JP7513064B2 - Method for generating shape control actuator setting model for rolling equipment, method for setting shape control actuator for rolling equipment, method for controlling shape of steel plate, method for manufacturing steel plate, and shape control device for rolling equipment - Google Patents
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Description
本発明は、圧延設備の形状制御アクチュエータ設定モデルの生成方法、圧延設備の形状制御アクチュエータの設定方法、鋼板の形状制御方法、鋼板の製造方法、及び圧延設備の形状制御装置に関する。 The present invention relates to a method for generating a shape control actuator setting model for rolling equipment, a method for setting a shape control actuator for rolling equipment, a method for controlling the shape of a steel plate, a method for manufacturing a steel plate, and a shape control device for rolling equipment.
薄鋼板を減厚する圧延設備では、鋼板をコイル状に巻き取った鋼帯として圧延設備に装入し、鋼板を連続的に払出し、搬送しながら鋼板を圧延する。圧延工程では、鋼板を所定の寸法に制御すると共に鋼板の形状を適切に制御することが求められる。ここで、鋼板の形状とは、平坦度の意味であり、耳波や中伸びが代表的である。鋼板の形状は、圧延時に鋼板の幅方向に分布する伸び歪(長手方向歪)を面内の応力として維持できないために、座屈が生じて波形状(形状不良)として顕在化するものである。鋼板の形状不良が発生すると、製品としての品質が劣るだけでなく、圧延設備の圧延速度(ライン速度)を低下せざるを得ず生産能率が低下する。さらに、鋼板の形状不良は、鋼板の破断や絞り込みといった操業トラブルの原因にもなり得る。このため、圧延工程においては、鋼板の形状を長手方向にわたって所望の目標形状に制御することが求められる。 In a rolling facility for reducing the thickness of thin steel sheets, the steel sheet is loaded into the rolling facility as a coiled steel strip, and the steel sheet is continuously discharged and rolled while being transported. In the rolling process, it is necessary to control the steel sheet to a specified dimension and to appropriately control the shape of the steel sheet. Here, the shape of the steel sheet means the flatness, and typical examples are ear waves and middle elongation. The shape of the steel sheet is caused by buckling and becomes evident as a wave shape (shape defect) because the elongation strain (longitudinal strain) distributed in the width direction of the steel sheet during rolling cannot be maintained as an in-plane stress. When a shape defect occurs in a steel sheet, not only does the quality of the product deteriorate, but the rolling speed (line speed) of the rolling facility must be reduced, resulting in a decrease in production efficiency. Furthermore, a shape defect in a steel sheet can also cause operational troubles such as breakage and squeezing of the steel sheet. For this reason, in the rolling process, it is necessary to control the shape of the steel sheet to a desired target shape in the longitudinal direction.
一方、圧延設備を構成する圧延機は、ワークロールの弾性変形を制御して鋼板の幅方向に分布する伸び歪が所望の分布になるように調整する形状制御アクチュエータを備えている。形状制御アクチュエータは、圧延機のミル形式によって異なるものが用いられるが、ワークロールに曲げ力を付与してワークロールの撓みを調整するワークロールベンダが代表的である。その他にも、ワークロールや中間ロールを軸方向に可動させるロールシフトや、分割バックアップロールを用いてワークロールの撓みを調整する方式のものもある。また、圧延設備は鋼板の形状検出器を備えることがあり、形状検出器で測定される鋼板の形状が目標とする形状(目標形状)に一致するように形状制御アクチュエータを設定することが行われる。 On the other hand, the rolling mills that make up the rolling equipment are equipped with shape control actuators that control the elastic deformation of the work rolls and adjust the elongation strain distributed in the width direction of the steel plate to the desired distribution. Different shape control actuators are used depending on the mill type of the rolling mill, but a typical one is a work roll bender that applies a bending force to the work rolls to adjust the deflection of the work rolls. Other methods include roll shifting, which moves the work rolls and intermediate rolls in the axial direction, and using split backup rolls to adjust the deflection of the work rolls. In addition, rolling equipment may be equipped with a shape detector for the steel plate, and the shape control actuator is set so that the shape of the steel plate measured by the shape detector matches the target shape (target shape).
このような形状制御アクチュエータの設定を行う形状制御装置は、鋼板の圧延パスを開始する前に初期設定を実行する設定計算機能と、圧延パスの開始後に形状検出器からの出力を参照して形状制御アクチュエータの設定を修正(再設定)するフィードバック制御機能を備えることが多い。鋼板の圧延パスの開始前に適切な初期設定を行うことにより鋼板の先端部から形状を良好にすることができ、フィードバック制御機能により外乱が生じても鋼板の全長にわたって形状を良好にし得るからである。但し、圧延機のワークロールの変形に対する形状制御アクチュエータの影響を定量的に予測することが難しい場合もある。例えば圧延機の各種ロールの熱膨張の挙動等を予測する必要があり、種々の誤差が生じるからである。このため、圧延設備の形状制御アクチュエータの操作量設定を適切にするための技術が提案されている。 Shape control devices that set such shape control actuators often have a setting calculation function that performs initial settings before the start of the rolling pass of the steel plate, and a feedback control function that refers to the output from the shape detector after the start of the rolling pass to correct (reset) the settings of the shape control actuators. This is because performing appropriate initial settings before the start of the rolling pass of the steel plate makes it possible to improve the shape from the tip of the steel plate, and the feedback control function makes it possible to improve the shape over the entire length of the steel plate even if disturbances occur. However, it can be difficult to quantitatively predict the effect of the shape control actuators on the deformation of the work rolls of the rolling mill. For example, this is because it is necessary to predict the behavior of the thermal expansion of the various rolls of the rolling mill, which can lead to various errors. For this reason, technology has been proposed to appropriately set the operation amount of the shape control actuators of the rolling equipment.
具体的には、特許文献1には、形状制御アクチュエータの初期設定を適切に行う方法が記載されている。詳しくは、特許文献1に記載の方法は、圧延材の平坦度(形状)に関する影響因子を入力データとしてニューラルネットワークを構成するものである。この方法では、ある設定値で圧延したときの実績形状値に対して、最適設定値演算装置によって各操作端の最適設定値を算出し、このときの影響因子と各操作端設定値の対データを蓄積してニューラルネットワークの学習用データとする。ニューラルネットワークは、階層型の構造をとり、影響因子が入力、各操作端設定値を出力として誤差逆伝播学習によって学習が行われる。
Specifically,
一方、特許文献2にも形状制御アクチュエータの初期設定を適切に行う方法が記載されている。詳しくは、特許文献2に記載の方法は、予め鋼板の圧延条件、形状制御アクチュエータの設定値、及び形状データを形状制御実績データとして蓄積し、ニューラルネットワークを用いた学習により典型データ(プロトタイプ)を抽出する。そして、鋼板の圧延パスを実行する前に、鋼板の圧延条件及び目標形状について典型データとの類似度を算出し、算出した類似度に基づいて典型データによる形状制御アクチュエータの設定値を組み合わせて形状制御アクチュエータの初期設定を行う。
On the other hand,
また、特許文献3には、圧延設備による鋼板の形状制御を例示して、形状検出器による実績形状と目標形状との差である形状偏差データを入力、形状制御アクチュエータの操作量を出力とするニューラルネットワークを構成する方法が記載されている。また、特許文献3には、検出される形状偏差に応じて形状制御アクチュエータの再設定を行う形状フィードバック制御についても記載されている。さらに、特許文献3には、形状制御アクチュエータの制御出力の良否を判定する制御結果良否判定部を設けることにより、フィードバック制御の制御出力を適正化する方法が記載されている。
しかしながら、特許文献1に記載の方法は、形状制御アクチュエータの初期設定方法に関するものであり、鋼板の長手方向の形状を制御する形状フィードバック制御に関するものではない。このため、鋼板の形状を必ずしも長手方向にわたって目標形状に制御できない場合がある。また、特許文献1には、通常のフィードフォワードニューラルネットワークが記載されているが、このニューラルネットワークは入力層から中間層を通じて出力層に結合される順伝播型ニューラルネットワーク構造であるため、鋼板の形状の特徴量を効果的に抽出できない場合がある。
However, the method described in
また、特許文献2に記載された形状制御アクチュエータの初期設定方法についても同様の問題があり、フィードフォワードニューラルネットワークを用いた形状制御アクチュエータの初期設定では、鋼板形状の特徴量を効果的に抽出する点で改善の余地がある。一方、特許文献3に記載の方法は、形状制御アクチュエータの制御出力の良否を判定することにより、形状フィードバック制御に適用できる。しかしながら、この方法もニューラルネットワークが一又は複数の中間層を備える通常のフィードフォワードニューラルネットワークが適用されると考えられる。このため、鋼板の形状の特徴量を効果的に抽出できず、形状制御アクチュエータを適切に設定することができない。
The same problem exists with the initial setting method for the shape control actuator described in
本発明は、以上の問題を解決すべくなされたものであり、鋼板の形状を長手方向にわたって精度よく制御する形状制御アクチュエータ設定モデルを生成可能な圧延設備の形状制御アクチュエータ設定モデルの生成方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、鋼板の形状を長手方向にわたって精度よく制御可能な圧延設備の形状制御アクチュエータの設定方法、鋼板の形状制御方法、及び圧延設備の形状制御装置を提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、長手方向にわたって所望の形状を有する鋼板を歩留まりよく製造可能な鋼板の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above problems, and aims to provide a method for generating a shape control actuator setting model for rolling equipment that can generate a shape control actuator setting model that precisely controls the shape of a steel plate in the longitudinal direction. Another object of the present invention is to provide a method for setting shape control actuators for rolling equipment that can precisely control the shape of a steel plate in the longitudinal direction, a method for controlling the shape of a steel plate, and a shape control method for rolling equipment. Still another object of the present invention is to provide a manufacturing method for steel plate that can produce steel plate having a desired shape in the longitudinal direction with a good yield.
本発明に係る圧延設備の形状制御アクチュエータ設定モデルの生成方法は、鋼板の形状を制御する形状制御アクチュエータと、前記鋼板の形状を検出する形状検出器と、を備える圧延設備における前記形状制御アクチュエータの設定値を出力する形状制御アクチュエータ設定モデルを生成する圧延設備の形状制御アクチュエータ設定モデルの生成方法であって、前記圧延設備の圧延操業パラメータから選択した1つ以上の操業実績データと、前記形状検出器から取得される形状実績データと、を取得するデータ取得ステップと、前記データ取得ステップにおいて取得されたデータを1次元配列データに変換する配列データ変換ステップと、前記配列データ変換ステップにおいて変換された1次元配列データを入力実績データ、前記形状制御アクチュエータの設定値を出力実績データとした、複数の学習用データを用いた畳み込みニューラルネットワークの手法によって、前記形状制御アクチュエータ設定モデルを生成するステップと、を含む。 The method for generating a shape control actuator setting model for rolling equipment according to the present invention is a method for generating a shape control actuator setting model for rolling equipment that generates a shape control actuator setting model that outputs the setting value of the shape control actuator in rolling equipment that includes a shape control actuator that controls the shape of a steel plate and a shape detector that detects the shape of the steel plate, and includes a data acquisition step of acquiring one or more operation performance data selected from the rolling operation parameters of the rolling equipment and shape performance data acquired from the shape detector, an array data conversion step of converting the data acquired in the data acquisition step into one-dimensional array data, and a step of generating the shape control actuator setting model by a convolutional neural network method using multiple learning data, with the one-dimensional array data converted in the array data conversion step being input performance data and the setting value of the shape control actuator being output performance data.
前記圧延操業パラメータには、前記鋼板の目標形状データが含まれるとよい。 The rolling operation parameters may include target shape data for the steel plate.
前記圧延操業パラメータには、前記形状制御アクチュエータを設定する操作者の識別データが含まれ、前記形状制御アクチュエータ設定モデルは前記操作者毎に生成されるとよい。 The rolling operation parameters may include identification data of an operator who sets the shape control actuator, and the shape control actuator setting model may be generated for each operator.
本発明に係る圧延設備の形状制御アクチュエータ設定方法は、本発明に係る圧延設備の形状制御アクチュエータ設定モデルの生成方法によって生成された形状制御アクチュエータ設定モデルに対して、前記1次元配列データを入力することにより算出される形状制御アクチュエータの設定値に基づいて、前記形状制御アクチュエータを再設定するステップを含む。 The method for setting shape control actuators for rolling equipment according to the present invention includes a step of reconfiguring the shape control actuators based on the setting values of the shape control actuators calculated by inputting the one-dimensional array data into the shape control actuator setting model generated by the method for generating a shape control actuator setting model for rolling equipment according to the present invention.
本発明に係る鋼板の形状制御方法は、本発明に係る圧延設備の形状制御アクチュエータ設定方法を用いて、鋼板の圧延中に前記形状制御アクチュエータを再設定するステップを含む。 The method for controlling the shape of a steel plate according to the present invention includes a step of resetting the shape control actuator during rolling of the steel plate using the method for setting the shape control actuator of the rolling equipment according to the present invention.
本発明に係る鋼板の製造方法は、本発明に係る鋼板の形状制御方法を用いて鋼板を製造するステップを含む。 The method for manufacturing a steel plate according to the present invention includes a step of manufacturing a steel plate using the method for controlling the shape of a steel plate according to the present invention.
本発明に係る圧延設備の形状制御装置は、鋼板の形状を制御する形状制御アクチュエータと、前記鋼板の形状を検出する形状検出器と、を備える圧延設備の形状制御装置であって、前記圧延設備の圧延操業パラメータから選択した1つ以上の操業実績データと、前記形状検出器から取得される形状実績データとを取得するデータ取得部と、前記データ取得部によって取得されたデータを1次元配列データに変換する配列データ変換部と、前記配列データ変換部によって変換された1次元配列データを入力実績データ、前記形状制御アクチュエータの設定値を出力実績データとした、複数の学習用データを用いた畳み込みニューラルネットワークの手法によって、前記1次元配列データを入力データ、前記形状制御アクチュエータの設定値を出力データとする形状制御アクチュエータ設定モデルを生成する生成部と、を備える。 The shape control device for rolling equipment according to the present invention is a shape control device for rolling equipment comprising a shape control actuator for controlling the shape of a steel plate and a shape detector for detecting the shape of the steel plate, and is provided with: a data acquisition unit for acquiring one or more operation performance data selected from the rolling operation parameters of the rolling equipment and shape performance data acquired from the shape detector; an array data conversion unit for converting the data acquired by the data acquisition unit into one-dimensional array data; and a generation unit for generating a shape control actuator setting model in which the one-dimensional array data converted by the array data conversion unit is used as input performance data and the setting value of the shape control actuator is used as output performance data, by a convolutional neural network technique using multiple learning data.
本発明に係る圧延設備の形状制御アクチュエータ設定モデルの生成方法によれば、鋼板の形状を長手方向にわたって精度よく制御する形状制御アクチュエータ設定モデルを生成することができる。また、本発明に係る圧延設備の形状制御アクチュエータの設定方法、鋼板の形状制御方法、及び圧延設備の形状制御装置によれば、鋼板の形状を長手方向にわたって精度よく制御することができる。さらに、本発明に係る鋼板の製造方法によれば、長手方向にわたって所望の形状を有する鋼板を歩留まりよく製造することができる。 According to the method for generating a shape control actuator setting model for rolling equipment of the present invention, it is possible to generate a shape control actuator setting model that controls the shape of a steel plate with high precision in the longitudinal direction. Furthermore, according to the method for setting a shape control actuator for rolling equipment, the method for controlling the shape of a steel plate, and the shape control device for rolling equipment of the present invention, it is possible to control the shape of a steel plate with high precision in the longitudinal direction. Furthermore, according to the method for manufacturing a steel plate of the present invention, it is possible to manufacture a steel plate having a desired shape in the longitudinal direction with a high yield.
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。 One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
〔圧延設備〕
まず、図1及び図2を参照して、本発明の一実施形態である圧延設備の構成について説明する。なお、本実施形態では少なくとも圧延機及び形状検出器を含む設備を圧延設備と呼ぶこととする。
[Rolling equipment]
First, a configuration of a rolling facility according to an embodiment of the present invention will be described with reference to Figures 1 and 2. In this embodiment, a facility including at least a rolling mill and a shape detector is called a rolling facility.
図1は、本発明の一実施形態である圧延設備の構成を示す側面図である。図1に示すように、本発明の一実施形態である圧延設備1は、12段クラスター型圧延機により構成されている。12段のロールは、上下1組からなるワークロール2、上下2組からなる中間ロール3、上下1組からなる小型バックアップロール4、上側2対の上バックアップロール5、及び下側2対の下バックアップロール6を備えている。圧延材である鋼板Sは、ペイオフロール7、右テンションリール8、及び左テンションリール9のうちのいずれかから供給されて圧延され、反対側のテンションリールに巻き取られる。形状検出器10は鋼板Sの幅方向の伸び差を検出する。
Figure 1 is a side view showing the configuration of a rolling facility according to one embodiment of the present invention. As shown in Figure 1, the rolling
図2は、形状制御アクチュエータ(操作端)及び圧延機構の概略構成を示す正面図である。鋼板Sは、ワークロール2によって上下方向から圧延され延伸される。上バックアップロール5は、軸方向に7分割されており、軸方向中心位置から順にセンター51a、クォータイン51b、クォータアウト51c、及びエッジ51dがそれぞれ押し出しを行うことによりロールクラウンを調整することができる。また、下バックアップロール6は、軸方向に6分割されており、軸方向中心位置から順にセンター61a、クォータ61b、及びエッジ61cがそれぞれ押し出しを行うことによりロールクラウンを調整することができる。
Figure 2 is a front view showing the schematic configuration of the shape control actuator (operating end) and the rolling mechanism. The steel sheet S is rolled and stretched from the top and bottom by the
圧延設備は、形状制御アクチュエータとして、上バックアップロール5及び下バックアップロール6のロールクラウン調整機能、中間ロールベンダ11、及び上下のワークロール2に曲げ力を与えるワークロールベンダ12を備えている。なお、形状制御アクチュエータとして、上バックアップロール5又は下バックアップロール6の軸心部を幅方向に傾動させるレベリング機構を備えてもよい。また、これらの形状制御アクチュエータに加えて、上下の中間ロール3がロールの軸方向に対して互いに反対方向にシフトする中間ロールシフトや上下のワークロール2が上下で互いに反対方向にシフトするワークロールシフトを備えてもよい。
The rolling equipment is equipped with shape control actuators that adjust the roll crowns of the
図1に戻り、形状検出器10は、圧延機により圧延された鋼板Sの形状を測定する計測器である。形状検出器10としては、鋼板Sの形状を測定するために通常用いられる手段を選択してよい。鋼板Sの形状は、鋼板Sの長手方向の線分長さが幅方向に分布していることにより生じるものであり、幅方向の長さの差を伸び差率(%)や伸び差(I-unit(1×10-5))という単位で評価するのが通常である。具体的には、鋼板Sの長さが幅方向に分布していると、鋼板Sに対して一定の巻き付き角で接触するロールに対して接触圧力(接触するロールへの垂直荷重)が幅方向に分布することになる。形状検出器10は、その接触圧力の分布を測定することによって伸び差を算出する。このとき、接触圧力の幅方向分布は、接触ロール内部に軸方向に分割して配置される荷重検出器により検出される(分割ロードセル方式)。
Returning to FIG. 1, the
但し、形状検出器10として、鋼板Sの面外変位を非接触の距離計(レーザー距離計等)によって検出して伸び差に換算する方法や、鋼板Sに照射したモアレ縞から伸び差を算出する方法を用いてもよい。いずれの形状測定器を用いて、鋼板Sの幅方向における線分長さから伸び差率又は伸び差(I-unit)を測定するものとする。なお、幅方向の伸び差を検出するチャンネル数(幅方向の分割数)は、形状制御に使用する形状制御アクチュエータの数よりも多いことが好ましい。具体的には、形状検出器10は、幅方向に6~64分割されているのが好ましく、24~64分割されて各位置における伸び差率又は伸び差を測定できるものとする。
However, the
〔形状制御システム〕
次に、図1を参照して、圧延設備1の形状制御システムについて説明する。
[Shape control system]
Next, the shape control system of the rolling
図1に示すように、圧延設備1の形状制御システムは、制御用計算機100と圧延制御コントローラ110を備えている。制御用計算機100は、上位計算機から鋼板Sの母材寸法(板厚、板幅、長さ等)に関する情報や、鋼板Sの変形抵抗、製品板厚等の情報を取得し、鋼板Sの製造諸元に応じて設定される圧延パス数の圧延を実行する際に、各圧延パスでの圧延荷重の予測値を算出する。そして、制御用計算機100は、圧延荷重の予測値に基づいて圧延パス毎に形状制御アクチュエータの初期設定値を圧延制御コントローラ110に送る。圧延制御コントローラ110は、取得した初期設定値に基づいて、形状制御アクチュエータの各機器を動作させる。なお、圧延制御コントローラ110は、制御用計算機100から各圧延パスにおける鋼板Sの目標形状の情報も取得する。
As shown in FIG. 1, the shape control system of the rolling
形状制御アクチュエータの初期設定値が設定され圧延パスが開始した後は、圧延制御コントローラ110は、形状検出器10から取得する鋼板Sの実績形状と制御用計算機100から取得する鋼板Sの目標形状を用いて、随時形状制御アクチュエータの設定値を再設定する(形状フィードバック制御)。形状フィードバック制御を実行することにより、鋼板Sの長手方向で母材の板厚変動等の外乱があっても、鋼板Sの形状を目標形状に近づけることができ、長手方向に均一な形状を有する鋼板Sを製造することができる。
After the initial setting value of the shape control actuator is set and the rolling pass is started, the rolling controller 110 resets the setting value of the shape control actuator as needed using the actual shape of the steel sheet S obtained from the
〔形状制御アクチュエータ設定モデル〕
次に、図3~図10を参照して、本発明の一実施形態である形状制御アクチュエータ設定モデルについて説明する。
[Shape control actuator setting model]
Next, a shape control actuator setting model according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本発明の一実施形態である形状制御アクチュエータ設定モデルは、圧延制御コントローラ110に備えられ、形状検出器10から取得される鋼板Sの実績形状を参照して形状制御アクチュエータに適切な設定値を送るために用いられる。図3に示すように、形状制御アクチュエータ設定モデルMは、形状制御アクチュエータ設定モデル生成部140によって生成される。本実施形態では、データ取得部120が、鋼板Sの圧延パスにおいて、圧延中に取得される鋼板Sの形状実績データ、その圧延パスにおける圧延設備1の圧延操業パラメータから選択した1つ以上の操業実績データ、及び形状制御アクチュエータの設定実績データを取得する。データ取得部120が取得した鋼板Sの形状実績データと圧延設備1の操業実績データは配列データ変換部130に送られ、1次元配列データに変換される。この1次元配列データとこれに対応する形状制御アクチュエータの設定実績データとが一組のデータセットを構成して形状制御アクチュエータ設定モデル生成部140のデータベース部141に蓄積され、機械学習部143により形状制御アクチュエータ設定モデルMが生成される。
The shape control actuator setting model, which is one embodiment of the present invention, is provided in the rolling control controller 110 and is used to send an appropriate setting value to the shape control actuator by referring to the actual shape of the steel sheet S acquired from the
データ取得部120が取得する形状実績データは、形状検出器10(図1参照)によって測定される形状データであり、例えば図4に例示するものである。形状データは、鋼板Sの幅方向位置と、その位置における伸び差率又は伸び差(I-unit)により特定される情報である。伸び差率は、鋼板Sの幅方向での線分長さが最も短い位置を基準として、他の幅方向位置における鋼板Sの線分長さを歪形式で表した値である。また、伸び差(I-unit)は、伸び差率を百分率で表示しても形状データは非常に小さな値となるため、慣用的に伸び差率を100、000倍の値に換算して表記するものであり、I-unitと呼ばれる単位により表される。この場合、鋼板Sの幅方向端部の伸び差率又は伸び差が他の部分に比べて大きい場合を耳波、幅方向中央部の伸び差率又は伸び差が他の部分に比べて大きい場合を中伸びと呼ぶことが多い。また、幅方向端部と幅方向中央部との間で伸び差率又は伸び差が大きい場合をクォータ伸びといい、上記の形状が複合した形態を複合伸びと呼ぶ。 The shape performance data acquired by the data acquisition unit 120 is shape data measured by the shape detector 10 (see FIG. 1), and is, for example, as shown in FIG. 4. The shape data is information specified by the widthwise position of the steel sheet S and the elongation difference rate or elongation difference (I-unit) at that position. The elongation difference rate is a value expressed in strain form of the line length of the steel sheet S at other widthwise positions, based on the position where the line length in the widthwise direction of the steel sheet S is the shortest. In addition, the elongation difference (I-unit) is conventionally expressed by converting the elongation difference rate to a value 100,000 times larger, since the shape data becomes a very small value even if the elongation difference rate is expressed as a percentage, and is expressed in units called I-unit. In this case, when the elongation difference rate or elongation difference at the widthwise end of the steel sheet S is larger than other parts, it is often called ear wave, and when the elongation difference rate or elongation difference at the widthwise center part is larger than other parts, it is often called middle elongation. In addition, when the stretch difference rate or stretch difference is large between the widthwise ends and the widthwise center, it is called quarter stretch, and when the above shapes are combined, it is called compound stretch.
データ取得部120により鋼板Sの形状実績データと共に取得する操業実績データは、圧延操業パラメータから選択した1つ以上の操業実績データである。圧延操業パラメータとは、圧延パスを実行する際の圧延状態を表すパラメータであり、鋼板Sの形状実績データと形状制御アクチュエータの設定実績データを除き、鋼板Sの形状に影響し得る因子を表すパラメータである。圧延操業パラメータは、例えば鋼板Sの寸法情報として、制御用計算機100に指示を与える上位計算機が保有する母材の板厚や板幅の情報を用いてもよい。また、形状実績データを取得する圧延パスにおける入側板厚、出側板厚や板幅を用いてもよい。圧延操業パラメータの他の例は母材の属性情報である。母材の属性情報は、例えば鋼板Sの変形抵抗、鋼種、成分系、母材の表面粗さ、表面酸化物の分布状態等、母材の特性を表す指標を用いてよい。また、母材の属性情報として、上記圧延設備1による圧延工程を実行する前の工程(前工程)での製造条件を用いてもよい。例えば前工程が焼鈍工程である場合は焼鈍温度、均熱時間、冷却速度等の情報、前工程が熱延工程である場合には熱延ラインでの巻取り温度等も母材の属性情報に含めてよい。これらは圧延設備1で形状制御を実行する場合の圧延荷重に間接的な影響を与えるパラメータだからである。
The operation performance data acquired by the data acquisition unit 120 together with the shape performance data of the steel sheet S is one or more operation performance data selected from the rolling operation parameters. The rolling operation parameters are parameters that represent the rolling state when a rolling pass is executed, and are parameters that represent factors that can affect the shape of the steel sheet S, excluding the shape performance data of the steel sheet S and the setting performance data of the shape control actuator. For example, the rolling operation parameters may use information on the thickness and width of the base material held by the upper computer that gives instructions to the
圧延操業パラメータの他の例は、形状実績データを取得する圧延パスにおける圧延条件情報である。圧延条件情報としては、圧延荷重、圧延トルク、圧延速度、入側張力、出側張力、ワークロール径を例示できる。また、圧延条件情報として、クーラント流量、クーラント温度、クーラント濃度等の圧延おける潤滑条件に関するパラメータを用いてもよい。なお、鋼板Sの寸法情報、母材の属性情報、圧延条件情報の各パラメータは、上位計算機又は制御用計算機100により予め設定される設定値及び圧延設備1で実測される実績値のいずれを用いてもよい。圧延設備1が、鋼板Sの板厚を測定する板厚計、圧延荷重を測定するロードセル、鋼板Sに付与される張力を測定する張力計等の測定機器を備える場合には、それらの実測値を用いるのが好ましい。
Another example of the rolling operation parameters is the rolling condition information in the rolling pass from which the shape performance data is acquired. Examples of the rolling condition information include rolling load, rolling torque, rolling speed, entry tension, exit tension, and work roll diameter. In addition, parameters related to the lubrication conditions in rolling, such as coolant flow rate, coolant temperature, and coolant concentration, may be used as the rolling condition information. Note that the parameters of the dimensional information of the steel sheet S, the attribute information of the base material, and the rolling condition information may be either preset values set by the upper computer or the
圧延操業パラメータは、圧延制御コントローラ110に設定される鋼板Sの目標形状のデータを含むのが好ましい。鋼板Sの目標形状は、図4で形状実績データとして例示するような、鋼板Sの幅方向各位置での伸び差率の目標値であってよい。但し、本実施形態の圧延操業パラメータに用いる鋼板の目標形状として、伸び差の目標を幅方向位置の関数として多項式近似を行い、その多項式の係数の値を用いてもよい。例えば鋼板Sの目標形状として、目標とする伸び差(I-unit)の幅方向分布を4次関数で近似して以下に示す数式(1)のように表す。但し、数式(1)中のzは板幅を-1~+1の範囲で規格化した幅方向位置である。この場合の係数λ1~λ4を鋼板の目標形状のデータとして圧延操業パラメータに含めてよい。 The rolling operation parameters preferably include data on the target shape of the steel sheet S set in the rolling controller 110. The target shape of the steel sheet S may be the target value of the elongation difference rate at each position in the width direction of the steel sheet S, as exemplified as the shape performance data in FIG. 4. However, as the target shape of the steel sheet used in the rolling operation parameters of this embodiment, a polynomial approximation may be performed on the target elongation difference as a function of the width direction position, and the coefficient values of the polynomial may be used. For example, as the target shape of the steel sheet S, the width direction distribution of the target elongation difference (I-unit) is approximated by a quartic function and expressed as shown in the following formula (1). However, z in formula (1) is the width direction position normalized by the sheet width in the range of -1 to +1. In this case, the coefficients λ1 to λ4 may be included in the rolling operation parameters as data on the target shape of the steel sheet.
本実施形態の操業実績データは、上記の圧延操業パラメータから少なくとも1つのパラメータを選択し、このパラメータに関する操業実績データを用いることとする。一方、圧延操業パラメータとして、圧延設備1の形状制御アクチュエータを手動で操作した操作者(オペレータ)の識別データを含んでよい。操作者が手動で操作することにより鋼板Sの形状を制御する場合、操作を行った操作者を特定できる識別データとして、数字、符号、氏名等を圧延操業パラメータに含めてよい。鋼板Sの形状制御は、圧延設備1の形状制御アクチュエータの特性に応じた特有の制御性能が発揮されるため、習熟度の高い操作者と習熟度の浅い操作者とでは、鋼板Sの形状制御の優劣に差が生じるからである。そのため、鋼板Sの形状制御性能を目標形状と実績形状との差異等により別途評価して、評価結果の良好であった操作者の操業データを選択的に出力する形状制御アクチュエータ設定モデルMを生成できるからである。
In the present embodiment, at least one parameter is selected from the above rolling operation parameters, and the operation performance data related to this parameter is used. On the other hand, the rolling operation parameters may include identification data of the operator who manually operated the shape control actuator of the rolling
圧延設備1の形状制御アクチュエータの設定実績データは、使用する圧延機に応じて特定される形状制御アクチュエータの設定情報をいう。形状制御アクチュエータの設定情報は、圧延機が複数の形状制御アクチュエータを備える場合、それらの中から任意の形状制御アクチュエータを選択し、本実施形態の形状制御アクチュエータの設定実績データに用いてよい。形状制御アクチュエータの設定情報としては、上バックアップロール5又は下バックアップロール6の軸心部の傾動状態を操作するレベリング設定値を用いることができる。また、中間ロールベンダ11やワークロールベンダ12のベンダ力についての設定値を用いてよい。さらに、中間ロール3やワークロール2の軸方向のシフト量を表すロールシフト設定値を用いてよい。また、図1に示す12段式クラスター型圧延機は、分割バックアップロールの位置を調整する形状制御アクチュエータを備えているため、上バックアップロール5のセンター位置、クォータイン位置、クォータアウト位置、及びエッジ位置、下バックアップロール6のセンター位置、クォータ位置、エッジ位置等、各バックアップロールの設定位置情報を形状制御アクチュエータの設定情報に含めてよい。形状制御アクチュエータの設定実績データとして、上記に例示する各操作端の設定値(指令値)であっても実測される場合には実績値であってもよい。また、ベンダ力等を油圧圧力等の計測値から算出できる場合には、設定指令値でなく実測値を用いるのが好ましい。
The setting data of the shape control actuator of the rolling
データ取得部120が取得した鋼板Sの形状実績データ及び圧延操業パラメータから選択した1つ以上の操業実績データは、配列データ変換部130において1次元配列データに変換される。図5に示すように、1次元配列データは、鋼板Sの形状実績データと圧延操業パラメータから選択した操業実績データとを一列のデータ配列に割り当てたものである。図5に示す例では、鋼板Sの形状実績データとして伸び差(I-unit)が取得される場合に、鋼板Sの幅方向にM分割された伸び差の実績データ(U1~UM)の値が1次元のデータ列となる。また、圧延操業パラメータから選択した操業実績データも同じデータ配列に1次元に配列される。
The shape actual data of the steel sheet S acquired by the data acquisition unit 120 and one or more operation actual data selected from the rolling operation parameters are converted into one-dimensional array data by the array
このとき、データ配列の順番は任意に設定してよい。図5に示すように、1次元配列データの左から形状実績データ及び操業実績データの順に配置してよいが、操業実績データ及び形状実績データの順であってもよい。複数選択された操業実績データについても配列する順は任意でよい。さらに、形状実績データについても、必ずしも鋼板Sの幅方向の端部から順に配置する必要はない。予め設定した順番で、学習用データと形状制御アクチュエータ設定モデルMに対する入力データとで同一の順番に配列されていればよい。この場合、1次元データの配列順は、配列データ変換部130において特定されているものとする。データ配列の順番は任意に設定してもよいのは、所定の順番で配列されるデータ相互の関係についての特徴量が畳み込みニューラルネットワークで学習され、入力データとして入力されるデータの順が変わらなければ、そのような特徴量に対応した出力が再現されるからである。なお、本実施形態において1次元配列データを用いる意義については後述する。
At this time, the order of the data array may be set arbitrarily. As shown in FIG. 5, the shape performance data and the operation performance data may be arranged from the left of the one-dimensional array data in this order, but the operation performance data and the shape performance data may also be arranged in this order. The order of the operation performance data selected in multiple cases may also be arbitrary. Furthermore, the shape performance data does not necessarily have to be arranged in order from the end of the steel sheet S in the width direction. It is sufficient that the learning data and the input data for the shape control actuator setting model M are arranged in the same order in a pre-set order. In this case, the order of the one-dimensional data is specified in the array
配列データ変換部130で1次元配列データに変換された形状実績データと圧延操業パラメータの操業実績データ、及びデータ取得部120で取得された形状制御アクチュエータの設定実績データは、鋼板Sの製造管理番号や圧延パス情報に基づいて対応付けがなされ、それらを一組のデータセットとしてデータベース部141に蓄積される。データベース部141に蓄積されるデータセットは、同一の鋼板Sの同一の圧延パスにおいても、鋼板Sの長手方向に沿って複数生成され得る。例えば圧延中に所定周期(例えば100ms)毎に実績データを取得する場合には、1圧延パスあたりに取得されるデータセットの数が膨大となる。そこで、データベース部141にデータセットを蓄積する際には、形状制御アクチュエータ設定モデルMの生成に必要なデータセットのみを抽出するスクリーニング処理を行うことにより、データベース部141に蓄積するデータセットの数を減らしてよい。
The shape performance data and the operation performance data of the rolling operation parameters converted into one-dimensional array data by the array
例えば圧延設備1の形状制御アクチュエータの再設定を行ってから鋼板Sが形状検出器10に到達するまで0.25~10秒程度要するため、データセットを取得するサンプリング周期を0.2~10秒の範囲で設定して、そのようにして抽出されたデータセットのみをデータベース部141に蓄積してよい。この場合、圧延速度に応じてサンプリング周期を変更するようにしてもよい。また、鋼板Sの先端部や尾端部の近傍のように母材の板厚や変形抵抗の変動が大きい領域では、圧延設備1の形状制御アクチュエータの再設定を行ってから鋼板Sが形状検出器10に到達するまでの間にも、圧延状態が経時的に大きな変動が生じる場合がある。そして、この場合、形状制御アクチュエータの設定値と形状実績との対応関係が明確でなくなることもある。このような場合に、鋼板Sの先端部又は尾端部で取得したデータセットをデータベース部141から除外する処理を行ってもよい。さらに、形状検出器10の形状実績についての出力が短時間で大きく変動するような場合には、形状検出器10の検出誤差が生じている可能性もある。このため、短周期で形状実績が変動する場合には、データベース部141から除外するようにスクリーニング処理を行ってもよい。
For example, since it takes about 0.25 to 10 seconds for the steel sheet S to reach the
形状制御アクチュエータ設定モデル生成部140は、データベース部141に蓄積された学習用データを用いて機械学習部143において形状制御アクチュエータ設定モデルMを生成する。形状制御アクチュエータ設定モデル生成部140は、圧延設備1による鋼板Sの圧延工程を統括する制御用計算機100の内部にあってもよく、制御用計算機100とは別個のハードウエアにより構成してもよい。また、後述する形状制御アクチュエータ設定部150に配置してもよい。
The shape control actuator setting
データベース部141に蓄積するデータセットの数は10、000個以上、好ましくは100、000個以上、より好ましくは1、000、000個以上である。また、鋼板Sの属性情報、圧延パス番号、形状制御アクチュエータを操作した操作者の識別データ等に基づきデータセットを区分して、それらの区分に応じて形状制御アクチュエータ設定モデルMを生成してもよい。データベース部141に蓄積されるデータセットは、一定のデータセット数を上限として、その上限内でデータベース部141に蓄積されるデータセットを適宜更新してもよい。 The number of data sets stored in the database unit 141 is 10,000 or more, preferably 100,000 or more, and more preferably 1,000,000 or more. In addition, the data sets may be classified based on attribute information of the steel sheet S, the rolling pass number, identification data of the operator who operated the shape control actuator, etc., and the shape control actuator setting model M may be generated according to these classifications. The data sets stored in the database unit 141 may be limited to a certain number of data sets, and the data sets stored in the database unit 141 may be updated as appropriate within this upper limit.
予備処理部142は、データベース部141に学習用データが蓄積された後、形状制御アクチュエータ設定モデルMを生成する機械学習を実行する前に、必要に応じてデータベース部141に蓄積されたデータセットに対して予備処理を実行する。予備処理部142が実行する予備処理としては、形状データや形状制御アクチュエータの設定値の実績データの規格化、データシャッフル等を例示できる。
After the learning data is accumulated in the database unit 141, the
予備処理部142は、データベース部141に蓄積した入力実績データである形状実績データと圧延操業パラメータから選択した操業実績データ、及び出力実績データである形状制御アクチュエータの設定実績データについて規格化処理を行ってよい。規格化処理は、ネットワーク学習中の重み係数の更新を効率的に行うための処理であり、ニューラルネットワークの学習に際して勾配消失問題を回避する上で有効である。入力変数及び出力変数の規格化に際しては、各変数の最小値と最大値を特定して0~1の範囲で規格化するのが好ましい。また、変数の平均値を算出して-1~+1の範囲で規格化してもよい。
The
データベース部141には、入力実績データである形状実績データと圧延操業パラメータから選択した操業実績データ、及び出力実績データである形状制御アクチュエータの設定実績データから構成されるデータセットがデータを取得した順番で蓄積される。これに対して、データベース部141に蓄積されたデータセットの順番をランダムに並べ替えるデータシャッフルを行ってもよい。時系列に取得したデータセットの順番を変更することにより、ニューラルネットワークによる汎化性能を向上させ、過学習を抑制する上で有効である。 Database unit 141 stores data sets consisting of shape actual data, which is input actual data, operation actual data selected from rolling operation parameters, and setting actual data of shape control actuators, which is output actual data, in the order in which the data was acquired. In response to this, data shuffling may be performed to randomly rearrange the order of the data sets stored in database unit 141. Changing the order of the data sets acquired in chronological order is effective in improving the generalization performance of the neural network and suppressing overlearning.
データベース部141に蓄積したデータセットを学習用データとテスト用データに分割してもよい。学習用データは、全データセットの70~80%として、ニューラルネットワークの学習用とする。一方、残りのデータセットは、機械学習部143による学習が完了して得られるニューラルネットワークがテスト用データに対しても良好に性能を発揮できるか確認するために使用する。 The data set stored in the database unit 141 may be divided into training data and test data. The training data, which accounts for 70 to 80% of the entire data set, is used for training the neural network. On the other hand, the remaining data set is used to check whether the neural network obtained after training by the machine learning unit 143 is able to perform well on the test data.
機械学習部143は、データベース部141に蓄積されたデータセットを用いて、1次元配列データとした形状実績データと圧延操業パラメータの操業実績データを入力実績データ、形状制御アクチュエータの設定実績データを出力実績データとした、複数の学習用データを用いた機械学習によって、鋼板Sの形状実績データから形状制御アクチュエータの設定値を算出する形状制御アクチュエータ設定モデルMを生成する。形状制御アクチュエータ設定モデルMを生成するための機械学習モデルは、実用上十分な形状制御アクチュエータの設定値の推定精度が得られれば、いずれの機械学習モデルを用いることもできる。例えば一般的に用いられるニューラルネットワーク、決定木学習、ランダムフォレスト、サポートベクター回帰等である。また複数のモデルを組み合わせたアンサンブルモデルを用いてもよい。しかしながら、本実施形態は、機械学習の手法として畳み込みニューラルネットワーク(CNN)を用いることとする。畳み込みニューラルネットワークとは、畳み込み層とプーリング層を含むニューラルネットワークであり、入力となる説明変数間の相互の関係についての特徴量を抽出する機能に優れる。 The machine learning unit 143 uses the data set stored in the database unit 141 to generate a shape control actuator setting model M that calculates the setting value of the shape control actuator from the shape actual data of the steel sheet S by machine learning using multiple learning data, in which the shape actual data in the form of one-dimensional array data and the operation actual data of the rolling operation parameters are used as input actual data, and the setting actual data of the shape control actuator is used as output actual data. Any machine learning model can be used as the machine learning model for generating the shape control actuator setting model M, as long as it can obtain sufficient estimation accuracy for the setting value of the shape control actuator for practical use. For example, commonly used neural networks, decision tree learning, random forests, support vector regression, etc. may be used. An ensemble model combining multiple models may also be used. However, in this embodiment, a convolutional neural network (CNN) is used as a machine learning method. A convolutional neural network is a neural network that includes a convolutional layer and a pooling layer, and is excellent in the function of extracting feature amounts regarding the mutual relationship between explanatory variables that are input.
ここで、図6を参照して、本実施形態の畳み込みニューラルネットワークについて説明する。本実施形態の畳み込みニューラルネットワークでは、配列データ変換部130から取得した1次元配列データは図6に示す入力層に割り当てられる。本実施形態の畳み込みニューラルネットワークは、これらの入力データに対して、第1畳み込み層、第2畳み込み層、プーリング層、全結合層、及び出力層をこれらの順に備える。また、全結合層の上流側及び下流側にそれぞれ第1ドロップアウト層及び第2ドロップアウト層を備える。
Now, the convolutional neural network of this embodiment will be described with reference to FIG. 6. In the convolutional neural network of this embodiment, the one-dimensional array data acquired from the array
上記の畳み込みニューラルネットワークにおいて、第1畳み込み層及び第2畳み込み層は、入力情報に対して、カーネルと呼ばれるフィルターを用いたフィルタリング処理を施して特徴マップを取得する。畳み込みとは、入力データにフィルターを適用して、特徴マップと呼ばれる出力を生成する演算処理をいう。フィルタリング処理に用いるフィルターは、例えば図7に示すようなフィルターサイズ3のフィルターである。図7に示すフィルターでは、フィルター内の3つのピクセル位置に重み係数ωi(iはフィルター内の列番号を指す)が割り当てられており、フィルターをかける1次元配列データの各ピクセル位置での入力値と重み係数との積を求め、これらの総和を求める。算出されたフィルター内での総和に対してはバイアスを設け、活性化関数により出力値を算出し、この値を特徴マップのピクセル位置に割り当てる。なお、フィルターサイズの数値は、1次元配列データのデータ方向のピクセル数に対応する。本実施形態の畳み込み層では、活性化関数として非線形関数を用いるのが好ましく、学習時の勾配消失問題が抑制できるようRelu関数を用いるのが好ましい。 In the above convolutional neural network, the first convolutional layer and the second convolutional layer obtain a feature map by filtering the input information using a filter called a kernel. Convolution refers to a computational process in which a filter is applied to input data to generate an output called a feature map. The filter used in the filtering process is, for example, a filter with a filter size of 3 as shown in FIG. 7. In the filter shown in FIG. 7, weighting coefficients ωi (i indicates the column number in the filter) are assigned to three pixel positions in the filter, and the product of the input value and the weighting coefficient at each pixel position of the one-dimensional array data to be filtered is calculated, and the sum of these is calculated. A bias is set for the calculated sum in the filter, and an output value is calculated using an activation function, and this value is assigned to the pixel position of the feature map. Note that the numerical value of the filter size corresponds to the number of pixels in the data direction of the one-dimensional array data. In the convolutional layer of this embodiment, it is preferable to use a nonlinear function as the activation function, and it is preferable to use a Relu function so that the gradient vanishing problem during learning can be suppressed.
以上のようなフィルターは、図8に示すように、1次元配列データ内でフィルターの位置をデータ方向に移動させながら各位置での出力値を求めることにより、1次元配列データに対応した特徴マップを生成する。フィルターの位置を移動させる際の移動量をストライドと呼び、設定するストライドの数によって第1特徴マップのサイズは変化する。なお、ストライド1とは、フィルターの位置を1つずつ移動させることを意味する。特徴マップを生成するためのフィルターは複数用いることができ、複数のフィルターを組み合わせて判別した方が識別性能が向上する。これにより、入力となる1次元配列データに対して、使用するフィルターの数だけの複数の特徴マップが生成される。なお、特徴マップを生成する際には、配列データの端部を0で埋めるパディング(ゼロパディング)を行うのが好ましい。1次元配列データの端部の情報の欠落を防ぐことができるからである。 As shown in FIG. 8, the above filter generates a feature map corresponding to the one-dimensional array data by calculating the output value at each position while moving the filter position in the one-dimensional array data in the data direction. The amount of movement when moving the filter position is called the stride, and the size of the first feature map changes depending on the number of strides set. Note that a stride of 1 means that the filter position is moved one by one. Multiple filters can be used to generate the feature map, and discrimination performance is improved by combining multiple filters. In this way, multiple feature maps are generated for the input one-dimensional array data, the number of which is equal to the number of filters used. Note that when generating the feature map, it is preferable to perform padding (zero padding) to fill the ends of the array data with 0s. This is because it is possible to prevent information from being lost at the ends of the one-dimensional array data.
畳み込みニューラルネットワークでは、この畳み込み層によって、形状実績データの中における幅方向位置での伸び差率について、その相関関係に関する特徴量を抽出することができる。ここでの相関関係とは、鋼板Sの形状が有する固有のパターンと言い換えてもよい。また、圧延操業パラメータは、圧延設備1における圧延荷重に影響を与え、圧延荷重によりワークロールの撓み変形が複雑に変化する。このため、圧延操業パラメータは鋼板Sの形状に関する特徴量(形状パターン)と相関があり、畳み込み層によって圧延操業パラメータと鋼板Sの形状の相関関係についての特徴量も抽出される。
In a convolutional neural network, this convolutional layer can extract features related to the correlation between the elongation difference rate at the width direction position in the shape performance data. The correlation here can be rephrased as a unique pattern that the shape of the steel sheet S has. In addition, the rolling operation parameters affect the rolling load in the rolling
本実施形態では、畳み込みニューラルネットワークの入力となる1次元配列データに対して、第1畳み込み層により第1特徴マップを取得し、さらに第2畳み込み層により第2特徴マップを取得する。本実施形態の1次元配列データは、以下で説明するように、物理的な意味で相互に影響しあう説明変数から構成されるため、1次元配列データの配列順からみて相互に離れた位置のデータも相関関係をもつ。第2畳み込み層は、このように1次元配列データの配列順からみて相互に離れている位置にある変数同士の相関関係に関する特徴量を抽出する。ここで、第1特徴マップを取得する第1畳み込み層の好ましい形態を例示すると、フィルター数8~128、フィルターサイズ3~5、ストライド1の畳み込み層である。また、第2特徴マップを取得する第2畳み込み層の好ましい形態を例示すると、フィルター数16~256、フィルターサイズ3~5、ストライド1の畳み込み層である。 In this embodiment, the first feature map is obtained by the first convolution layer for one-dimensional array data that is input to the convolutional neural network, and the second feature map is obtained by the second convolution layer. As described below, the one-dimensional array data in this embodiment is composed of explanatory variables that affect each other in a physical sense, so that data that are distant from each other in the arrangement order of the one-dimensional array data also have a correlation. The second convolution layer extracts features related to the correlation between variables that are distant from each other in the arrangement order of the one-dimensional array data. Here, a preferred example of the first convolution layer that obtains the first feature map is a convolution layer with 8 to 128 filters, 3 to 5 filter sizes, and 1 stride. A preferred example of the second convolution layer that obtains the second feature map is a convolution layer with 16 to 256 filters, 3 to 5 filter sizes, and 1 stride.
機械学習部143は、配列データ変換部130から1次元配列データを取得して、これを畳み込みニューラルネットワークの入力データに用いる。畳み込みニューラルネットワークは、通常、2次元データとして画像等を入力データとして使用し、入力した画像の特徴量を抽出して、画像に撮像されたものを認識するように学習されることが多い。これに対して、畳み込みニューラルネットワークの入力として、鋼板Sの形状データを含む1次元配列データを用いるのは、説明変数となるデータの相互関係についての特徴量を抽出するためである。
The machine learning unit 143 acquires one-dimensional array data from the array
本実施形態における鋼板Sの形状実績データは、図4に示すように、形状検出器10のチャンネル毎に出力される伸び差率又は伸び差の情報である。しかしながら、圧延設備1が形状制御アクチュエータとして複数の操作端を備えているとしても、形状検出器10の特定のチャンネルに相当する位置のみを狙いとして局所的な伸びを与えることはできない。また、鋼板Sの幅方向で局所的な長手方向の歪を付与できたとしても、鋼板Sは長手方向及び幅方向に連続してため、鋼板Sの一部が延伸すると、そこに近い位置においても鋼板の延伸が生じることになる。その結果、形状検出器10で検出される鋼板Sの形状データは、鋼板Sの板幅方向に概ねなだらかで、連続的な曲線によって近似可能(例えば2~8次関数で表現しうる)な分布となる。すなわち、形状検出器10で検出される鋼板Sの形状データは、鋼板Sの幅方向に一定の関係(パターン)を有することになる。このことが形状実績データを1次元配列データに配置した場合に説明変数間に相関関係が生じる原因であり、そのような説明変数となるデータの相関関係についての特徴量を抽出する上で畳み込みニューラルネットワークが優れた機能を発揮する。
In this embodiment, the shape data of the steel sheet S is information on the elongation difference rate or elongation difference output for each channel of the
また、本実施形態において、上記1次元配列データに、鋼板Sの形状実績データだけでなく圧延操業パラメータから選択した操業実績データを含むのは、圧延操業パラメータは鋼板Sの圧延時の圧延荷重に影響を与え、圧延荷重によってワークロールの撓み変形が複雑に変化するため、圧延操業パラメータと形状実績データから抽出される特徴量(形状パターン)との間に一定の相関が生じるからである。また、圧延設備1の形状制御を行う場合に、形状制御アクチュエータの設定値が同一であっても、鋼板Sの板厚、板幅、圧下率、変形抵抗等の圧延条件が異なると、圧延した結果として観察される鋼板Sの形状は異なるものとなることは経験上からも広く知られているためである。
In addition, in this embodiment, the one-dimensional array data includes not only the shape history data of the steel sheet S but also the operation history data selected from the rolling operation parameters because the rolling operation parameters affect the rolling load when rolling the steel sheet S, and the rolling load causes the deflection deformation of the work rolls to change in a complex manner, so that a certain correlation occurs between the rolling operation parameters and the feature quantities (shape patterns) extracted from the shape history data.
In addition, when performing shape control of the rolling
さらに、圧延設備1における形状制御アクチュエータは、主として鋼板Sに対して直接圧下力を付与するワークロールに対して直接的又は間接的に撓み変形を与え、ワークロールの撓み変形を変更することで鋼板の幅方向における一定範囲を積極的に延伸させることにより形状を制御する。しかしながら、ワークロールの弾性変形は、梁の撓み変形と同様に、滑らかな曲線状にしか変形することができず、その形状も2~8次関数で近似できる曲線形状となる。このことは、12段式クラスター型圧延機の分割バックアップロールを個別に動作させる場合も同様である。バックアップロールを局所的に押し込んだとしても、バックアップロールと接する中間ロールは軸方向に連続した円柱状であるため、中間ロールの撓み変形が滑らかな曲線形状となり、それに接するワークロールの撓み変形も滑らかな曲線となるからである。従って、圧延設備1における形状制御アクチュエータの設定を任意に行ったとしても、形状検出器10により検出される鋼板の形状実績は、鋼板Sの幅方向に対して連続的な曲線によって近似し得る特徴を有することになる。
Furthermore, the shape control actuator in the rolling
以上から、本実施形態において、圧延設備1の圧延操業パラメータから選択した1つ以上の操業実績データと、形状検出器10から取得される形状実績データとを取得し、それらを1次元配列データに変換して、畳み込みニューラルネットワークの入力とするのは、鋼板の幅方向位置による形状実績のパターンを特徴量として抽出すると共に、圧延荷重等により代表される圧延条件と形状パターンとの関係を特徴量として抽出するためである。そして、形状制御アクチュエータの設定値を出力実績データとして、畳み込みニューラルネットワークを適用するのは、一定のパターンを有する形状実績と、その形状パターンに対応する形状制御アクチュエータの設定値とは、圧延機のワークロールの撓み変形を通じて関連付けられるからである。
In view of the above, in this embodiment, one or more pieces of operation performance data selected from the rolling operation parameters of the rolling
このように、本実施形態によれば、畳み込みニューラルネットワークの畳み込み層によって、形状実績データの伸び差率又は伸び差に関する幅方向位置での相関関係(形状パターン)の特徴量を抽出することができる。また、その形状パターンと圧延操業パラメータとの相関関係の特徴量も抽出されるので、形状制御アクチュエータの設定値の組合せ(設定パターン)との対応付けを効率的に行うことができる。 In this way, according to this embodiment, the convolution layer of the convolutional neural network can extract feature quantities of the correlation (shape pattern) at the width direction position regarding the differential elongation rate or differential elongation of the shape actual data. In addition, feature quantities of the correlation between the shape pattern and the rolling operation parameters are also extracted, so that it is possible to efficiently associate it with a combination of setting values (setting pattern) of the shape control actuator.
一方、通常のフィードフォワードニューラルネットワークは、中間層を構成する個々のノードに対して、複数の説明変数からのデータが入力され、活性化関数を用いて出力を次の中間層に受け渡すという構造をとる。この場合、中間層の一つのノードに着目すると、重み係数により複数の説明変数についての情報が集約されることになり、必ずしも説明変数同士が有する相関関係を効率的に抽出できない場合がある。これに対して、畳み込みニューラルネットワークによれば、畳み込み層により、複数の説明変数の相関関係に関する特徴量を抽出することが容易となるため、形状制御アクチュエータの設定値として適切な値を対応付けしやすい。なお、上記1次元配列データにおいて、例えば形状実績データの配列が鋼板Sの幅方向位置の順に配列されていなくてもよいのは、予め設定された配列の順番を前提に説明変数間の相関関係が抽出されれば、そのような順番を前提に生成された形状制御アクチュエータ設定モデルにより説明変数相互の特徴量が抽出されるためである。 On the other hand, a typical feedforward neural network has a structure in which data from multiple explanatory variables is input to each node constituting the intermediate layer, and the output is passed to the next intermediate layer using an activation function. In this case, when focusing on one node of the intermediate layer, information on multiple explanatory variables is aggregated by a weighting coefficient, and the correlation between the explanatory variables may not be efficiently extracted. In contrast, according to a convolutional neural network, the convolutional layer makes it easy to extract features related to the correlation between multiple explanatory variables, so that it is easy to associate appropriate values as the setting values of the shape control actuator. In the above one-dimensional array data, for example, the array of the shape actual data does not need to be arranged in the order of the width direction position of the steel sheet S because if the correlation between the explanatory variables is extracted based on the predetermined order of the array, the feature values between the explanatory variables are extracted by the shape control actuator setting model generated based on such order.
第2畳み込み層で生成した第2特徴マップの情報は、プーリング層で集約され、第3特徴マップが生成される。プーリング層は第2特徴マップの情報を圧縮する役割を有する。図9(a),(b)は、本実施形態に適用できるプーリング層として、最大プーリングと平均プーリングの例を示している。最大プーリングは、プーリング層の入力となる第2特徴マップを一定の領域で区切って(図9(a)に示す例では3列)、その中の最大値(max)を抽出して新たな特徴マップとして出力する。但し、プーリング層に用いるフィルターは、最大値を抽出するものでなく、図9(b)に示すように平均値(average)を算出するものであってもよい(平均プーリング)。このようなプーリング層により、1次元配列データが有する説明変数の相関関係の特徴を維持しながら情報量が削減され、次元圧縮された第3特徴マップが生成される。プーリング層は、1次元配列データの一部にデータのばらつきがあっても、情報を圧縮する機能により、1次元配列データが有する説明変数の相関関係の特徴を検知できる。プーリング層に用いるフィルターの大きさとしては、プーリングサイズ3(3列)のものが好ましい。また、フィルターの種類としては最大プーリング及び平均プーリングのいずれを適用してもよく、最大プーリングを用いるのが好ましい。 The information of the second feature map generated in the second convolution layer is aggregated in the pooling layer to generate a third feature map. The pooling layer has the role of compressing the information of the second feature map. Figures 9(a) and (b) show examples of maximum pooling and average pooling as pooling layers that can be applied to this embodiment. In maximum pooling, the second feature map that is the input of the pooling layer is divided into certain regions (three columns in the example shown in Figure 9(a)), the maximum value (max) is extracted from the region, and it is output as a new feature map. However, the filter used in the pooling layer may not extract the maximum value, but may calculate the average value (average) as shown in Figure 9(b) (average pooling). Such a pooling layer reduces the amount of information while maintaining the correlation characteristics of the explanatory variables of the one-dimensional array data, and generates a dimension-compressed third feature map. The pooling layer can detect the correlation characteristics of the explanatory variables of the one-dimensional array data by compressing the information, even if there is data variation in part of the one-dimensional array data. The size of the filter used in the pooling layer is preferably a pooling size of 3 (3 columns). In addition, either max pooling or average pooling may be applied as the type of filter, and max pooling is preferably used.
本実施形態の畳み込みニューラルネットワークには、上記プーリング層で生成された第3特徴マップを変換するための全結合層と出力層が接続される。全結合層は、第3特徴マップの値を一列に配置して、プーリング層からの出力をまとめるために配置される。全結合層の構造は、通常のニューラルネットワークの中間層と同様である。全結合層の好ましい形態を例示すると、ノード数32~2048の全結合層である。出力層は圧延設備1の形状制御アクチュエータの設定値を出力する。その際、出力層のノード数は、圧延設備1の形状制御アクチュエータとして再設定する操作端の数と同一である。
In the convolutional neural network of this embodiment, a fully connected layer for converting the third feature map generated in the pooling layer and an output layer are connected. The fully connected layer is arranged to arrange the values of the third feature map in a row and consolidate the output from the pooling layer. The structure of the fully connected layer is similar to that of the intermediate layer of a normal neural network. An example of a preferred form of the fully connected layer is a fully connected layer with 32 to 2048 nodes. The output layer outputs the setting values of the shape control actuators of the rolling
本実施形態では、上記の畳み込みニューラルネットワークにおいて、上記プーリング層と全結合層の間に任意で第1ドロップアウト層を備えている。また、全結合層と出力層との間にも第2ドロップアウト層を備えている。第1ドロップアウト層は、上記プーリング層と全結合層との間の接続の一部をランダムに切断するものである。また、第2ドロップアウト層は、全結合層と出力層との間の接続の一部をランダムに切断する。これらにより、過学習を防止することができる。第1ドロップアウト層は、図10に例示するように、第3特徴マップに対してフィルター(図10に示す例では3列)を適用する際に、フィルター内でランダムに選択された部分の重み係数をゼロ(図10に示す例ではフィルターの右端がゼロとされている)とすることにより、プーリング層と全結合層との間の接続の一部を切断して第4特徴マップを生成する。重み係数をゼロにする部分の選択は、計算機により出力した疑似乱数に基づいて決定する。また、本実施形態の第1ドロップアウト層の好ましい形態は、確率0.4のドロップアウト層である。また、第2ドロップアウト層の好ましい形態は、確率0.4のドロップアウト層である。ドロップアウト層の確率とは、疑似乱数に基づいて重み係数をゼロにする部分の数の全重み係数の数に対する割合を意味する。 In this embodiment, the convolutional neural network includes a first dropout layer between the pooling layer and the fully connected layer. Also, a second dropout layer is provided between the fully connected layer and the output layer. The first dropout layer randomly cuts off a part of the connection between the pooling layer and the fully connected layer. Also, the second dropout layer randomly cuts off a part of the connection between the fully connected layer and the output layer. These can prevent overlearning. As illustrated in FIG. 10, when applying a filter (three columns in the example shown in FIG. 10) to the third feature map, the first dropout layer cuts off a part of the connection between the pooling layer and the fully connected layer by setting the weighting coefficient of a randomly selected part in the filter to zero (the right end of the filter is set to zero in the example shown in FIG. 10), thereby generating a fourth feature map. The selection of the part whose weighting coefficient is set to zero is determined based on a pseudorandom number output by a computer. Also, a preferred form of the first dropout layer in this embodiment is a dropout layer with a probability of 0.4. A preferred form of the second dropout layer is a dropout layer with a probability of 0.4. The probability of the dropout layer means the ratio of the number of weight coefficients that are set to zero based on pseudorandom numbers to the total number of weight coefficients.
以上のような畳み込みニューラルネットワークの手法を用いる場合に、本実施形態で使用する畳み込み層とプーリング層の数や組合せは任意に選択してよい。例えば、畳み込み層は1層であってもよい。機械学習部143での機械学習方法としては、データベース部141に蓄積されたデータセットを訓練データとテストデータに分けて学習を行うことにより形状制御アクチュエータの設定値の設定精度を向上させることができる。例えば、訓練データを用いて畳み込みニューラルネットワークの重み係数の学習を行い、テストデータでの形状制御アクチュエータの設定値の正解率が高くなるように、畳み込みニューラルネットワークの構造(畳み込み層やプーリング層の数、フィルターサイズ等)を適宜変更しながら形状制御アクチュエータ設定モデルを得てもよい。重み係数の更新には、誤差伝播法を用いることができる。 When using the above-described convolutional neural network technique, the number and combination of convolutional layers and pooling layers used in this embodiment may be selected arbitrarily. For example, the number of convolutional layers may be one. As a machine learning method in the machine learning unit 143, the data set stored in the database unit 141 may be divided into training data and test data for learning, thereby improving the setting accuracy of the setting value of the shape control actuator. For example, the weight coefficient of the convolutional neural network may be learned using training data, and a shape control actuator setting model may be obtained while appropriately changing the structure of the convolutional neural network (the number of convolutional layers and pooling layers, the filter size, etc.) so that the accuracy rate of the setting value of the shape control actuator in the test data is increased. The error propagation method may be used to update the weight coefficient.
なお、形状制御アクチュエータ設定モデルMは、例えば1ヶ月毎又は1年毎に再学習により新たなモデルに更新してもよい。データベース部141に保存されるデータが増えるほど、精度の高い形状制御アクチュエータ設定が可能となるからである。また、最新のデータに基づいて形状制御アクチュエータ設定モデルMを更新することにより、経時的な操業条件の変化を反映した形状制御アクチュエータ設定モデルMを生成できる。 The shape control actuator setting model M may be updated to a new model by re-learning, for example, once a month or once a year. This is because the more data stored in the database unit 141, the more accurate the shape control actuator settings can be. Furthermore, by updating the shape control actuator setting model M based on the latest data, a shape control actuator setting model M that reflects changes in operating conditions over time can be generated.
〔鋼板の形状制御方法〕
次に、図11を参照して、本発明の一実施形態である鋼板の形状制御方法について説明する。
[Method for controlling the shape of steel sheet]
Next, a method for controlling the shape of a steel sheet according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本発明の一実施形態である鋼板の形状制御方法では、機械学習部143が生成した形状制御アクチュエータ設定モデルMを用いて、圧延設備1の形状制御アクチュエータを設定する。図11に圧延設備に形状制御アクチュエータ設定部を含む鋼板の形状制御システムの構成例を示す。図11に示す形状制御アクチュエータ設定部150は、例えばワークステーションやパソコン等の汎用コンピュータに設けてよい。また、形状制御アクチュエータ設定部150は、ネットワークを介して形状制御アクチュエータ設定モデル生成部140が生成した形状制御アクチュエータ設定モデルMを取得する入力部や記憶する記憶部を有する。但し、形状制御アクチュエータ設定部150は、圧延設備1を制御するための制御用計算機100や圧延制御コントローラ110の内部に構成してもよい。
In the steel plate shape control method according to one embodiment of the present invention, the shape control actuators of the rolling
図11に示す形状制御アクチュエータ設定部150を用いた鋼板Sの形状制御では、制御用計算機100により鋼板Sを圧延するための初期設定値が算出され、圧延制御コントローラ110により形状制御アクチュエータが初期設定された後、圧延パスが開始される。そして、圧延パスの実行中に、データ取得部120が、圧延設備1の圧延操業パラメータから選択した操業実績データと、形状検出器10から取得される形状実績データとを取得する。データ取得部120が取得したデータは、配列データ変換部130において1次元配列データに変換され、形状制御アクチュエータ設定部150に送られる。形状制御アクチュエータ設定部150は、形状制御アクチュエータ設定モデル生成部140から取得し、記憶部で記憶しておいた形状制御アクチュエータ設定モデルMに対して1次元配列データを入力することにより、形状制御アクチュエータの設定値を算出する。そして、算出された形状制御アクチュエータの設定値は、新たな形状制御アクチュエータ設定指令値として圧延制御コントローラ110に送られる。圧延制御コントローラ110は、形状制御アクチュエータ設定部150から取得した形状制御アクチュエータ設定指令値によって現在の形状制御アクチュエータ設定を更新することにより、圧延設備1の形状制御アクチュエータを新たな設定値で動作させる。
In the shape control of the steel sheet S using the shape control
このような形状制御アクチュエータ設定指令値を予め設定した形状制御の制御周期毎に取得し、圧延制御コントローラ110に送ることにより、鋼板Sの長手方向に対して形状制御アクチュエータ設定値の更新が随時行われることになり、鋼板Sの形状制御を行うことができる。形状制御の制御周期は、圧延設備1の形状制御アクチュエータ設定値を更新してから鋼板Sが形状検出器10に到達するまでに一定の時間を要するため、0.2~10秒程度の周期とするのが好ましい。これにより、長手方向の形状が均一な鋼板Sを製造することができる。さらに、従来の自動形状フィードバック制御は、形状検出器10によって検出された形状実績データに基づいて、物理モデル等により構成された形状制御アクチュエータ設定モデルにより、形状制御アクチュエータ設定値を随時更新するものが多い。従って、本実施形態の形状制御アクチュエータ設定部150を用いた鋼板の形状制御は、従来の自動形状フィードバック制御を実行するためのシステムの一部を置換することで実現し得る。また、従来の自動形状フィードバック制御システムと並列して、本実施形態の形状制御アクチュエータ設定部150を設け、必要に応じて切り替えを行って圧延設備の形状制御を実行してもよい。
By acquiring such a shape control actuator setting command value for each preset shape control control period and sending it to the rolling controller 110, the shape control actuator setting value is updated as needed for the longitudinal direction of the steel sheet S, and the shape control of the steel sheet S can be performed. The shape control control period is preferably set to about 0.2 to 10 seconds, since it takes a certain amount of time from updating the shape control actuator setting value of the rolling
(実施例1)
以下に本発明の第1の実施例を示す。本実施例では、まず12段型クラスター圧延機を対象として、形状制御アクチュエータ設定モデルを生成した。本実施例に用いた圧延機は、ワークロール径70~120mm、最高圧延速度600m/minの圧延機である。被圧延材である鋼板は、高炭素鋼であり、母材板厚1.2~2.3mm、板幅400~1070mmであり、圧延パス数を1~15パスにて、製品板厚0.4~1.8mmの鋼板を圧延した。また、使用した圧延機はレバース式圧延機であり、圧延機を中心に左右2基のテンションリールの間には形状検出器が配置されており、右行きと左行きのいずれの圧延パスにおいても鋼板の形状実績データを取得できる。形状検出器は、分割ロードセル方式であり、ロール軸方向に44チャンネルのロードセルが内蔵されおり、1チャンネルあたりの検出幅は25.4mmである。なお、形状検出器からは鋼板の幅方向の伸び差として板幅方向各位置におけるI-unitの値が出力される。また、本実施例では、上記鋼板について420コイルの圧延を実施し、その間、本圧延機の操業経験が豊富なオペレータに手動で形状制御アクチュエータの操作を実行してもらい、学習用データをデータベース部に蓄積した。
Example 1
The first embodiment of the present invention is shown below. In this embodiment, a shape control actuator setting model was generated for a 12-high cluster rolling mill. The rolling mill used in this embodiment has a work roll diameter of 70 to 120 mm and a maximum rolling speed of 600 m/min. The steel plate to be rolled is high carbon steel, with a base plate thickness of 1.2 to 2.3 mm and a plate width of 400 to 1070 mm, and the number of rolling passes was 1 to 15 passes to roll a steel plate with a product thickness of 0.4 to 1.8 mm. The rolling mill used is a reversing rolling mill, and a shape detector is disposed between two tension reels on the left and right sides of the rolling mill, so that the shape data of the steel plate can be obtained in both right and left rolling passes. The shape detector is a split load cell type, and 44 channel load cells are built in the roll axial direction, with a detection width of 25.4 mm per channel. The shape detector outputs the value of I-unit at each position in the sheet width direction as the difference in elongation in the sheet width direction. In this embodiment, the above-mentioned steel sheet was rolled into 420 coils, during which an operator with ample experience in operating this rolling mill manually operated the shape control actuator, and learning data was accumulated in the database.
形状制御アクチュエータ設定モデルの生成にあたっては、圧延操業パラメータの中から鋼板の寸法情報として入側板厚、出側板厚、及び板幅を選択した。また、母材の属性情報として鋼板の鋼種符号を選択した。さらに、圧延条件情報からは圧延パス番号、ワークロール径、圧延速度、クーラント流量、及びクーラント温度を選択した。本実施例では、それらの圧延操業パラメータの他に、鋼板の目標形状として、数式(1)に示した鋼板の形状を4次式で関数近似した際の係数λ1~λ4を選択した。一方、以上の圧延操業パラメータで鋼板を圧延した場合の形状実績データは、上記の通り形状検出器から出力されるI-unitを用いた。但し、鋼板の幅方向位置は、本圧延機により圧延可能な最大幅により規格化した値を用いて、各位置でのI-unitの実績データを採取した。そして、上記圧延操業パラメータの操業実績データと形状実績データとは、配列データ変換ステップにより1次元配列データとした。 When generating the shape control actuator setting model, the entry thickness, exit thickness, and width were selected as the dimensional information of the steel plate from among the rolling operation parameters. In addition, the steel grade code of the steel plate was selected as the attribute information of the base material. Furthermore, the rolling pass number, work roll diameter, rolling speed, coolant flow rate, and coolant temperature were selected from the rolling condition information. In addition to these rolling operation parameters, coefficients λ1 to λ4 were selected as the target shape of the steel plate when the shape of the steel plate shown in Formula (1) was functionally approximated by a fourth-order equation. On the other hand, the shape actual data when the steel plate was rolled with the above rolling operation parameters was the I-unit output from the shape detector as described above. However, the width direction position of the steel plate was standardized by the maximum width that can be rolled by this rolling mill, and the actual data of I-unit at each position was collected. Then, the operation actual data and shape actual data of the above rolling operation parameters were converted into one-dimensional array data by an array data conversion step.
一方、形状制御アクチュエータ設定モデルの出力データとなる形状制御アクチュエータは、ワークロールベンダ、中間ロールベンダ、レベリング、下バックアップロールのエッジ位置、クォータ位置、及びセンター位置の6つを選択し、これらの設定実績データを取得した。本実施例では、上記1次元配列データと形状制御アクチュエータ設定実績データとで構成されるデータセットをデータベース部に蓄積した。データベース部に蓄積したデータセット数が100、000個となった時点で、形状制御アクチュエータ設定モデル生成部では、予備処理によりデータ分割を行い、学習用データとしては、全データセットの70%を用いて、ニューラルネットワークの学習を行い、残りのデータセットをテスト用データとして、予測精度の評価を行った(本発明例1)。 On the other hand, six shape control actuators were selected as output data for the shape control actuator setting model: work roll bender, intermediate roll bender, leveling, edge position of the lower backup roll, quarter position, and center position, and their setting history data was obtained. In this embodiment, a data set consisting of the one-dimensional array data and the shape control actuator setting history data was stored in the database section. When the number of data sets stored in the database section reached 100,000, the shape control actuator setting model generation section divided the data through preliminary processing, and 70% of the total data set was used as learning data to train the neural network, and the remaining data set was used as test data to evaluate the prediction accuracy (Example 1 of the present invention).
本実施例に使用した畳み込みニューラルネットワークは、図6に示した入力層、第1畳み込み層、第2畳み込み層、プーリング層、第1ドロップアウト層、全結合層、第2ドロップアウト層、及び出力層から構成されるものを用いた。第1畳み込み層は、フィルター数128、ストライド1、ゼロパディングとする畳み込み層である。第2畳み込み層は、フィルター数64、ストライド1、ゼロパディングとする畳み込み層である。プーリング層は、最大プーリングを適用し、第1ドロップアウト層及び第2ドロップアウト層のドロップアウト確率はいずれも0.4とした。 The convolutional neural network used in this example is composed of the input layer, first convolutional layer, second convolutional layer, pooling layer, first dropout layer, fully connected layer, second dropout layer, and output layer shown in FIG. 6. The first convolutional layer is a convolutional layer with 128 filters, a stride of 1, and zero padding. The second convolutional layer is a convolutional layer with 64 filters, a stride of 1, and zero padding. Max pooling is applied to the pooling layer, and the dropout probability of both the first dropout layer and the second dropout layer is 0.4.
学習計算における損失関数としてはネットワークの予測値と実測値から計算される平均二乗誤差を用いて、最適化計算手法についてはADAM最適化を選択した。また、機械学習にあたってはミニバッチ学習(ミニバッチ勾配降下法)を用いて、バッチサイズ512、エポック回数500とした。但し、テストデータに対する損失関数が30エポック回以上にわたって改善しなかった場合には、学習率を1/10に低下させて学習を進めた。以上のようにして生成した形状制御アクチュエータ設定モデルを用いて、テストデータに対して、形状制御アクチュエータ設定値の出力値と実績値とを比較した。これに対して、比較例として、上記データベース部に蓄積されたデータセットと同一のデータセットを用いて、フィードフォワードニューラルネットワークによる学習を行い、生成したモデルの出力値と実績値とを比較した。なお、比較例のフィードフォワードニューラルネットワークとして、512ノードの中間層を1層有するネットワークを用いた。 The loss function in the learning calculation was the mean square error calculated from the predicted value of the network and the actual value, and the ADAM optimization was selected as the optimization calculation method. In addition, mini-batch learning (mini-batch gradient descent) was used for machine learning, with a batch size of 512 and epoch count of 500. However, if the loss function for the test data did not improve for 30 epochs or more, the learning rate was reduced to 1/10 and learning was continued. Using the shape control actuator setting model generated as described above, the output value and actual value of the shape control actuator setting value for the test data were compared. In contrast, as a comparative example, learning was performed using a feedforward neural network using the same data set as the data set stored in the database unit, and the output value and actual value of the generated model were compared. Note that a network with one intermediate layer of 512 nodes was used as the feedforward neural network of the comparative example.
本発明例1及び比較例における形状制御アクチュエータ設定値の出力値と実績値の比較結果を図12(a)~(d)に示す。なお、図12(a)~(d)は形状制御アクチュエータの操作端の一つであるワークロールベンダの設定値について、ニューラルネットワークにより予測した結果(予測ベンダー量)と実績値(実績ベンダー量)とを比較した結果である。図12(a),(b)に示すように、本発明例1の畳み込みニューラルネットワークを用いた予測結果は、実績値との相関が高く、比較例に比べて予測精度が大幅に改善していることが分かる。さらに、図12(c),(d)に示すように、損失関数及びRMSEについても、比較例に対して本発明例1は、損失関数が約87%低減し、RMSEも約65%低減した。以上のことから、形状制御アクチュエータ設定値について、オペレータが手動で設定した設定値を畳み込みニューラルネットワークによる学習済モデルにより精度よく再現できることが確認された。 The results of comparing the output values and actual values of the shape control actuator settings in Example 1 of the present invention and the comparative example are shown in Figures 12(a) to 12(d). Note that Figures 12(a) to 12(d) show the results of comparing the results predicted by the neural network (predicted bender amount) and the actual values (actual bender amount) for the setting value of the work roll bender, which is one of the operating ends of the shape control actuator. As shown in Figures 12(a) and 12(b), the prediction results using the convolutional neural network in Example 1 of the present invention are highly correlated with the actual values, and it can be seen that the prediction accuracy is significantly improved compared to the comparative example. Furthermore, as shown in Figures 12(c) and 12(d), in terms of the loss function and RMSE, Example 1 of the present invention has a loss function that is reduced by about 87% and the RMSE that is reduced by about 65% compared to the comparative example. From the above, it was confirmed that the setting value of the shape control actuator manually set by the operator can be accurately reproduced by the trained model using the convolutional neural network.
(実施例2)
本発明の第2の実施例として、上記実施例と同一の圧延機を用いた他の例について説明する。本実施例に用いた被圧延材である鋼板は、高炭素鋼であり、母材板厚1.4~2.1mm、板幅500~1020mmであり、圧延パス数を1~12パスにて、製品板厚0.5~1.6mmの鋼板を350コイル圧延した。本実施例でも、本圧延機の操業経験が豊富なオペレータに手動で形状制御アクチュエータの操作を実行してもらい、学習用データをデータベース部に蓄積した。
Example 2
As a second embodiment of the present invention, another example using the same rolling mill as the above embodiment will be described. The steel plate used in this embodiment is high carbon steel, with a base plate thickness of 1.4 to 2.1 mm and a plate width of 500 to 1020 mm. The number of rolling passes was 1 to 12, and the steel plate was rolled into 350 coils with a product thickness of 0.5 to 1.6 mm. In this embodiment, too, an operator with extensive experience in operating this rolling mill was asked to manually operate the shape control actuator, and learning data was accumulated in the database.
形状制御アクチュエータ設定モデルの生成にあたっては、圧延操業パラメータの中から鋼板の寸法情報として入側板厚、出側板厚、及び板幅を選択した。また、母材の属性情報として鋼板の鋼種符号を選択した。さらに、圧延条件情報からは圧延パス番号、ワークロール径、前後張力、圧延速度、クーラント流量、及びクーラント温度を選択した。本実施例では、それらの圧延操業パラメータの他に、鋼板の目標形状として、数式(1)に示した鋼板の形状を4次式で関数近似した際の係数λ1~λ4を選択した。一方、以上の圧延操業パラメータで鋼板を圧延した場合の形状実績データは、上記の通り形状検出器から出力されるI-unitを用いた。 When generating the shape control actuator setting model, the entry thickness, exit thickness, and width were selected as the dimensional information of the steel plate from among the rolling operation parameters. In addition, the steel grade code of the steel plate was selected as the attribute information of the base material. Furthermore, the rolling pass number, work roll diameter, front and rear tension, rolling speed, coolant flow rate, and coolant temperature were selected from the rolling condition information. In this embodiment, in addition to these rolling operation parameters, the coefficients λ1 to λ4 when the shape of the steel plate shown in formula (1) is functionally approximated by a fourth-order equation were selected as the target shape of the steel plate. Meanwhile, the I-unit output from the shape detector as described above was used as the shape actual data when the steel plate was rolled with the above rolling operation parameters.
一方、形状制御アクチュエータ設定モデルの出力データとなる形状制御アクチュエータは、実施例1と同様に、ワークロールベンダ、中間ロールベンダ、レベリング、下バックアップロールのエッジ位置、クォータ位置、及びセンター位置の6つを選択し、これらの設定実績データを取得した。 On the other hand, as with Example 1, the shape control actuators that serve as output data for the shape control actuator setting model were selected as six items: work roll bender, intermediate roll bender, leveling, edge position of the lower backup roll, quarter position, and center position, and the setting data for these was obtained.
本実施例においては、取得した実績データのうち、圧延操業パラメータの操業実績データと形状実績データとは配列データ変換ステップにより1次元配列データとし、形状制御アクチュエータ設定実績データと共にデータセットを構成してデータベース部に蓄積した。データベース部に蓄積したデータセット数が100、000個となった時点で、形状制御アクチュエータ設定モデル生成部では、予備処理によりデータ分割を行い、学習用データとしては、全データセットの70%を用いて、ニューラルネットワークの学習を行った。形状制御アクチュエータ設定モデルに適用したニューラルネットワークは、実施例1と同様に、図6に示す構成を用いた。そして、学習用データに使用されなかったテスト用データを用いて、形状制御アクチュエータ設定モデルによる予測精度の評価を行った(本発明例2)。 In this embodiment, among the acquired performance data, the operation performance data of the rolling operation parameters and the shape performance data were converted into one-dimensional array data by the array data conversion step, and a data set was formed together with the shape control actuator setting performance data and stored in the database section. When the number of data sets stored in the database section reached 100,000, the shape control actuator setting model generation section performed data division by preliminary processing, and 70% of the total data set was used as learning data to train the neural network. The neural network applied to the shape control actuator setting model had the configuration shown in FIG. 6, as in Example 1. Then, the prediction accuracy of the shape control actuator setting model was evaluated using the test data that was not used as the learning data (Example 2 of the present invention).
<比較例1>
本発明の比較例1として、上記データベース部に蓄積されたデータセットと同一のデータセットを用いて、フィードフォワードニューラルネットワークによる学習を行い、機械学習により学習された形状制御アクチュエータ設定モデルを生成した。フィードフォワードニューラルネットワークの入力とする説明変数は、上記実施例2の説明変数と同一である。すなわち、比較例1は、畳み込みニューラルネットワークを適用していない点で本発明例2と相違する。なお、フィードフォワードニューラルネットワークは、512ノードの中間層を1層有する構成とした。
<Comparative Example 1>
As Comparative Example 1 of the present invention, a feedforward neural network was used to learn using the same data set as the data set stored in the database unit, and a shape control actuator setting model learned by machine learning was generated. The explanatory variables input to the feedforward neural network were the same as those in Example 2 above. That is, Comparative Example 1 differs from Example 2 of the present invention in that a convolutional neural network was not applied. The feedforward neural network was configured to have one intermediate layer with 512 nodes.
<比較例2>
本発明の比較例2として、2次元の画像データを入力とする畳み込みニューラルネットワークにより形状制御アクチュエータ設定モデルを生成し、予測精度の評価を行った。比較例2では、ニューラルネットワークの入力とする説明変数は、2次元の画像データとして取得した形状実績データと、実施例2と同一の圧延操業パラメータを選択して取得した操業データである。比較例2に適用した畳み込みニューラルネットワークの構成を図13に示す。比較例2では、鋼板の形状実績データとして、形状検出器から出力される情報を圧延機の運転室に表示するモニター画面に映した画像を2次元の画像データとして用いた。すなわち、図4に示すような棒グラフを含む2次元の画像データを用いた。
<Comparative Example 2>
As Comparative Example 2 of the present invention, a shape control actuator setting model was generated by a convolutional neural network using two-dimensional image data as input, and prediction accuracy was evaluated. In Comparative Example 2, explanatory variables input to the neural network were shape performance data acquired as two-dimensional image data and operation data acquired by selecting the same rolling operation parameters as in Example 2. The configuration of the convolutional neural network applied to Comparative Example 2 is shown in FIG. 13. In Comparative Example 2, an image displayed on a monitor screen displaying information output from a shape detector in the cab of the rolling mill was used as two-dimensional image data as the shape performance data of the steel sheet. That is, two-dimensional image data including a bar graph as shown in FIG. 4 was used.
比較例2に用いた畳み込みニューラルネットワークは、第1入力層、第1畳み込み層、第2畳み込み層、プーリング層、第1ドロップアウト層、全結合層、第2ドロップアウト層から構成される。第1畳み込み層は、フィルターサイズ3、フィルター数128、ストライド1、ゼロパディングとする畳み込み層とした。第2畳み込み層は、フィルターサイズ3、フィルター数64、ストライド1、ゼロパディングとする畳み込み層とした。プーリング層は、最大プーリングを適用し、第1ドロップアウト層及び第2ドロップアウト層のドロップアウト確率はいずれも0.4とした。これにより、2次元の画像データを入力として、鋼板の形状実績データが有する画像の特徴量を維持しながら画像データを圧縮して1次元情報が生成され、第2入力層に入力される。さらに、比較例2では、鋼板の形状実績データの2次元画像データから抽出されたデータと共に、圧延操業パラメータの操業実績データが入力され、通常のフィードフォワードニューラルネットワークと同様に中間層及び出力層に接続されるように構成した。 The convolutional neural network used in Comparative Example 2 is composed of a first input layer, a first convolutional layer, a second convolutional layer, a pooling layer, a first dropout layer, a fully connected layer, and a second dropout layer. The first convolutional layer is a convolutional layer with a filter size of 3, a filter number of 128, a stride of 1, and zero padding. The second convolutional layer is a convolutional layer with a filter size of 3, a filter number of 64, a stride of 1, and zero padding. Maximum pooling is applied to the pooling layer, and the dropout probability of the first dropout layer and the second dropout layer is both 0.4. As a result, two-dimensional image data is input, and one-dimensional information is generated by compressing the image data while maintaining the image features of the shape actual data of the steel plate, and is input to the second input layer. Furthermore, in Comparative Example 2, the operation actual data of the rolling operation parameters is input together with the data extracted from the two-dimensional image data of the shape actual data of the steel plate, and is configured to be connected to the intermediate layer and the output layer in the same manner as a normal feedforward neural network.
<評価結果>
本発明例2、比較例1、及び比較例2における形状制御アクチュエータ設定値の出力値と実績値の比較結果を図14(a)~(c)に示す。なお、図14(a)~(c)は、形状制御アクチュエータの操作端の一つであるワークロールベンダの設定値について、本発明例2、比較例1、及び比較例2における予測値(予測ベンダー量)と実績値(実績ベンダー量)とを比較したものである。図14(a)~(c)に示すように、本発明例2のワークロールベンダの設定値に関する予測精度は、比較例1よりも大幅に向上し、比較例2よりも良好な結果となっている。
<Evaluation Results>
14(a) to 14(c) show the results of comparing the output values and actual values of the set values of the shape control actuator in Example 2 of the present invention, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. Note that Figures 14(a) to 14(c) compare the predicted values (predicted bender amount) and actual values (actual bender amount) of the set value of the work roll bender, which is one of the operation terminals of the shape control actuator, in Example 2 of the present invention, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. As shown in Figures 14(a) to 14(c), the prediction accuracy of the set value of the work roll bender in Example 2 of the present invention is significantly improved over Comparative Example 1, and the results are better than those in Comparative Example 2.
本発明例2、比較例1、及び比較例2について、損失関数及び形状制御アクチュエータ設定モデルを生成するための学習に要した計算時間を図15(a),(b)に示す。図15(a)から分かるように、本発明例2の損失関数は、比較例1に対して約90%低減し、比較例2に対して約50%低減した。すなわち、本発明例2により形状制御アクチュエータの設定値として適切な設定値を出力できることが分かる。また、図15(b)から分かるように、本発明例2では形状制御アクチュエータモデルを生成するための計算時間が、比較例1に比べて長くなるものの、比較例2のように画像データを入力とする畳み込みニューラルネットワークの手法を用いる場合に比べて計算時間が短縮されている。このことから、本発明例2では高精度な形状制御アクチュエータモデルを効率的に生成できることが確認された。 15(a) and (b) show the loss function and the calculation time required for learning to generate the shape control actuator setting model for Example 2 of the present invention, Comparative Example 1, and Comparative Example 2. As can be seen from FIG. 15(a), the loss function for Example 2 of the present invention is reduced by about 90% compared to Comparative Example 1, and by about 50% compared to Comparative Example 2. In other words, it can be seen that Example 2 of the present invention can output an appropriate setting value as the setting value of the shape control actuator. Also, as can be seen from FIG. 15(b), although the calculation time for generating the shape control actuator model in Example 2 of the present invention is longer than that in Comparative Example 1, the calculation time is shorter than that in Comparative Example 2, which uses a convolutional neural network method that inputs image data. From this, it was confirmed that Example 2 of the present invention can efficiently generate a highly accurate shape control actuator model.
この場合、本発明例2と比較例2との相違についての理由は、以下のように考えられる。すなわち、比較例2は、形状実績データを2次元の画像データとして入力する畳み込みニューラルネットワークを用いるものであるが、入力となる2次元の画像データには、画像データに含まれる鋼板の形状に関する情報以外の冗長な情報も含まれるため、鋼板の形状についての特徴量を効率的に抽出しにくいことがある。特に、圧延設備における鋼板の形状は、形状制御アクチュエータを設定しても板幅方向の特定の位置のみに伸びを付与することはできず、板幅方向で一定の分布をもったパターンでのみ制御できるという特徴がある。この点を考慮すると、本発明例2では、形状実績データと圧延操業パラメータとを組み合わせて1次元配列データとする配列データ変換ステップを用いるので、形状パターンに関する特徴量を効率的に抽出できると考えられる。このため、本発明例2は、比較例2に比べて形状制御アクチュエータ設定モデルによる予測精度が向上すると共に、入力データの情報量が圧縮されているため学習に要する時間も短縮されたと考えられる。 In this case, the reason for the difference between the present invention example 2 and the comparative example 2 is considered to be as follows. That is, the comparative example 2 uses a convolutional neural network that inputs the shape record data as two-dimensional image data, but the input two-dimensional image data contains redundant information other than the information on the shape of the steel plate contained in the image data, so that it may be difficult to efficiently extract the feature values of the shape of the steel plate. In particular, the shape of the steel plate in the rolling equipment is characterized in that even if the shape control actuator is set, it is not possible to give elongation only to a specific position in the plate width direction, and it can only be controlled in a pattern with a certain distribution in the plate width direction. In consideration of this point, the present invention example 2 uses an array data conversion step that combines the shape record data and the rolling operation parameters to create one-dimensional array data, so it is considered that the feature values related to the shape pattern can be efficiently extracted. Therefore, the present invention example 2 has improved prediction accuracy by the shape control actuator setting model compared to the comparative example 2, and the time required for learning is also shortened because the amount of information in the input data is compressed.
1 圧延設備
2 ワークロール
3 中間ロール
4 小型バックアップロール
5 上バックアップロール
6 下バックアップロール
7 ペイオフロール
8 右テンションリール
9 左テンションリール
10 形状検出器
11 中間ロールベンダ
12 ワークロールベンダ
100 制御用計算機
110 圧延制御コントローラ
120 データ取得部
130 配列データ変換部
140 形状制御アクチュエータ設定モデル生成部
141 データベース部
142 予備処理部
143 機械学習部
150 形状制御アクチュエータ設定部
M 形状制御アクチュエータ設定モデル
S 鋼板
REFERENCE SIGNS
Claims (10)
前記圧延設備の圧延操業パラメータから選択した1つ以上の操業実績データと、前記形状検出器から取得される形状実績データと、を取得するデータ取得ステップと、
前記データ取得ステップにおいて取得されたデータを1次元配列データに変換する配列データ変換ステップと、
前記配列データ変換ステップにおいて変換された1次元配列データを入力実績データ、前記形状制御アクチュエータの設定値を出力実績データとした、複数の学習用データを用いた畳み込みニューラルネットワークの手法によって、前記形状制御アクチュエータ設定モデルを生成するステップと、
を含む、圧延設備の形状制御アクチュエータ設定モデルの生成方法。 A method for generating a shape control actuator setting model of rolling equipment, the method generating a shape control actuator setting model that outputs a setting value of a shape control actuator in rolling equipment including a shape control actuator for controlling a shape of a steel sheet and a shape detector for detecting the shape of the steel sheet,
A data acquisition step of acquiring one or more operation performance data selected from rolling operation parameters of the rolling equipment and shape performance data acquired from the shape detector;
an array data conversion step of converting the data acquired in the data acquisition step into one-dimensional array data;
generating the shape control actuator setting model by a convolutional neural network technique using a plurality of learning data, in which the one-dimensional array data converted in the array data conversion step is used as input performance data and the setting values of the shape control actuators are used as output performance data;
A method for generating a shape control actuator setting model for rolling equipment, comprising:
前記圧延設備の圧延操業パラメータから選択した1つ以上の操業実績データと、前記形状検出器から取得される形状実績データとを取得するデータ取得部と、
前記データ取得部によって取得されたデータを1次元配列データに変換する配列データ変換部と、
前記配列データ変換部によって変換された1次元配列データを入力実績データ、前記形状制御アクチュエータの設定値を出力実績データとした、複数の学習用データを用いた畳み込みニューラルネットワークの手法によって、前記1次元配列データを入力データ、前記形状制御アクチュエータの設定値を出力データとする形状制御アクチュエータ設定モデルを生成する生成部と、
を備える、圧延設備の形状制御装置。 A shape control device for rolling equipment comprising a shape control actuator for controlling a shape of a steel plate and a shape detector for detecting the shape of the steel plate,
A data acquisition unit that acquires one or more operation performance data selected from rolling operation parameters of the rolling equipment and shape performance data acquired from the shape detector;
an array data conversion unit that converts the data acquired by the data acquisition unit into one-dimensional array data;
a generation unit that generates a shape control actuator setting model using a convolutional neural network technique that uses a plurality of learning data, the one-dimensional array data converted by the array data conversion unit as input data and the setting values of the shape control actuators as output data, the one-dimensional array data being converted as input data and the setting values of the shape control actuators being output data; and
A shape control device for rolling equipment.
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