Detecção de eventos de obstrução em válvula no processo de lingotamento contínuo com uso de aprendizado de máquinas
| Ano de defesa: | 2024 |
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| Orientador(a): | |
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| Tipo de documento: | Tese |
| Tipo de acesso: | Acesso aberto |
| Idioma: | por |
| Instituição de defesa: |
Universidade Federal do Espírito Santo
BR Doutorado em Engenharia Elétrica Centro Tecnológico UFES Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica |
| Programa de Pós-Graduação: |
Não Informado pela instituição
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| Departamento: |
Não Informado pela instituição
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| País: |
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| Palavras-chave em Português: | |
| Link de acesso: | http://repositorio.ufes.br/handle/10/17722 |
Resumo: | The continuous casting process, used in the manufacture of steel plates, is currently the most economical and efficient way of production within the industry. Although continuous casting is a widely used process, some problems associated with the process have not yet been resolved, one of them being the obstruction of the Submerged Entry Nozzle (SEN), which controls the flow of steel between the tundish and the mold. This obstruction, also called clogging, not only impairs the quality of the product but also results in lower process yield, resulting in losses. Thus, clogging detection is of fundamental importance, because control actions can allow the system to operate for a longer time. In this work, methodologies based on Machine Learning and Deep Learning are presented and compared to detect the occurrences of clogging from historical data of process variables. In general, the performance of the classifiers achieved very promising results in real data with unbalanced classes. In particular, the method employing spatiotemporal analysis, using four process variables, obtained a remarkably superior performance when compared to the others, reaching averages of Precision and Recall, respectively, of 95.53% and 97.33%. To reduce the false positive and negative rates, a post-processing heuristic was implemented and applied to the model output, achieving a Precision and a Recall, respectively, of approximately 98% and 99%. To the best of our knowledge, these results have never been found in the literature. Although a detailed comparison is unfeasible due to the differences between the datasets and their inaccessibility, the modeling proposed here reached higher performance levels when compared to the results found in the literature to solve this industry’s problem. The high and unprecedented results obtained in this work, therefore, will contribute both to the improvement of the quality of the final product and to the reduction of costs associated with steel production, since the more effective classification of clogging occurrences can help operators in the corrective action planning |
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Detecção de eventos de obstrução em válvula no processo de lingotamento contínuo com uso de aprendizado de máquinasLingotamento ContínuoBocal da Válvula SubmersaCloggingAprendizado de MáquinasDeep LearningContinuous castingSubmerged Nozzle ValveMachine LearningEngenharia ElétricaThe continuous casting process, used in the manufacture of steel plates, is currently the most economical and efficient way of production within the industry. Although continuous casting is a widely used process, some problems associated with the process have not yet been resolved, one of them being the obstruction of the Submerged Entry Nozzle (SEN), which controls the flow of steel between the tundish and the mold. This obstruction, also called clogging, not only impairs the quality of the product but also results in lower process yield, resulting in losses. Thus, clogging detection is of fundamental importance, because control actions can allow the system to operate for a longer time. In this work, methodologies based on Machine Learning and Deep Learning are presented and compared to detect the occurrences of clogging from historical data of process variables. In general, the performance of the classifiers achieved very promising results in real data with unbalanced classes. In particular, the method employing spatiotemporal analysis, using four process variables, obtained a remarkably superior performance when compared to the others, reaching averages of Precision and Recall, respectively, of 95.53% and 97.33%. To reduce the false positive and negative rates, a post-processing heuristic was implemented and applied to the model output, achieving a Precision and a Recall, respectively, of approximately 98% and 99%. To the best of our knowledge, these results have never been found in the literature. Although a detailed comparison is unfeasible due to the differences between the datasets and their inaccessibility, the modeling proposed here reached higher performance levels when compared to the results found in the literature to solve this industry’s problem. The high and unprecedented results obtained in this work, therefore, will contribute both to the improvement of the quality of the final product and to the reduction of costs associated with steel production, since the more effective classification of clogging occurrences can help operators in the corrective action planningO processo de lingotamento contínuo, usado na fabricação de placas de aço, é atualmente a maneira mais econômica e eficaz de produção dentro da indústria. Embora o lingotamento contínuo seja um processo amplamente usado, alguns problemas associados ao processo ainda não foram resolvidos, sendo um deles a obstrução da válvula submersa (Submerged Entry Nozzle - SEN), que controla o fluxo de aço entre o distribuidor e o molde. Essa obstrução, também chamada de clogging, além de comprometer a qualidade do produto, resulta em menor rendimento do processo, acarretando prejuízos. Deste modo, a detecção do clogging é de fundamental importância, pois ações de controle podem permitir que o sistema opere por mais tempo. Neste trabalho, são apresentadas e comparadas três metodologias baseadas em aprendizagem de máquina e Deep Learning com o objetivo de detectar as ocorrências de clogging a partir de dados históricos de variáveis do processo. Em geral, os classificadores apresentaram resultados bastante promissores em dados reais com desequilíbrio de classes. Em especial, o método empregando análise espaço-temporal, utilizando quatro variáveis do processo, obteve um desempenho notavelmente superior em relação aos demais, alcançando médias de Precisão e Recall, respectivamente, de 95,53% e 97,33%. Visando reduzir as taxas de falsos positivos e negativos, foi implementada uma heurística de pós-processamento aplicada à saída do modelo, sendo alcançado uma Precisão e um Recall, respectivamente, de aproximadamente 98% e 99%. Até o conhecimento da autora, esses resultados nunca foram encontrados na literatura. Apesar de uma comparação detalhada seja inviabilizada devido às diferenças entre as bases de dados e a inacessibilidade a elas, a modelagem aqui proposta atingiu patamares de desempenho superiores quando comparados aos resultados encontrados na literatura para solucionar este tipo de problema da indústria. Os resultados elevados e inéditos obtidos neste trabalho, portanto, contribuirão tanto para a melhoria da qualidade do produto final, como para a redução de custos associados à produção do aço, uma vez que a classificação mais efetiva das ocorrências de clogging poderá auxiliar os operadores no planejamento de ações corretivasUniversidade Federal do Espírito SantoBRDoutorado em Engenharia ElétricaCentro TecnológicoUFESPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaSalles, Evandro Ottoni Teatinihttps://orcid.org/0000-0002-8287-3045http://lattes.cnpq.br/5893731382102675Ciarelli, Patrick Marques https://orcid.org/0000-0003-3177-4028http://lattes.cnpq.br/1267950518719423https://orcid.org/0000-0002-8630-3701http://lattes.cnpq.br/3182975157056986Salles, Jose Leandro Felix https://orcid.org/0000-0002-3417-6544http://lattes.cnpq.br/1368496315730875Aching Samatelo, Jorge Leonidhttps://orcid.org/0000-0001-7679-4132http://lattes.cnpq.br/5049258096050209Cavalieri, Daniel Cruz https://orcid.org/0000-0002-4916-1863http://lattes.cnpq.br/9583314331960942Vargas, Alessandro do Nascimento https://orcid.org/0000-0002-1548-6299http://lattes.cnpq.br/8890841893698537Diniz, Ana Paula Miranda2024-09-11T19:39:30Z2024-09-11T19:39:30Z2024-05-25info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisTextapplication/pdfhttp://repositorio.ufes.br/handle/10/17722porpthttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)instname:Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)instacron:UFES2025-02-18T15:13:55Zoai:repositorio.ufes.br:10/17722Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufes.br/oai/requestriufes@ufes.bropendoar:21082025-02-18T15:13:55Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes) - Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)false |
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The continuous casting process, used in the manufacture of steel plates, is currently the most economical and efficient way of production within the industry. Although continuous casting is a widely used process, some problems associated with the process have not yet been resolved, one of them being the obstruction of the Submerged Entry Nozzle (SEN), which controls the flow of steel between the tundish and the mold. This obstruction, also called clogging, not only impairs the quality of the product but also results in lower process yield, resulting in losses. Thus, clogging detection is of fundamental importance, because control actions can allow the system to operate for a longer time. In this work, methodologies based on Machine Learning and Deep Learning are presented and compared to detect the occurrences of clogging from historical data of process variables. In general, the performance of the classifiers achieved very promising results in real data with unbalanced classes. In particular, the method employing spatiotemporal analysis, using four process variables, obtained a remarkably superior performance when compared to the others, reaching averages of Precision and Recall, respectively, of 95.53% and 97.33%. To reduce the false positive and negative rates, a post-processing heuristic was implemented and applied to the model output, achieving a Precision and a Recall, respectively, of approximately 98% and 99%. To the best of our knowledge, these results have never been found in the literature. Although a detailed comparison is unfeasible due to the differences between the datasets and their inaccessibility, the modeling proposed here reached higher performance levels when compared to the results found in the literature to solve this industry’s problem. The high and unprecedented results obtained in this work, therefore, will contribute both to the improvement of the quality of the final product and to the reduction of costs associated with steel production, since the more effective classification of clogging occurrences can help operators in the corrective action planning |
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