大數(shù)據(jù)技術(shù)在煉鋼質(zhì)量控制中的應(yīng)用

畢 丹， 劉 偉

（凌源鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司， 遼寧 凌源 122504）

0 引言

在當(dāng)前社會消費(fèi)升級、產(chǎn)業(yè)迭代以及供給側(cè)改革等大環(huán)境下，市場對鋼材的需求逐漸增強(qiáng)，而大多數(shù)鋼鐵企業(yè)在煉鋼質(zhì)量控制中缺乏智能化、自動化的管理技術(shù)，未能對煉鋼過程實施有效控制?；诖耍跓掍撡|(zhì)量控制過程中引入大數(shù)據(jù)技術(shù)，便于跟蹤日常生產(chǎn)，及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)異常。還可以針對每個工序及全局生產(chǎn)節(jié)奏，結(jié)合用戶需求抽取關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)，進(jìn)行趨勢分析，避免質(zhì)量風(fēng)險的發(fā)生。

1 煉鋼質(zhì)量控制過程大數(shù)據(jù)參數(shù)配置

在煉鋼質(zhì)量分析或指標(biāo)計算時，經(jīng)常按鋼種類別匯總數(shù)據(jù)做分析?；诖髷?shù)據(jù)控制的煉鋼質(zhì)量管理系統(tǒng)提供鋼種類別定義配置功能，在數(shù)據(jù)源配置中定義數(shù)據(jù)來源、用途和字段構(gòu)成信息等，滿足參數(shù)的可配置化，報警規(guī)則的可配置化，評價規(guī)則的可配置化[1]。

1）自動分析任務(wù)配置：為實現(xiàn)自動化的煉鋼質(zhì)量指標(biāo)分析，提供自定義任務(wù)參數(shù)配置功能，以向?qū)Ｊ竭M(jìn)行配置，提高易用性。

2）名稱字典管理：對煉鋼過程關(guān)鍵工序命名進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化管理，在參數(shù)配置模塊進(jìn)行統(tǒng)一定義。工藝指標(biāo)字典：根據(jù)客戶產(chǎn)線范圍和工序設(shè)備構(gòu)成情況，收集各個工序、設(shè)備關(guān)鍵指標(biāo)項進(jìn)行統(tǒng)一定義，為大數(shù)據(jù)平臺實時監(jiān)控、過程跟蹤和質(zhì)量評價提供標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。

3）工序事件定義：規(guī)范定義各個工序過程中的事件名稱，作為工序時段定義的標(biāo)準(zhǔn)輸入項。具體工序事件定義以現(xiàn)場二級的工序事件定義為準(zhǔn)。

4）實時監(jiān)控告警規(guī)則配置：煉鋼實時監(jiān)控針對每個工序進(jìn)行指標(biāo)告警閾值配置，超出閾值時進(jìn)行實時告警。

5）權(quán)限管理：質(zhì)量大數(shù)據(jù)系統(tǒng)根據(jù)角色進(jìn)行權(quán)限分配，根據(jù)用戶組織數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶初始化，根據(jù)用戶崗位不同分配到不同的角色中。各個角色用戶可查看本角色權(quán)限范圍內(nèi)的功能和數(shù)據(jù)，并可在授權(quán)范圍內(nèi)選定條件進(jìn)行查看、分析和導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

2 煉鋼質(zhì)量控制大數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要點

2.1 數(shù)據(jù)采集設(shè)計要點

數(shù)據(jù)采集模塊程序開發(fā)的原則是通用、可配置化、可擴(kuò)展和功能模塊化等，配置有2 個接口，用于存儲源表結(jié)構(gòu)信息。該模塊數(shù)據(jù)加載到大數(shù)據(jù)系統(tǒng)分為三個步驟[2]：數(shù)據(jù)文件傳輸并加載至HDFS 中、HDFS文件映射到Hive 外部表以及外部表同步HBase 數(shù)據(jù)表或ORC 表。

2.2 煉鋼數(shù)據(jù)處理設(shè)計要點

大數(shù)據(jù)工序內(nèi)部通過爐號將當(dāng)前工序下的工藝指標(biāo)數(shù)據(jù)、檢化驗數(shù)據(jù)和過程指標(biāo)數(shù)據(jù)等多維度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，同時擴(kuò)充相關(guān)爐次所在設(shè)備、所在工位、對應(yīng)班組、對應(yīng)鋼種和規(guī)格等爐次屬性，為多維度的數(shù)據(jù)提取分析提供數(shù)據(jù)支撐?？绻ば驍?shù)據(jù)整合，以爐號為主線，將轉(zhuǎn)爐、LF 精煉連鑄及軋鋼等數(shù)據(jù)進(jìn)行組裝，為跨工序、多維度業(yè)務(wù)分析提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

2.3 數(shù)據(jù)存儲設(shè)計要點

數(shù)據(jù)存儲模塊以數(shù)據(jù)文件形式傳輸?shù)酱髷?shù)據(jù)平臺，存儲為ORC 事務(wù)表，數(shù)據(jù)庫接口方式提供數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源，通過Sqoop 抽取到大數(shù)據(jù)平臺，以O(shè)RC 表方式存儲。數(shù)據(jù)查詢模塊提供JDBC 驅(qū)動包，通過定制查詢頁面提供客戶查詢數(shù)據(jù)，也可按工序、設(shè)備、鋼種、規(guī)格、物料和時間等多種條件進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，允許其他應(yīng)用程序直接通過SQL 查詢獲取結(jié)果集，并通過Excel 格式導(dǎo)出。

3 煉鋼質(zhì)量控制大數(shù)據(jù)系統(tǒng)搭建

煉鋼質(zhì)量控制大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，包括質(zhì)量追溯、質(zhì)量監(jiān)控、質(zhì)量評價和質(zhì)量分析等事中控制及事后分析功能。事中控制主要是通過質(zhì)量評價和質(zhì)量監(jiān)控實現(xiàn)質(zhì)量的在線評價與監(jiān)控，并與信息化系統(tǒng)對接，避免批量質(zhì)量問題發(fā)生。事后分析主要是通過質(zhì)量分析和質(zhì)量追溯對質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)與追溯，實現(xiàn)根因分析和問題定位。

圖1 煉鋼質(zhì)量控制大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 煉鋼工序過程追溯

該環(huán)節(jié)不僅展示工序概況，還包括事件跟蹤、實時監(jiān)控告警分析和指標(biāo)趨勢跟蹤等幾類信息的跟蹤，能夠追溯到各工序秒級或毫秒級指標(biāo)數(shù)據(jù)，并展現(xiàn)當(dāng)前追溯的爐次全工序周期內(nèi)告警趨勢及明細(xì)詳情。

3.1.1 產(chǎn)品狀態(tài)追溯

產(chǎn)品狀態(tài)追溯用于查詢目標(biāo)產(chǎn)品及產(chǎn)品對應(yīng)的爐次涉及的坯料最新的位置，包括在哪個庫房、是否取材、是否出庫以及是否發(fā)給用戶。

3.1.2 加料信息追溯

加料信息追溯包括工序加料過程列表和加料信息詳情兩部分。加料過程列表以樹形圖形式展現(xiàn)爐次—工序—加料名稱—加料時間4 個層次的信息。

3.1.3 檢化驗信息追溯

檢化驗信息追溯功能將所有工序檢化驗結(jié)果進(jìn)行分類統(tǒng)計，并提供每個類別檢化驗數(shù)據(jù)明細(xì)。包括各工序鋼水成份信息、鋼渣成份信息、鋼坯低倍信息和鋼材性能信息。

3.2 過程實時監(jiān)控

實時監(jiān)控范圍包括轉(zhuǎn)爐、LF 爐和連鑄機(jī)等工序下的主體設(shè)備。監(jiān)控內(nèi)容包括各設(shè)備實時爐次屬性信息、實時指標(biāo)趨勢、實時事件、檢化驗結(jié)果、過程質(zhì)量評分、評級和預(yù)判等各類信息的監(jiān)控跟蹤。

3.2.1 轉(zhuǎn)爐工序監(jiān)控

包括但不限于爐次開始、廢鋼加入、鐵水加入、加料、測溫取樣、主吹開始、主吹結(jié)束、補(bǔ)吹狀態(tài)、雙渣吹煉、出鋼開始、出鋼結(jié)束、濺渣開始、濺渣結(jié)束和爐次結(jié)束等。可以實時了解最新生產(chǎn)進(jìn)度，具體實時事件項以現(xiàn)場二級定義的冶煉事件為準(zhǔn)。轉(zhuǎn)爐工序關(guān)鍵指標(biāo)展示區(qū)域顯示爐次關(guān)鍵實時數(shù)據(jù)，包括但不限于爐齡作業(yè)時間、測溫時間、終點碳、終點溫度、轉(zhuǎn)爐冶煉周期、氧槍槍齡、出鋼口次數(shù)和氧耗等指標(biāo)[3]。

轉(zhuǎn)爐實時告警分析包括告警時間、告警指標(biāo)和告警級別等信息，提供時間維度和指標(biāo)維度的告警分布統(tǒng)計。時間維度告警實時統(tǒng)計以折線圖顯示當(dāng)前爐次告警次數(shù)變化趨勢，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為告警次數(shù)。通過“當(dāng)天爐次”操作切換當(dāng)天總告警數(shù)量變化趨勢。指標(biāo)維度告警統(tǒng)計以指標(biāo)名稱為橫坐標(biāo)，以各指標(biāo)報警數(shù)量為縱坐標(biāo)，以柱狀圖等形式展現(xiàn)告警指標(biāo)范圍和每個指標(biāo)告警數(shù)量分布，集中呈現(xiàn)當(dāng)前爐次在當(dāng)前工序的告警指標(biāo)范圍。

3.2.2 LF 工序?qū)嵤┍O(jiān)控

包括但不限于鋼包到達(dá)、鋼包就位、爐次開始、變壓器換檔、電流換檔、加料、測溫、軟吹開始、軟吹結(jié)束、送電、停電、喂絲開始、喂絲結(jié)束、斷路器合閘、爐次結(jié)束和鋼包吊離等。LF 工序關(guān)鍵指標(biāo)展示區(qū)域顯示爐次關(guān)鍵實時數(shù)據(jù)，包括但不限于作業(yè)時間、測溫時間、溫度、通電周期、電耗、精煉周期、軟吹時間、軟吹流量、進(jìn)站溫度和出站溫度。

LF 實時告警分析提供LF 工序時間維度和指標(biāo)維度的告警分布統(tǒng)計，時間維度告警實時統(tǒng)計以折線圖等顯示當(dāng)前爐次告警次數(shù)變化趨勢，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為告警次數(shù)。通過“當(dāng)天爐次”操作切換當(dāng)天總告警數(shù)量變化趨勢。指標(biāo)維度告警統(tǒng)計以指標(biāo)名稱為橫坐標(biāo)，以各指標(biāo)報警數(shù)量為縱坐標(biāo)，以柱狀圖等形式展現(xiàn)告警指標(biāo)范圍和每個指標(biāo)告警數(shù)量分布。集中呈現(xiàn)當(dāng)前爐次在當(dāng)前工序的告警指標(biāo)范圍，便于分析潛在風(fēng)險。

3.2.3 連鑄工序監(jiān)控

連鑄工序關(guān)鍵指標(biāo)展示區(qū)域顯示連鑄工序關(guān)鍵實時數(shù)據(jù)，包括但不限于開澆時間，澆鑄時間，液相線，過熱度、結(jié)晶器液面自動控制命中率、溫度拉速匹配和成坯率等指標(biāo)。

連鑄實時告警分析提供時間和指標(biāo)兩個維度的告警分析。時間維度告警實時統(tǒng)計以折線圖顯示連鑄工序告警次數(shù)變化趨勢，橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為告警次數(shù)，缺省顯示當(dāng)前爐次周期內(nèi)告警分布情況。另外，還提供全天告警分布的分析，便于對比當(dāng)前爐次告警分布與當(dāng)天其他爐次告警分布的差異，輔助判斷是否存在異常。指標(biāo)維度告警統(tǒng)計以指標(biāo)名稱為橫坐標(biāo)，以各指標(biāo)報警數(shù)量為縱坐標(biāo)，以柱狀圖等形式展現(xiàn)告警指標(biāo)范圍和每個指標(biāo)告警數(shù)量分布。集中呈現(xiàn)當(dāng)前爐次在連鑄工序的告警指標(biāo)范圍，便于分析潛在風(fēng)險。

3.3 過程質(zhì)量評價

過程質(zhì)量評價包含指標(biāo)評價和爐次評價，其依據(jù)工藝標(biāo)準(zhǔn)，以工序指標(biāo)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用目標(biāo)偏差率、合規(guī)率和階梯打分等多種打分算法，對關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行打分評價[4]。根據(jù)指標(biāo)評價結(jié)果，進(jìn)一步對爐次進(jìn)行評價打分，通過打分評價實現(xiàn)質(zhì)量精細(xì)化管理。

指標(biāo)評價，以爐次為周期，提取爐次周期內(nèi)的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)作為評價對象，針對每個爐次周期內(nèi)各指標(biāo)進(jìn)行打分評價。根據(jù)各工序關(guān)鍵指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)上下限的特點和指標(biāo)值的特點，進(jìn)行分類分析，提供有針對性的評價算法。

3.3.1 評價算法

針對單值指標(biāo)，如爐次終點碳，指標(biāo)值是單一數(shù)值，系統(tǒng)提供目標(biāo)偏差率、階梯打分兩種算法進(jìn)行評價。針對多值指標(biāo)，如拉速，在一個爐次周期內(nèi)對應(yīng)一組數(shù)據(jù)，針對這類指標(biāo)系統(tǒng)提供合規(guī)率和目標(biāo)偏差率&合規(guī)率組合評價兩種評價算法。

3.3.2 指標(biāo)評價報告

針對每個工序下的每個指標(biāo)進(jìn)行評價后，系統(tǒng)生成指標(biāo)評價報告。

爐次評價如表1 所示，在實際煉鋼質(zhì)量管理控制中，經(jīng)常根據(jù)指標(biāo)的屬性和重要性分不同組進(jìn)行分類評價。評價之前需要預(yù)先定義爐次指標(biāo)組包含的指標(biāo)范圍和權(quán)重。

表1 爐次指標(biāo)組包含的指標(biāo)范圍和權(quán)重

3.4 煉鋼質(zhì)量分析

3.4.1 實時指標(biāo)分析

實時指標(biāo)以秒級或毫秒級間隔采集，能夠精細(xì)化反映生產(chǎn)過程中指標(biāo)變化趨勢，有助于回顧生產(chǎn)過程，了解生產(chǎn)控制細(xì)節(jié)。該環(huán)節(jié)若按時段對比分析，對比同一時段不同指標(biāo)項的趨勢，有助于發(fā)現(xiàn)指標(biāo)間相互影響關(guān)系[5]。若按爐次對比分析，通過對比質(zhì)量異常爐次和優(yōu)等爐次之間指標(biāo)趨勢關(guān)系，輔助分析質(zhì)量異常爐次的問題根源。

3.4.2 爐次分析

爐次分析以爐號為主線，關(guān)聯(lián)爐次轉(zhuǎn)爐、精煉和連鑄各工序關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)查詢，快速了解每個爐次基本信息。通過指標(biāo)趨勢分析、指標(biāo)對比分析，直觀展示指標(biāo)特征，發(fā)現(xiàn)指標(biāo)異常的爐次。爐次分析主要功能如表2 所示。

表2 爐次分析主要功能表

3.4.3 質(zhì)量分析工具

質(zhì)量分析工具模塊提供從數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)預(yù)處理到數(shù)據(jù)分析全過程的數(shù)據(jù)分析功能。通過數(shù)據(jù)提取功能引入待分析數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理功能完成數(shù)據(jù)分析之前數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作，包括數(shù)據(jù)過濾、轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)分布特征的預(yù)分析。

數(shù)據(jù)分析方面，系統(tǒng)提供圖形分析、Cpk 分析、SPC 分析、相關(guān)分析和主成分分析等多種分析工具，幫助用戶更加便捷地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)提取模塊完成待分析數(shù)據(jù)的提取、預(yù)處理過程，系統(tǒng)提供多種數(shù)據(jù)提取方式和預(yù)處理功能，輔助用戶在正式分析之前對數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度篩選和整理。

1）系統(tǒng)支持以大數(shù)據(jù)平臺、外部Excel 文件以及用戶在系統(tǒng)中保存的數(shù)據(jù)集作為分析的目標(biāo)數(shù)據(jù)集。

2）字段范圍選擇：針對提取的數(shù)據(jù)集，系統(tǒng)提供字段篩選功能，只保留目標(biāo)分析字段，對無關(guān)字段進(jìn)行刪減。

3）數(shù)據(jù)檢查：對當(dāng)前的數(shù)據(jù)集進(jìn)行初步的空值檢查和數(shù)據(jù)分布統(tǒng)計，便于了解數(shù)據(jù)構(gòu)成情況。

4）單條刪除：在數(shù)據(jù)列表中針對個別單條數(shù)據(jù)，提供單條刪除功能，方便對數(shù)據(jù)進(jìn)行更細(xì)粒度的篩選。

5）數(shù)據(jù)預(yù)處理：系統(tǒng)提供刪除空值、指定字段值范圍和指定數(shù)據(jù)分類等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

6）數(shù)據(jù)導(dǎo)出Excel：處理結(jié)果數(shù)據(jù)支持導(dǎo)出為本地Excel 文件，在系統(tǒng)外進(jìn)一步分析或作為輸入數(shù)據(jù)再次導(dǎo)入系統(tǒng)分析。

4 結(jié)語

本文從煉鋼質(zhì)量控制過程大數(shù)據(jù)參數(shù)配置出發(fā)，在介紹煉鋼質(zhì)量控制大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要點的基礎(chǔ)上，對煉鋼質(zhì)量控制大數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，科學(xué)精準(zhǔn)地控制煉鋼過程，有效提升了鋼材質(zhì)量。