板坯质量自动分级判定系统的开发与实践

吴建杰

（河钢集团唐山不锈钢有限责任公司，河北 063105）

0 引言

随着“云存储技术”、大数据应用、5G 时代的到来，促进了冶金行业智能化控制的进程，为钢铁企业信息化系统带来新一轮的变革和创新驱动。目前唐山不锈钢公司正在借鉴国际先进企业一贯制质量管理经验，通过对生产过程的细化控制和管理，建立以各产线的技术专家和操作专家作为带头人的项目推进制。经过不断实践总结和分析，项目推进组攻克了一个由一个课题，逐步建立有唐山不锈钢公司特色的质量管控模式。为了适应汽车板，镀锡板等高端产品对性能和质量的多元化、精细化需求，在信息化、大数据分析应用的基础上，唐山不锈钢公司连铸板坯质量自动分级判定系统应运产生。该系统实现了由板坯质量最终判定向铸坯生产的各工序延伸，利用信息化系统采集的数据按照分级判定模型计算得出的判定结果代替人工判定，避免了人为的判定错误。

铸坯质量分级判定系统以满足用户需求为目标，采取以质量为中心的全过程最优化质量控制，建立和完善了过程判定规则，实现铸坯质量分级在线判定，自动判级率达100%。本文介绍了唐山不锈钢公司铸坯质量自动判定系统开发的目的，自动判定系统的构架和实施过程，并对系统上线后的应用效果以及在公司生产中发挥的作用进行了总结。

1 传统板坯质量判定存在问题

唐山不锈钢公司的高端产品主要是汽车板，镀锡板等，这些高端产品客户对产品的性能和质量提出了多元化和精细化需求，这对连铸板坯质量控制和判定模式也提出了更高的要求。而传统连铸板坯质量判定都是针对板坯最终产品进行的，分析和检测内容主要是板坯化学成分、表面质量、低倍组织和外形尺寸等，这对高端板坯质量的分级判定已经不能适应，质量管控存在着问题和漏洞。

（1）工艺控制点和工艺参数多，同一产品人工质量判定的标准存在差异；

（2）质量判定过程，判定内容和依据覆盖面不足，判定缺乏客观的准确性；

（3）对于判定出的质量问题滞后于生产过程；（4）质量问题信息传递速度不及时、不精准、不全面。

为了适应高端产品生产需求，在板坯连铸信息化平台的基础上，构建具有连铸工艺过程数据采集、集成计算以及板坯质量自动分级功能的板坯质量等级自动判定系统是必要的。板坯质量等级自动判定系统可实现板坯质量自动分级评价，提高了板坯质量判定的及时性和准确性，可精准为用户提供所需产品的质量和性能信息，提高了公司高端产品在市场中的竞争力。

2 板坯质量分级判定模型的建立

2.1 板坯质量分级判定模型开发方案

板坯质量分 级判定系统以L1、L2、MES、PI、ODS、QMS 为基础，将转炉、精炼、RH、连铸各工序生产过程工艺参数、化验室化验的钢种成分、ODS 系统订单设计的控制参数要求、实际生产中各工序的异常数据、以及设备运行情况等重要的影响板坯质量等级分析计算的因素进行系统采集、处理和逻辑评估，系统自动给出铸坯的质量判定等级。

2.1.1 异常事件计算

板坯是经过转炉、精炼、连铸等一系列工序后生产成型的, 供轧钢区作为生产原料。板坯生产的每道工序的过程控制质量，不仅会影响铸坯的质量等级，还会影响到轧钢产品的质量，尤其是生产波动、关键过程控制不符合标准要求等都会导致铸坯的降判，因此各工序异常事件都要纳入板坯在线质量等级判定系统的计算模块。在板坯在线质量等级判定系统设计时，为了便于计算机识别，一般将异常事件进行统一编码，存放在数据库中并同步到QMS（Quality Management System）系统。为精准判定影响板坯质量的各种因素，数据采集系统将对每一炉铸坯的转炉、精炼、连铸工序的异常事件进行实时集和传输，满足QMS 系统计算时的数据输入。

2.1.2 钢种等级分类

为充分满足客户对产品的质量要求，板坯在线质量等级判定系统将钢种按照用途进行分类。各类钢种可以进行小分类，如钢种1，可设置类别1-1，1-2 等，为钢种组内的不同钢种要求进行预留设置。为实现判定系统有效性，将铸坯在线判定系统的异常事件信息、钢种信息和钢种组分类信息统一进行规定。

2.2 板坯质量在线判定系统数据集成平台的构建

2.2.1 MES 系统功能完善

MES（Manufacturing Execution System）系统作为QMS 系统的数据汇集、中转平台，为铸坯分级判定系统提供了铸坯工艺过程信息，异常事件数据的采集、录入、分发功能，同时MES 系统还接收QMS 系统判定后的等级信息，并将接收到的等级判定信息传递至轧钢工序，用于指导轧钢工序根据厂家和订单需求安排生产。QMS 系统所需数据流转图见图1。

图1 QMS 系统数据流转图

（1）判定所需异常事件录入功能。为了解决部分异常事件无法通过自动采集进行评价的现状，在MES 系统中开发了转炉、精炼、连铸工序的异常事件收集功能，通过各工序操作岗位按炉次进行工艺异常信息的录入，实现了关键工艺、质量异常信息进入系统并参与分级判定，异常数据录入界面如图2 所示。为了便于查寻和跟踪每块板坯的生产过程中 的异常事件，开发了炼钢区域异常事件查询界面，给技术人员和岗位操作人员提供了按时间、班组、批次号及转炉、精炼、连铸工序为查找条件的异常事件查看的功能，以便于异常事件的分析、跟踪。

图2 转炉工序异常数据录入界面

（3）轧钢区铸坯等级信息接收功能。铸坯判定分级信息只有传递到轧钢区域信息化系统才能真正确保判定结果实现“落地生根”，助力轧钢产线生产排产模式的优化提升。图4 为MES 系统轧钢区域“板坯库信息综合查询”界面，该界面在原来的基础上增加了坯料等级信息，使得板坯库收钢操作岗位可以及时掌握判定等级信息。

图4 板坯库信息综合查询界面

（2）钢区铸坯等级信息查询功能。在炼钢MES系统“坯料挂单数据查询”界面增加了“等级”一栏，确保QMS 系统自动判定等级后可以从MES 系统进行查看，满足钢区工艺、质量技术人员及现场岗位操作人员的判定信息查询需求。图3 为“坯料挂单数据查询”界面。

图3 坯料挂单数据查询界面

2.2.2 PI 数据采集系统完善

（1）生产过程曲线采集功能。PI 工厂数据系统在信息化系统数据采集方面起着非常重要的作用，在铸坯分级判定系统的研发中，连铸坯浇铸时的钢水温度、钢水液面波动、拉速等工艺数据对铸坯质量自动判定非常重要，PI 系统作为曲线采集平台，将这些参数点形成曲线，并实时同步到QMS 系统作为自动判定依据。

（2）铸坯信息自动解析功能。为了提高板坯信息进入系统的时效性，同时减轻连铸岗位录入板坯信息的劳动强度，课题开展过程中，打通了二号连铸机、三号连铸机MES 系统铸坯信息录入和喷号机系统信息录入的通讯通道，将连铸MES、喷号机两套系统的铸坯信息录入工作简化为在喷号机系统录入。信息经PI 系统采集、解析、匹配后传递到MES、QMS 系统，实现了一次录入，多处使用的功能，将连铸岗位工铸坯信息录入量降低了50%，大大提高了劳动效率。同时，为了应对喷号机异常后的信息异常情况，MES 系统有针对性开发了铸坯信息录入系统，确保在喷号机系统异常时，能够满足铸坯信息进系统的需要。

2.3 铸坯质量在线判定系统模型界面

2.3.1 规则编辑

铸坯的分级自动判定是对收集上来数据，按照不同的判定规则给出不同的铸坯判定等级，QMS 系统的规则编辑器是完成所有铸坯判定规则的维护、完善和操作。

2.3.2 钢种分类

新产品开发过程中会产生很多新钢种，对现有所有的钢种进行分组，按照钢种分组对铸坯进行自动判定。

2.3.3 异常事件对应铸坯质量等级确定

每个异常事件对应一个铸坯质量等级，异常事件也可以进行组合给出铸坯等级。这些从异常事件判定铸坯质量等级的规则都是工艺人员从长期的生产实践中积累出来的，是铸坯质量等级自动判定的精华部分，随着生产实践将会逐步进行完善。

3 板坯质量分级判定系统应用实践

3.1 板坯自动判定界面功能

QMS 系统铸坯质量自动判定界面，包含MES系统传输的所有待判的铸坯实际信息、工序异常事件、曲线等信息。QMS 系统质量判定单元将MES 系统传输的实时数据与系统中相关的判定规则进行对比，并按照判定规则要求对生产的相应铸坯进行质量判定。最终依据钢种类别和厂家要求给出不同的质量分级。

3.2 铸坯判定等级与冷、热轧产品等级对接架构搭建

结合唐山不锈钢公司产线模式特点，搭建、优化连铸坯→热轧卷→冷轧产品的质量匹配模式。铸坯在线判定系统在公司炼钢工序和质检工序进行测试，将转炉、精炼、连铸各个工序的异常数据收集，按照规则进行分析计算给出铸坯等级，作为后道工序轧钢生产的重要参考依据，以便更好的实现按单生产和满足客户的特殊要求。

4 结语

唐山不锈钢公司铸坯质量自动分级系统集合了现有信息化系统的功能和数据以及工艺人员长期积累的宝贵经验知识，使铸坯判定实现了自动化，质量判定结果也更加细化；从系统自动给出的铸坯等级判定信息反推到工序控制，可为各工序改进操作提供依据，也可为轧钢按单生产和满足客户特殊质量要求打下了基础；铸坯质量自动分级系统的建立和应用，实现了铸坯质量在线分级判定，自动判级率100%，其中准确率达到98%以上水平。

另外铸坯质量自动分级系统投运后，减少因为铸坯质量问题导致的热卷生产事故和质量异议，避免不必要的经济纠纷，实现上下工序信息联通，提升了质量控制能力，达到了项目预期目标。