田增產(chǎn),劉歡歡,鄭 偉,李 娟,蘇堯臣,魏靜東

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力學(xué)院,上海 200030)

因鋁材具有的輕量化和環(huán)保可回收性的特點(diǎn),被廣泛用于汽車、航空和建筑等行業(yè)。A鋁公司自1888年起創(chuàng)立制鋁至今,擁有3萬多項(xiàng)制鋁專利,是鋁加工行業(yè)奠基人和領(lǐng)導(dǎo)者,一直致力于輕量化材料開發(fā)和工藝研制。A鋁廠技術(shù)中心研發(fā)的厚度小于0.2mm五層釬焊板新材料較常規(guī)三層板材料在耐腐蝕性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上大幅提升,市場前景廣闊。但由于新工藝技術(shù)參數(shù)復(fù)雜,生產(chǎn)難度大,試驗(yàn)成本高,公司管理團(tuán)隊(duì)決定引進(jìn)大數(shù)據(jù)技術(shù),即以新工藝成熟落地為導(dǎo)向,實(shí)施大數(shù)據(jù)項(xiàng)目,采集生產(chǎn)、設(shè)備、工藝和質(zhì)量數(shù)據(jù),建立工藝數(shù)據(jù)庫,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練新工藝參數(shù)質(zhì)量預(yù)測模型,并且進(jìn)行持續(xù)學(xué)習(xí)訓(xùn)練,加快新工藝落地,降低開發(fā)成本。

1 研究背景和需求分析

鋁材制品近年來被廣泛用于汽車、航空和建筑等行業(yè)。與鋼相比,鋁合金的密度約是鋼鐵密度的1/3,具有質(zhì)量輕、耐腐蝕性好、易于加工等特點(diǎn),是近年來汽車上使用最多的輕量化材料[1]。研究表明,用鋁合金代替低碳鋼、鑄鐵或者高強(qiáng)鋼,可以實(shí)現(xiàn)30%～60%的減重效果,汽車各項(xiàng)性能得到大幅提升,且每千克鋁合金的使用可以減少13kg～20kg溫室氣體的排放,具有顯著的環(huán)保特點(diǎn)[2]。

A鋁昆山工廠屬于有色金屬壓延行業(yè),專于生產(chǎn)高附加值的復(fù)合鋁新材料。工廠占地12萬m2,擁有釬焊板全流程加工生產(chǎn)線,工廠生產(chǎn)的釬焊板鋁合金為汽車散熱器、空調(diào)冷卻器和工業(yè)冷卻器提供原材料,直接客戶為電裝、豐田通商、愛斯達(dá)克等汽車部件生產(chǎn)商,終端客戶為豐田、大眾、寶馬、塔塔等。在中國區(qū)占據(jù)市場的份額20%左右,還有日韓、印度和東南亞市場的出口業(yè)務(wù)。在與競爭對手對比分析中,A鋁昆山工廠目前已失去絕對領(lǐng)先優(yōu)勢,為加強(qiáng)核心產(chǎn)品競爭力建設(shè),需開發(fā)差異化產(chǎn)品重回行業(yè)領(lǐng)先地位。并且目前國家大力發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè),而鋁合金與汽車行業(yè)關(guān)聯(lián)緊密[3,4],因此提高鋁合金產(chǎn)品品質(zhì)及生產(chǎn)效率,既有利于提高企業(yè)核心競爭力,也符合“低投入、高產(chǎn)出、低消耗、少排放、能循環(huán)、可持續(xù)”的提質(zhì)增效綠色發(fā)展策略。

鋁合金釬焊板的生產(chǎn)一般采用三層板一體復(fù)合技術(shù),即上下為合金,中間包含芯錠合金在加熱到一定溫度后保溫3h出爐經(jīng)熱軋工序進(jìn)行軋制生產(chǎn)。五層釬焊板技術(shù)是在三層的基礎(chǔ)上增加了兩個中間層,工廠熱軋段將厚510mm×寬1460mm×長5000mm的復(fù)合板材經(jīng)過熱軋機(jī)往復(fù)軋制成厚3.5mm×寬1400mm×長700 000mm的鋁卷,使多層板的不同金屬均勻延展融合在約700m的卷材上,并經(jīng)過冷軋持續(xù)軋制到0.2mm以下,保持五層復(fù)合狀態(tài)。

新復(fù)合的材料在耐腐蝕性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面較三層板材料更加優(yōu)異,能夠顯著降低材料厚度和延長產(chǎn)品壽命[3,4]。五層和三層的復(fù)合都是在熱軋工序完成,結(jié)合面的增加使得復(fù)合難度提高,因此難點(diǎn)也集中在這個工序。五層板復(fù)合的主要問題是復(fù)合率不達(dá)標(biāo)、氣泡增多、錯層等,需要通過工藝參數(shù)控制進(jìn)行解決。三層和五層釬焊板合金結(jié)構(gòu)對比如圖1所示。

昆山工廠具有釬焊板合金三合一高度成熟工藝,下單后交付周期57d,產(chǎn)能5萬t,其制鋁技術(shù)在國內(nèi)屬于前沿,享有良好市場口碑。但國內(nèi)行業(yè)競爭激烈,利潤率不高,且國內(nèi)多家公司也有三合一鋁合金生產(chǎn)線,具有較高的鋁合金制造水平,給昆山工廠帶來強(qiáng)烈的競爭壓力。

因此A鋁昆山工廠亟需進(jìn)行產(chǎn)品升級,從三合一產(chǎn)品的競爭紅海中突圍,以提高競爭優(yōu)勢,保持利潤增長。五層板因質(zhì)量輕,具有較高的耐腐蝕性,考慮到亞太區(qū)市場巨大的需求量,A鋁集團(tuán)總部期望在昆山工廠實(shí)現(xiàn)新工藝量產(chǎn)以提高企業(yè)競爭力。然而實(shí)現(xiàn)五層板一體復(fù)合技術(shù)的新產(chǎn)品量產(chǎn)絕非易事,昆山工廠三合一量產(chǎn)水平的設(shè)備、技術(shù)、人員、工藝等諸多因素都成為新工藝落地的限制因素。

2 新五層板工藝落地問題分析

2.1 工藝缺陷問題分析

五層釬焊板的在北美工廠成材率僅為65%,遠(yuǎn)低于目前三層板90%的成材率質(zhì)量水平,如果直接投入生產(chǎn),報廢的鋁材將會產(chǎn)生巨大損失。提升成材率是衡量工藝開發(fā)是否成功的標(biāo)準(zhǔn),于是公司組建專項(xiàng)小組進(jìn)行新工藝開發(fā),目標(biāo)成材率目標(biāo)設(shè)定為90%。開發(fā)小組成員先通過對制造過程中三層板產(chǎn)品缺陷的統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷的原因中,復(fù)合層脫落缺陷占比57.91%,嚴(yán)重影響成材率。五層板復(fù)合層脫落及缺陷形態(tài)如圖2所示,其缺陷占比分析如圖3所示。

圖3 釬焊板缺陷占比統(tǒng)計

對三層板工藝控制進(jìn)行過程潛在失效模式及影響分析(PFMEA)(圖4),鎖定缺陷發(fā)生位置多位于熱軋工序。但熱軋工序工藝參數(shù)較多,過程復(fù)雜,無法直接鎖定造成產(chǎn)品缺陷的原因。因此公司決定以工藝成熟的三層釬焊板工藝歷史數(shù)據(jù)及開發(fā)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則為切入點(diǎn),對五層板釬焊工藝進(jìn)行開發(fā)。

圖4 板材復(fù)合脫落缺陷的潛在原因分析

通過對缺陷中占比近58%的板材復(fù)合脫落缺陷進(jìn)行分析,將潛在的失效原因根據(jù)其特點(diǎn)提出解決方案。其中“復(fù)合板軋制力/厚度/溫度”等關(guān)鍵參數(shù)采用實(shí)時在線監(jiān)控控制,捕捉最優(yōu)工藝參數(shù)的設(shè)置,將基于三層板成熟工藝參數(shù)下構(gòu)建復(fù)合板軋制工藝模型,預(yù)測五層板生產(chǎn)過程中問題,不斷進(jìn)行迭代優(yōu)化;然后進(jìn)行參數(shù)鎖定和小批量生產(chǎn)驗(yàn)證,采集生產(chǎn)過程數(shù)據(jù),通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法擬合五層板工藝質(zhì)量預(yù)測模型,再進(jìn)行試驗(yàn)迭代優(yōu)化工藝參數(shù)直至實(shí)現(xiàn)目標(biāo)合格率。

2.2 難點(diǎn)分析

五層板因其材料接合面的增加,對工藝控制難度成倍增加。工廠目前現(xiàn)行的生產(chǎn)制作流程包含熔鑄、焊合、熱軋、冷軋、剪切、包裝等(圖5),其中熱軋是五層板結(jié)合成功與否的最關(guān)鍵工藝。

圖5 五層釬焊板生產(chǎn)工藝流程

基于昆山工廠現(xiàn)有加工設(shè)備及工藝技術(shù)的基礎(chǔ),開發(fā)五層板工藝存在以下挑戰(zhàn):

(1)開發(fā)周期長。五層板工藝相較于三層板,對工廠加工設(shè)備、工藝等過程參數(shù)的控制要求更高,尤其是對于熱軋工序,需要對鋁合金軋制道次的生產(chǎn)參數(shù)實(shí)時監(jiān)控調(diào)整,以更精密的軋制力、厚度、溫度以及板形響應(yīng)補(bǔ)償?shù)瓤刂苼泶_保板材軋制的質(zhì)量。而現(xiàn)有三層板加工工藝設(shè)備無法提供實(shí)時設(shè)備、工藝反饋參數(shù),五層板生產(chǎn)過程對于加工參數(shù)有連續(xù)記錄監(jiān)控要求,缺乏生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)控能力將使五層板的開發(fā)時間大大加長。

(2)制造成本高。昆山工廠缺乏開發(fā)五層板工藝的經(jīng)驗(yàn),缺乏開發(fā)實(shí)驗(yàn)的歷史數(shù)據(jù),更多時候只能通過嘗試生產(chǎn)參數(shù)來進(jìn)行實(shí)驗(yàn),開發(fā)過程的試驗(yàn)報廢率高。原材料的大量報廢也會給工廠研制成本帶來壓力,并且在測試過程中會占據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)時間,很多加工設(shè)備會因配合五層板的開發(fā)導(dǎo)致停機(jī),無法正常投入生產(chǎn),影響工廠運(yùn)行效率。

(3)成材率低。五層板生產(chǎn)受鋁合金軋制道次的設(shè)備、工藝、生產(chǎn)參數(shù)影響大,較小變異都影響五層板品質(zhì),其中復(fù)合率不達(dá)標(biāo)、氣泡增多、錯層、起皮等質(zhì)量缺陷將直接導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。昆山工廠直接進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)成功難度大,廢品率高,成本不可控。

(4)對技術(shù)人才依賴高,技術(shù)資源需求大。五層板一體復(fù)合新工藝生產(chǎn)過程中,涉及的設(shè)備狀態(tài)復(fù)雜,輸出數(shù)據(jù)量大,需要在海量生產(chǎn)大數(shù)據(jù)中及時發(fā)現(xiàn)異常并有效應(yīng)對,這將對相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員的數(shù)據(jù)處理分析效率提出更高要求,只有大量資深的技術(shù)專業(yè)人才快速分析并發(fā)現(xiàn)異常,才能避免異常波動導(dǎo)致后續(xù)產(chǎn)品報廢。

2.3 研究目標(biāo)

A鋁昆山工廠對于車間大數(shù)據(jù)采集和利用的數(shù)字化進(jìn)程尚無成熟方案,在策劃階段對數(shù)據(jù)需求及邏輯尚無法確定,而工廠數(shù)字化前期的投入偏大,短期收益較小,所以在實(shí)施時需更加謹(jǐn)慎。因此各部門前期從調(diào)查需求數(shù)據(jù)著手,收集整理工段生產(chǎn)、設(shè)備、工藝質(zhì)量等數(shù)據(jù)需求,以數(shù)據(jù)需求為起點(diǎn)方向,驅(qū)動整個項(xiàng)目向前滾動進(jìn)行。期望在大數(shù)據(jù)的驅(qū)動下,工廠將實(shí)現(xiàn)可實(shí)時監(jiān)測產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù),并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速篩選,將有用的信息形成可視化看板,具有報警反饋,并且利用神經(jīng)算法擬合功能,對五層板的工藝開發(fā)建造仿真模型。最終目標(biāo)是可以將五層板的工藝開發(fā)周期降低50%,制造成本下降30%,成材率接近90%,釋放機(jī)臺試驗(yàn)產(chǎn)能。

3 解決方案與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 技術(shù)路線

為了實(shí)現(xiàn)新工藝開發(fā)項(xiàng)目的目標(biāo),根據(jù)項(xiàng)目問題前期可行性分析結(jié)果,制定實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線。(1)數(shù)據(jù)采集。對五層板所需的實(shí)時連續(xù)生產(chǎn)數(shù)據(jù),升級設(shè)備軟硬件并采用精密傳感器等監(jiān)測設(shè)備,實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備、工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集,為五層板工藝實(shí)現(xiàn)打好基礎(chǔ)。(2)數(shù)據(jù)篩選整合。對每批產(chǎn)品所采集到的各階段設(shè)備大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,包括數(shù)據(jù)的清洗、編碼與關(guān)聯(lián)特征提取,并整合到同一平臺進(jìn)行保存。(3)數(shù)據(jù)分析、建模仿真。充分利用三層板生產(chǎn)的歷史數(shù)據(jù),對其中各參數(shù)以及產(chǎn)品各階段品質(zhì)進(jìn)行分析,確定相互關(guān)系并建立全過程的生產(chǎn)模型,并且利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法擬合出最優(yōu)參數(shù),為五層板工藝參數(shù)確定進(jìn)行模擬軋制,找到高品質(zhì)產(chǎn)出的復(fù)雜工藝參數(shù)集合。(4)數(shù)據(jù)智能決策及可視化。對各設(shè)備輸出數(shù)據(jù)與狀況進(jìn)行持續(xù)追蹤和分析,綜合歷史數(shù)據(jù)形成智能決策,異常提前預(yù)警并提供應(yīng)對計劃,進(jìn)一步可視化最大程度減少控制作業(yè)難度,降低對技術(shù)人員的依賴程度,實(shí)時關(guān)注制造過程中產(chǎn)品質(zhì)量,提高產(chǎn)品成材率。

在制定技術(shù)路線后,需要對實(shí)現(xiàn)新工藝最重要的機(jī)臺熱軋工段的特點(diǎn)進(jìn)行分析。五層板新工藝的開發(fā)需要從多個方向來優(yōu)化現(xiàn)有制程質(zhì)量管控,包括生產(chǎn)規(guī)劃、質(zhì)量管控、設(shè)備監(jiān)控及制程優(yōu)化,與之對應(yīng)的是完整的生產(chǎn)工藝設(shè)備流程的數(shù)據(jù)化,這些作為熱軋產(chǎn)品的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析和持續(xù)改善提高熱軋產(chǎn)線寬度、厚度、板型、全線溫度、表面質(zhì)量、產(chǎn)能等制程控制效果,不斷制造出優(yōu)異的產(chǎn)品。在產(chǎn)品生產(chǎn)的過程中會產(chǎn)生大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù),再通過熱軋生產(chǎn)大數(shù)據(jù),借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對熱軋工藝參數(shù)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化。建立熱軋工藝參數(shù)優(yōu)化邏輯,如圖6所示。

圖6 熱軋工藝參數(shù)優(yōu)化邏輯

3.2 解決方案

3.2.1 生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)采集

在五層板制造過程中,關(guān)鍵工位熱軋線包含許多設(shè)備,設(shè)備上配備大量的傳感器,同時制造生產(chǎn)過程還使用了多種信息系統(tǒng),這些傳感器和生產(chǎn)信息系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)來源不同,結(jié)構(gòu)類型也不同,為了能充分利用數(shù)據(jù),并為后續(xù)生產(chǎn)預(yù)測做決策,需要對這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、集成和分析。

首先,需要實(shí)時和準(zhǔn)確的采集生產(chǎn)現(xiàn)場產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù),將采集到的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線、RS232、RS485和工業(yè)以太網(wǎng)與控制器相連,并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲中心,從而實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時監(jiān)控,輔助管理部門做出及時、準(zhǔn)確的決策。因此需要對不同的生產(chǎn)過程多源異構(gòu)數(shù)據(jù),根據(jù)其特點(diǎn)采用不同采集工具,其中有針對離散型數(shù)據(jù)的RFID(射頻識別)技術(shù);有針對流程型生產(chǎn)數(shù)據(jù)的DCS(分布式控制系統(tǒng))和PLC(可編程邏輯控制器)采集的方法;還有以計算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)SCADA[8]。

其次鋁板生產(chǎn)過程屬于流程型生產(chǎn),因此決定采用可編程邏輯控制器(PLC)和SCADA系統(tǒng)對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集。五層板的SCADA系統(tǒng)是對生產(chǎn)制造過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)控,SCADA系統(tǒng)收集從軋制設(shè)備、加熱設(shè)備、冷卻設(shè)備、卷取設(shè)備、傳感器等傳輸來的數(shù)據(jù),同時通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)鋁板生產(chǎn)過程監(jiān)控的互聯(lián)。五層板的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是面向制造執(zhí)行系統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)構(gòu)建,并使制造執(zhí)行系統(tǒng)通過接口與ERP、PLM、CRM等系統(tǒng)交互,實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)整體互聯(lián)。PLC主要是在生產(chǎn)過程中完成設(shè)備、環(huán)境、能耗等數(shù)據(jù)監(jiān)控和采集,通過在熱軋產(chǎn)線上安裝測量溫度、厚度、寬度、板形凸度、軋制力等工藝參數(shù)的檢測傳感器,以及采集狀態(tài)信號的卷徑檢測裝置、板頭翹度檢測裝置、料頭跑偏檢測裝置以及夾送輥表面檢測裝置等,全面感知熱軋產(chǎn)線工藝狀態(tài)。關(guān)鍵工藝和質(zhì)量實(shí)時采集點(diǎn)見表2。同時為了閉環(huán)反饋控制,通過可編輯邏輯控制器(PLC)、邊緣處理工控機(jī)等將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與預(yù)處理,生成連續(xù)采集信號曲線(圖7)。

表2 工藝參數(shù)采集項(xiàng)

圖7 PLC采集原始數(shù)據(jù)形態(tài)

其中,數(shù)據(jù)采集時產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)數(shù)據(jù)的連續(xù)性非常重要。以振動、溫度、紅外、視覺等監(jiān)測為例,系統(tǒng)對產(chǎn)品復(fù)合層脫落、氣泡、黑線等不良現(xiàn)象的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采集,通過自動學(xué)習(xí)降低誤判率,通過連續(xù)監(jiān)測的方式,有利于生產(chǎn)狀態(tài)及時決策和工藝參數(shù)及時調(diào)整等。如圖8所示。

圖8 產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)連續(xù)收集

3.2.2 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

新五層板生產(chǎn)軋制過程參數(shù)連續(xù)采集的數(shù)據(jù)量大,如何對采集后的數(shù)據(jù)篩選和整合到一個界面上,在同一時間上進(jìn)行比對分析至關(guān)重要。

通過三層板的生產(chǎn)過程跟蹤,發(fā)現(xiàn)影響板材復(fù)合率因素為溫度、道次進(jìn)給量、軋制力、軋制速度、自動厚度控制模型、彎輥力、輥形等相關(guān)參數(shù),這些生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)經(jīng)傳感器采集后集中存儲到工廠數(shù)據(jù)庫。在五層板試驗(yàn)時,我們需要把這些參數(shù)篩選出來,并整合到同一界面進(jìn)行實(shí)時跟蹤,試驗(yàn)完成后將每卷產(chǎn)品的這些參數(shù)整合生成一份產(chǎn)品報告,簡化多數(shù)據(jù)手動查找過程和降低對數(shù)據(jù)工程師依賴,便于工藝工程師對試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行特征提取和對異常點(diǎn)改善分析。部分生產(chǎn)過程對工藝監(jiān)控的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整合,并分析其與質(zhì)量的關(guān)聯(lián)特征,如圖9所示。

3.2.3 數(shù)據(jù)分析、建模和仿真

原有工藝優(yōu)化采用人工分選出每天產(chǎn)品質(zhì)量最好的五組進(jìn)行參數(shù)記錄取均值,并選出質(zhì)量最差的五組進(jìn)行問題分析,記錄一個月中每天最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行比對和優(yōu)化,找出最優(yōu)參數(shù)范圍,并在后期批量生產(chǎn)中進(jìn)行校驗(yàn)和修正。由于產(chǎn)品單體龐大,參數(shù)眾多,生產(chǎn)環(huán)境惡劣,因此原人工分選存在數(shù)據(jù)滯后性、勞動強(qiáng)度大,出現(xiàn)問題不能及時發(fā)現(xiàn),造成報廢率較大。同時人工分選存在疲勞等因素產(chǎn)生的誤選、誤判情況。因此,需要通過升級設(shè)備形成在線監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析上進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化才能避免上述問題。

通過前期數(shù)據(jù)的預(yù)處理,數(shù)據(jù)篩選方法仍模擬原人工分選方法,采用數(shù)字化快速實(shí)時檢測記錄,并自動分選出質(zhì)量前五和后五的數(shù)據(jù),前五進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,后五進(jìn)行簡單分析發(fā)送給工程師進(jìn)行深度研究,提升過程管控能力。A鋁廠生產(chǎn)過程工藝數(shù)據(jù)采集需要毫秒級不間斷獲取,由于產(chǎn)品單體較大,生產(chǎn)時間較長達(dá)25min～30min,存在采集數(shù)據(jù)龐大問題。通過對各種算法的比較,采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(CNN)對數(shù)據(jù)進(jìn)行初篩,簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)量,可顯著提高數(shù)據(jù)篩選速度,處理邏輯如圖10示。

圖10 CNN數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)處理邏輯

處理完成后,新工藝開發(fā)前期再運(yùn)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法編輯以成熟的三層板工藝歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯分析和訓(xùn)練,將精度達(dá)到90%以上后,進(jìn)行批量三層板數(shù)據(jù)驗(yàn)證算法的穩(wěn)定性。運(yùn)用成熟的算法模型進(jìn)行五層板的工藝參數(shù)優(yōu)化,快速預(yù)測最優(yōu)參數(shù)范圍。

在實(shí)施上首先依據(jù)批量生產(chǎn)的三層板的生產(chǎn)制造過程數(shù)據(jù)庫,經(jīng)過數(shù)據(jù)的預(yù)處理后,依照這些大量的歷史數(shù)據(jù)建立三層板軋制工藝模型,并進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)行優(yōu)化和持續(xù)改善。三層板軋制每道次厚度、速度、軋制力等特征參數(shù)關(guān)聯(lián)模型如圖11所示。

圖11 三層板每道次部分特征參數(shù)關(guān)聯(lián)模型

其次根據(jù)五層板試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫在三層板模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化建模,對五層板工藝模型進(jìn)行仿真,通過單參數(shù)改變的不斷模擬試驗(yàn),來對五層板工藝模型進(jìn)行參數(shù)修正。質(zhì)量穩(wěn)定后再通過產(chǎn)品試制進(jìn)行參數(shù)收集PDCA優(yōu)化工藝模型,后續(xù)通過對生產(chǎn)過程大數(shù)據(jù)的持續(xù)收集、生產(chǎn)過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)特征提取、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法擬合優(yōu)化,對工藝參數(shù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和預(yù)測分析,這種模式加速了新工藝落地的速度,降低了試驗(yàn)廢料的成本。工藝道次參數(shù)設(shè)置界面模型如圖12所示。

圖12 工藝道次參數(shù)設(shè)置模型

3.2.4 數(shù)據(jù)可視化、智能決策

隨著五層板生產(chǎn)數(shù)據(jù)的不斷增多,需要對生產(chǎn)過程的產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測和過程控制,對生產(chǎn)過程的軋制數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化和智能實(shí)時決策,預(yù)測和防范質(zhì)量問題的發(fā)生。通過升級設(shè)備在線監(jiān)測和構(gòu)建熱軋工藝過程控制可視化看板(圖13),實(shí)時自決策或者通過報警等方式避免上述問題的發(fā)生,及時控制和反饋優(yōu)化推動產(chǎn)品質(zhì)量持續(xù)改善和成品率提升。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 多源異構(gòu)生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)感知技術(shù)

由于五層板新工藝相較于三層板會更復(fù)雜,在生產(chǎn)制造過程中,控制參數(shù)更多,進(jìn)而會產(chǎn)生大量的工藝參數(shù)數(shù)據(jù),包括了溫度、厚度、寬度、凸度、軋制力等,關(guān)聯(lián)熱軋生產(chǎn)線中的許多設(shè)備。這些設(shè)備上存在大量的傳感器,同時制造生產(chǎn)過程還使用了多種信息系統(tǒng),而生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器和生產(chǎn)信息系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)來源不同,且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型也不同,為了能將數(shù)據(jù)利用并為后續(xù)預(yù)測做決策,需要對這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行感知采集、集成和監(jiān)控。

結(jié)合五層板新工藝對采集系統(tǒng)的實(shí)時性和確定性的高要求性,數(shù)據(jù)安全性和保密性,與采集裝置的兼容性等特點(diǎn)考慮,A鋁廠選擇WinCC作為數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)軟件,并基于以太網(wǎng)通訊技術(shù)和VB來完成軟件開發(fā)。WinCC支持?jǐn)?shù)據(jù)庫SQL和VB編程,可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的直接操作,數(shù)據(jù)可以寫入SQL數(shù)據(jù)表中,通過VB編寫的數(shù)據(jù)處理程序來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、查詢、歸檔、顯示等功能,最后通過TCP通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸[7]。

3.3.2 基于CNN的工藝質(zhì)量預(yù)測模型

通過多源異構(gòu)生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)感知技術(shù)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計預(yù)處理,對生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和集成,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)實(shí)時采集、監(jiān)控和統(tǒng)計分析,然后基于CNN構(gòu)建工藝質(zhì)量預(yù)測模型進(jìn)行工藝參數(shù)的預(yù)測和自優(yōu)化。打造熱軋生產(chǎn)設(shè)備與CNN工藝質(zhì)量預(yù)測模型的實(shí)時交互實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能監(jiān)控、生產(chǎn)質(zhì)量過程控制、工藝控制參數(shù)預(yù)測優(yōu)化等智能化能力。以CNN工藝質(zhì)量預(yù)測模型驅(qū)動優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量控制、工藝參數(shù)優(yōu)化,產(chǎn)品工藝與生產(chǎn)過程仿真驗(yàn)證等過程,縮短新工藝開發(fā)周期,同時支持后續(xù)自學(xué)習(xí)優(yōu)化持續(xù)提升產(chǎn)品質(zhì)量。

4 大數(shù)據(jù)效益分析

4.1 成功保障五層板項(xiàng)目落地

A鋁廠智能制造一期聚焦于車間設(shè)備軟硬件的升級,利用精密傳感技術(shù)采集設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工藝質(zhì)量數(shù)據(jù),并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行評價、校準(zhǔn)、篩選和優(yōu)化,引入數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測控制系統(tǒng)(SCADA)[9]。該系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集分析,以及基于人機(jī)界面的遠(yuǎn)程控制,其中遠(yuǎn)程控制包括生產(chǎn)監(jiān)控、質(zhì)量監(jiān)控、設(shè)備監(jiān)控和環(huán)境監(jiān)控等,能幫助熱軋車間更好的監(jiān)控生產(chǎn)狀態(tài),保證工藝驗(yàn)證、質(zhì)量穩(wěn)定和設(shè)備最大化利用[10]。通過一年對這些生產(chǎn)和設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控,讓工藝工程師、設(shè)備工程師和生產(chǎn)人員能夠更快的發(fā)現(xiàn)新工藝試制中的問題,發(fā)現(xiàn)了五層板復(fù)合主要在前三道次的溫度、道次進(jìn)給量、軋制力、軋制速度和溫度等參數(shù)之間的匹配關(guān)系,通過算法優(yōu)化預(yù)測建立了五層板軋制工藝模型和并持續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)自優(yōu)化,加快了新工藝的試驗(yàn)開發(fā)進(jìn)度。最終僅花費(fèi)一年的時間完成了新工藝在兩種五層合金FGK3和FGK5的量產(chǎn)應(yīng)用,項(xiàng)目實(shí)施時間縮短2/3,成品率達(dá)到65%。

智能制造二期項(xiàng)目目標(biāo)在于數(shù)據(jù)采集后的挖掘和利用,通過開發(fā)工廠智能制造系統(tǒng)MI,實(shí)時統(tǒng)計并監(jiān)控采用新工藝的多種新材料合金的生產(chǎn)控制狀態(tài),實(shí)現(xiàn)提前預(yù)警、參數(shù)優(yōu)化、智能決策等,這樣就減少了對專業(yè)工程師的依賴性,讓生產(chǎn)現(xiàn)場人員可以實(shí)時監(jiān)控質(zhì)量和應(yīng)對處理,為實(shí)現(xiàn)新工藝在大規(guī)模生產(chǎn)下的成熟應(yīng)用提供有效支持,推動新工藝技術(shù)持續(xù)在另三種新合金(FGX系列)開發(fā)中的優(yōu)化調(diào)整生產(chǎn)。二期項(xiàng)目推動成品率持續(xù),成品率達(dá)到89.57%,超越兄弟工廠水平,接近預(yù)設(shè)項(xiàng)目目標(biāo)。至此,五層板新工藝技術(shù)在昆山工廠取得完全應(yīng)用。

A鋁公司作為全世界鋁加工行業(yè)的標(biāo)桿企業(yè),一直不懈追求研發(fā)并應(yīng)用先進(jìn)技術(shù),領(lǐng)先世界時代發(fā)展潮流。通過工廠數(shù)字化轉(zhuǎn)型,提取制造大數(shù)據(jù),再通過算法優(yōu)化加快工藝開發(fā)的實(shí)踐,不但使公司獲得差異化的競爭產(chǎn)品,也給公司后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)、工藝優(yōu)化、質(zhì)量提升、企業(yè)管理等方面提供技術(shù)借鑒意義。以數(shù)據(jù)驅(qū)動和算法優(yōu)化助力的管理變革創(chuàng)新正在引領(lǐng)公司的發(fā)展方向和發(fā)展速度。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

(1)縮短了新材料新工藝項(xiàng)目—國內(nèi)首個五層釬焊板一體化板項(xiàng)目的成功上線時間(1年時間),使昆山工廠提早兩年擁有差異化的領(lǐng)先產(chǎn)品,獲得市場競爭優(yōu)勢;

(2)此技術(shù)推廣應(yīng)用在其他多種新產(chǎn)品量產(chǎn)上,通過PDCA對工藝進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了企業(yè)產(chǎn)品息稅前利潤率由10.7%升至25%,按此類產(chǎn)品銷售額10億元/年,預(yù)估每年能增加1.4億元/年的稅前利潤;

(3)利用制造大數(shù)據(jù)持續(xù)推動工廠的精益化管理,提供決策依據(jù)。如電子點(diǎn)檢節(jié)省巡檢人員,能耗管理系統(tǒng)對大功率設(shè)備無功優(yōu)化管理降低單耗,智能排產(chǎn)交期由57d縮短為45d等,這些正在為綠色工廠和“智能制造工廠”的建設(shè)發(fā)揮建設(shè)性作用。

4.3 社會意義

A鋁廠在完成新工藝開發(fā)項(xiàng)目過程中,開發(fā)的智能制造系統(tǒng)MI,將工廠各部門業(yè)務(wù)單元進(jìn)行了信息串聯(lián)互通,包括訂單跟蹤、安全監(jiān)控、DM交期及需求、AGV小車物流跟蹤、工段KPI可視化,同時還可以根據(jù)需求制定個性化定制看板來提高決策效率,使工廠的智能化水平得到了很大的提升。A鋁廠也因此榮獲“江蘇省智能制造示范企業(yè)”稱號,獲得政府專項(xiàng)資金補(bǔ)助和廣泛宣傳提高的企業(yè)名譽(yù)。