【技术前沿】高精度冷连轧数字孪生与信息物理系统（CPS）关键技术研发及应用

项目背景

冷连轧机组作为生产高强钢、硅钢和极薄精密带钢等高端冷轧产品的主力机组，其控制系统是最复杂的工业控制系统之一。冷连轧生产控制精度要求高、动态响应时间短、轧制速度快及工艺参数多，目前仅有德国、日本掌握全套技术。我国冷连轧控制系统长期依赖引进，由于其存在封闭性和功能局限性问题，严重制约了产品的自主研发及拓展。同时，引进系统也存在静态模型精度低、系统间缺少协调控制及模型匹配性差等关键共性问题，导致板形、板厚质量超差及断面形状难以精准控制。

以钢铁共性技术协同创新中心为平台，由东北大学、北京科技大学等联合国内冷轧企业，历经二十余年，在国家重点研发计划、国家自然科学基金及校企合作项目的支持下，自主研发高精度冷连轧动态数字孪生模型，首创工业化冷连轧CPS 系统。

项目创新点

本项目的成功应用在冷轧生产主流程的智能制造“无人区”起到示范引领作用，核心创新如下：1）融合冷轧机理与大数据/机器学习等数据科学，针对冷轧生产过程板形、厚度等质量控制的关键难题，建立了冷连轧数字孪生与信息物理系统，为冷轧薄带高精度质量控制奠定了基础。2）基于工艺机理及数字孪生建模方法，首创了轧制过程的动态数字孪生模型及多目标负荷分配最优化策略，实现了复杂约束工艺条件下轧制过程的动态协同优化与控制。3）建立了板形前馈-反馈系统的多变量协调最优控制模型，自主开发了多机架多策略的厚度-张力解耦控制算法，实现了目标质量与过程参数的协调优化控制。4）首创了基于CPS 的冷连轧变接触轧制技术，提出了冷连轧非对称板形缺陷识别和局部板形缺陷控制策略，解决了凸度、楔形、边降等冷轧断面质量问题，实现冷轧带钢的断面控制。

项目推广应用效果及成果

项目成功应用于唐钢、马钢和涟钢等多条产线，搭建了冷连轧数字化核心平台，开发了数据驱动融合工艺机理的边缘过程数字孪生模型，并以其为核心形成完整的高速过程信息物理系统，大大提高了产品质量及生产效率。典型规格带钢的板形精度控制在3IU 以内、板厚精度控制在±2μm 以内、超差长度控制在5m以内，高品质硅钢同板差小于5μm 的命中率超过85%，实现了0.17mm 厚度T5镀锡基板1450m/min 的高速稳定轧制。近三年新增产值约54 亿元，新增利润约8.4 亿元。该项目授权发明专利23 件，通过国际PCT 专利3 项，登记软件著作权9 项，发表论文26 篇，出版专著4 部。2022 年12 月3 日通过中国钢铁协会组织的科技成果评价，评价委员会一致认为：该成果达到了国际领先水平。