1、第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3F O R G I N G&S T A M P I N G T E C H N O L O G Y 2023 年 3 月Mar.2023轧 制基 于 改 进 H M M 的 带 钢 热 连 轧 精 轧 过 程 故 障 检 测张 瑞 成,崔 凯 鑫,梁 卫 征(华 北 理 工 大 学 电 气 工 程 学 院,河 北 唐 山 063210)摘 要:针 对 传 统 HMM 方 法 故 障 检 测 的 准 确 率 不 高,以 及 带 钢 热 连 轧 过 程 数 据 的 非 线 性 和 混 合 高 斯 性 问 题,提 出 一 种 利 用 WT和 PCA 改
2、进 HMM 的 故 障 检 测 新 方 法。首 先,采 用 小 波 变 换 对 轧 制 数 据 进 行 去 噪 处 理,并 使 用 PCA 将 数 据 的 维 度 降 低、数 据相 关 性 减 小,可 以 有 效 减 少 模 型 训 练 的 迭 代 次 数,并 且 能 够 提 升 故 障 检 测 的 准 确 率;然 后,利 用 期 望 最 大 化 算 法 结 合 观 测 序列 训 练 得 到 WT-PCA-HMM 故 障 检 测 模 型;最 后,通 过 模 型 得 出 精 轧 工 艺 数 据 的 对 数 似 然 值 即 可 实 现 故 障 检 测。结 果 表 明:与传 统 HMM 方 法 相
3、比,WT-PCA-HMM 的 故 障 检 测 方 法 不 仅 能 够 降 低 8.1%的 误 报 率,而 且 减 少 50%的 模 型 训 练 迭 代 次 数,为故 障 的 检 测 提 供 了 新 方 法。关 键 词:带 钢;热 连 轧;故 障 检 测;小 波 变 换;主 成 分 分 析;隐 马 尔 科 夫 模 型D O I:1 0.1 3 3 3 0/j.i s s n.1 0 0 0-3 9 4 0.2 0 2 3.0 3.0 1 7中 图 分 类 号:T P 2 7 3 文 献 标 志 码:A 文 章 编 号:1 0 0 0-3 9 4 0(2 0 2 3)0 3-0 1 2 6-0 6
4、F a u l t d e t e c t i o n o f f i n i s h r o l l i n g p r o c e s s f o r h o t s t r i p r o l l i n g b a s e d o n i m p r o v e d H M MZhang Ruicheng,Cui Kaixin,Liang Weizheng(College of Electrical Engineering,North China University of Science and Technology,Tangshan 063210,China)A b s t r a
5、 c t:A new method of fault detection was proposed to improve the HMM based on WT and PCA to solve the problems of low accuracy of the traditional HMM method and the nonlinearity and mixed Gaussianity of the hot strip rolling process data.Firstly,wavelet transform was used to denoise the rolling data
6、,and PCA was used to reduce the dimensionality and correlation of the data,which can effectively reduce the number of iterations for model training and improve the accuracy of fault detection.Then,the WT-PCA-HMM fault detection model was ob-tained by using the expectation maximization algorithm comb
7、ined with the training of observed sequence training.Finally,the logarithmic likelihood values of the finishing process data was derived from the model to achieve the fault detection.The results show that the WT-PCA-HMM fault detection method can not only reduce the false alarm rate by 8.1%compared
8、with the traditional HMM method,but also reduce the number of model training iterations by 50%,which provides a new method for the fault detection.K e y w o r d s:strip steel;hot rolling;fault detection;wavelet transform;principal component analysis;hidden Markov model收 稿 日 期:2022-05-22;修 订 日 期:2022
9、-08-27基 金 项 目:河 北 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目(F2018209201);唐 山 市科 技 局 科 技 计 划 项 目(22130213G);河 北 省 省 属 高 校 基 本 科 研业 务 费 资 助 项 目(JQN2021021)作 者 简 介:张 瑞 成(1975-),男,博 士,教 授E-m a i l:rchzhang 随 着 工 业 的 快 速 发 展,工 业 流 程 的 复 杂 程 度 越来 越 高。带 钢 热 连 轧 的 精 轧 过 程 作 为 钢 铁 生 产 过 程中 必 不 可 少 的 环 节 之 一,不 仅 程 序 复 杂、动 态 性 强,
10、还 具 有 高 速、高 温、高 精 度 等 特 性。这 也 导 致 精 轧工 艺 成 为 故 障 率 高 且 危 险 性 较 大 的 生 产 过 程。因 此,精 轧 过 程 需 要 引 入 更 加 精 准 的 故 障 检 测 方 法 来 稳 定生 产 的 高 效 运 行1。振 动 信 号 一 般 被 分 为 频 域 和 时 域 两 方 面。傅 里叶 变 换(Fourier Transform,FT)常 用 来 提 取 频 域 信息,主 要 应 用 在 时 域 信 号 扰 动 较 大 从 而 需 要 处 理 频域 信 号 的 情 况2。但 FT 对 时 域 信 号 或 突 变 和 非 平稳 信
11、号 的 处 理 效 果 不 佳。小 波 变 换(Wavelet Trans-form,WT)能 够 兼 顾 时 域 和 频 域 的 信 息,且 对 于 非平 稳 信 号 来 说,也 具 有 很 强 的 处 理 能 力3。目 前,生 产 过 程 普 遍 比 较 复 杂,精 确 的 机 理 模型 很 难 建 立,因 此,越 来 越 多 的 基 于 数 据 的 方 法 开始 涌 现 出 来4。在 带 钢 热 连 轧 领 域 中,变 量 的 复 杂特 性 主 要 包 括 非 高 斯 性、动 态 性 以 及 时 变 性5。目前,基 于 数 据 的 方 法 主 要 以 主 成 分 分 析(Principa
12、l Component Analysis,PCA)、典 型 变 量 分 析(Canon-ical Variate Analysis,CVA)、独 立 成 分 分 析(Inde-pendent Component Analysis,ICA)为 主。如 果 单 独使 用 PCA 或 核 PCA,检 测 故 障 的 效 果 比 较 好,但 要求 数 据 必 须 符 合 高 斯 分 布6-8。CVA 和 ICA 方 法 能够 在 工 业 过 程 数 据 中 提 取 独 立 源,但 是 应 用 在 动 态过 程 中 效 果 并 不 理 想9-10。隐 马 尔 科 夫 模 型(Hidden Markov
13、Model,HMM)是 越 来 越 常 见 的 以 数 据 和 概 率 为 基 础 的 检 测 方 法。由 于 其 具 有 严 密 的 数 学 理 论、强 大 的 建 模 能 力,因此,不 仅 能 对 未 知 状 态 进 行 准 确 地 识 别,还 比 较 善于 处 理 信 息 丰 富、非 平 稳 性 强 且 信 息 难 以 重 复 出 现的 信 号11。文 献 12 针 对 HMM 中 的 BW 算 法 容易 产 生 局 部 极 值 从 而 导 致 模 型 诊 断 结 果 精 度 不 够 的问 题,提 出 通 过 惯 性 权 重 因 子 来 改 进 粒 子 群 算 法 的 方法,达 到 了
14、提 升 诊 断 效 率 和 精 度 的 目 的。文 献 13通 过 小 波 分 解 和 HMM 结 合 达 到 定 位 轴 承 故 障 位 置 和诊 断 故 障 严 重 程 度 的 目 的,采 用 小 波 分 解 对 数 据 进 行处 理 得 到 检 测 指 标 向 量,使 用 HMM 对 不 同 状 态 建模,最 后 对 实 时 数 据 使 用 HMM 进 行 故 障 程 度 的 识别。文 献 14 针 对 汽 车 排 气 系 统 的 数 据 特 点,将HMM 处 理 后 的 数 据 输 出 作 为 贝 叶 斯 网 络 的 经 验,用于 故 障 检 测 和 故 障 预 测,达 到 了 提 高
15、 故 障 检 测 速 度 的目 的。在 铲 运 机 领 域 中,针 对 故 障 信 息 难 以 准 确 表 达而 影 响 铲 运 机 故 障 预 测 和 识 别 的 情 况,文 献 15 使用 最 小 二 乘 改 进 的 支 持 向 量 机 对 数 据 进 行 优 化,使 用HMM 对 铲 运 机 被 优 化 的 数 据 进 行 识 别,提 升 了 铲 运机 电 气 系 统 故 障 预 测 的 准 确 率。文 献 16 针 对 经 验模 态 分 解(Empirical Mode Decomposition,EMD)容易 出 现 模 态 混 叠 的 问 题,提 出 通 过 集 合 经 验 模 记
16、 分 解(Ensemble Empirical Mode Decompostion,EEMD)来得 到 各 阶 固 有 模 态 分 量,然 后 通 过 HMM 进 行 故 障 识别 和 诊 断,这 样 能 够 更 加 精 确 地 对 故 障 进 行 识 别 和 诊断。HMM 在 很 多 领 域 中 均 有 应 用,但 在 带 钢 热 连 轧领 域 的 应 用 较 少。尽 管 HMM 适 合 处 理 带 钢 热 连 轧 领域 的 数 据,但 此 方 法 仍 存 在 故 障 识 别 准 确 率 不 高、模 型 训 练 复 杂 的 问 题。因 此,引 入 了 WT 和 PCA 的方 法 对 HMM
17、进 行 了 改 进。首 先,使 用 WT 对 数 据 进 行 去 噪,使 用 PCA 方法 降 低 数 据 的 相 关 性、减 少 数 据 的 维 度,以 减 少 模型 训 练 迭 代 次 数,并 提 升 故 障 检 测 的 准 确 率。然 后,训 练 HMM 并 保 存 精 轧 工 艺 正 常 数 据 的 对 数 似 然(Log-Likelihood,LL)值。最 后,利 用 精 轧 工 艺WT-PCA-HMM 对 实 时 数 据 进 行 故 障 检 测。1 带 钢 热 连 轧 过 程 介 绍带 钢 热 连 轧 系 统 是 一 个 十 分 复 杂 的 动 态 工 艺 流程,其 工 艺 流 程
18、 如 图 1 所 示。在 粗 轧 阶 段,钢 板 的厚 度 会 大 幅 度 减 小,因 此,钢 板 长 度 会 成 比 例 地增 加。钢 板 通 过 辊 道 运 输 后,为 了 避 免 工 作 辊 损坏,需 要 飞 剪 对 钢 板 的 头 部 和 尾 部 进 行 切 割。然后 作 为 工 业 带 钢 热 连 轧 过 程 的 核 心 步 骤 即 精 轧 过程,将 对 钢 板 进 行 更 加 精 确 地 轧 制,使 钢 板 的 厚度 进 一 步 降 低,直 至 达 到 预 期 厚 度 要 求,此 过 程 即为 故 障 检 测 的 研 究 过 程。最 后,钢 板 经 过 层 流 冷 却设 备 后 卷
19、 成 需 要 的 产 品。图 1 带 钢 热 连 轧 工 艺 流 程 图Fig.1 Process flow chart of hot strip rolling 带 钢 热 连 轧 过 程 主 要 由 加 热、粗 轧、飞 剪、精轧、层 流 冷 却、卷 取 等 生 产 工 序 构 成。精 轧 机 架 由7 组 工 作 辊、支 撑 辊 和 液 压 压 下 装 置 构 成17。用 于检 测 轧 制 力 的 装 置 设 置 在 下 支 撑 辊 底 部。辊 缝 为 了达 到 规 定 的 出 口 厚 度 而 设 定 参 数,并 且 还 有 自 动 厚度 控 制 系 统(Automatic Gauge C
20、ontrol,AGC)及 其他 各 种 控 制 器 来 保 证 出 口 厚 度 的 精 准 控 制。连 续 可变 凸 度(Continuously Variable Crown,CVC)18、工作 共 移 动 轧 机19(Kawasaki-work Roll Shifting,k-WRS)和非 对 称 自 补 偿 轧 制(Asymmetry Selfcom-pensating Rolling,ASR)20工 作 辊 窜 辊 和 工 作 辊 液 压弯 辊 力 等 热 轧 板 形 控 制 技 术 对 于 带 钢 板 形 有 很 大 的 改善 作 用本 文 研 究 对 象 是 带 钢 热 连 轧 过 程 中 的 精 轧 工 艺,精 轧 工 艺 的 数 据 具 有 短 时 产 生 数 据 量 大、数 据 种 类复 杂、受 环 境 影 响 较 大 等 特 点。与 此 同 时,精 轧 工7 2 1 第 3 期 张 瑞 成 等:基 于 改 进 HMM 的 带 钢 热 连 轧 精 轧 过 程 故 障 检 测
