CN109063317B - 一种冷轧带材板形在线云图绘制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冷轧带材板形在线云图绘制方法，其包括以下步骤：S1、设定带材宽度方向上板形测量值拟合个数，S2、建立求取拟合板形测量值的数学模型，S3、确定拟合后板形测量值的横坐标位置及板形值，S4、建立板形值与颜色映射关系，S5、得到冷轧板形在线云图监控系统，并利用冷轧板形在线云图监控系统进行冷轧带材板形在线云图绘制。本发明提供一种冷轧带材板形在线云图绘制方法，该方法通过引入分段低次插值方法将带材宽度方向上板形测量值进行了插值拟合，形成了更密集的板形数据信息。建立了扩充后的板形数据与颜色值之间的映射关系，结合实际板形缺陷在整个带材宽度方向上的分布情况给出了冷轧带材板形云图的绘制模型。

Description

一种冷轧带材板形在线云图绘制方法

技术领域

本发明属于冶金轧制技术领域，特别涉及一种冷轧带材板形在线云图绘制方法。

背景技术

由于来料及轧制工艺设备自身特点的影响，轧制过程中的带材会沿宽度方向发生不均匀的纵向延伸变形，导致成品带材出现瓢曲、浪形等板形缺陷问题。科学定量的表示板形，既是生产中衡量板形质量的需要，也是研究板形问题和实现高精度板形自动控制的前提条件。

随着下游用户对带材板形质量要求的不断提高，完善和发展现有的板形质量评价方法对成品带材板形控制效果的提高具有重要意义。

围绕带材板形质量的改进、板形表征及评价方法，许多学者通过建立数学模型、力学仿真等方法进行定量分析[1-5]。但这些方法主要聚焦于如何通过数学方法将实测带材板形准确转换为板形控制系统的输入信号，虽然可以保证板形自动控制过程对板形输入信号精度的要求，但忽略了人机交互过程的友好性及后续生产数据分析方面的高效性和直观性需求。带材板形控制质量的在线统计方式仍然是以各测量段延伸率的标准差曲线或算数平均数曲线来表征整个带材的板形测量值和控制偏差分布，无法反映整体板形分布情况及每个测量区域的板形变化趋势，不利于生产中对控制系统进行及时优化调整和后续的生产数据分析。本发明基于可视化技术提出了一种带材板形的在线彩色云图表征方法，可以在线直观的表征整个带材宽度范围内的板形分布及其变化趋势。不仅可以用于评估轧机的板形控制能力和板形控制系统的控制效率，也有助于建立和完善板形自动控制的数学模型。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种冷轧带材板形在线云图绘制方法，该方法通过引入分段低次插值方法将带材宽度方向上板形测量值进行了插值拟合，形成了更密集的板形数据信息。建立了扩充后的板形数据与颜色值之间的映射关系，结合实际板形缺陷在整个带材宽度方向上的分布情况给出了冷轧带材板形云图的绘制模型。

具体地，本发明提供一种冷轧带材板形在线云图绘制方法，其包括以下步骤：

S1、设定带材宽度方向上板形测量值拟合个数，具体包括以下步骤：

S11、在带钢宽度方向上每两个连续测量点之间插值若干个新的板形值，形成密集板形信息；

S12、在一个采集周期内，在带材宽度方向上插入m个板形拟合数据，拟合点的插入包括以下三种方式，一是在靠近操作侧边部第一个有效测量段插入m_os个拟合点，二是在靠近传动侧边部第一个有效测量段插入m_ds个拟合点，三是在这两个边部测量段之外的中部测量段区域插入m_c个拟合点，当带材宽度覆盖的有效测量段数为n时，每个有效测量段上平均插入m_avg个拟合点，各区域拟合点个数可以表示为：

m_c＝m_avg·(n-3)

m_ds＝m-m_os-m_c

式中：

代表向下取整；m代表一个采样周期内在带材宽度方向上插入板形拟合数据的数目；n代表带材宽度覆盖的有效测量段数目；m_avg代表每个有效测量段上平均插入的拟合点数目；m_c代表除带材两个边部测量段之外的其余中部测量段区域插入的拟合点数目；m_os代表靠近操作侧边部第一个有效测量段插入拟合点数目；m_ds代表靠近传动侧边部第一个有效测量段插入拟合点数目；

S2、建立求取拟合板形测量值的数学模型，具体包括以下步骤：

S21、在带钢宽度方向相邻测量点之间插值出若干个板形值，使用分段线性插值原理插值出新的板形拟合数据，设已知节点a＝x₁<x₂<x₃<...<x_n＝b上的函数值f₁,f₂,f₃,...,fn，则分段线性插值函数I(x)在每两个节点区间[x_k,x_k+1]上的表示为：

式中：k为各节点序号；n代表带材宽度覆盖的有效测量段数目；I(x)代表分段线性插值函数；x_k和x_k+1代表第k个和第k+1个节点；f_k和f_k+1代表第k个和第k+1个节点的函数值；

S22、基于该插值方法，沿带材宽度方向上将每个有效测量段的位置作为横坐标，将每个测量段上的实测板形值作为纵坐标，得到平面坐标系下的带材板形值分布；

S3、确定拟合后板形测量值的横坐标位置及板形值，具体包括以下步骤：

S31、在一个采样周期内，在带材宽度方向上插入m个板形拟合数据，原来由n个实际测量点数据表征的带材板形扩展为由m个板形拟合数据进行表征，所述m个板形拟合数据由n个实际测量值和m-n个拟合数据组成；

S32、设经过拟合后的板形值为y'_x，则根据步骤S2建立的分段线性插值函数得到板形云图绘制模型如下：

式中：y'_x代表拟合后板形值；x_k和x_k+1代表第k个和第k+1个节点；y_k和y_k+1代表第k个和第k+1个节点的板形值；

S33、将拟合后的板形值按照由操作侧至传动侧的顺序依次编号，得到平面坐标系下的拟合板形值分布，即(x₁,y'₁)，(x₂,y'₂)，(x₃,y'_x)，…，(x_mos,y'_mos)，…，(x_m,y'_m)；

S4、建立板形值与颜色映射关系，把板形值转化为颜色参数，建立板形值——颜色值的数据库，在图形界面上进行绘制；

S5、得到冷轧板形在线云图监控系统，并利用冷轧板形在线云图监控系统进行冷轧带材板形在线云图绘制。

优选地，S31中在带材宽度方向上插入m个板形拟合数据的具体步骤包括以下几个步骤：

S311、在靠近操作侧边部第一个有效测量段上插入m_os个拟合点，该测量段宽度内的数据点横坐标x的表达式为：

式中：i为靠近操作侧边部第一个有效测量段上的插入点序号；m_os代表靠近操作侧边部第一个有效测量段插入拟合点数目；x_k和x_k+1代表第k个和第k+1个节点；

S312、在靠近传动侧边部第一个有效测量段插入m_ds个拟合点，同理该测量段宽度内的数据点横坐标x的表达式为：

式中：p为靠近传动侧边部第一个有效测量段上的插入点序号；n代表带材宽度覆盖的有效测量段数目；m_ds代表靠近传动侧边部第一个有效测量段插入拟合点数目；x_k和x_k+1代表第k个和第k+1个节点；

S313、在两个边部测量段之外的其余每个测量段上插入m_avg个拟合点，则每个测量段宽度内的数据点横坐标x的表达式为：

式中：j为中部区域每个测量段上的插入点序号，n代表带材宽度覆盖的有效测量段数目；m_avg代表每个有效测量段上平均插入的拟合点数目；x_k和x_k+1代表第k个和第k+1个节点。

优选地，步骤S4中映射关系如下式所示：

式中：w＝0,1,2,…,99；r_yellow,g_yellow,b_yellow分别为基准黄色的参考值；r_red,g_red,b_red分别为基准红色的参考值；r(w)，g(w)，b(w)分别是基准色黄色到基准色红色渐变过程中第w段的red，green，blue参数值。

优选地，步骤S4中确定板形值对应的颜色参数值的具体方法为：

将板形值范围[Y_min,Y_max]等分成三段数值区间，并对应三段颜色区间，Y_min和Y_max代表冷轧生产中带材板形的最小值和最大值，可以根据实际需要设置，对于某一个板形测量值y'_x，首先确定其隶属于的区间，其次在数据库中寻找板形值y'_x对应颜色的red，green，blue参数值。

优选地，步骤S5具体包括以下步骤：

S51、采用VB软件开发对象链接和嵌入用户控件OCX，将上述板形云图绘制模型封装至OCX控件中；

S52、完成OCX控件与工控组态软件的嵌入、数据的通信与存储、接口属性开发以及人机画面系统的开发。

优选地，S52具体包括以下步骤：

(1)设置控件的接口属性：根据用户需求的功能，定义接口属性，添加事件与方法；

(2)OCX控件嵌入工控组态软件：在组态软件的图形编辑器注册控件，完成FTP配置；

(3)硬件设备的通信与采集数据的储存：根据相关硬件通讯协议编写与硬件通讯的程序，并封装于OCX控件中，用户对于采集到的数据通过ODBC储存在Access数据库中；

(4)人机画面系统的开发：根据所提供的OCX控件在控制面板上绘制自己的工艺流程，包括文本、定时器、显示框以及图例，并完成界面美化。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用分段低次插值方法将带材宽度方向的板形测量值进行插值拟合，形成了更密集的板形数据信息。将板形数据与颜色值之间形成映射关系，绘制出冷轧带材板形彩色云图，使得人机交互过程更加友好，后续生产数据分析更加高效和直观。并且可以在线观测整卷带材任意区域的板形分布及变化趋势，实现对带材板形质量的在线精细监控。

附图说明

图1本发明平面坐标系下的实测带材板形值分布；

图2本发明平面坐标系下的拟合板形值分布；

图3本发明板形值与颜色映射关系；

图4本发明板形在线云图程序的工作流程图；

图5本发明板形云图监控系统在线绘制的带钢板形云图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本实施例公开的是某1450mm五机架冷连轧机组一种冷轧带材板形在线云图绘制方法处理过程。板形调节机构有轧辊倾斜、工作辊正/负弯辊、中间辊正弯辊和中间辊横移，主要控制参数及轧制参数如下表所示。

表1轧制过程主要参数

本发明提供一种冷轧带材板形在线云图绘制方法，如图4所示，其包括如下步骤：

步骤一、设定带材宽度方向上板形测量值拟合个数；

根据绘图界面实际区域面积及像素点大小决定，在一个采集周期内，在带材宽度方向上插入300个板形拟合数据，拟合后的板形测量值在带材宽度方向上分为三种分布，分别是靠近操作侧边部第一个有效测量段插入m_os个拟合点，靠近传动侧边部第一个有效测量段插入m_ds个拟合点，除了这两个边部测量段之外的其余中部测量段区域插入m_c个拟合点。由表一

数据可知，带材宽度覆盖的有效测量段数为24段，每个有效测量段上平均插入m_avg个拟合点。各区域拟合点个数如下表：

表2各区域拟合点个数

步骤二、建立求取拟合板形测量值的数学模型；

根据带材宽度和测量段宽度共同决定，由表1可知有效测量段数为24段，即在带材宽度方向上可以得到24个板形测量点数据。由操作侧至传动侧依次排列节点为x₁<x₂<x₃<...<x₂₄，对应板形实际测量值为y₁,y₂,y₃,...,y₂₄。则分段线性插值函数I(x)在每两个节点区间[x_k,x_k+1]上的表示为：

式中：k为各节点序号；n代表带材宽度覆盖的有效测量段数目；I(x)代表分段线性插值函数；x_k和x_k+1代表第k个和第k+1个节点；f_k和f_k+1代表第k个和第k+1个节点的函数值。

步骤三、确定拟合后板形测量值的横坐标位置及板形值；

在一个采样周期内，在带材宽度方向上插入300个板形拟合数据。则原来由24个实际测量点数据表征的带材板形扩展为由300个数据进行表征。靠近操作侧边部第一个有效测量段上插入13个拟合点，该测量段宽度内的数据点横坐标x的表达式为：

式中：i为靠近操作侧边部第一个有效测量段上的插入点序号；m_os代表靠近操作侧边部第一个有效测量段插入拟合点数目；x_k和x_k+1代表第k个和第k+1个节点。

靠近传动侧边部第一个有效测量段插入14个拟合点，同理该测量段宽度内的数据点横坐标x的表达式为：

式中：p为靠近传动侧边部第一个有效测量段上的插入点序号；n代表带材宽度覆盖的有效测量段数目；m_ds代表靠近传动侧边部第一个有效测量段插入拟合点数目；x_k和x_k+1代表第k个和第k+1个节点。

除了这两个边部测量段之外的其余每个测量段上插入13个拟合点，则每个测量段宽度内的数据点横坐标x的表达式为：

式中：j为中部区域每个测量段上的插入点序号，n代表带材宽度覆盖的有效测量段数目；m_avg代表每个有效测量段上平均插入的拟合点数目；x_k和x_k+1代表第k个和第k+1个节点。

设经过拟合后的板形值为y'_x，则根据步骤二设定的数学模型得表达式为：

式中：y'_x代表拟合后板形值；x_k和x_k+1代表第k个和第k+1个节点；y_k和y_k+1代表第k个和第k+1个节点的板形值；

步骤四、建立板形值与颜色映射关系；

考虑到显示效果问题，采用黄、红、绿、蓝四种颜色作为基准色，并且每两种基准颜色之间插入99个渐变色段，则共有颜色变化种类为S＝100×3种。采用的调用颜色指令函数为RGB函数，其语法格式为RGB(red，green，blue)，其中，参数red，green，blue的数值范围均为0-255。根据拉格朗日线性插值法，则可知渐变色的red，green，blue参数值。这里只以黄色到红色渐变为例说明，其他颜色渐变方法类似，具体如下式所示：

式中：w＝0,1,2,…,99；r_yellow,g_yellow,b_yellow分别为基准黄色的参考值；r_red,g_red,b_red分别为基准红色的参考值，具体数值参考表3；r(w)，g(w)，b(w)分别是基准色黄色到基准色红色渐变过程中第w段的red，green，blue参数值。

表3基准色参数值

将板形值范围[Y_min,Y_max]等分成三段数值区间，并对应三段颜色区间。这里Y_min和Y_max代表冷轧生产中带材板形的最小值和最大值，可以根据实际需要设置。板形值与颜色之间的映射关系如图3所示。现假设对于某一个板形测量值y'_x，其隶属于区间为[Y₂,Y_max]，则对应颜色的red，green，blue参数值如下式：

式中：R(y'_x),G(y'_x),B(y'_x)分别为板形值y'_x对应颜色的red，green，blue参数值。

步骤五、冷轧板形在线云图监控系统的开发；

冷轧板形在线云图监控系统开发分为两个过程，首先是使用VB软件开发对象链接和嵌入用户控件OCX，将建立的板形绘制模型封装到OCX控件中。其次是完成OCX控件与SIMATIC WinCC组态软件的嵌入、数据的通信与存储、接口属性开发以及人机画面系统的开发。

具体实施例

在某1450mm五机架冷连轧机组的板形控制系统中，已经将开发的板形云图控件OCX嵌入到该轧机的板形控制系统的人机系统中，完成了带材板形云图的实时绘制和存储。通过对比轧后带钢的实物板形，可以看出带钢除了中部区域有一窄条出现板形缺陷外，其余部分非常平直。图5为使用板形云图监控系统在线绘制的该卷带钢板形云图，图中左侧的数值代表不同颜色对应的板形值，下面的数值代表采样点位置，由图5所示，带钢的板形分布基本呈由边部向中部区域逐渐变大的趋势，靠近带钢中心区域的一个测量段板形值明显较大，说明该区域带钢发生了过大的纵向延伸，导致其出现表观板形缺陷，即与实物板形情况基本一致。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种冷轧带材板形在线云图绘制方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1、设定带材宽度方向上板形测量值拟合个数，具体包括以下步骤：

S11、在带钢宽度方向上每两个连续测量点之间插值若干个新的板形值，形成密集板形信息；

S12、在一个采集周期内，在带材宽度方向上插入m个板形拟合数据，拟合点的插入包括以下三种方式，一是在靠近操作侧边部第一个有效测量段插入m_os个拟合点，二是在靠近传动侧边部第一个有效测量段插入m_ds个拟合点，三是在这两个边部测量段之外的中部测量段区域插入m_c个拟合点，当带材宽度覆盖的有效测量段数为n时，每个有效测量段上平均插入m_avg个拟合点，各区域拟合点个数可以表示为：

m_c＝m_avg·(n-3)

m_ds＝m-m_os-m_c

式中：

代表向下取整；m代表一个采样周期内在带材宽度方向上插入板形拟合数据的数目；n代表带材宽度覆盖的有效测量段数目；m_avg代表每个有效测量段上平均插入的拟合点数目；m_c代表除带材两个边部测量段之外的其余中部测量段区域插入的拟合点数目；m_os代表靠近操作侧边部第一个有效测量段插入拟合点数目；m_ds代表靠近传动侧边部第一个有效测量段插入拟合点数目；

S2、建立求取拟合板形测量值的数学模型，具体包括以下步骤：

S21、在带钢宽度方向相邻测量点之间插值出若干个板形值，使用分段线性插值原理插值出新的板形拟合数据，设已知节点a＝x₁<x₂<x₃<...<x_n＝b上的函数值f₁,f₂,f₃,...,fn，则分段线性插值函数I(x)在每两个节点区间[x_k,x_k+1]上的表示为：

式中：k为各节点序号；n代表带材宽度覆盖的有效测量段数目；I(x)代表分段线性插值函数；x_k和x_k+1代表第k个和第k+1个节点；f_k和f_k+1代表第k个和第k+1个节点的函数值；

S22、基于该插值方法，沿带材宽度方向上将每个有效测量段的位置作为横坐标，将每个测量段上的实测板形值作为纵坐标，得到平面坐标系下的带材板形值分布；

S3、确定拟合后板形测量值的横坐标位置及板形值，具体包括以下步骤：

S31、在一个采样周期内，在带材宽度方向上插入m个板形拟合数据，原来由n个实际测量点数据表征的带材板形扩展为由m个板形拟合数据进行表征，所述m个板形拟合数据由n个实际测量值和m-n个拟合数据组成；

S32、设经过拟合后的板形值为y'_x，则根据步骤S2建立的分段线性插值函数得到板形云图绘制模型如下：

式中：y'_x代表拟合后板形值；x_k和x_k+1代表第k个和第k+1个节点；y_k和y_k+1代表第k个和第k+1个节点的板形值；

S33、将拟合后的板形值按照由操作侧至传动侧的顺序依次编号，得到平面坐标系下的拟合板形值分布，即(x₁,y'₁)，(x₂,y'₂)，(x₃,y'_x)，…，(x_mos,y'_mos)，…，(x_m,y'_m)；

S4、建立板形值与颜色映射关系，把板形值转化为颜色参数，建立板形值——颜色值的数据库，在图形界面上进行绘制；

映射关系如下式所示：

式中：w＝0,1,2,…,99；r_yellow,g_yellow,b_yellow分别为基准黄色的参考值；r_red,g_red,b_red分别为基准红色的参考值；r(w)，g(w)，b(w)分别是基准色黄色到基准色红色渐变过程中第w段的red，green，blue参数值；

S5、得到冷轧板形在线云图监控系统，并利用冷轧板形在线云图监控系统进行冷轧带材板形在线云图绘制。

2.根据权利要求1所述的冷轧带材板形在线云图绘制方法，其特征在于：S31中在带材宽度方向上插入m个板形拟合数据的具体步骤包括以下几个步骤：

S311、在靠近操作侧边部第一个有效测量段上插入m_os个拟合点，该测量段宽度内的数据点横坐标x的表达式为：

式中：i为靠近操作侧边部第一个有效测量段上的插入点序号；m_os代表靠近操作侧边部第一个有效测量段插入拟合点数目；x_k和x_k+1代表第k个和第k+1个节点；

S312、在靠近传动侧边部第一个有效测量段插入m_ds个拟合点，同理该测量段宽度内的数据点横坐标x的表达式为：

式中：p为靠近传动侧边部第一个有效测量段上的插入点序号；n代表带材宽度覆盖的有效测量段数目；m_ds代表靠近传动侧边部第一个有效测量段插入拟合点数目；x_k和x_k+1代表第k个和第k+1个节点；

S313、在两个边部测量段之外的其余每个测量段上插入m_avg个拟合点，则每个测量段宽度内的数据点横坐标x的表达式为：

式中：j为中部区域每个测量段上的插入点序号，n代表带材宽度覆盖的有效测量段数目；m_avg代表每个有效测量段上平均插入的拟合点数目；x_k和x_k+1代表第k个和第k+1个节点。

3.根据权利要求1所述的冷轧带材板形在线云图绘制方法，其特征在于：步骤S4中确定板形值对应的颜色参数值的具体方法为：

将板形值范围[Y_min,Y_max]等分成三段数值区间，并对应三段颜色区间，Y_min和Y_max代表冷轧生产中带材板形的最小值和最大值，可以根据实际需要设置，对于某一个板形测量值y'_x，首先确定其隶属于的区间，其次在数据库中寻找板形值y'_x对应颜色的red，green，blue参数值。

4.根据权利要求1所述的冷轧带材板形在线云图绘制方法，其特征在于：步骤S5具体包括以下步骤：

S51、采用VB软件开发对象链接和嵌入用户控件OCX，将上述板形云图绘制模型封装至OCX控件中；

S52、完成OCX控件与工控组态软件的嵌入、数据的通信与存储、接口属性开发以及人机画面系统的开发。

5.根据权利要求4所述的冷轧带材板形在线云图绘制方法，其特征在于：S52具体包括以下步骤：

(1)设置控件的接口属性：根据用户需求的功能，定义接口属性，添加事件与方法；

(2)OCX控件嵌入工控组态软件：在组态软件的图形编辑器注册控件，完成FTP配置；

(3)硬件设备的通信与采集数据的储存：根据相关硬件通讯协议编写与硬件通讯的程序，并封装于OCX控件中，用户对于采集到的数据通过ODBC储存在Access数据库中；

(4)人机画面系统的开发：根据所提供的OCX控件在控制面板上绘制自己的工艺流程，包括文本、定时器、显示框以及图例，并完成界面美化。

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