推荐一篇工业自动化的论文《CPS在冶金产品质量在线管控中应用》

徐钢

北京科技大学

摘要： 对于钢铁、化工等流程工业,产品在制造过程中涉及多个连续衔接的工序,每个工序都要求工艺参数的设定值和质量指标控制在确定的范围内,才能确保成品的最终质量。目前,企业对产品质量管控的主要手段是通过“事后”抽样方式来判定产品的最终品质。这种依赖于“事后”判定的方式容易出现批量的产品质量判废的问题,进而导致用户由于质量异议提出索赔和退货,中国钢铁企业每年仅质量判废和质量异议所造成的经济损失达百亿元。因此,提高产品质量稳定性是当目前钢铁企业亟待解决的关键问题。随“工业4.0”时代的来临,制造技术正逐步从自动化、数字化、网络化向智能化方向发展。作为工业4.0的重要策略—信息物理系统(信息物理融合系统,Cyber Physical System,CPS),由于其具有自主判断、自主决策、自主调控的能力,将CPS和数字孪生模型应用于流程工业的智能制造引起了业内的高度关注。冶金企业经过近十年的升级改造,在信息化系统和控制技术上取得了显著进步,多数企业都配置了ERP/MES/PCS/PLC四级信息化系统、通讯网络和检测系统。但是,现有的制造系统主要针对集中式制造模式,缺乏产品质量在线管控能力,难以实现产品质量个性化定制的智能制造要求。本论文针对流程工业在产品质量管控中存在的问题,提出将产品质量的数字孪生模型嵌入到系统级和单元级CPS中,实现产品质量的在线管控、自主判断和优化控制,从而提高钢铁产品质量的稳定性。主要研究内容如下:(1)针对工业数据中通常存在高维、强相关、非线性等特点,提出基于拉普拉斯核矩阵的非线性同等缩放算法,使得高维数据在缩放成2D数据后,其内在的非线性特征保持不变。在此基础上,利用非线性同等缩放方法构建了不同钢种所对应的工艺参数在2D空间中的映射地图,以此来实现钢种的自动判级。以汽车钢实际生产数据为例,4类牌号的钢种在线判级的准确率为97%,而传统线性PCA方法在线判级的准确率仅为90%。(2)针对工业生产过程中产品质量在线动态优化准确率低的问题,提出产品质量在线监控、诊断与优化的集成方法。首先,利用基于支持向量描述的软超球体方法进行产品质量异常点的在线识别;然后,通过贡献图对工艺参数进行诊断分析;最后,利用邻近点局部投影变换方法实现异常工艺参数的实时优化。以IF钢实际工业生产数据进行验证,新方法的质量在线判定的准确率达到99%,明显优于传统的Hotelling-T2方法。(3)针对在产品质量设计和工艺规范制定中,依赖人的经验来制定的方式,易造成产品质量偏差大,提出基于数据驱动的产品质量设计和工艺规范制定方法。首先,建立基于多类邻近域主流形学习的工艺参数设定模型,提取出潜含在数据中的主流形“管道”,根据“管道”的流向和区间大小来实现系统级CPS的产品质量设计;在此基础上,建立基于软超球体最大内接矩形的工艺规范制定模型,获得在当前工艺装备能力制约下的工艺参数有效控制区间。通过IF钢的实际生产数据验证了方法的有效性。(4)针对曲线型生产数据难以准确表征,导致模型预测精度低问题,提出基于函数型数据分析的质量预测方法。首先,对随时间连续变化的离散数据点进行函数化拟合;在获得系统行为随时间变化规律的函数后,建立工艺参数与控制目标之间的预测模型。以转炉终点控制为例,利用新模型可以实现炼钢全过程的动态预测,终点碳在±0.02%误差范围内的命中率为95%,终点温度在±20℃误差范围内的命中为90%,比现有方法的命中率提高了近10%,具有广泛的工业应用前景。以上研究是国家工信部“智能制造”专项中“钢铁全流程产品质量在线管控系统”的主要研究内容,该系统已在冶金企业4条生产线中得到成功应用。

专业介绍——智能制造

智能制造专业是一个跨学科领域，它结合了机械工程、电子工程、计算机科学、数据分析和人工智能等多个学科，以提高生产效率、降低成本、提升产品质量，并实现生产过程的自动化和智能化。下面和大家分享一下我认识的智能制造专业。

院校排名情况

根据学估结果、校友会排名等得出 ，智能制造工程专业排名靠前的院校分别为：

西安交通大学、哈尔滨工业大学、大连理工大学、北京理工大学、天津大学、清华大学、上海交通大学等等。

这些院校在智能制造领域具有较高的教学和研究水平，也具有很高的声誉和实力。

常见课程安排

智能制造专业的课程通常包括但不限于以下几个方面：

数学与自然科学基础：高等数学、线性代数、概率论与数理统计等。

工程基础知识：力学、材料科学、机械设计基础等。

专业基础知识：机械制图、机械制造技术、工程控制原理等。

智能制造专业课程：智能技术数学基础、智能制造工艺、制造系统的感知与决策、生产系统智能化技术等。

实践性教学环节：包括生产实习、课程设计、毕业设计（论文）等。

毕业生去向

智能制造工程专业的毕业生可以在多个领域寻找职业机会，包括但不限于：

根据网上公布的信息，智能制造工程技术人员在机械与自动化、国防与交通运输设备制造、信息技术等行业分布较多 ，且随着企业对智能化改造的需求增加，这一专业的毕业生有广阔的就业市场。

专业发展前景

智能制造是中国制造业转型升级的关键方向，受到国家的高度重视和政策支持。随着“中国制造2025 ”等战略的实施，智能制造工程专业的发展前景十分广阔。

预计未来5年，智能制造领域人才需求量将达到900万人 。智能制造工程专业的毕业生将有机会参与到高端装备制造业、智能产品开发、智能制造系统集成等前沿领域，推动制造业的现代化进程。

智能制造专业是一个充满机遇和挑战的领域，对于有志于在制造业发展的学生来说，是一个值得考虑的选择。

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