基于大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的冷軋工序質(zhì)量管控平臺(tái)功能及應(yīng)用

王金星 ，王植 ，趙志鵬 ，阮國(guó)慶 ，畢海波 ，曹凱

（1.鞍鋼股份有限公司冷軋廠，遼寧 鞍山 114021；2.北京科技大學(xué)，北京 100083）

冷軋工序是生產(chǎn)高端產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)［1］，包括酸洗、冷軋、退火、精整等多個(gè)環(huán)節(jié)，涉及眾多設(shè)備，工藝過程復(fù)雜，綜合控制困難。冷軋過程受上游來料的影響顯著，當(dāng)上游工序來料質(zhì)量存在明顯波動(dòng)時(shí)，會(huì)造成冷軋過程工藝參數(shù)的波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致最終產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定；在冷軋過程中，酸洗、潤(rùn)滑及冷軋工藝參數(shù)均會(huì)影響冷軋產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性；此外，冷軋之后退火過程中，由于連退機(jī)組爐內(nèi)帶鋼長(zhǎng)度很長(zhǎng)，在爐內(nèi)極易發(fā)生跑偏及瓢曲等缺陷，影響冷軋產(chǎn)品的最終性能及質(zhì)量［2］。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的成熟和應(yīng)用，使得冷軋工序及其他鋼鐵生產(chǎn)工序生產(chǎn)過程中的海量信息及生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同處理，通過對(duì)過程數(shù)據(jù)判定與評(píng)級(jí)，實(shí)現(xiàn)過程監(jiān)控、質(zhì)量追溯，可實(shí)現(xiàn)全流程生產(chǎn)過程受控。

鞍鋼全流程產(chǎn)品質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)，并于2019年4月正式投入運(yùn)行。該系統(tǒng)覆蓋煉鋼、連鑄、熱軋、冷軋等生產(chǎn)線，可以對(duì)煉鋼、熱軋、冷軋等生產(chǎn)線的關(guān)鍵工藝參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、變換，提高數(shù)據(jù)利用率，解決數(shù)據(jù)孤島問題，具有數(shù)據(jù)追溯、質(zhì)量判定、質(zhì)量監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析等功能，實(shí)現(xiàn)了全流程過程數(shù)據(jù)和產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和應(yīng)用。

鞍鋼冷軋質(zhì)量管控平臺(tái)基于鞍鋼全流程產(chǎn)品質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)建立，可實(shí)現(xiàn)冷軋過程實(shí)時(shí)監(jiān)控、質(zhì)量追溯及計(jì)劃評(píng)價(jià)等工作，有效監(jiān)督和控制生產(chǎn)過程質(zhì)量波動(dòng)，提高冷軋生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。本文將重點(diǎn)介紹鞍鋼冷軋質(zhì)量管控平臺(tái)相關(guān)功能及應(yīng)用。

1 鞍鋼全流程產(chǎn)品質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

為解決鋼鐵生產(chǎn)各工序間生產(chǎn)數(shù)據(jù)無法協(xié)同共享、數(shù)據(jù)分析手段不足的現(xiàn)實(shí)問題，鞍鋼與北科大共同設(shè)計(jì)研發(fā)了針對(duì)鞍鋼各生產(chǎn)工藝的全流程產(chǎn)品質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)以物料為中心，采集并整合從煉鋼、連鑄、熱軋、冷軋到退火等各生產(chǎn)工序過程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工序間質(zhì)量信息共享；在對(duì)全流程生產(chǎn)工序數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上，通過對(duì)過程數(shù)據(jù)判定與評(píng)級(jí)，實(shí)現(xiàn)各工序生產(chǎn)過程監(jiān)控、質(zhì)量追溯；系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)挖掘算法和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法發(fā)掘各工序海量數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的知識(shí)模型及工藝規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)各生產(chǎn)工序工藝參數(shù)優(yōu)化改進(jìn)［4］。

該系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)中心區(qū)、ERP網(wǎng)部分、生產(chǎn)網(wǎng)及外網(wǎng)，數(shù)據(jù)中心采用核心層和接入層兩層扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)部署了入侵防御、網(wǎng)閘、Web防火墻等安全措施來提高生產(chǎn)網(wǎng)的安全防護(hù)和檢測(cè)能力，確保網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全；網(wǎng)絡(luò)采用雙平面環(huán)路模式及典型的TCP/IP結(jié)構(gòu)，將整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)模塊，嚴(yán)格監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)流向，實(shí)現(xiàn)分廠之間數(shù)據(jù)隔離和訪問禁止［4］。

鞍鋼全流程產(chǎn)品質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)提供了全流程的質(zhì)量判定、過程監(jiān)控、質(zhì)量追溯、質(zhì)量分析等功能，同時(shí)也提供可視化及報(bào)表等輔助擴(kuò)展功能，該系統(tǒng)作為一個(gè)集中、共享、統(tǒng)一、協(xié)調(diào)的質(zhì)量管理體系，滿足了企業(yè)信息化建設(shè)個(gè)性化需求，提升了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，具有良好的推廣應(yīng)用前景［4］。

2 冷軋工序質(zhì)量管控平臺(tái)架構(gòu)

冷軋工序質(zhì)量管控平臺(tái)集成于全流程產(chǎn)品質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，其架構(gòu)如圖1所示，主要包括數(shù)據(jù)采集及處理模塊、核心功能模塊等。

圖1 冷軋工序質(zhì)量管控平臺(tái)架構(gòu)Fig.1 Cold Rolling Process Quality Control Platform Architecture

冷軋工序質(zhì)量管控平臺(tái)可以對(duì)冷軋生產(chǎn)過程中的設(shè)備及物料等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控；通過整合處理采集數(shù)據(jù)及相關(guān)算法，對(duì)生產(chǎn)過程中物料質(zhì)量信息進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)冷軋工序質(zhì)量追溯、質(zhì)量預(yù)測(cè)及質(zhì)量預(yù)警；同時(shí)，該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)排產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行評(píng)價(jià)，優(yōu)化改進(jìn)生產(chǎn)計(jì)劃，提高生產(chǎn)效率。冷軋工序質(zhì)量管控平臺(tái)各模塊的特點(diǎn)如下：

數(shù)據(jù)采集及處理模塊可以自動(dòng)采集包括L1實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、L2設(shè)定數(shù)據(jù)、L3計(jì)劃和目標(biāo)數(shù)據(jù)、大型儀表數(shù)據(jù)、檢化驗(yàn)數(shù)據(jù)和取樣數(shù)據(jù)等在內(nèi)的數(shù)據(jù)及過程工藝數(shù)據(jù)，并對(duì)采集到的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、重整，按照生產(chǎn)過程工藝特征事件、狀態(tài)重整后構(gòu)建多源異構(gòu)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，形成具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型的統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)。

核心功能模塊包括生產(chǎn)過程監(jiān)控、質(zhì)量追溯、質(zhì)量分析、質(zhì)量預(yù)警等功能。該模塊可以對(duì)生產(chǎn)過程中工藝及質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)控與離線追溯；并對(duì)質(zhì)量異常及影響質(zhì)量精度的相關(guān)因素進(jìn)行分析，基于分析結(jié)果調(diào)整模型及生產(chǎn)工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程工藝參數(shù)優(yōu)化；同時(shí)，可以根據(jù)上游熱軋工序來料信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)警，提出優(yōu)化解決方案，指導(dǎo)冷軋工序工藝參數(shù)的修正，提高冷軋工序生產(chǎn)效率及產(chǎn)品合格率，為企業(yè)降低成本，提高效益。

3 冷軋工序質(zhì)量管控平臺(tái)功能

3.1 數(shù)據(jù)采集及處理

數(shù)據(jù)采集及處理模塊可以自動(dòng)采集與處理冷軋過程中帶鋼信息、傳感器數(shù)據(jù)、儀表數(shù)據(jù)及工藝過程數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集過程考慮通過各類傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、周期采集關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)，如剛度偏差、剛度保持率、輥縫偏差、軋制力偏心值、APC動(dòng)作響應(yīng)、彎輥及軋輥軸向橫移響應(yīng)、軋輥輥號(hào)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，與質(zhì)量參數(shù)、物料參數(shù)、工藝參數(shù)、質(zhì)檢參數(shù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，并通過數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)重整等算法將重整后的數(shù)據(jù)提供給數(shù)據(jù)平臺(tái)。

3.2 過程監(jiān)控

冷軋工序包括酸洗、軋制、退火等工藝過程，各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)均涉及多個(gè)工藝參數(shù)，這些工藝參數(shù)影響冷軋產(chǎn)品最終質(zhì)量。傳統(tǒng)冷軋工序不能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的狀態(tài)參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)再對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢追溯，降低了生產(chǎn)效率，增加了人工成本。

鞍鋼冷軋工序質(zhì)量管控平臺(tái)可對(duì)冷軋過程中關(guān)鍵工藝參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，并針對(duì)物料軋制狀態(tài)，根據(jù)產(chǎn)品要求，顯示相應(yīng)的工藝參數(shù)實(shí)際值和控制極限，監(jiān)控生產(chǎn)過程中物料信息及工藝數(shù)據(jù)的變化，并根據(jù)各工序物料實(shí)際狀態(tài)，給出操作提示，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程預(yù)警及控制。同時(shí)，通過監(jiān)控畫面將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示在相應(yīng)終端，方便管理人員遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀態(tài)并匯總現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)信息。圖2、圖3為冷軋過程中酸洗及冷軋工序、連退工序過程監(jiān)控實(shí)時(shí)畫面。

圖2 酸洗及冷軋工序過程監(jiān)控實(shí)時(shí)畫面Fig.2 Pickling and Cold Rolling Process Monitoring Real-time Screen

圖3 連退工序過程監(jiān)控實(shí)時(shí)畫面Fig.3 Continuous Annealing Process Monitoring Real-time Screen

3.3 質(zhì)量追溯

大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)形成了各個(gè)生產(chǎn)工序內(nèi)部關(guān)鍵工藝參數(shù)及物料信息數(shù)據(jù)庫，并建立了前后工序間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。采用該系統(tǒng)可以輕易獲取上游及下游工序間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)異常數(shù)據(jù)點(diǎn)的追溯。

冷軋工序可以基于平臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，根據(jù)操作人員提供的物料號(hào)，快速篩選出該物料號(hào)在生產(chǎn)過程中指定時(shí)間和條件下的實(shí)際生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，通過對(duì)比分析多工序過程參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷軋產(chǎn)品質(zhì)量的分析判別和工藝追溯，快速發(fā)現(xiàn)異常問題的特征與來源。

3.4 質(zhì)量分析

質(zhì)量分析模塊提供了相關(guān)性分析、聚類分析等多種分析方法，可根據(jù)需求快速對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)集進(jìn)行質(zhì)量分析，通過高效分析冷軋過程中的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行改進(jìn)。通過數(shù)據(jù)特征識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷軋過程中質(zhì)量偏差、工況異常問題進(jìn)行追溯和成因分析，明確產(chǎn)生異常的工藝因素，并建立工藝質(zhì)量異常關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫，通過分析過程不斷訓(xùn)練和優(yōu)化數(shù)據(jù)庫，減少質(zhì)量異常情況的發(fā)生。

3.5 質(zhì)量預(yù)警

冷軋工序可對(duì)冷軋過程中重要工藝過程參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，通過參數(shù)超限預(yù)警方法、SPC統(tǒng)計(jì)控制方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)方法等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)質(zhì)量預(yù)警，向操作人員提供作業(yè)預(yù)警信息，保證批次內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。對(duì)于一些無法直接測(cè)量的質(zhì)量指標(biāo)，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法對(duì)冷軋過程的實(shí)時(shí)質(zhì)量進(jìn)行預(yù)警。通過數(shù)字化方法形成定量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，描述冷軋過程中設(shè)備狀態(tài)和健康情況，用于預(yù)防因關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)而可能發(fā)生的質(zhì)量缺陷。

4 冷軋工序質(zhì)量管控平臺(tái)應(yīng)用

4.1 應(yīng)用案例

現(xiàn)就冷軋工序質(zhì)量管控平臺(tái)在鞍鋼冷軋2130生產(chǎn)線上的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行例舉說明：

（1）過程監(jiān)控應(yīng)用

在鞍鋼冷軋2130生產(chǎn)線，過程監(jiān)控包含酸洗、軋制、退火、平整各個(gè)冷軋環(huán)節(jié)，該管控平臺(tái)對(duì)各生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)及物料信息實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的過程監(jiān)控，跟蹤監(jiān)測(cè)設(shè)備參數(shù)、工藝參數(shù)及物料信息的實(shí)時(shí)狀態(tài)，結(jié)合質(zhì)量控制計(jì)劃和關(guān)鍵工藝點(diǎn)的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)過程中的異常信息進(jìn)行特殊提示、記錄、統(tǒng)計(jì)，并在終端提示操作人員和工藝人員對(duì)生產(chǎn)過程做出適當(dāng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)冷軋工序的過程監(jiān)控。例如平整液殘留缺陷控制，該平臺(tái)對(duì)平整后的各吹風(fēng)梁的壓力進(jìn)行監(jiān)控，出現(xiàn)風(fēng)壓過低或過高時(shí)提示操作人員及時(shí)調(diào)整，改變了以往檢查員發(fā)現(xiàn)帶鋼平整液殘留，再通知操作人員排查問題，調(diào)整改善滯后的現(xiàn)狀，平整液殘留缺陷基本消除。

（2）質(zhì)量回溯應(yīng)用

產(chǎn)品在冷軋生產(chǎn)結(jié)束后，如果質(zhì)量出現(xiàn)異常，可以通過物料號(hào)采用該質(zhì)量管控平臺(tái)快速追溯，顯示煉鋼、連鑄、熱軋、冷軋?jiān)撐锪咸?hào)所對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)過程實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)比分析工藝變化點(diǎn)，找到產(chǎn)生問題的原因。工藝人員根據(jù)具體的質(zhì)量問題，建立分析模塊，快速定位異常狀態(tài)出現(xiàn)原因，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷軋產(chǎn)品質(zhì)量全流程工藝追溯，進(jìn)而對(duì)相應(yīng)工序進(jìn)行工藝改進(jìn)。例如汽車用高強(qiáng)鋼在使用過程中長(zhǎng)度方向部分位置出現(xiàn)沖壓裂，根據(jù)出現(xiàn)問題的帶鋼位置，追溯熱軋和冷軋各環(huán)節(jié)的溫度和時(shí)間控制，找到性能異常波動(dòng)的原因，驗(yàn)證并完善控制標(biāo)準(zhǔn)。

（3）在線評(píng)級(jí)應(yīng)用

在冷軋生產(chǎn)過程中，平臺(tái)可根據(jù)生產(chǎn)過程中的物料狀態(tài)及設(shè)備狀態(tài)，對(duì)生產(chǎn)過程中冷軋材進(jìn)行在線評(píng)級(jí)，通過對(duì)尺寸、板形、性能的綜合評(píng)價(jià)，給出判定結(jié)果，評(píng)價(jià)實(shí)物質(zhì)量的變化趨勢(shì)，可以避免人工判定帶來的誤差及人為因素的影響，同時(shí)提高了評(píng)級(jí)的效率，減少人工成本并提高生產(chǎn)效率。例如高強(qiáng)鋼板形質(zhì)量，該平臺(tái)對(duì)板形I值的在線評(píng)級(jí)，局部位置超出標(biāo)準(zhǔn)的物料報(bào)警封閉，提示超出標(biāo)準(zhǔn)的具體位置和嚴(yán)重程度，進(jìn)行返修處理，避免下工序在使用時(shí)出現(xiàn)卡鋼、停線等問題。

4.2 實(shí)施效果

冷軋工序質(zhì)量管控平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了如下顯著的效果：

（1）該平臺(tái)能夠及時(shí)顯示冷軋過程中過程參數(shù)及產(chǎn)品質(zhì)量異常，并提供建議及改進(jìn)方案，便于生產(chǎn)管理人員進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，避免出現(xiàn)批量質(zhì)量問題，提高了質(zhì)量穩(wěn)定性，減少質(zhì)量缺陷的發(fā)生。

（2）該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的異常情況進(jìn)行回溯分析，定位引起異常的上游工序?qū)?yīng)工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)流程進(jìn)行優(yōu)化，提高最終產(chǎn)品合格率。

（3）該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程中物料信息及過程參數(shù)進(jìn)行在線及離線分析，對(duì)質(zhì)量與工藝參數(shù)關(guān)聯(lián)分析與優(yōu)化，有效提升了生產(chǎn)技術(shù)人員對(duì)生產(chǎn)過程的分析效率，同時(shí)提高了分析準(zhǔn)確率。

5 結(jié)語

基于大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的冷軋質(zhì)量管控平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冷軋過程中的多種數(shù)據(jù)源信息進(jìn)行存儲(chǔ)整合，并與上下游工序間數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)共享，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷軋過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，為操作與技術(shù)人員提供集成可視化的監(jiān)控工具，保證生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)受控；該平臺(tái)通過質(zhì)量分析及預(yù)警功能，可以形成系統(tǒng)的質(zhì)量判定規(guī)則體系并實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)判定，顯著提升質(zhì)量判定效率與準(zhǔn)確性；通過質(zhì)量追溯功能模塊，快速發(fā)現(xiàn)質(zhì)量異常問題形成原因與關(guān)聯(lián)規(guī)律，并給出工藝參數(shù)的優(yōu)化區(qū)間，有力保障了生產(chǎn)過程與產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。該平臺(tái)可有效提高冷軋工序生產(chǎn)效率及操作人員與技術(shù)人員的工作效率，提高冷軋產(chǎn)品穩(wěn)定性及合格率。