冶金全流程工艺质量在线监控和离线分析诊断系统.pdf

第 3 9卷第 3期 2 0 1 5年 5月 冶 金自 动 化 M e t a l l u r g i c a l I n d us t r y Au t o ma t i o n Vo 1 ． 3 9 No． 3， p1 521 Ma y 2 01 5 企 业信 息化技 术 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 7 0 5 9 ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 0 3 冶 金全 流 程工 艺质 量在 线 监控 和 离线 分 析诊 断 系统 吕志 民 ， 徐钢 ， 毛文 赫 ， 殷 实 ， 杜 建新 ， 1 ． 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 北京科技大学设计研究院有限公司 ， 北京 1 0 0 0 8 3 摘要 针对钢铁企业生产高品质、 高附加值产 品时工艺质量在线监控和质量追溯分析需求 ， 结合 目前国内钢 铁企业信息化现状及存在问题 ， 提出一种统一架构的冶金全流程工艺质量在线监控和离线分析诊断系统解 决方案， 实现多源异构数据采集、 重整和存储 ， 多工序工艺质量曲线数据协同处理， 工艺质量实时预警和在线 判定以及全流程质量追溯和高级分析等功能。系统投入运行后， 满足了钢铁企业冶金全流程工艺质量在线 监控和离线分析诊断的需求。 关键词 全流程 ； 钢铁企业； 数据采集 ； 工艺质量； 在线监控； 离线分析 文 献标志码 A文章编号 1 0 0 0 - 7 0 5 9 2 0 1 5 0 3 - 0 0 1 5 - 0 7 Onl i n e mo ni t or i ng a nd o ffi i n e a na l y s i s s y s t e m f o r pr o duc t s’pr o c e s s pa r a m e t e r s a nd q ua l i t y o f who l e m e t a l l ur g i c a l pr o c e s s L I Z h i mi n ， XU Ga n g 一， MAO We n ． h e ， YI N S h i ， DU J i a n ． x i n ’ 1 ． N a t i o n a l E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r f o r A d v a n c e d R o i l i n g T e c h n o l o g y ， U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ； 2 ． D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e o f U S T B C o ． ， L t d ． ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Abs t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e r e q u i r e me nt s o f o n l i n e mo n i t o r i n g o f p r o d uc t s’p r o c e s s p a r a me t e r s a n d r e t r o s p e c t i v e a n a l y s i s o f p r o d u c t s’ q u a l i t y wh e n p r o d u c i n g h i g h q u a l i t y a nd h i g h v a l u e pr o d u c t s a n d t he c u r r e nt s i t ua t i o n a n d e x i s t i n g p r o b l e ms o f i n for ma z a t i o n i n i r o n a nd s t e e l e nt e r p r i s e s， a n o n l i ne mo n i t o r i n g a n d o ffii n e a n a l y s i s s y s t e m wi t h u n i f i e d a r c h i t e c t u r e f o r p r o d u c t s ’p r o c e s s p a r a me t e r s a n d qu a l i t y o f wh o l e me t a l l u r g i c a l p r o c e s s i s a dv a n c e d i n t h i s pa pe r ． The f u nc t i o n s s u c h a s a c q u i s i t i o n， r e s t r u c t ur i n g a n d s t o r a g e o f mu l t i s o ur c e h e t e r o g e n e o us d a t a，c o o p e r a t i v e p r o c e s s p a r a m e t e r s a n d c u r v e s ， r e a h i m e p r e w a r n i n g a n d o n l i n e j u d g m e n t o f pr o c e s s i n g o f mu l t i - s t e p p r o d uc t s’ q u a l i t y， r e t r o - s p e e t i v e a n d a d v a n c e d a n a l y s i s o f wh o l e p r o c e s s q u a l i t y ， e t c ． a r e r e a l i z e d i n t h i s s y s t e m． T h e a p p l i c a t i o n r e s u l t s s h o w t ha t t h e s y s t e m c a n me e t t h e r e q u i r e me n t s o f o n l i n e mo ni t o r i n g a n d o ffii n e a n a l y s i s o f p r o d u c t s ’ p r o c e s s p a r a me t e r s a n d q u a l i t y o f wh o l e me t a l l u r g i c a l p r o c e s s ． Ke y wo r d s w h o l e p r o c e s s ； i r o n a n d s t e e l e n t e rpr i s e； d a t a a c q u i s t i o n； p r o d u c t s ’p r o c e s s p a r a me t e r s a n d q u a l i t y； o n l i n e mo n i t o r i n g ； o ff - l i n e a n aly s i s 目前我国钢铁生产从产品结构上来看 ， 矛盾 十分突出， 表现在常规产品严重过剩 ， 而高品质 基金项目 国家高技术发展技术基金资助项目 2 0 1 3 A A 0 4 0 7 0 4 ； 中央高校基本科研业务费专项资金资助项 目 F R F ． M P 一 1 2 - 0 0 7 A 作者简 介 吕志 民 1 9 7 1 一 ， 男 ， 博士 生导师 ， 博士 ； 收稿 日期 2 0 1 4 4 3 9 - 2 4 冶 金自 动化 第 3 9卷 产品质量 与国际先进水平 存在 一定差距 ， 如 不 同批次之 问质量差异大 、 同批次 内质量稳定性差 等 。根据 I S O ／ T S 1 6 9 4 9标准规定 ， 一些涉及 到人 身安全的高品质产品 如 汽车用钢 出现 问题时 需要进行质量追溯 ～ ， 以便进行问题定位 。因 此 ， 钢铁 企业 是 否具 备全 流程 产 品质 量追 溯 手 段 ， 成为企 业通 过 I S O ／ T S 1 6 9 4 9认 证 ， 争取 高端 客户的基本条件之一 。 近年来， 国内钢铁企业大力投资信息化系统 建设 ， 以提高企业 的质量管控水平。信 息技 术的 应用 对钢 铁 企 业 质 量 管控 起 到 很 好 的促 进 作 用 - 4 ] ， 然 而 目前 广 泛 采 用 的 E R P ／ ME s ／ P c s ／ L I M S的分层架构， 将制造过程各类质量信息分 散在不同系统 中， 各级系统之 问只有简单 的工艺 质量数据 进行传递 。这 种分层架 构能 够满 足常 规产品的质量信息传递与控制， 但在产品质量追 溯 、 问题诊 断定位和工艺 质量优化 改进 时 ， 则存 在诸多问题 ， 例如 1 不同粒度的工艺质量数据 分散在不同系统平台且存储关 系及逻辑 差异大 ， 不便于全流程工艺质量 追溯 ； 2 未对 过程质量 进行监控 和预警 ， 采用事 后“ 抽检”的方 式 ， 无 法 有效 防止批次质量事故发生 、 保证 同批 内产品质 量稳定性以及减小不同批次 间产 品质量 的差异 ； 3 出现质量问题和质量 异议 时， 缺乏有 效 的工 艺质 量追溯和离线分析手段来进行 问题诊 断 、 定 位 、 优化分析以及实现产 品质量持续 改进 。实践 证 明， 目前的信息化系统在质量管控方 面不 能满 足高 品质产品进行全流程工艺质量追溯 、 分析及 改进管控的需求 。 针对高品质钢铁产 品质量管控需求 ， 部分 国 际一流钢铁企业采用集成化的信息共享平 台和 快速信息处理技术推进管理精 细化 ， 全员参与 质 量管理， 变“ 事后” 管理为实时管理和事前控制， 实现影响质量 的所有要素都受控 ， 以保证最终产 品质量稳定性 ， 提高产品质量追 溯的快速性和准 确性 。近年来 ， 国内外许多钢铁企业对制造过程 质量追溯或在 线监控进行 了一些探 索 和应 用开 发 ， 如 H a c k m a n n J ．d r g 等 在 M E S质量管理模块 中， 采用一种基于祖谱式的质量数据动态映射方 法 ， 重 点 关 注 流 程数 据 的统 一 和 映 射 ； 赵 金 元 等 根据河北钢铁 集 团唐 山钢铁集 团有 限责任 公 司的需求 ， 研发了基于 S P C的关键工艺参数和 质量参数 的过程数据分析和评 价系统 ， 然未实 现 全流程 工 艺 质 量 数 据 全 面 集 成 及 追 溯 分 析 ； D e b 6 n A等 利 用统计 建模 方法 进行 热镀 锌 过 程的故 障检测和诊断， 并进行工艺过程预警； Ma n a b u K a n o _ 8 总结 了近年来 日本 钢铁工业 中应 用数据驱动过程监测 、 控制和质量改进的进展和 应用情况 ， 并重点介 绍了主元分析 一线性鉴别分 析混合 P C A ． L D A 方法在住友 金属 的表 面质量 改进方面的应用情况 ； 罗澜等 基于虚拟平台架 构和商务智能技术 ， 构建了多工序 过程质量 控制 系统 ， 实现 了产 品一贯制质 量分 析 ， 但 未实现 工 艺过程实时 曲线追 溯 的 自动 分析 以及 针对产 品 工艺过程质量的在线监控 和产品评级 。 湖南华菱涟源钢铁有 限公 司合 资冷轧厂 V A MA 投产后 ， 对汽车板基板质量 管控 提出对 全流程工艺质量参数进行全面采集 、 监控和在线 评级 ， 并在 出现问题 时进 行全 流程快速 追溯 、 分 析、 优化 和改 进 的需 求。基 于该 企业 的实 际需 求 ， 结合近年来承担 的科研项 目成果 ， 并 考虑 目 前 国内钢铁企 业 自动化 、 信息 化现 状 ， 北 京科技 大学于 2 0 1 3年始与涟钢技术人员共 同设计并 实 施 了冶金全 流程工艺 质量在线监 控 和离线分 析 诊 断系统。 1 系统设计 为解决 目前信息化架构工艺质量数据存储 在不同系统导致的诸多问题 ， 实现全流程 工艺质 量在线监控、 分析、 优化和诊断等功能， 考虑设计 一 个打破目前信息化系统功能层次划分和定位 的全流程产品质量管控平 台 ， 实现制造过程多粒 度工艺与质量信息全流程纵向与横向全面集成， 并可 根据业务需 求设计 和扩展相 应分析 软件 功 能， 便于用户根据具体工艺质量问题进行分析应 用 。 第3 期 吕志民， 等 冶金全流程工艺质量在线监控和 离线分析诊断 系统 1 7 1 ． 1 功能设计 系统功能架构如图 1 所示 。 数据 通信网 核心 功能 数据 平台 数据 来源 从功能角度来说 ， 整个 系统可 分为数 据采集 预处 理和重整平 台 、 数据平 台 、 实时质量监 控和 门 户 网 站 各 工 序 终 端 用 户 实 时 监 控 屏 幕 实时质量监控和预警平 台 离线数据分析平 台 r 1 r 1 r 1 ， 、 质 量 卡 片 建 档 系 统 ] ／ 炼 钢／ ／ 精 炼／ ／ 连 铸／ 【 质 量 监 控 和 在 线 评 级 系 统 J 陋圈 { { 质 量 报 告 生 成 系 统 ] _1， 质 量 追 溯 和 诊 断 系 统 同 ⋯ 定 和 综 制定 系 统 ] 仿 真 和 工 艺 优 化 系 统 { f≤ I质量l l实时 I I工艺 J f I艺『 1分析『 f质量 『 【 墼 塑 壁I l 錾 塑 l 【 塑 壁J 【 堡 至J 【 鲨 壁J l 主 壁 J } 数 据 预 处 理 和 重 整 】 I 图 1 系统功能架构 Fi g． 1 Fu nc t i o n a r c hi t e ct u r e o f s y s t e m 预警平 台以及离线 数据 分析 平 台。基 于这 4个 平 台构建冶金 全流程 工艺质 量在线监 控 与离线 分析 系统 ， 实现冶金全流程不 同粒度工艺质量数 据全面采集 、 统一存储 、 实时监控 和预警 ， 并按不 同应用功能的需求提供相应的工艺曲线和质量 数据 ， 不同数 据之 间存在严 格 的工 艺逻 辑关 系 ， 以便进行分析和诊断 。 从应用角度来说 ， 可将冶金全 流程 工艺质量 在线监控和离线分 析诊 断平 台分 为在 线应 用和 离线应用两大部分 。采集 及预处 理平 台和数 据 平台是这 两类应用 的基 础平 台。在线应 用 面 向 现场质检人员和工艺技术人员等， 提供具有工序 工艺特色 的监控 、 预警 、 分析 和诊 断功能 ， 强调 系 统处理 的实 时性 。在线 应用 在产 品制造 过程 中 或产品加工完成的同时， 即可完成相应 的预警 和 在 线评级等预警功能 ， 在保 证产品质量稳定性 和 一 致性 的同时 ， 可 以有效 防止批 量性 质量 问题 的 发生， 操作人员可以根据预警结果进行操作优 化 ， 以提高后续产品质量 。离线应用 为高级分析 和应用 ， 主要是根 据产 品制造工 艺过程 ， 强 调全 流程质量数据的整合和分析 ， 从制造 流程 工艺角 度对产 品制 造全 过 程 的工艺 参 数 、 质 量 目标参 数 、 质量检验和判 定结果等进 行追溯 和分 析 ， 实 现企业内跨 工序 、 产 品制造 工艺路线 、 技 术规范 和质量判定等 分析 和优 化 ， 同时 ， 明确产 品质量 出问题 时的责任界定和划分 。 1 ． 2软件设计 为实现上述功能并增强 系统 的通用 性 、 可扩 展性和灵活性， 应用系统采用分层架构， 即将软 件 分为数据采集适配 、 数据预处理算法和存储模 型 、 统一数据访 问接 口和在 线应 用／ 离线应 用 4 个层次 ， 如 图 2所示 。各 层次服从 统 一规范 ， 层 次之间遵从统一标准， 这样可以根据用户需求进 行灵活的应用功能扩展 ， 提高用户适应性 。 数据采集适配层实现不 同类型 的数据采集 ， 对于提供标 准协议 的控制 系统 可通 过通用适 配 器驱动实现数据采集 ， 对 于一些 特殊 的接 口需要 根据数据采集平台协议 ， 自主研发接 口驱 动。重 要工艺变量 的采集频 率与未来 工艺需 求分 析相 匹 配 。 数 据采集 适 配器 支持数 据 源 的类 型 直接 冶 金自 动化 第3 9卷 在线应用／ 离线应用 统一数据 访 问接 口 数据预处 理算法和 存储模型 数据采 集适配 数据源 ⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯_ _ 1 数据分析应用 在线监控／ 质量评级 ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ ⋯⋯ 。 ⋯⋯ ⋯⋯ 在线监控 质量评级I 质量 质量数据 质量数据 质量分析 工艺参数 质量卡片 报表 追溯 展示 与诊断 优化 追溯 工序分析 评级报 告l 千 千 千 千 千 ’ l l H Ⅱ n l 质量 卡片 信息 监控／ 评 l 统一数据访问接口j I 级规则 l “ 4 } ． I 4i 口F} 日_ ， ，、 M 蛐 厂、 王 ， 土 1 工， j H 生／ 一、 ／ 『1 h 柙 娃 里 、 ～ 卅信 自 ， 蜘 蒋 信 自卜 ～ L 、 则 宁 ＼ ⋯⋯ 一 ＼ ／L 系 数 据 星 ’ 卡 片 1 j ． ， 皿佶 壬 1 I ， l l 订 单 ，物 料 ，质 量l 、 I 1 ～ 1 l 规范 等信息采集l 牛 平 l 工艺参数 ／ I ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．J 【 ． ． ． ． 一 I l事 件 ，状 态 圆圈口 M ES等 、 ，一 J L l 系统 ● - 系统 图 2 应 用软 件 系统功 能层次 图 F i g ． 2 L e v e l a r c h i t e c t u r e o f a p p l i c a t i o n s o f t wa r e 影响到整个应用平 台可获得 的数据 量 以及 未来 分析应用 的适用性 。 数据预处 理算法 和存储 模型层 负责对 采集 到的各类数据进行实时处理和重整 ， 包括 1 根 据制造过程 中 的工艺特 征事件 与状态利 用数据 相应预处理 算法重整 后建立 的不 同源 数据 与物 料之 间对应关系 ， 将数据存储 在统一 的数据存储 结构中 ， 以便 应用程序 通过数据 接 口进 行访 问 ； 2 存储 在线质量判 定 的各种 规则库 ； 3 根据 数据类型 的不同 ， 采用实时数据库存储各类工艺 曲线数据 ， 并保持其原始的事件时序和状态等； 4 采用关系数据库存储重要 的工艺质量数据以 及各类 曲线 的数据统计特征参 数等 ； 5 在 重整 过程中根据订单／ 物料等信息对各种质量数据进 行转换和整合后 ， 形成相应的关键概要信息 质量卡片数据 。 统一数据访问接 口层对外提供统一的数据 服务 。数据访 问接 口根据 用户对 工序 和参数 的 选择 以及参数之间的相互关系 ， 实现跨工 序的工 艺 和质量数据 的动 态整合 以及 工艺 曲线数 据 的 一 致性处理 ， 并向用户返 回相应 的数据集 。 在线应用／ 离线应用层 可以根据用户需求进 行开发 和扩 展。除质量 卡片追溯 和报表 等功 能 采用固定 的数据配置 以外 ， 其余应用功能均 可以 根据用户需求进行选择和配置 ， 提高了软件通用 性和功能可扩展性 。在 线应用 功能按 照工序 需 求配置以后 ， 形成各个工序工艺过程监控和产 品 质量评级等功能 ， 并可利用工序分析功能进行工 艺参数优化 。在线评 级结 果除实 时反馈 给操作 人员以外 ， 也将 作 为过 程质 量 判定 结果 提 供 给 ME S或 E R P系统 。离线 分析应 用可 以针对 全流 程工艺质量 数据 ， 按照不 同需求进 行综合 分析 ， 以便进行质量 问题定位 、 异常诊 断和工艺参数优 化。 2关键问题及解决 由于钢铁 制造过 程存在 流程 性 、 多 阶段 性 、 质量数据多 源异构性 等特征 ， 因此 ， 在进 行冶金 全流程工艺 质量在线 判定和离 线分析诊 断 时需 要解决以下几个关键 问题 ， 才能保证 质量数据平 台较好地发挥其 作用 ， 成为企业 质量 监控 、 在线 判定、 质量追溯和分析 以及质量工艺参数优化等 业务协 同平台。 冶 金自 动 化 第3 9 卷 用户只需要选择相应协 同处理基准 ， 数据访 问接 口服务即可 自动进行相应处理 。 2 ． 3 工艺质量实时预警 和在线判定 为实现工艺过 程参数 的实时 预警 和在线评 级 ， 保证产 品质 量全长一致 性 ， 系统可 对重要 工 艺过程参数 、 质量参数 进行实 时在线监 控、 预警 和判定 ， 向操 作人员 提供作业 预警信 息 ， 保证 批 次 内产品质 量稳定性 。预警 方法 主要提供 了简 单 的参数超 限报 警方 法、 S P C统计 控 制方法 、 神 经 网络模 型预测方法等 ， 各 工艺参数控制 限可根 据企业技 术标 准 或设定 参 数等 进 行灵 活 配置 。 另外 为了保证产 品过程质量一致性 ， 系统平 台中 研发了基于规则推理的产 品质量在线评级 引擎 ， 对过程工艺参数 和质量参 数进行物 料全 长 的评 级 ， 评级结果作 为 ME S或 E R P进行质量 判定 的 重要依据。在线评级引擎还可对单值参数 、 沿 长 度方 向参数、 表检仪结果等基 于预定义规则 进行 综合判定 ， 并按 规则符合 程度给 出相应评 级 ， 形 成产品评级报告 。 为适应不 同产品评级需求 ， 规则库评级规则 按产品类别进行组织和管理 ， 评级规则采用模版 化管理 ， 具体参 数与产 品、 订 单需求 有关。针对 各类参数还 提供 了大量 的参数计 算 函数 以便进 行评级 ， 如去 头尾、 变 化梯度 、 超 限百分 比、 计 长 比较等 。 2 ． 4全流程质量追溯和高级分析 利用统一的数据访 问接 口， 根据用户指定的 批次 、 钢种 、 规格等多种条件 ， 获取多工序 的过程 参数和质量 参数 ， 进 行追溯分 析 ， 找 出参数 差异 和定位产生 问题 的原 因。利用 系统平 台提供 的 样本散点图 、 样 本运行 图、 均值 运行 图、 箱线 图、 等值线图 、 相关性散 点 图、 频度分布 图、 P a r e t o图 等多种常用统计分析图进行数据探索性分析 ， 利 用过程能力 指数、 S P C统计分析 、 聚类算法 、 关联 规则 、 决策树分类 、 参数差异性分析 、 序列模式分 析 、 工艺规则提取等高级分析工具和方法解决快 速定位问题 ， 利用仿真和工艺优化功能等实现工 艺参数或规则知识 的优化 ， 实现产 品质量 的持续 改进 。高级分析功能基于统一 的数据集 ， 不 同的 分析方法根据其特点可以将结果 返 回数据集 ， 以 便不同方法之间进行灵活组合 。 3 应用 效果 由北京科技大 学高效 轧制 国家工程 研究 中 心研发的冶金全 流程工艺质 量在线 监控和 离线 分析系统于 2 0 1 4年 6月 在涟 钢正式投 入运行 。 可实现 对 2 1 0炼钢 、 2 2 5 0热 轧 、 冷 轧、 一炼 轧等 板带生产 区域 的全流程 工艺质量 在线监 控和离 线分析诊断 。同时为 了方便用户使用 ， 部分 离线 追溯功能具 有 We b发布功 能 ， 这样 不 同用户 可 通过在线监控 、 We b发 布、 离线 分析 客户端 3种 方式接入系统 。在线 监控面 向各生 产线 的关键 工序操作台和质检操作 台 ； We b发布提供简单 的 全流程质量追溯功能 ， 公 司内所有授权用户均 可 访 问； 离线分析客户端提供 复杂 的追溯 和分 析功 能 ， 面向技术质量部质量管理人员。图 4所示为 部分软件功能效果。 系统上线运行后 ， 很好地支持 了涟钢 向 V A MA供应 的冷轧基板 的产品质量管控 和企业产 品 质量异议追溯 、 定 位及处 理。以冷轧 产 品为例 ， 在出现批次质 量异议 或问题 时 ， 利用 平 台功能 ， 可以在 1 mi n内获取整个批次 自铁水运输至成品 出厂 的整个制造过程 的所有工艺控制参数 、 目标 设定结果、 质量 检验及判 定结果 等 ， 并 可根 据需 要进行相应分析 。 4 结束语 随着高 品质 、 高附加值产 品用户对产 品质量 信息的 日益关注 ， 以及出现质量 问题 时的工 艺过 程质量追溯和分析需求 ， 传统 的钢铁企业 质量管 控模式和手段 已不能满足需求 ， 因此迫切需要利 用现代信息技术实现全流程工艺质量数据整合， 为不 同用户提供方 便统一 的质量数 据追溯 和分 析手段 ， 以便企业进行产 品质量持续 改进 。本 文 中提出的全 流程工艺质 量在线监 控和离 线分 析 技术具 有可扩展性 、 灵活性 、 操作便利性等特点 ， 可为众多冶金制造企业 进行类 似系统 建设 提供 参考 。