値と前記金属材料の状態予測値を算出し、
前記制御目標値および前記状態予測値と、前記センサ群が検出した前記制御実績値および前記状態実績値とを比較した比較値に基づいて、前記第1モデル式の前記モデルパラメータ群を随時更新し、
前記圧延シミュレーション装置は、
前記圧延ラインで前記金属材料とは別の仮想的に設定した仮想金属材料を仮想的に加熱し圧延し冷却し搬送する仮想操業における製品品質や操業条件に関するシミュレーション条件を設定するシミュレーション条件設定部と、
前記第1モデル式と同様の第2モデル式を有し、前記第2モデル式を用いて、前記シミュレーション条件を達成するように、前記アクチュエータ群の制御目標値と前記仮想金属材料の状態予測値を算出する仮想圧延ライン設定計算部と、
前記第1モデル式の前記モデルパラメータ群が更新された場合に、前記第1モデル式の前記モデルパラメータ群に基づいて、前記第2モデル式の前記モデルパラメータ群を更新するパラメータ更新部と、を備え、
前記パラメータ更新部は、
前記モデルパラメータ群を取得するに際し実操業の前記設定計算機に与える負荷が前記設定計算機の設定計算に影響しないタイミングであることを確認する更新タイミング指定部と、
前記タイミングにおいて、前記第1モデル式の前記モデルパラメータ群を、前記第2モデル式の前記モデルパラメータ群にコピーするパラメータコピー部と、を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the first invention includes an actuator group that heats, rolls, cools, and conveys a metal material, and a sensor group that detects a control result value of the actuator group and a state result value of the metal material. A rolling simulation apparatus connected to a rolling system and a rolling system including a setting computer for calculating a control target value of the actuator group and a state prediction value of the metal material,
The setting calculator is
A model formula expressing physical phenomena of each process of heating, rolling, cooling, and conveyance in the rolling line, and having a first model formula expressed by a function having an input variable and a model parameter group as inputs,
Using the first model equation, the control target value of the actuator group and the state prediction value of the metal material are set so as to achieve process conditions relating to product quality and operation conditions in actual operation of actually rolling the metal material. Calculate
The model parameter group of the first model formula is updated as needed based on a comparison value obtained by comparing the control target value and the predicted state value with the actual control value and the actual state value detected by the sensor group. ,
The rolling simulation apparatus is
A simulation condition setting unit configured to set simulation conditions related to product quality and operation conditions in virtual operation of virtually heating, rolling, cooling, and conveying a virtual metal material that is virtually set apart from the metal material in the rolling line; ,
The second model formula is the same as the first model formula, and the control target value of the actuator group and the predicted state value of the virtual metal material are used to achieve the simulation condition using the second model formula. A virtual rolling line setting calculation unit for calculating
When the model parameter groups of the first model type is updated, based on the model parameter groups of the first model type, a parameter updating unit that updates the model parameter groups of the second model type, the Prepared,
The parameter update unit
An update timing designation unit for confirming that the load applied to the setting computer in actual operation when acquiring the model parameter group is a timing that does not affect the setting calculation of the setting computer;
And a parameter copy unit that copies the model parameter group of the first model formula to the model parameter group of the second model formula at the timing .
また、第3の発明は、第1の発明において、
前記パラメータ更新部は、
前記第2モデル式の前記モデルパラメータ群のうち、前記仮想圧延ライン設定計算部における前記シミュレーション条件を用いたモデル計算に必要な一部のモデルパラメータ群を選択する更新パラメータ選択部と、
前記更新パラメータ選択部により選択された前記一部のモデルパラメータ群についてのみ、前記第1モデル式の前記モデルパラメータ群からコピーするパラメータコピー部と、を備えることを特徴とする。The third invention is the first invention, wherein
The parameter update unit
Of the model parameter group of the second model formula, an update parameter selection unit that selects a part of the model parameter group necessary for model calculation using the simulation condition in the virtual rolling line setting calculation unit,
A parameter copy unit that copies only the partial model parameter group selected by the update parameter selection unit from the model parameter group of the first model formula.
第1の発明によれば、第1モデル式のモデルパラメータ群が更新された場合に、第1モデル式のモデルパラメータ群に基づいて、第2モデル式のモデルパラメータ群を更新する。これにより、圧延シミュレーション装置のモデルパラメータを、実操業の設定計算機における最新のデータに更新できる。このため、第1の発明によれば、実操業の設定計算機とは異なる計算機上で、実操業の圧延ラインを用いた仮想金属材料の圧延過程を精度の高くシミュレーションできる。 According to the first aspect, when the model parameter group of the first model formula is updated, the model parameter group of the second model formula is updated based on the model parameter group of the first model formula. Thereby, the model parameter of a rolling simulation apparatus can be updated to the newest data in the setting computer of actual operation. For this reason, according to 1st invention, on the computer different from the setting computer of actual operation, the rolling process of the virtual metal material using the rolling line of actual operation can be simulated with high precision.
第2又は第3の発明によれば、実操業の設定計算機における計算に与える負荷増大を抑制しつつ、圧延シミュレーション装置のモデルパラメータを、実操業の設定計算機における最新のデータに更新できる。 According to the 2nd or 3rd invention, the model parameter of a rolling simulation apparatus can be updated to the newest data in the setting computer of actual operation, suppressing the load increase given to the calculation in the setting computer of actual operation.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
実施の形態1.
[実施の形態1のシステム構成]
(圧延ライン)
図1は、本発明の実施の形態1における熱間薄板圧延ラインの一例を示す図である。以後の説明の対象は、図1に示した熱間薄板圧延ラインを模擬したシミュレータとする。なお、本シミュレータは、他の圧延ラインにも適用可能である。Embodiment 1 FIG.
[System Configuration of Embodiment 1]
(Rolling line)
FIG. 1 is a diagram showing an example of a hot sheet rolling line in Embodiment 1 of the present invention. The object of the subsequent description is a simulator simulating the hot sheet rolling line shown in FIG. This simulator can also be applied to other rolling lines.
圧延ラインは、加熱装置、圧延機、冷却装置、巻取装置、これらを結ぶ搬送テーブルを備える。これらの装置は、電動機や油圧装置などのアクチュエータにより駆動される。具体的には、図1に示す圧延ライン1は、搬送テーブル10の上流側から順に、加熱炉11、粗圧延機12、バーヒータ13、仕上圧延機入側温度計14、仕上圧延機15、仕上圧延機出側温度計16、ランアウトテーブル17、巻き取り機入側温度計18、巻き取り機19を備える。
The rolling line includes a heating device, a rolling mill, a cooling device, a winding device, and a conveyance table that connects them. These devices are driven by actuators such as electric motors and hydraulic devices. Specifically, the rolling line 1 shown in FIG. 1 includes a heating furnace 11, a
加熱炉11は、スラブを加熱するための炉である。加熱炉11は、所望のスラブ昇温パターン、加熱炉抽出温度を得るように制御される。粗圧延機12は、単数または複数のスタンドからなり、図1に示す例では、1つのスタンドからなる可逆式粗圧延機である。バーヒータ13は、圧延製品(スラブから製品として完成するまでの途中の状態も含む、以下同様)の温度を制御するために、電磁誘導加熱等により、圧延製品を昇温する装置である。仕上圧延機15は、単数または複数のスタンドからなり、図1に示す例では、7つのスタンドからなるタンデム式仕上圧延機である。ランアウトテーブル17は、圧延製品の温度を制御するために、冷却水により圧延製品を冷却する冷却装置である。なお、圧延ライン1は、冷却装置として冷却テーブル、強制冷却装置などを備えてもよい。巻き取り機19は、圧延製品を巻き取り、搬送容易な形状にするための装置である。搬送テーブル10は、各工程における圧延製品を次の工程に搬送するための装置である。これらの装置は電動機や油圧装置などのアクチュエータにより駆動される。
The heating furnace 11 is a furnace for heating the slab. The heating furnace 11 is controlled to obtain a desired slab temperature rising pattern and heating furnace extraction temperature. The
図2は、本発明の実施の形態1における圧延システムを示すブロック図である。図2に示す圧延システム20は、レベル0からレベル3までの階層構造を有する。レベル0は、圧延ライン1の各装置を駆動する電動機を制御するドライブ制御装置や、圧延ライン1の各装置を駆動する油圧装置から構成される。レベル1は、制御用コントローラ21から構成される。レベル2は、設定計算機23から構成される。なお、設定計算機23に代えてプロセスコントローラを用いる構成としてもよい。レベル3は、生産管理用の上位計算機25から構成される。圧延シミュレーション装置24は、実操業の圧延には影響しないが、パラメータ更新のために、設定計算機23と接続される。
FIG. 2 is a block diagram showing the rolling system in Embodiment 1 of the present invention. The rolling
(設定計算機)
実操業の熱間圧延プロセスにおいては、製品品質や操業条件に関するプロセス条件、すなわち、上述した各種プロセスパラメータの目標値を変更することにより製品を作り分けている。目標の製品品質を達成するように、つまり、上記の各種プロセスパラメータの目標値を達成するように、設定計算機23によるプロセス制御がなされる。(Setting calculator)
In the hot rolling process in actual operation, products are made differently by changing process conditions relating to product quality and operating conditions, that is, target values of the various process parameters described above. The process control by the setting
プロセスパラメータの目標値は、レベル2の設定計算機23の上位にあるレベル3の上位計算機25から指定される場合がある。そのほか、プロセスパラメータの目標値は、設定計算機23に属するデータベースにテーブルを持ち、鋼種、板厚、板幅などをキーとして指定される場合がある。また、プロセスパラメータの目標値は、オペレータによって圧延中に変更される場合がある。
The target value of the process parameter may be specified from the
設定計算機23は、圧延ライン1における加熱、圧延、冷却、搬送などの各プロセスの物理現象を表現したモデル式(以下、設定計算機23が有するモデル式を「第1モデル式」とも記す。)を有する。設定計算機23は、第1モデル式を用いて、実操業において上記の各種プロセスパラメータの目標値(プロセス条件)を達成するように、設定計算を行う。設定計算では、各種アクチュエータの制御目標値の算出と、プロセスの各段階における圧延材の状態(金属材料の状態予測値)の算出とを、繰り返し行う。
The setting
アクチュエータの制御目標値とは、圧延機のロールギャップや、圧延速度、搬送速度、デスケーラや各種スプレーの流量、ランアウトテーブルのバルブのON/OFFなどである。プロセスの各段階における圧延材の状態(金属材料の状態予測値)とは、寸法や形状、温度、ミクロ組織などである。 The control target value of the actuator includes a roll gap of the rolling mill, a rolling speed, a conveying speed, a flow rate of a descaler and various sprays, and ON / OFF of a valve of the runout table. The state of the rolled material (predicted value of the state of the metal material) at each stage of the process includes dimensions, shape, temperature, microstructure, and the like.
制御用コントローラ21は、設定計算機23から設定計算結果を受け取り、制御目標値に追従するように、各種アクチュエータを制御する。実操業の熱間圧延プロセスでは、圧延ラインの随所に各種センサが設置され、温度、形状、板厚、板幅、圧延荷重など、プロセス制御に影響を及ぼすパラメータの実績値を監視、収集する。
The
これらの実績値は、プロセス制御やモデル式(第1モデル式)の精度向上、品質管理に用いられる。プロセスパラメータの目標値と、各種センサで取得した実績値や、実績値と計算値から再計算された実績計算値とを比較し、プロセスパラメータの目標値が達成されていない場合、再度設定計算する。その結果に基づいて、フィードフォワード制御や、フィードバック制御や、ダイナミック制御などの各種制御がなされる。 These actual values are used for process control, accuracy improvement of the model formula (first model formula), and quality control. Compare the target value of the process parameter with the actual value obtained by various sensors, or the actual value and the actual value recalculated from the calculated value. If the target value of the process parameter is not achieved, calculate the setting again. . Based on the result, various controls such as feedforward control, feedback control, and dynamic control are performed.
設定計算で使用される、圧延荷重、変形抵抗、ロールギャップ、温度、粒径などの物理量を計算するモデル式(第1モデル式)は、入力変数、モデルパラメータ群(機械定数、調整項、学習項)を入力とした関数で表される。入力変数は、モデル出力に相関のある物理量である。たとえば、モデル出力が圧延荷重の場合、変形抵抗、圧延材の幅、圧下量などが入力変数にあたる。機械定数は、圧延ロールのロール径、ミルカーブ、スプレー流量など、アクチュエータの機械特性を表す物理量である。機械定数は、ロール替えや設備の修繕や調整、経年変化によって変化するため、随時更新される。調整項や学習項は、モデル式の予測精度を高めるための項である。 The model formula (first model formula) that calculates physical quantities such as rolling load, deformation resistance, roll gap, temperature, and grain size used in the setting calculation is input variables, model parameter groups (machine constants, adjustment terms, learning This is expressed as a function with ( The input variable is a physical quantity correlated with the model output. For example, when the model output is a rolling load, the deformation resistance, the width of the rolled material, the amount of reduction, and the like are input variables. The mechanical constant is a physical quantity that represents the mechanical characteristics of the actuator, such as the roll diameter, mill curve, and spray flow rate of the rolling roll. The machine constant is updated at any time because it changes due to roll change, equipment repair and adjustment, and aging. The adjustment term and the learning term are terms for improving the prediction accuracy of the model formula.
プロセスのモデル式が、どんなによく物理現象を模擬する場合でも、現実には、モデル予測誤差が生じる。よって、エンジニアがモデル式内の各項にかかる係数や定数を微調整し、モデル式の予測精度を高めている。調整項は、モデル式内の各項の係数や定数であり、モデル誤差の生じやすい因子、例えば、鋼種、目標板厚、目標板幅、目標温度などで区分された層別テーブルを用いて、層別毎に設定計算機23に属するデータベース内で管理される。調整項は、操業立ち上げ時の他は、主に、新しい鋼種の圧延時や、新しいプロセスパラメータの組み合わせで圧延される場合に調整される。調整項は、エンジニアが経験や数値解析結果に基づいて調整される場合や、近年では、ニューラルネットなどの統計的手法を用いて半自動調整される場合がある。学習項は、モデル出力と、実際のプロセスの出力との誤差を埋めるために、モデル式に対して乗算および加算される項である。
No matter how well the process model equation simulates a physical phenomenon, a model prediction error actually occurs. Therefore, the engineer finely adjusts the coefficient and constant applied to each term in the model formula to improve the prediction accuracy of the model formula. The adjustment term is a coefficient or constant of each term in the model formula, and a factor that is likely to cause a model error, for example, a stratified table divided by steel type, target plate thickness, target plate width, target temperature, etc. Each layer is managed in a database belonging to the setting
(圧延シミュレーション装置)
図3は、本発明の実施の形態1における圧延シミュレーション装置24の機能を示すブロック図である。圧延シミュレーション装置24は、図1に示した熱間薄板圧延ラインにおける各プロセスを模擬し、金属材料の寸法や合金組成、加熱、圧延、冷却の目標値およびプロセスを変更した場合の、操業安定性、プロセス途中の圧延材の状態、製品品質を予測する。圧延シミュレーション装置24は、シミュレーション条件設定部31と、仮想圧延ライン設定計算部32と、パラメータ更新部33とを備える。また、圧延シミュレーション装置24は、演算処理装置、記憶装置、入出力装置を備える計算機である。記憶装置は、上記各部の処理内容を記述したプログラムを記憶している。上記各部は、記憶装置からロードされたプログラムが演算処理装置に実行されることで実現される。(Rolling simulation equipment)
FIG. 3 is a block diagram showing functions of the rolling
((シミュレーション条件設定部))
シミュレーション条件設定部31は、圧延ライン1で仮想金属材料を加熱し圧延し冷却し搬送する仮想操業における製品品質や操業条件に関するシミュレーション条件を設定する。以下、詳細に説明する。((Simulation condition setting part))
The simulation
シミュレーション条件設定部31は、圧延操業プロセスのパラメータをシミュレーション条件として圧延シミュレーション装置24に設定する。ここで、圧延操業プロセスのパラメータは、例えば、実操業では上位計算機25から与えられる圧延材の合金組成と寸法、目標板厚、目標板幅、加熱炉内でのスラブ昇温パターン、加熱炉出側温度、仕上出側目標温度、仕上入側目標温度、冷却パターン、巻取目標温度などである。また、圧延操業プロセスのパラメータは、例えば、実操業では設定計算機23に予め鋼種毎や目標板厚区分毎に設定された、もしくは、オペレータによってHMIから与えられる、各パスの圧下量や圧下率配分、通板速度や加速率などである。
The simulation
各シミュレーション条件は、実操業の上位計算機25や設定計算機23などに保存されている実操業で圧延した、もしくは、圧延予定の金属材料の操業条件を、通信LANや記憶媒体などを介してコピーして使うことができる。そのほか、手入力で全てもしくは一部の条件を設定することが可能である。また、過去に圧延シミュレーション装置で使用したシミュレーション条件の再利用や、一部を変更しての利用が可能である。
For each simulation condition, the operating conditions of the metal material rolled or planned to be rolled in the actual operation stored in the
図4は、仮想金属製品(仮想金属材料)の化学成分を入力するための入力画面である。実際の操業では、1つのロット単位が大きく、15トン前後になるため、製品ごとに合金成分の添加量を変更することは不可能である。そこで、シミュレーション条件設定部31では、合金組成を変更した場合の製品品質の変化を容易に計算できるように、仮想金属製品ひとつひとつに、例えば図4のように各化学成分の含有量(wt%)を入力して設定する。実操業で圧延された金属製品の合金組成や過去のシミュレーションで使用した合金組成を参考値として呼び出し、その一部を変更してシミュレーションすることも可能である。
FIG. 4 is an input screen for inputting chemical components of a virtual metal product (virtual metal material). In actual operation, since one lot unit is large and is about 15 tons, it is impossible to change the addition amount of the alloy component for each product. Therefore, the simulation
図5は、加熱炉11内でのスラブ昇温パターンの一例を示す図である。加熱炉11内でのスラブ昇温パターンや加熱炉抽出温度も、製品材質および品質に影響を及ぼす。例えばスラブが十分加熱されない場合は、マイクロアロイの固溶量が十分得られず、固溶マイクロアロイによるSolute drag効果が減少することや、抽出後、圧延中および冷却中の析出量が減少し、析出物によるpinning効果が減少することが懸念される。さらに、低温の圧延材を圧延することは、硬い材料を圧延することになるので、圧延機での圧延荷重増加による圧延操業の不安定化や、圧延用電動機の消費電力増加が懸念される。シミュレーション条件設定部31は、図5のように加熱炉11内でのスラブ昇温パターンを設定する。温度パターンが品質に影響を及ぼさない場合や簡易な計算をしたい場合には、加熱炉抽出温度の目標値のみが設定される。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a slab temperature rising pattern in the heating furnace 11. The slab temperature rising pattern in the heating furnace 11 and the heating furnace extraction temperature also affect the product material and quality. For example, when the slab is not heated sufficiently, the solid solution amount of the microalloy is not sufficiently obtained, the Solute drag effect due to the solid solution microalloy is reduced, and the amount of precipitation during rolling and cooling after extraction is reduced, There is a concern that the pinning effect due to precipitates is reduced. Furthermore, rolling a low-temperature rolled material causes a hard material to be rolled, and there is a concern that the rolling operation may become unstable due to an increase in the rolling load in the rolling mill and the power consumption of the rolling motor may increase. The simulation
実操業では、圧延中の圧延材の温度を管理するために、仕上出側目標温度、仕上入側目標温度、巻取目標温度などのプロセスパラメータの目標値が、上位計算機25もしくはHMIを介してオペレータから与えられ、その目標値を追従するように、圧延速度、圧延ライン途中の加熱装置の昇温パターン、各種スプレー、ランアウトテーブル17での冷却パターンが制御される。冷却パターンについては、上位計算機25から指定される場合もある。シミュレーション条件設定部31では、圧延中の温度履歴を変化させた場合の、製品品質や圧延操業への影響をシミュレーションによって確認できるように、シミュレーション条件として、仕上出側目標温度、仕上入側目標温度、巻取目標温度、ランアウトテーブル17での冷却パターンを設定する。図6と図7は、ランアウトテーブル17での冷却パターンの設定例を説明するための図である。ランアウトテーブル17での冷却パターンには、図6に示す上流側冷却設備を優先使用する前段冷却、下流側冷却設備を優先使用する後段冷却、すべての冷却設備を使用する緩冷却、の3パターンのいずれかを選択し、さらに水冷却するゾーンの冷却速度や、空冷却する時間を目標値として設定する方法がある。また、ランアウトテーブル17での冷却パターンには、図7に示す冷却設備の上流側および下流側で水冷冷却し、中流では空冷却するパターンを選択し、例えば上流側の水冷却速度と、空冷時間と、ランアウトテーブル中間点での温度を目標値として設定する方法がある。
In actual operation, in order to manage the temperature of the rolled material during rolling, target values of process parameters such as finishing target temperature, finishing input target temperature, and winding target temperature are set via the
実操業で用いる設定計算機23では、安定した圧延や通板のために、各パスの圧下量や圧下率配分、通板速度や加速率などのプロセスパラメータの目標値を、予め鋼種毎や目標板厚区分毎にデータベースに記憶させておく。もしくは、オペレータがプロセスパラメータの目標値を入力する。一方、仮想操業で用いる圧延シミュレーション装置24では、シミュレーション条件設定部31は、各パスの圧下量や圧下率配分、通板速度や加速率などを変化させた場合の、製品品質や圧延操業への影響を簡単に計算できるように、シミュレーション条件を設定する。
In the setting
((仮想圧延ライン設定計算部))
仮想圧延ライン設定計算部32は、第1モデル式と同様のモデル式(第2モデル式と称する。)を有し、第2モデル式を用いて、シミュレーション条件を達成するように、アクチュエータ群の制御目標値や仮想金属材料の状態予測値とを算出する。以下、詳細に説明する。((Virtual rolling line setting calculation part))
The virtual rolling line setting
仮想圧延ライン設定計算部32は、シミュレーション条件設定部31で与えられる各目標値に追従するように、仮想圧延ラインで仮想金属材料を圧延するための各プロセスの設定値、および、時々刻々の金属材料の寸法、位置、温度を計算する。
The virtual rolling line setting
図8は、仮想圧延ライン設定計算部32が有するモデル群とモデルパラメータテーブル群とを示す図である。仮想圧延ライン設定計算部32は、モデル群としてプロセスモデル、搬送モデル、温度モデル、材質モデルを有する。プロセスモデルは、加熱装置、圧延装置、冷却装置などの各圧延プロセスの設定値を計算する。搬送モデルは、各時刻における仮想金属材料の位置を計算する。温度モデルは、各場所の各時刻における仮想金属材料の温度を計算する。材質モデルは、合金組成、加工履歴、温度に基づき、仮想圧延ライン上の各場所の各時刻における金属材料のミクロ組織および最終製品材質を予測する。また、仮想圧延ライン設定計算部32は、上記の各モデルのパラメータを保存するモデルパラメータテーブル群を記憶するデータベース等の記憶装置を有し、各モデル式を連成計算する。
FIG. 8 is a diagram illustrating a model group and a model parameter table group included in the virtual rolling line setting
プロセスモデルは、搬送モデルが与える各場所の各時刻における仮想金属材料の位置、および温度モデルが与える各場所の各時刻における仮想金属材料の温度の情報を用い、シミュレーション条件設定部31が与える目標値を追従するような、加熱炉11の設定温度パターン、圧延のパススケジュール、ロールギャップ、時々刻々の仮想金属材料の加工履歴、寸法および形状、圧延速度、各種スプレーのON/Off設定および流量設定、ランアウトテーブル17の冷却設定を計算する。
The process model uses information on the position of the virtual metal material at each time at each location given by the transfer model and the temperature of the virtual metal material at each time at each location given by the temperature model, and a target value given by the simulation
搬送モデルは、各プロセス間の距離やプロセスモデルが与えるパススケジュールを用いて、各場所の各時刻における仮想金属材料の位置を計算する。また、搬送モデルは、温度モデルが与える仮想金属材料の温度情報を用いて、各目標温度を追従するような搬送速度を計算する。 The transfer model calculates the position of the virtual metal material at each time at each location using the distance between the processes and the path schedule given by the process model. In addition, the transport model calculates the transport speed that follows each target temperature using the temperature information of the virtual metal material given by the temperature model.
温度モデルは、各プロセスにおける仮想金属材料の寸法情報、機械諸元の情報と、シミュレーション条件設定部31やプロセスモデルから与えられるパススケジュール、ロールギャップ、圧延速度、搬送速度、圧延ライン途中の加熱装置への昇温パターンなどの指令値の情報などから、仮想圧延ライン上の各場所の各時刻における仮想金属材料の温度を計算する。
The temperature model includes virtual metal material dimension information in each process, machine specification information, a path schedule given from the simulation
材質モデルは、プロセスモデルが与える仮想金属の加工履歴および温度モデルが与える温度履歴の情報を用いて、圧延プロセス中および巻き取り後の仮想金属材料のミクロ組織を予測する。予測されるミクロ組織は、例えば、粒径、転位密度、オーステナイト、フェライト、パーライトなどの各組織の分率である。さらに、ミクロ組織予測結果を基に降伏応力や引張強さなどの機械的性質に関わるパラメータを計算する。冶金現象を数式化したミクロ組織予測モデルには、様々なものが提案されており、静的回復、静的再結晶、動的回復、動的再結晶、粒成長などを表す数式群からなるものが広く知られている。一例が、塑性加工技術シリーズ7板圧延(コロナ社)198〜229頁に掲載されている。金属組織情報および合金組成から、降伏応力や引張強さなどの機械的性質に代表される材質を予測できることが広く知られている。一例が、第173、174回西山記念技術講座「熱延鋼材の組織変化および材質の予測」((社)日本鉄鋼協会刊)の125頁に掲載されている。 The material model predicts the microstructure of the virtual metal material during and after the rolling process by using the processing history of the virtual metal given by the process model and the temperature history information given by the temperature model. The predicted microstructure is, for example, the fraction of each structure such as particle size, dislocation density, austenite, ferrite, pearlite and the like. Furthermore, parameters related to mechanical properties such as yield stress and tensile strength are calculated based on the microstructure prediction results. A variety of microstructure prediction models that formulate metallurgical phenomena have been proposed and consist of a group of mathematical expressions that represent static recovery, static recrystallization, dynamic recovery, dynamic recrystallization, grain growth, etc. Is widely known. An example is described in pages 198 to 229 of the plastic working technology series 7 plate rolling (Corona). It is widely known that materials represented by mechanical properties such as yield stress and tensile strength can be predicted from metallographic information and alloy composition. An example is published on page 125 of the 173rd and 174th Nishiyama Memorial Technology Course “Structural Change and Material Prediction of Hot Rolled Steel” (published by Japan Iron and Steel Institute).
上記のプロセスモデル、搬送モデル、温度モデル、材質モデルは、熱間圧延の実操業に用いられる設定計算機23に内在するモデル式(第1モデル式)と同じ関数で表される。例えば、近年では、仮想計算機環境(Virtual Machine)によって、計算機のアーキテクチャを全てコピーし、異なる計算機上に仮想的に実現する方法が広く使われている。これによれば、実操業に用いられる設定計算機23のモデル式(第1モデル式)、およびそのモデルパラメータを管理するデータベース構造を、圧延シミュレーション装置24に移植することができる。そのため、圧延シミュレーション装置24は、第1モデル式と同様のモデル式(第2モデル式)を有する。モデル式は、入力変数、機械定数、調整項を入力とした関数で、以下の式で表される。
The process model, the transfer model, the temperature model, and the material model are represented by the same function as the model formula (first model formula) inherent in the setting
ここで、
f:学習項を含まないモデル式
Y:学習項を含まないモデル式の出力
Xi:モデル式fに関わる入力変数
mi:機械定数
aj:調整項here,
f: Model expression that does not include learning term Y: Output of model expression that does not include learning term X i : Input variable m i related to model expression f: Machine constant a j : Adjustment term
入力変数は、モデル出力に相関のある物理量である。たとえば、モデル出力が圧延荷重の場合、変形抵抗、圧延材の幅、圧下量などが入力変数にあたる。機械定数は、圧延ロールのロール径、ミルカーブ、スプレー流量など、機械特性を表す物理量である。機械定数は、ロール替え、定期修理、設備更新、経年変化などによって変化する。実操業では、機械定数は、実操業に用いられる設定計算機23に属するデータベースのテーブルで管理され、上記の変化に伴い、随時修正される。調整項は、モデル式の予測精度を高めるための項である。調整項は、モデル誤差縮小のために設けられ、補正が許されている係数や定数である。調整項は、モデル誤差の生じやすい因子、例えば、鋼種、目標板厚、目標板幅、目標温度などで区分された層別テーブルを用いて層別毎に実操業に用いられる設定計算機23に属するデータベース内に管理される。調整項は、実操業においては、操業立ち上げ時の他は、主に、新しい鋼種の圧延時や、新しいプロセスパラメータの組み合わせで圧延される場合に調整される。エンジニアが経験や実操業の数値解析結果に基づいて調整する場合や、近年では、ニューラルネットなどの統計的手法も用いて、半自動調整される場合がある。
The input variable is a physical quantity correlated with the model output. For example, when the model output is a rolling load, the deformation resistance, the width of the rolled material, the amount of reduction, and the like are input variables. The mechanical constant is a physical quantity representing mechanical characteristics such as a roll diameter of a rolling roll, a mill curve, and a spray flow rate. The machine constant changes due to roll change, periodic repair, equipment replacement, aging, and the like. In actual operation, the machine constant is managed by a database table belonging to the setting
実操業の熱間圧延プロセスでは、圧延ライン1の随所に各種センサを設置し、温度、形状、板厚、板幅、圧延荷重などプロセス制御に影響を及ぼすパラメータの実績値を監視、収集する。これらの実績値は、プロセス制御やモデル式(第1モデル式)の精度向上、品質管理に用いられる。設定計算のモデル予測値と、各種センサで取得した実績値や、実績値と計算値から再計算された実績計算値とを比較して、モデル式を学習させ、モデル式の精度とモデル式を用いた制御精度を向上させる方法が用いられている。学習項は、モデルの出力と、実際のプロセスの出力との誤差を埋めるために、モデル式に対して乗算または加算される。乗算型と加算型は、それぞれ、以下のように表される。 In the actual hot rolling process, various sensors are installed in the rolling line 1 to monitor and collect the actual values of parameters that affect the process control, such as temperature, shape, plate thickness, plate width, and rolling load. These actual values are used for process control, accuracy improvement of the model formula (first model formula), and quality control. Compare the model predicted value of the setting calculation with the actual value acquired by various sensors, the actual value and the actual calculated value recalculated from the calculated value, and learn the model formula. A method for improving the used control accuracy is used. The learning term is multiplied or added to the model expression to fill in the error between the model output and the actual process output. Each of the multiplication type and the addition type is expressed as follows.
乗算型:
YL=Zp・Y (2)
加算型:
YL=Y+ZA (3)Multiplication type:
Y L = Z p · Y (2)
Addition type:
Y L = Y + Z A (3)
ここで、
YL:学習されたモデル式の予測結果
Y:学習項を含まないモデル式の出力
Zp:乗算型学習項
ZA:加算型学習項here,
Y L : Prediction result of learned model expression Y: Output of model expression not including learning term Z p : Multiplicative learning term Z A : Additive learning term
学習項は、モデル式の出力にあたるパラメータの実績値を、センサ等で得て更新される。例えば、乗算型では、以下のように学習項が更新される。 The learning term is updated by obtaining the actual value of the parameter corresponding to the output of the model formula with a sensor or the like. For example, in the multiplication type, the learning term is updated as follows.
ここで、
ZP ACT:実績値に基づいて計算した乗算型学習項
YACT:モデル式出力に準ずるパラメータの実績値
Y:学習項を含まないモデル式出力
ZP NEW:更新後の乗算型学習項
ZP OLD:更新前の乗算型学習項
α:平滑化ゲインhere,
Z P ACT : Multiplying learning term Y ACT calculated based on the actual value Y ACT : Actual value of parameter according to the model equation output Y: Model equation output not including the learning term Z P NEW : Multiplicative learning term Z P after update OLD : multiplication learning term before update α: smoothing gain
学習項は、モデル誤差の生じやすい因子、例えば、鋼種、目標板厚、目標板幅、目標温度などで区分された層別テーブルを用いて層別毎に、自動的に更新される。圧延材のミクロ組織の変化および最終製品の機械的性質を予測するミクロ組織の材質予測モデルについては、一部の製品コイルに対して実施される引張試験や組織観察など機械的性質の測定試験結果で得られる機械的性質の実績値を用いてモデルを学習する。実操業の設定計算に用いられるモデル式(第1モデル式)のモデルパラメータ、つまり、機械定数、調整項、学習項は、実操業の設定計算機23に属するデータベースで管理される。
The learning term is automatically updated for each stratification using a stratification table divided by factors that are likely to cause model errors, such as steel type, target plate thickness, target plate width, target temperature, and the like. Regarding the microstructure prediction model for predicting changes in the microstructure of the rolled material and mechanical properties of the final product, the results of mechanical properties measurement tests such as tensile tests and structural observations performed on some product coils The model is learned using the actual values of mechanical properties obtained in step (1). Model parameters of the model formula (first model formula) used in the actual operation setting calculation, that is, machine constants, adjustment terms, and learning terms are managed in a database belonging to the actual
図8の圧延シミュレーション装置24の仮想圧延ライン設定計算部32が内在するプロセスモデル、搬送モデル、温度モデル、材質モデルのモデル式(第2モデル式)には、熱間圧延の実操業に用いられる設定計算機23に内在するモデル式(第1モデル式)と同じ定義の関数が使用される。また、機械定数、調整項、学習項の各パラメータが層別に格納されるモデルパラメータテーブル群は、仮想圧延ライン設定計算部32に属するデータベースで管理される。仮想圧延ライン設定計算部32に属するデータベースのテーブルは、実操業に用いられる設定計算機23に属するデータベース内の、機械定数、調整項、学習項を格納するテーブルと同じ構造を有する。
The model model (second model formula) of the process model, the transfer model, the temperature model, and the material model in which the virtual rolling line setting
((パラメータ更新部))
図9は、パラメータ更新部33が実行する処理について説明するための図である。パラメータ更新部33は、第1モデル式のモデルパラメータ群が更新された場合に、第1モデル式のモデルパラメータ群に基づいて、第2モデル式のモデルパラメータ群を更新する。以下、詳細に説明する。((Parameter update part))
FIG. 9 is a diagram for explaining processing executed by the
パラメータ更新部33では、図9に示すように、仮想圧延ライン設定計算部32のモデル式のモデルパラメータ、すなわち、機械定数、調整項、学習項を、実操業の設定計算機23に属するデータベースのパラメータテーブル群に格納されているパラメータに基づき更新する。シミュレーションでは、実際の圧延操業のプロセス制御と異なり、プロセスの各所に設置したセンサで得られる荷重や温度、寸法の実績値や製品コイルの機械的性質の実績値を得られない。シミュレーションによる計算やデータベースへの読み書きによる負荷が、実操業の設定計算に影響を及ぼさないようにする必要がある。そのため、シミュレーションでは、実操業に用いられる設定計算機23やそのデータベースは用いられず、シミュレーション専用の計算機およびデータベースが用いられる。そのため、第2モデル式内の機械定数、調整項、学習項は、実操業に用いられる設定計算機23の第1モデル式と同じタイミングでは、更新されない。パラメータ更新部33は、実操業の設定計算に影響を及ぼさず、かつ、実操業の設定計算と同等のモデル精度が確保されるように、シミュレーションの仮想圧延ライン設定計算部32の第2モデル式のモデルパラメータ、すなわち、機械定数、調整項、学習項を更新する。
In the
図10は、パラメータ更新部33の構成を示すブロック図である。パラメータ更新部33は、図10に示すように、更新タイミング指定部41、更新パラメータ選択部42、パラメータコピー部43を備える。更新タイミング指定部41は、シミュレータのパラメータを更新するタイミングを自動的に指定する。例えば、実操業において設定計算機23で計算が実行されないタイミングを指定する。更新パラメータ選択部42は、更新するパラメータを選択する。例えば、第2モデル式のモデルパラメータ群のうち、仮想圧延ライン設定計算部32におけるシミュレーション条件を用いたモデル計算に必要な一部のモデルパラメータ群を選択する。パラメータコピー部43は、更新タイミング指定部41から得た更新タイミングで、更新パラメータ選択部42で選択された一部のモデルパラメータ群についてのみ、実操業の設定計算機23に属するデータベースに格納されている第1モデル式のモデルパラメータ群からコピーする。
FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration of the
ところで、実操業の設定計算では、圧延操業中は、1本の圧延材に対して、加熱炉在炉中には設定計算の試計算が実行され、加熱炉抽出時にアクチュエータのセットアップのための設定計算が実行され、抽出後も実績値を収集しながらその値に基づき、数回から数十回の設定計算が繰り返し実行される。使用されるパラメータ、収集される実績値、設定計算の出力も膨大でかつ頻繁なため、データベースへの読み書きの負荷が大きい。さらに、当該圧延材前後の数本の圧延材に対しても同様の設定計算やデータベースへの読み書きが行われるため、その設備の圧延ピッチ、収集データ点数などに基づき、計算タイミングやデータベースへのアクセス方法やタイミングは綿密に設計され、管理されている。 By the way, in setting calculation of actual operation, during rolling operation, a trial calculation of setting calculation is executed for one rolled material in the furnace, and setting for setting up the actuator at the time of heating furnace extraction is performed. The calculation is executed, and after the extraction, the actual value is collected and the setting calculation is repeated several to several tens of times based on the value. Since the parameters used, the actual values collected, and the output of setting calculations are enormous and frequent, the load of reading and writing to the database is large. In addition, since the same setting calculation and reading / writing to the database are performed for several rolled materials before and after the rolled material, the calculation timing and access to the database are based on the rolling pitch of the equipment and the number of collected data points. Methods and timing are carefully designed and controlled.
しかし、圧延ラインが停止する時間、例えば、数時間毎の頻度で数十分間ラインを停止させるロール替えの期間や、数日ないしは数週間毎の頻度で数時間から数十時間ラインを停止させる定期修理の期間は、設定計算機23の計算負荷やデータベースへの読み書きがなくなる、もしくは、負荷や読み書きの頻度が著しく低下する。圧延シミュレーション装置24のパラメータ更新部33に内在する更新タイミング指定部41によって、上記の実操業でのロール替え、定期修理、設備更新の期間を、圧延シミュレーション装置24のモデルパラメータの更新タイミングとして選択すれば、実操業の設定計算に影響を与えない。
However, when the rolling line stops, for example, a roll change period in which the line is stopped for several tens of minutes at a frequency of several hours, or a line is stopped for several hours to several tens of hours at a frequency of several days or weeks. During the period of the regular repair, the calculation load of the setting
実操業の設定計算に用いられるモデルパラメータ(機械定数、調整項、学習項)は、それぞれ更新されるタイミングが異なる。たとえば、機械定数のうち、圧延ロールの初期ロール径は、数時間おきのロール替え毎に変更される。機械定数でも、圧延機の伸びの指標となるミルカーブは、数ヶ月ないしは数年単位の比較的長期スパンで更新される。各種スプレーの流量は、経年変化するが、変化量が緩やかであり、また、流量計が予め設置されていない場合、流量を計測することは難しい。そのため、各種スプレーの流量は、不具合が生じた場合や設備を更新する場合など、特別な事情がない限り計測されない。調整項は、操業立ち上げ時の他は、主に、新しい鋼種の圧延時や、新しいプロセスパラメータの組み合わせで圧延される場合に調整される。学習項は、これらのうち、最も更新頻度が高い。学習項は、モデル誤差の生じやすい因子、例えば、鋼種、目標板厚、目標板幅、目標温度などで区分された層別テーブルで圧延毎に管理されており、圧延毎に、当該圧延に関わるモデル式の該当する層の学習項が更新される。実操業に用いられるモデルパラメータの更新頻度と同等の頻度で、圧延シミュレーション装置24で用いられるモデルパラメータを更新すれば、実操業の圧延を精度よく模擬できる。
The model parameters (machine constants, adjustment terms, learning terms) used for the actual operation setting calculation are updated at different timings. For example, among the mechanical constants, the initial roll diameter of the rolling roll is changed every time the roll is changed every several hours. Even with the machine constant, the mill curve, which is an indicator of the elongation of the rolling mill, is updated over a relatively long span of several months or years. The flow rates of various sprays change over time, but the amount of change is gradual, and it is difficult to measure the flow rate if a flow meter is not installed in advance. Therefore, the flow rates of various sprays are not measured unless there are special circumstances, such as when a malfunction occurs or when equipment is updated. The adjustment term is adjusted not only at the time of starting the operation, but mainly when rolling a new steel type or rolling with a combination of new process parameters. Of these, the learning term has the highest update frequency. The learning term is managed for each rolling by a stratified table divided by factors that are likely to cause model errors, such as steel type, target plate thickness, target plate width, target temperature, etc. The learning terms in the corresponding layer of the model formula are updated. If the model parameters used in the rolling
図11は、圧延シミュレーション装置24で用いられるモデルパラメータを最新の状態に更新するのに好適な更新タイミングを示す図である。例えば、図11に示すタイミングで、圧延シミュレーション装置24で用いられる各パラメータに、実操業のパラメータと同じ値をコピーする。実操業においては、調整項や学習項は、それぞれ定期修理時およびロール替え時よりも高い頻度で、もしくは、異なるタイミングで更新される可能性がある。しかし、これらのパラメータの数は膨大であるため、全てのパラメータの自動更新は、実操業の圧延が停止しているタイミングにすべきである。一方、圧延シミュレーション装置24では、シミュレーション条件設定部31で与えるシミュレーション対象の圧延材の寸法や合金組成、目標製品寸法や材質や、圧下率配分や冷却パターンなどの圧延操業プロセスのパラメータなどを含むシミュレーション条件から、実行するシミュレーションに必要なモデルパラメータが明らかである。よって、シミュレーション実行時に、シミュレーションに必要な調整項および学習項を最新の状態に更新すれば、その条件での実操業の圧延を精度よく模擬できる。
FIG. 11 is a diagram showing an update timing suitable for updating the model parameters used in the rolling
図12は、シミュレーション実行指令を受けた場合に、シミュレーションに必要な調整項および学習項を最新の状態に更新する処理の1つの具体例を示す図である。まず、シミュレーション条件のうち合金組成、目標板厚などから、シミュレーションに用いる仮想圧延材の鋼種と板厚区分を識別する。図12に示す例では、シミュレーション条件設定部31は、シミュレーション条件として鋼種=C、0.1≦板厚<0.3を設定する。
FIG. 12 is a diagram illustrating one specific example of the process of updating the adjustment term and the learning term necessary for the simulation to the latest state when a simulation execution command is received. First, the steel type and the plate thickness classification of the virtual rolled material used for the simulation are identified from the alloy composition, the target plate thickness, etc. among the simulation conditions. In the example shown in FIG. 12, the simulation
実操業の設定計算機23に属するデータベースのテーブル群と、圧延シミュレーション装置24に属するデータベースのテーブル群とは、同じテーブル構造を有し、データベース間でデータをコピーすることができる。データベースは、調整項のテーブル群、学習項のテーブル群、機械定数のテーブル群を有する。図12に示す例では、更新パラメータ選択部42は、双方のテーブル群から、鋼種=C、かつ、0.1≦板厚<0.3であるパラメータを更新パラメータとして選択する。更新パラメータは、更新タイミング指定部41とパラメータコピー部43に通知される。更新タイミング指定部41は、選択されたパラメータの更新が、実操業の設定計算に影響しないことを確認する。影響しない場合には、更新タイミングを指定してパラメータコピー部43に通知する。そして、パラメータコピー部43は、指定された更新タイミングで、選択された更新パラメータを、実操業の設定計算機23に属するデータベースから、圧延シミュレーション装置24に属するデータベースにコピーする。
The database table group belonging to the actual
(フローチャート)
図13は、仮想圧延ライン設定計算部32に内在される各モデルのパラメータを、実操業で用いられる最新のパラメータと同じ値に更新する処理ルーチンのフローチャートである。この処理ルーチンは、パラメータ更新部33により繰り返し実行される。(flowchart)
FIG. 13 is a flowchart of a processing routine for updating the parameters of each model inherent in the virtual rolling line setting
ステップS131において、パラメータ更新部33は、圧延ライン1が定期修理中であるか否かを判定する。具体的には、更新タイミング指定部41は、制御用コントローラ21または設定計算機23に、圧延ライン1が定期修理中であるかを問い合わせる。更新タイミング指定部41は、問い合わせ結果に基づいて、圧延ライン1が定期修理中であるか否かを判定する。定期修理中である場合には、ステップS132の処理が実行される。定期修理中でない場合には、ステップS133の処理が実行される。
In step S131, the
ステップS132において、パラメータ更新部33は、全てのモデルパラメータを更新パラメータとして選択する。定期修理時には、仮想圧延ライン設定計算部32に内在される全てのパラメータを、実操業設定計算機23で用いられている最新のパラメータと同じ値に更新することが好ましい。そのため、更新パラメータ選択部42は、定期修理時には全パラメータを選択する。
In step S132, the
ステップS133において、パラメータ更新部33は、ロール替えが行われた否かを判定する。具体的には、更新タイミング指定部41は、制御用コントローラ21または設定計算機23に、圧延ライン1の運転モードがロールチェンジモードであるか否かを問い合わせる。更新タイミング指定部41は、問い合わせ結果に基づいて、ロールチェンジモードであるか否かを判定する。ロールチェンジモードである場合には、ステップS134の処理が実行される。ロールチェンジモードでない場合には、ステップS135の処理が実行される。
In step S133, the
ステップS134において、パラメータ更新部33は、ロールに関する機械定数および全ての学習項を更新パラメータとして選択する。具体的には、更新パラメータ選択部42は、ロールに関する機械定数および全ての学習項を更新すべきモデルパラメータとして選択する。
In step S134, the
ステップS135において、パラメータ更新部33は、シミュレーション実行指令がなされたか否かを判定する。具体的には、パラメータ更新部33の更新タイミング指令部41は、シミュレーション条件設定部31に、シミュレーション条件が入力されてシミュレーション実行指令がなされたか否かを問い合わせる。パラメータ更新部33は、問い合わせ結果に基づいて、シミュレーション実行指令がなされたか否かを判定する。シミュレーション実行指令がなされた場合には、ステップS136の処理が実行される。
In step S135, the
ステップS136において、パラメータ更新部33は、シミュレーションの計算実行前に、シミュレーション条件に関わる学習項、調整項を更新パラメータとして選択する。具体的には、更新パラメータ選択部42は、シミュレーション条件に関わる学習項、調整項を更新すべきモデルパラメータとして選択する。
In step S136, the
ステップS137において、パラメータ更新部33の更新タイミング指定部41は、更新パラメータ選択部42が選択しているパラメータの更新が、実操業の設定計算に影響を与えないかを否かを判定する。具体的には、更新タイミング指定部41は、更新パラメータ選択部42が選択しているパラメータを実操業の設定計算機23から取得する際に、設定計算機23に与える負荷を計算する。また、更新タイミング指定部41は、設定計算機23の負荷状況を確認する。これらに基づいて、更新タイミング指定部41は、パラメータ取得による負荷が生じても、実操業の設定計算に影響しないことを確認する。パラメータ更新が実操業の設定計算に影響を与えないと判断した場合には、ステップS139の処理が実行される。パラメータ更新が実操業の設定計算に影響を与えると判断した場合には、ステップS138の処理が実行される。
In step S137, the update
ステップS138において、ステップS137の判定処理の実行回数が上限回数より少ないかを判定する。判定条件が成立する場合には、指定時間経過後に、ステップS137の処理が再実行される。判定条件が成立しない場合には、本ルーチンの処理は終了される。 In step S138, it is determined whether the number of executions of the determination process in step S137 is less than the upper limit number. If the determination condition is satisfied, the process of step S137 is re-executed after the specified time has elapsed. If the determination condition is not satisfied, the process of this routine is terminated.
ステップS139において、パラメータコピー部43は、更新パラメータ選択部42によって選択されたモデルパラメータを、実操業の設定計算機23で用いられている最新のパラメータと同じ値に更新する。
In step S139, the
図14は、圧延シミュレーション装置24を用いて、合金組成および製造条件を検討する1つの手順を示すフローチャートである。
FIG. 14 is a flowchart showing one procedure for examining the alloy composition and manufacturing conditions using the rolling
まず、ステップS141において、パラメータ更新部33は、定期修理時に全てのモデルパラメータを更新する。ステップS141における処理は、上述した図13のステップS131、ステップS132の処理と同様である。
First, in step S141, the
ステップS142において、パラメータ更新部33は、ロールに関する機械定数および全ての学習項を更新する。ステップS142における処理は、上述した図13のステップS133、ステップS134の処理と同様である。
In step S142, the
ステップS143において、ユーザは、圧延シミュレーション装置24の入出力装置を用いて、シミュレーション条件を入力する。具体的には、ユーザは、シミュレーションに用いる仮想金属の初期スラブ情報(寸法、合金組成)、各種目標値(加熱炉抽出目標温度、仕上入側目標温度、仕上出側目標温度、巻取目標温度、粗圧延出側目標板厚、粗圧延出側目標板幅、目標板幅、目標板厚、目標クラウン比率、目標平坦度など)、加えてさらに詳細な条件(例えば加熱炉スラブ昇温パターン、粗出側目標温度、各パスの圧下量や圧下率配分、通板速度や加速率、ランアウトテーブルでの冷却パターン、各種スプレー設定、仕上圧延ベンダーおよびワークロールシフトなど)を必要に応じて入力する。入力されたシミュレーション条件は、シミュレーション条件設定部31に設定される。
In step S143, the user inputs simulation conditions using the input / output device of the rolling
ステップS144において、パラメータ更新部33は、シミュレーションの計算実行前に、シミュレーション条件に関わる学習項、調整項を更新する。具体的には、更新パラメータ選択部42は、シミュレーション条件に関わる学習項、調整項を更新すべきモデルパラメータとして選択する。パラメータコピー部43は、選択されたモデルパラメータを、実操業に用いられる最新のパラメータと同じ値に更新する。
In step S144, the
ステップS145において、仮想圧延ライン設定計算部32は、設定されたシミュレーション条件に基づいて仮想圧延ラインで仮想金属材料を圧延した場合の、各プロセスの設定値および各時刻の金属材料の寸法、位置、温度をプロセスモデル、搬送モデル、温度モデルを用いて計算する。さらに、仮想圧延ライン設定計算部32は、材質モデルを用いて、与えられる仮想金属の加工履歴および温度履歴の情報を入力値として、最終製品材質を予測する。また、金属組織予測モデルを用いて、仮想金属の仮想圧延中の金属組織変化が予測される。また、機械的性質予測モデルを用いて、最終的に計算される仮想金属製品の組織と合金組成を入力値として、降伏応力や引張強さなどの機械的性質などの材質が予測される。
In step S145, the virtual rolling line setting
ステップS146において、ユーザは、ステップS145での計算結果に基づいて仮想金属製品の品質を確認する。ステップS147において、ユーザは、各プロセスの設定値を確認する。また、ステップS148において、必要に応じてシミュレーション条件を変更してステップS144〜ステップS147の処理を繰り返す。ステップS149において、ユーザは、シミュレーション結果の実操業への適用を検討する。 In step S146, the user confirms the quality of the virtual metal product based on the calculation result in step S145. In step S147, the user confirms the setting value of each process. In step S148, the simulation conditions are changed as necessary, and the processes in steps S144 to S147 are repeated. In step S149, the user considers application of the simulation result to actual operation.
このような手順によれば、実操業圧延に影響を及ぼすことなく、かつ、実操業圧延を模擬した精度のよいシミュレーションが可能である。また、シミュレーション条件の変更をして上記のシミュレーションを繰り返し実施し、その結果を分析することで、実操業の加熱、圧延、および冷却条件やスラブ合金組成を改善する指針が得られる。 According to such a procedure, an accurate simulation simulating actual operation rolling is possible without affecting actual operation rolling. In addition, the simulation conditions are changed, the above simulation is repeatedly performed, and the results are analyzed to obtain guidelines for improving the heating, rolling and cooling conditions and slab alloy composition in actual operation.
1 圧延ライン
10 搬送テーブル
11 加熱炉
12 粗圧延機
13 バーヒータ
14 仕上圧延機入側温度計
15 仕上圧延機
16 仕上圧延機出側温度計
17 ランアウトテーブル
18 巻き取り機入側温度計
19 巻き取り機
20 圧延システム
21 制御用コントローラ
23 設定計算機
24 圧延シミュレーション装置
25 上位計算機
31 シミュレーション条件設定部
32 仮想圧延ライン設定計算部
33 パラメータ更新部
41 更新タイミング指定部
42 更新パラメータ選択部
43 パラメータコピー部DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (2)
前記設定計算機は、
前記圧延ラインにおける加熱、圧延、冷却、搬送の各プロセスの物理現象を表現したモデル式であって入力変数とモデルパラメータ群とを入力とする関数で表される第1モデル式を有し、
前記第1モデル式を用いて、前記金属材料を実際に圧延する実操業における製品品質や操業条件に関するプロセス条件を達成するように、前記アクチュエータ群の制御目標値と前記金属材料の状態予測値を算出し、
前記制御目標値および前記状態予測値と、前記センサ群が検出した前記制御実績値および前記状態実績値とを比較した比較値に基づいて、前記第1モデル式の前記モデルパラメータ群を随時更新し、
前記圧延シミュレーション装置は、
前記圧延ラインで前記金属材料とは別の仮想的に設定した仮想金属材料を仮想的に加熱し圧延し冷却し搬送する仮想操業における製品品質や操業条件に関するシミュレーション条件を設定するシミュレーション条件設定部と、
前記第1モデル式と同様の第2モデル式を有し、前記第2モデル式を用いて、前記シミュレーション条件を達成するように、前記アクチュエータ群の制御目標値と前記仮想金属材料の状態予測値を算出する仮想圧延ライン設定計算部と、
前記第1モデル式の前記モデルパラメータ群が更新された場合に、前記第1モデル式の前記モデルパラメータ群に基づいて、前記第2モデル式の前記モデルパラメータ群を更新するパラメータ更新部と、を備え、
前記パラメータ更新部は、
前記モデルパラメータ群を取得するに際し実操業の前記設定計算機に与える負荷が前記設定計算機の設定計算に影響しないタイミングであることを確認する更新タイミング指定部と、
前記タイミングにおいて、前記第1モデル式の前記モデルパラメータ群を、前記第2モデル式の前記モデルパラメータ群にコピーするパラメータコピー部と、
を備えることを特徴とする圧延シミュレーション装置。 A rolling line having an actuator group that heats, rolls, cools, and conveys the metal material, a control record value of the actuator group, and a sensor group that detects a record value of the state of the metal material, a control target value of the actuator group, A rolling simulation device connected to a rolling system comprising a setting computer for calculating a predicted state value of the metal material,
The setting calculator is
A model formula expressing physical phenomena of each process of heating, rolling, cooling, and conveyance in the rolling line, and having a first model formula expressed by a function having an input variable and a model parameter group as inputs,
Using the first model equation, the control target value of the actuator group and the state prediction value of the metal material are set so as to achieve process conditions relating to product quality and operation conditions in actual operation of actually rolling the metal material. Calculate
The model parameter group of the first model formula is updated as needed based on a comparison value obtained by comparing the control target value and the state predicted value with the control actual value and the state actual value detected by the sensor group. ,
The rolling simulation apparatus is
A simulation condition setting unit configured to set simulation conditions related to product quality and operation conditions in virtual operation of virtually heating, rolling, cooling, and conveying a virtual metal material that is virtually set apart from the metal material in the rolling line; ,
The second model formula is the same as the first model formula, and the control target value of the actuator group and the predicted state value of the virtual metal material are used to achieve the simulation condition using the second model formula. A virtual rolling line setting calculation unit for calculating
When the model parameter groups of the first model type is updated, based on the model parameter groups of the first model type, a parameter updating unit that updates the model parameter groups of the second model type, the Prepared,
The parameter update unit
An update timing designation unit for confirming that the load applied to the setting computer in actual operation when acquiring the model parameter group is a timing that does not affect the setting calculation of the setting computer;
A parameter copy unit for copying the model parameter group of the first model formula to the model parameter group of the second model formula at the timing;
A rolling simulation apparatus comprising:
前記第2モデル式の前記モデルパラメータ群のうち、前記仮想圧延ライン設定計算部における前記シミュレーション条件を用いたモデル計算に必要な一部のモデルパラメータ群を選択する更新パラメータ選択部と、
前記更新パラメータ選択部により選択された前記一部のモデルパラメータ群についてのみ、前記第1モデル式の前記モデルパラメータ群からコピーするパラメータコピー部と、
を備えることを特徴とする請求項1記載の圧延シミュレーション装置。 The parameter update unit
Of the model parameter group of the second model formula, an update parameter selection unit that selects a part of the model parameter group necessary for model calculation using the simulation condition in the virtual rolling line setting calculation unit,
A parameter copy unit that copies only the partial model parameter group selected by the update parameter selection unit from the model parameter group of the first model formula;
The rolling simulation apparatus according to claim 1, comprising:
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