物理性能預測系統(tǒng)在1580軋線的應用研究

王麗麗

（河鋼集團唐山不銹鋼有限責任公司，河北063105）

0 引言

隨著鋼鐵企業(yè)信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善，企業(yè)各種信息化平臺積累了大量的生產(chǎn)和質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品的在線質(zhì)量控制和質(zhì)量預測模型的建立提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。如何分析、歸類、整合和利用好這些數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)系統(tǒng)和產(chǎn)品質(zhì)量服務是鋼鐵企業(yè)信息化建設(shè)的重要研究課題。

為了能將這些數(shù)據(jù)整合利用起來，充分挖掘和發(fā)揮它的最大價值，唐山不銹鋼公司以1580軋線卷板物理性能預測作為切入點，收集了大量歷史數(shù)據(jù)進行預測模型訓練，并與工藝人員結(jié)合找到影響卷板物理性能的關(guān)鍵參數(shù)，在現(xiàn)有的信息化平臺的構(gòu)架下，建立了與實測最接近的物理性能預測模型，在卷板下線后就可獲得該產(chǎn)品的物理性能預測結(jié)果。實踐表明，該模型性能預測數(shù)據(jù)的準確性和及時性能滿足生產(chǎn)需要，質(zhì)量在線預測值結(jié)果可以替代實測值，減少了現(xiàn)場取樣頻次、提高發(fā)貨效率、降低了生產(chǎn)成本。

1 軋鋼區(qū)域現(xiàn)狀

1.1 熱軋線工藝設(shè)備簡介

唐山不銹鋼公司1580熱軋生產(chǎn)線配有有兩座蓄熱式加熱爐、一架粗軋機組、七架精軋機組、兩架卷取機，以及配套的冷卻和液壓系統(tǒng)。

1.2 熱軋線信息化平臺建設(shè)及問題

1.2.1 熱軋線信息化平臺建設(shè)

企業(yè)自2011年開始，圍繞1580熱軋生產(chǎn)線陸續(xù)建設(shè)了OA系統(tǒng)、計質(zhì)量系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、能源計量系統(tǒng)、SAP系統(tǒng)、APS系統(tǒng)、ODS系統(tǒng)、MSCC系統(tǒng)、設(shè)備全生命周期系統(tǒng)、QMS系統(tǒng)等信息化管控平臺。這些系統(tǒng)覆蓋的業(yè)務從財務、物流、生產(chǎn)過程、設(shè)備管理、質(zhì)量管理、能源管理等多個方面。各系統(tǒng)經(jīng)過長時間的運行積累了大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和業(yè)務信息。目前這些數(shù)據(jù)由技術(shù)人員從系統(tǒng)中導出，存儲到單個臺式電腦中，沒有將生產(chǎn)數(shù)據(jù)和業(yè)務信息統(tǒng)一集成在一個平臺中，進行整合、分析和應用。

1.2.2 熱軋線信息化平臺存在的問題

原1580熱軋線板卷物理性能預測系統(tǒng)TPQC存在先天不足，不能精準、及時預測板卷的物理性能，滿足不了現(xiàn)實生產(chǎn)需要和客戶的要求。熱軋板卷下線后是由質(zhì)檢部門人工負責產(chǎn)品的取樣、試驗、判定、卷重修改，這一過程浪費了大量的人員和物力，增加了發(fā)貨周期。

為了降低人工取樣、試驗頻次，為工藝過程質(zhì)量控制及時提供準確的依據(jù)，唐山不銹鋼公司對原1580熱軋線性能預測系統(tǒng)TPQC的基本構(gòu)架、數(shù)據(jù)流程、使用功能進行了分析和梳理，探究了該系統(tǒng)在板卷物理性能預測上功能缺陷產(chǎn)生的原因，確定了性能預測系統(tǒng)功能拓展和改進的目標。

2 預測系統(tǒng)缺陷因素分析以及改進目標

2.1 預測系統(tǒng)缺陷因素分析

2.1.1 預測模型訓練缺少歷史數(shù)據(jù)

（1）缺少物理性能數(shù)據(jù)。物理實驗室做出的物理性能數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集參與產(chǎn)品質(zhì)量判定和質(zhì)保書打印，而這些歷史數(shù)據(jù)是保證預測模型訓練精準的必要前提。目前全部數(shù)據(jù)都存儲在生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，與性能預測系統(tǒng)通訊接口沒有打通。

（2）缺少化學成分數(shù)據(jù)。化學成分的變化會直接引起鋼材物理性能的變化，為了準確的找出成分影響性能變化的規(guī)律，還需將卷板的化學成分輸入到預測模型中。而1580卷板的成分需要追溯到對應的板坯上，因此向預測系統(tǒng)發(fā)送成分的時機應在板坯判定后軋鋼成卷前，以保證性能預測的精準和及時。

2.1.2 軋制控制參數(shù)未能實時傳輸

對不同材質(zhì)卷板的抗拉強度、屈服強度、延伸率的預測值進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)一些鋼種的預測準確度不高，波動較大，經(jīng)分析是由于卷板在軋制過程中的變形抗力、凸度、活套張力、層冷、溫度等軋制參數(shù)的影響導致，這些參數(shù)并沒有參與到模型預測和訓練。為提高卷板性能預測的準確度，減小波動，需要開發(fā)新的數(shù)據(jù)采集程序，實時采集L2級系統(tǒng)中的軋制參數(shù)，打通L2級與預測系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)傳輸。

2.1.3 實驗室數(shù)據(jù)采集的影響

（1）取樣卷歷史數(shù)據(jù)的影響。預測模型訓練收集到的歷史數(shù)據(jù)中不僅包含取樣卷板的性能，還包括對取樣卷進行替代的非取樣卷，即替代卷的物理性能。替代卷的性能參與模型訓練，降低了預測的準確度，這就需要MES系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸時對歷史數(shù)據(jù)進行加工處理，區(qū)分取樣卷和替代卷的物理性能。

（2）制樣方式的影響。試樣的標距、取樣方向、尺寸、截面積不同，得到的性能實測數(shù)據(jù)也會不同，為了降低預測值和實測值之間差值，在使用歷史數(shù)據(jù)進行模型訓練時，必須考慮這些細微差別對預測值的影響，預測系統(tǒng)需要采集這些制樣信息。

2.1.4 模擬環(huán)境搭建的影響

研發(fā)新品之前需要搭建模擬環(huán)境，模擬不同鋼種化學成分、工藝參數(shù)發(fā)生變化后，對鋼材性能的影響，準確地預估鋼材性能，通過預估值反向分析指導新品成分控制及工藝優(yōu)化，從而實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量好、成本低、生產(chǎn)穩(wěn)的目標。

2.1.5 預測值應用和處理

對于新品或者客戶有特殊要求的卷板，需要MES系統(tǒng)保留原有的實際取樣試驗流程；當卷板尾部因沒有溫度曲線等原因，導致TPQC性能預測系統(tǒng)沒有預測卷板尾部的抗拉強度、屈服強度、延伸率時，需要MES用TPQC性能預測系統(tǒng)輸出的帶身性能預測值進行判定；預測系統(tǒng)上線后，卷板的延伸率的數(shù)值不符合質(zhì)保書打印要求，需要MES將數(shù)據(jù)進行修約后發(fā)送給QMS系統(tǒng)。

2.2 預測系改進目標及評價

1580熱軋線性能預測系統(tǒng)功能拓展和改進目標是：實現(xiàn)對熱卷的頭部、中部和尾部的物理性能進行精準預測，對板型情況進行評估，通過MES生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)送給QMS熱卷判定系統(tǒng)用于參與判定。

對熱軋線性能預測系統(tǒng)的評價指標是：能保證預測值的準確性和及時性，不僅需要建立最優(yōu)的預測模型，而且還要對ODS系統(tǒng)的設(shè)定值和MES和L2級系統(tǒng)生產(chǎn)參數(shù)的實時采集，將性能預測值應用于QMS判定系統(tǒng)。

3 預測系統(tǒng)改進設(shè)計

3.1 確定預測系統(tǒng)的架構(gòu)和功能

根據(jù)需求分析MES系統(tǒng)在性能預測系統(tǒng)中的架構(gòu)圖和實現(xiàn)的功能，如圖1所示。

圖1 性能預測系統(tǒng)的架構(gòu)和功能

3.2 線下傳輸歷史數(shù)據(jù)

物理性能和化驗成分的歷史數(shù)據(jù)量大，MES開發(fā)接口程序?qū)崿F(xiàn)自動傳輸，將會給系統(tǒng)造成較大的壓力。而快速有效的解決辦法是，人工將這些數(shù)據(jù)從MES系統(tǒng)中批量導出，經(jīng)過處理后導入到TPQC性能預測系統(tǒng)中，滿足預測模型訓練要求。對于對當前生產(chǎn)板卷的物理性能和化驗成分可通過接口程序進行實時傳輸。

3.3 軋制控制參數(shù)提取

MES系統(tǒng)開發(fā)接口程序可實現(xiàn)1580軋線L2系統(tǒng)的軋制參數(shù)提取、計算、匹配、實時傳輸，滿足卷板下線后輸出預測值的要求。

3.4 實驗室數(shù)據(jù)采集

開發(fā)物理實驗室試樣尺寸錄入系統(tǒng)，錄入試樣的三組寬度和厚度值，自動計算截面積的平均值。

3.5 性能優(yōu)化工具開發(fā)

開發(fā)性能優(yōu)化工具，此工具提供了模擬環(huán)境，通過準確預估鋼種化學成分、工藝變化對性能的影響，可更好地指導成分鋼種控制及工藝優(yōu)化。圖2為不同成分預估性能曲線。

圖2 不同成分預估性能曲線

3.6 預測值應用

（1）MES系統(tǒng)對TPQC的XML文件進行數(shù)據(jù)解析，實時讀取預測結(jié)果，保證卷板判定的及時性。

（2）對預測值和實際值進行區(qū)分，滿足不同材質(zhì)對物理性能的要求，提高客戶滿意度。

（3）開發(fā)修約程序，對預測值按修約規(guī)則進行數(shù)據(jù)處理，滿足客戶對質(zhì)保書打印要求。

4 預測系統(tǒng)改進結(jié)果

4.1 性能預測數(shù)據(jù)的準確性

屈服強度低于550 MPa的鋼種，其屈服、抗拉強度預測值與實測值絕對誤差不超±30 MPa，延伸率預測值與實測值絕對偏差在±4%以內(nèi)的條件下，板卷性能預測合格率達85%以上，如圖3所示。

圖3 不同強度鋼種板卷性能預測合格率

4.2 性能預測數(shù)據(jù)及時性

卷板下線后5分鐘后TPQC輸出精準的預測值，MES系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行修約后，根據(jù)實際業(yè)務需求在1小時候發(fā)給QMS判定系統(tǒng)，保證了預測值傳遞的及時性。

5 結(jié)語

唐山不銹鋼公司1580卷板性能預測系統(tǒng)，從需求分析到上線應用經(jīng)歷了大概一年多的時間，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。通過對軋鋼性能預測系統(tǒng)的上線和持續(xù)跟蹤優(yōu)化，對400 MPa及以下鋼種物理性能預測的合格率達到99%以上的實際，對此公司將取消400MPa及以下鋼種的現(xiàn)場取樣，降低現(xiàn)場人工取樣頻率，這是數(shù)據(jù)開發(fā)利用的典型案例。所有信息平臺數(shù)據(jù)的收集和利用，終將成為我們的最大資源，有待無限發(fā)掘、應用。