煉鋼企業(yè)統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC）系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

周天成， 聶景峰

（太原鋼鐵集團(tuán)有限公司煉鋼二廠， 山西 太原 030003）

太鋼煉鋼廠設(shè)備主要包括：三座碳鋼轉(zhuǎn)爐（BOF）、兩座不銹鋼轉(zhuǎn)爐（AOD）、兩座不銹鋼煉鋼電爐（EAF）、三座雙工位鋼包精煉爐（LF）、兩套 RH，一套脫硫、三條一機(jī)一流不銹鋼板坯連鑄機(jī)、兩條一機(jī)兩流碳鋼板坯連鑄機(jī)以及所有的公輔包括廢鋼料廠、倒灌站等等。其設(shè)備幾乎涵蓋了所有的煉鋼工藝，其設(shè)備的裝備水平達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。由于工藝設(shè)備的復(fù)雜和原材料種類繁多，對(duì)過(guò)程參數(shù)未能進(jìn)行有效監(jiān)控，不銹鋼質(zhì)量存在波動(dòng)，鋼坯會(huì)出現(xiàn)諸如內(nèi)部角裂、縮孔、表面夾雜、表面角部橫裂、表面縱裂等質(zhì)量問(wèn)題[1]。

1 SPC概述

SPC（Statistical Process Control）是美國(guó)質(zhì)量管理專家休哈特博士在二十年代所創(chuàng)造的理論，它利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，能科學(xué)地區(qū)分出生產(chǎn)過(guò)程的偶然波動(dòng)和異常波動(dòng)，從而對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的異常及時(shí)報(bào)警，以便人們采取措施，消除異常，恢復(fù)過(guò)程的穩(wěn)定[1]。SPC強(qiáng)調(diào)全過(guò)程的預(yù)防，就是應(yīng)用統(tǒng)計(jì)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)階段進(jìn)行監(jiān)控，從而達(dá)到改進(jìn)和保證質(zhì)量的目的。

2 煉鋼企業(yè)SPC控制點(diǎn)特性及現(xiàn)狀

煉鋼生產(chǎn)屬于連續(xù)性生產(chǎn)企業(yè)，相當(dāng)多的質(zhì)量監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)較適合采用單值-移動(dòng)極差圖。這類數(shù)據(jù)按爐次為單位，數(shù)據(jù)在同一爐次只獲取一次，而且監(jiān)控這些數(shù)據(jù)費(fèi)時(shí)、費(fèi)財(cái)，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量有限。例如化驗(yàn)鋼水C元素成分，需要在專業(yè)的化驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，一爐鋼在單個(gè)工序的處理時(shí)間大約為45 min，即每45 min才能記錄鋼水C元素成分；由于鋼水在冶煉過(guò)程中成分實(shí)時(shí)變化，化驗(yàn)成本較高，因而正常情況下在出鋼結(jié)束時(shí)測(cè)量一次獲得一個(gè)數(shù)據(jù)即可。這種具體情況下煉鋼現(xiàn)場(chǎng)單值-移動(dòng)極差圖使用最多。

煉鋼自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是按L1、L2、L3三級(jí)自動(dòng)化設(shè)計(jì)，自動(dòng)煉鋼技術(shù)的內(nèi)涵是依據(jù)產(chǎn)銷系統(tǒng)的訂單組織生產(chǎn)，生產(chǎn)管理系統(tǒng)依據(jù)生產(chǎn)和技術(shù)管理一體化的要求，從L3接收所需的制造命令、制造標(biāo)準(zhǔn)、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、出鋼計(jì)劃下傳給L2過(guò)程控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，L2級(jí)將過(guò)程信息及數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化計(jì)算及控制參數(shù)下傳L1級(jí)，用于控制設(shè)備執(zhí)行操作。全部生產(chǎn)過(guò)程除極特殊情況外基本上都是自動(dòng)進(jìn)行，不需人工干預(yù)。

在煉鋼現(xiàn)場(chǎng)，SPC目前還是通過(guò)在Excel或者minitab手工繪制的方式進(jìn)行，控制圖的數(shù)據(jù)來(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)工位的二級(jí)或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，各種數(shù)據(jù)的匯總、計(jì)算和分析由相關(guān)區(qū)域的技術(shù)工程師進(jìn)行。這樣的一種原始方式，是不能適應(yīng)企業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)與管理的。由于手工操作，必然存在數(shù)據(jù)篩選困難、數(shù)據(jù)無(wú)法共享等情況，使得SPC的準(zhǔn)確性和指導(dǎo)性有所降低，也使得現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)控制的效果大打折扣，而且信息的共享性也差。人工進(jìn)行SPC繪圖也增加了現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的工作負(fù)擔(dān)，使得技術(shù)人員怨聲載道，大量時(shí)間花在了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)上，反而沒(méi)時(shí)間去發(fā)現(xiàn)SPC圖所揭示的規(guī)律。所以應(yīng)該盡快推進(jìn)SPC圖的自動(dòng)繪制，以充分發(fā)揮SPC的效果，將SPC更好地推行下去。

對(duì)于目前煉鋼的裝備水平，完全可以利用生產(chǎn)過(guò)程中各二級(jí)和三級(jí)系統(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)，把SPC的絕大部分工作交給電腦去做。雖然現(xiàn)在市面上已有多種SPC軟件，這些軟件都具有繪圖、判異報(bào)警、計(jì)算過(guò)程能力等常規(guī)功能，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行SPC的大多數(shù)要求。但是，目前在L2和MES系統(tǒng)中都有關(guān)于質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)存在，在這些系統(tǒng)中這些數(shù)據(jù)作為不同的目的存在，分布較為分散，將這些數(shù)據(jù)集成起來(lái)成為一套專門用于質(zhì)量控制的系統(tǒng)是生產(chǎn)迫切需要的。

煉鋼SPC質(zhì)量控制系統(tǒng)的主要作用是采集并記錄來(lái)自不同系統(tǒng)的質(zhì)量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行專業(yè)分析，通過(guò)實(shí)時(shí)繪制SPC控制圖為質(zhì)量改進(jìn)提供有效數(shù)據(jù)從而達(dá)到控制質(zhì)量的目的。該系統(tǒng)的層級(jí)高于L2、L3系統(tǒng)，低于產(chǎn)銷系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)架，以不同的呈現(xiàn)方式對(duì)生產(chǎn)前進(jìn)行指導(dǎo)、生產(chǎn)中進(jìn)行控制、生產(chǎn)后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析形成報(bào)表，使技術(shù)人員能夠有效地對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行控制。

3 SPC系統(tǒng)介紹

3.1 系統(tǒng)功能說(shuō)明

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)SPC監(jiān)控系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)、前臺(tái)瀏覽界面、后臺(tái)數(shù)據(jù)處理服務(wù)程序。實(shí)現(xiàn)：通過(guò)程序?qū)⒎植加诟髦饕ば虻腟PC監(jiān)控點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集到主服務(wù)器中；用戶按權(quán)限登錄系統(tǒng)，可對(duì)所管控制點(diǎn)進(jìn)行管理；控制點(diǎn)以預(yù)先設(shè)置的控制圖類型進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)具備異常值報(bào)警功能；具備控制點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel功能。系統(tǒng)具備以下三個(gè)特性。

1）SPC控制圖的及時(shí)性，控制圖所用數(shù)據(jù)應(yīng)在原始數(shù)據(jù)出來(lái)后1 h以內(nèi)采集到。

2）有規(guī)格限、±3σ 限，規(guī)格限人工輸入，3σ 限可以人工輸入，可以自動(dòng)計(jì)算。

3）判異準(zhǔn)則，共8條準(zhǔn)則，判異準(zhǔn)則可以單選也可以多選；當(dāng)有異常點(diǎn)符合判異準(zhǔn)則時(shí)，該點(diǎn)用紅色或其他顏色表示。

3.2 數(shù)據(jù)收集

基于按L1、L2、L3三級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)，L2和L3系統(tǒng)數(shù)據(jù)已經(jīng)存儲(chǔ)于ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以采取直接讀取數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在采集過(guò)程中可以利用ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)置觸發(fā)器和存儲(chǔ)過(guò)程。若數(shù)據(jù)在L2和L3系統(tǒng)未存儲(chǔ)，可以采取直接讀取L1系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的辦法，這種情況下使用數(shù)據(jù)采集手段比較多，硬件方面可以不增設(shè)采集卡，采取軟件編程方式，節(jié)省采集成本；利用OPC通用接口編寫采集程序，將數(shù)據(jù)直接寫入至SPC系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，避免了影響其他系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），數(shù)據(jù)也更加具有真實(shí)性和實(shí)時(shí)性。

針對(duì)所有SPC監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)來(lái)源、采集頻率、監(jiān)控規(guī)則進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研，制定針對(duì)每個(gè)點(diǎn)的具體采集、控制方案。

圖1 SPC系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向圖

4 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在各種SPC點(diǎn)數(shù)據(jù)采集并加工成功的情況下，需要為現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員提供操作友好的界面進(jìn)行質(zhì)量分析，在該系統(tǒng)中，通過(guò)觸發(fā)器、存儲(chǔ)過(guò)程和服務(wù)端程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行篩選，以報(bào)表和控制圖的方式呈現(xiàn)給技術(shù)人員用作數(shù)據(jù)分析。

系統(tǒng)全部采用B/S結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)，程序開(kāi)發(fā)主要語(yǔ)言為.Net，B/S結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于程序開(kāi)發(fā)部署方便，客戶端無(wú)須安裝任何其他程序，只需要有WEB瀏覽器就可以使用系統(tǒng)提供的功能。

根據(jù)煉鋼廠內(nèi)組織結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)目錄分為三級(jí)，二級(jí)目錄為各個(gè)作業(yè)區(qū)的名稱，三級(jí)目錄為各個(gè)SPC監(jiān)控點(diǎn)。這種目錄設(shè)計(jì)，便于查看各個(gè)SPC監(jiān)控點(diǎn)。在每個(gè)頁(yè)面上，選擇不同的時(shí)間段，會(huì)顯示此時(shí)間段的控制圖；在控制圖中，可以顯示3σ限和工規(guī)限，并能夠根據(jù)選擇的判異準(zhǔn)則，將異常點(diǎn)用紅色顯示用于警示。在頁(yè)面的左下角，顯示的是此監(jiān)控點(diǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可以導(dǎo)出到excel中，系統(tǒng)主要功能模塊見(jiàn)圖2。

圖2 SPC系統(tǒng)主要功能模塊圖

5 使用效果

SPC系統(tǒng)在2017年上半年已經(jīng)完成系統(tǒng)硬件和軟件的構(gòu)架，大部分SPC數(shù)據(jù)已經(jīng)完成采集和加工并使用，為質(zhì)量分析和生產(chǎn)異常跟蹤提供了大量實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，成為質(zhì)量控制管理的有效手段。該系統(tǒng)的良好效果體現(xiàn)在如下方面。

1）滿足質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)需求。SPC系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程重要數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行匯總，為技術(shù)人員提供質(zhì)量分析數(shù)據(jù)，方便一線操作人員及時(shí)了解生產(chǎn)情況，為質(zhì)量控制提供支持。

2）滿足技術(shù)人員需求。目前技術(shù)人員主要依靠人工進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，由于數(shù)據(jù)源多，受異常因素影響因素較多，實(shí)施本系統(tǒng)后，技術(shù)人員享有詳實(shí)的過(guò)程數(shù)據(jù)，不需要再匯總數(shù)據(jù)，可以專注于質(zhì)量控制。

3）關(guān)鍵數(shù)據(jù)大范圍共享。SPC關(guān)鍵質(zhì)量控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合后，數(shù)據(jù)源統(tǒng)一，不僅為煉鋼廠技術(shù)人員共享，也為技術(shù)中心技術(shù)人員對(duì)煉鋼過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)提供了依據(jù)。

4）對(duì)質(zhì)量的改進(jìn)。2016年SUH409L初判不合率為3%，在對(duì)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和SPC統(tǒng)計(jì)分析后，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)程異常，避免過(guò)程波動(dòng)，按照SUH409L初判不合率降低1.7%，可降低成本160萬(wàn)元。

6 結(jié)語(yǔ)

SPC系統(tǒng)的立項(xiàng)、實(shí)施和應(yīng)用，利用信息化手段對(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和加工，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程提前干預(yù)，最終能夠達(dá)到對(duì)過(guò)程生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控的目的，為質(zhì)量改進(jìn)、生產(chǎn)決策提供了更加科學(xué)、高效的手段和方法，填補(bǔ)了煉鋼廠質(zhì)量精益監(jiān)控系統(tǒng)的空白，為企業(yè)降低廢品率和提高產(chǎn)品質(zhì)量提供了技術(shù)支撐[2]。

[1]鄒衛(wèi)，郭之萍，王寧.統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制在鑄造中的應(yīng)用[J].鑄造，2009（6）：632-634.

[2]蔡雪兢，黃忠全，張穎，等.基于SPC的計(jì)算機(jī)自動(dòng)判異的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[J].機(jī)械制造，2010，48（7）：63.