王金星 ，王植 ，趙志鵬 ，阮國慶 ，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，當上游工序來料質(zhì)量存在明顯波動時，會造成冷軋過程工藝參數(shù)的波動，進而導(dǎo)致最終產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定；在冷軋過程中，酸洗、潤滑及冷軋工藝參數(shù)均會影響冷軋產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性；此外，冷軋之后退火過程中，由于連退機組爐內(nèi)帶鋼長度很長，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)可以實現(xiàn)協(xié)同處理，通過對過程數(shù)據(jù)判定與評級，實現(xiàn)過程監(jiān)控、質(zhì)量追溯，可實現(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月正式投入運行。該系統(tǒng)覆蓋煉鋼、連鑄、熱軋、冷軋等生產(chǎn)線，可以對煉鋼、熱軋、冷軋等生產(chǎn)線的關(guān)鍵工藝參數(shù)數(shù)據(jù)進行實時采集、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，可實現(xiàn)冷軋過程實時監(jiān)控、質(zhì)量追溯及計劃評價等工作，有效監(jiān)督和控制生產(chǎn)過程質(zhì)量波動，提高冷軋生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性。本文將重點介紹鞍鋼冷軋質(zhì)量管控平臺相關(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)實問題，鞍鋼與北科大共同設(shè)計研發(fā)了針對鞍鋼各生產(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)，實現(xiàn)工序間質(zhì)量信息共享；在對全流程生產(chǎn)工序數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上，通過對過程數(shù)據(jù)判定與評級，實現(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)計分析方法發(fā)掘各工序海量數(shù)據(jù)中蘊含的知識模型及工藝規(guī)律，實現(xiàn)對各生產(chǎn)工序工藝參數(shù)優(yōu)化改進［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)的安全防護和檢測能力，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)，將整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)劃分為多個模塊，嚴格監(jiān)控數(shù)據(jù)流向，實現(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，同時也提供可視化及報表等輔助擴展功能，該系統(tǒng)作為一個集中、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)個性化需求，提升了企業(yè)競爭力，具有良好的推廣應(yīng)用前景［4］。

2 冷軋工序質(zhì)量管控平臺架構(gòu)

冷軋工序質(zhì)量管控平臺集成于全流程產(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)量管控平臺架構(gòu)Fig.1 Cold Rolling Process Quality Control Platform Architecture

冷軋工序質(zhì)量管控平臺可以對冷軋生產(chǎn)過程中的設(shè)備及物料等信息進行實時采集，實現(xiàn)生產(chǎn)過程實時監(jiān)控；通過整合處理采集數(shù)據(jù)及相關(guān)算法，對生產(chǎn)過程中物料質(zhì)量信息進行分析，實現(xiàn)冷軋工序質(zhì)量追溯、質(zhì)量預(yù)測及質(zhì)量預(yù)警；同時，該平臺能夠?qū)崿F(xiàn)對排產(chǎn)計劃進行評價，優(yōu)化改進生產(chǎn)計劃，提高生產(chǎn)效率。冷軋工序質(zhì)量管控平臺各模塊的特點如下：

數(shù)據(jù)采集及處理模塊可以自動采集包括L1實時數(shù)據(jù)、L2設(shè)定數(shù)據(jù)、L3計劃和目標數(shù)據(jù)、大型儀表數(shù)據(jù)、檢化驗數(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)，并對采集到的各類數(shù)據(jù)進行實時處理、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。該模塊可以對生產(chǎn)過程中工藝及質(zhì)量數(shù)據(jù)進行在線監(jiān)控與離線追溯；并對質(zhì)量異常及影響質(zhì)量精度的相關(guān)因素進行分析，基于分析結(jié)果調(diào)整模型及生產(chǎn)工藝參數(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程工藝參數(shù)優(yōu)化；同時，可以根據(jù)上游熱軋工序來料信息實現(xiàn)實時預(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現(xiàn)自動、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動作響應(yīng)、彎輥及軋輥軸向橫移響應(yīng)、軋輥輥號等基礎(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。

3.2 過程監(jiān)控

冷軋工序包括酸洗、軋制、退火等工藝過程，各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)均涉及多個工藝參數(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)實時監(jiān)控各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的狀態(tài)參數(shù)，當出現(xiàn)質(zhì)量問題時再對相應(yīng)數(shù)據(jù)進行查詢追溯，降低了生產(chǎn)效率，增加了人工成本。

鞍鋼冷軋工序質(zhì)量管控平臺可對冷軋過程中關(guān)鍵工藝參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)實現(xiàn)在線實時監(jiān)控，并針對物料軋制狀態(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)各工序物料實際狀態(tài)，給出操作提示，實現(xiàn)生產(chǎn)過程預(yù)警及控制。同時，通過監(jiān)控畫面將實時數(shù)據(jù)展示在相應(yīng)終端，方便管理人員遠程監(jiān)控現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)并匯總現(xiàn)場生產(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)控實時畫面。

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

圖3 連退工序過程監(jiān)控實時畫面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時數(shù)據(jù)信息，從而實現(xiàn)對異常數(shù)據(jù)點的追溯。

冷軋工序可以基于平臺數(shù)據(jù)存儲功能，根據(jù)操作人員提供的物料號，快速篩選出該物料號在生產(chǎn)過程中指定時間和條件下的實際生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，通過對比分析多工序過程參數(shù)，實現(xiàn)對冷軋產(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)需求快速對生產(chǎn)數(shù)據(jù)集進行質(zhì)量分析，通過高效分析冷軋過程中的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，進而對產(chǎn)品質(zhì)量進行改進。通過數(shù)據(jù)特征識別技術(shù)，實現(xiàn)對冷軋過程中質(zhì)量偏差、工況異常問題進行追溯和成因分析，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

冷軋工序可對冷軋過程中重要工藝過程參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)進行實時在線監(jiān)控，通過參數(shù)超限預(yù)警方法、SPC統(tǒng)計控制方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測方法等，實現(xiàn)生產(chǎn)過程實時質(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。對于一些無法直接測量的質(zhì)量指標，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法對冷軋過程的實時質(zhì)量進行預(yù)警。通過數(shù)字化方法形成定量的評價指標，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)量管控平臺應(yīng)用

4.1 應(yīng)用案例

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

（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、平整各個冷軋環(huán)節(jié)，該管控平臺對各生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)及物料信息實現(xiàn)了實時的過程監(jiān)控，跟蹤監(jiān)測設(shè)備參數(shù)、工藝參數(shù)及物料信息的實時狀態(tài)，結(jié)合質(zhì)量控制計劃和關(guān)鍵工藝點的要求，實現(xiàn)對過程中的異常信息進行特殊提示、記錄、統(tǒng)計，并在終端提示操作人員和工藝人員對生產(chǎn)過程做出適當調(diào)整，實現(xiàn)對整個冷軋工序的過程監(jiān)控。例如平整液殘留缺陷控制，該平臺對平整后的各吹風(fēng)梁的壓力進行監(jiān)控，出現(xiàn)風(fēng)壓過低或過高時提示操作人員及時調(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，可以通過物料號采用該質(zhì)量管控平臺快速追溯，顯示煉鋼、連鑄、熱軋、冷軋該物料號所對應(yīng)的生產(chǎn)過程實際數(shù)據(jù)，對比分析工藝變化點，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，實現(xiàn)對冷軋產(chǎn)品質(zhì)量全流程工藝追溯，進而對相應(yīng)工序進行工藝改進。例如汽車用高強鋼在使用過程中長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)的溫度和時間控制，找到性能異常波動的原因，驗證并完善控制標準。

（3）在線評級應(yīng)用

在冷軋生產(chǎn)過程中，平臺可根據(jù)生產(chǎn)過程中的物料狀態(tài)及設(shè)備狀態(tài)，對生產(chǎn)過程中冷軋材進行在線評級，通過對尺寸、板形、性能的綜合評價，給出判定結(jié)果，評價實物質(zhì)量的變化趨勢，可以避免人工判定帶來的誤差及人為因素的影響，同時提高了評級的效率，減少人工成本并提高生產(chǎn)效率。例如高強鋼板形質(zhì)量，該平臺對板形I值的在線評級，局部位置超出標準的物料報警封閉，提示超出標準的具體位置和嚴重程度，進行返修處理，避免下工序在使用時出現(xiàn)卡鋼、停線等問題。

4.2 實施效果

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

（1）該平臺能夠及時顯示冷軋過程中過程參數(shù)及產(chǎn)品質(zhì)量異常，并提供建議及改進方案，便于生產(chǎn)管理人員進行及時調(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）該平臺可以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的異常情況進行回溯分析，定位引起異常的上游工序?qū)?yīng)工藝參數(shù)，從而實現(xiàn)對整個流程進行優(yōu)化，提高最終產(chǎn)品合格率。

（3）該平臺可以實現(xiàn)對生產(chǎn)過程中物料信息及過程參數(shù)進行在線及離線分析，對質(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)人員對生產(chǎn)過程的分析效率，同時提高了分析準確率。

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，可以實現(xiàn)對冷軋過程中的多種數(shù)據(jù)源信息進行存儲整合，并與上下游工序間數(shù)據(jù)進行實時共享，實現(xiàn)對冷軋過程實時監(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)過程實時受控；該平臺通過質(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)則體系并實現(xiàn)在線自動判定，顯著提升質(zhì)量判定效率與準確性；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。