基于煉鋼MES系統(tǒng)的Cpk計(jì)算模型建立及應(yīng)用

耿朝雷，王 冠

(北京京誠鼎宇管理系統(tǒng)有限公司，北京 100176)

0 引言

Cpk是過程能力指數(shù)，只有Cpk值達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的值，才能保證生產(chǎn)出質(zhì)量好、可靠性水平高的產(chǎn)品，所以國內(nèi)外大量專家學(xué)者對Cpk進(jìn)行了大量的研究，并應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)過程。王海明等[1-2]給出了Cpk計(jì)算各種計(jì)算方法；何軍高[3]介紹了如何利用Cpk進(jìn)行精密儀器噴涂工藝量化控制；劉發(fā)申[4]在新產(chǎn)品中數(shù)字化設(shè)計(jì)場景及應(yīng)用中介紹了Cpk的重要意義；王國清[5]在寶鋼一貫過程控制系統(tǒng)(BPC)的構(gòu)建與實(shí)施過程中有效地詮釋了Cpk作用；卓德保[6]介紹了Cpk在非正態(tài)分布條件下工序度量的能力;王斌會[7]如何利用Cpk有效地表示了過程能力指數(shù)與不合格品率的關(guān)系；石楓[8]直接闡述了能力指數(shù)Ppk，Cpk，Cmk在實(shí)際工作中應(yīng)用；劉強(qiáng)等[9-13]詳細(xì)說明了Cpk在工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要作用。現(xiàn)有的研究缺少對鋼鐵行業(yè)Cpk的研究，也沒有將Cpk與鋼鐵行業(yè)MES系統(tǒng)結(jié)合的應(yīng)用，本文在前人研究的基礎(chǔ)上將Cpk計(jì)算與鋼鐵行業(yè)MES系統(tǒng)緊密結(jié)合，并利用Cpk值對鋼鐵冶煉過程進(jìn)行質(zhì)量跟蹤，輔助相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)了解生產(chǎn)過程，針對有問題的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，及時(shí)改善，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 Cpk計(jì)算模型建立

鋼廠需要計(jì)算Cpk的項(xiàng)目很多，其中煉鋼廠包括：出鋼C、出鋼溫度、P內(nèi)控、冶煉周期、氬站成分(C，Si，Mn，Cr，P，Als)、節(jié)奏(LD→LF)、精煉成分(C，Si，Mn，Cr，P，Ti，B，Als)、精煉時(shí)間、精煉溫度、節(jié)奏(LF→CC)、軟吹時(shí)間、堿度、白渣保持、過熱度、增N、氧含量(軸承鋼、齒輪鋼、彈簧鋼、簾線鋼)、碳偏析、低倍、非金屬夾雜物等；軋鋼廠包括：總加熱時(shí)間、加熱溫度、三加時(shí)間、均熱段溫度、煉軋入口溫度、鋸切入口溫度、進(jìn)KOCKS溫度、卷取溫度、進(jìn)精軋溫度、吐絲溫度等。不同Cpk項(xiàng)目的Cpk計(jì)算模型不同。

上述Cpk項(xiàng)目，項(xiàng)目不同，Cpk計(jì)算模型不同。有些項(xiàng)目，實(shí)績值越低越好，比如堿度，最大值不能超過1.8%；有些項(xiàng)目值越高越好，比如：軟吹時(shí)間，最低不能小于10 min。這些項(xiàng)目稱為單邊規(guī)格項(xiàng)目。有些項(xiàng)目，實(shí)績值不能太高，也不能太低，比如：精煉時(shí)間，最長不能超過50 min，最短不能少于10 min。這些項(xiàng)目成為雙邊規(guī)格。為了描述模型，針對模型定義如下變量：規(guī)格下限(Low Specification Limit LSL)；規(guī)格下限(Upper Specification Limit，USL)；X平均值，X=(X1+X2+… …+Xn)/n(n為樣本數(shù))；δ(sigma)為數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

對于單邊規(guī)格的項(xiàng)目有兩種情況，第一是只有上限的單邊規(guī)格項(xiàng)目，這種項(xiàng)目的Cpk計(jì)算模型如下所示：

單邊規(guī)格第二種情況是只有下限的單邊規(guī)格項(xiàng)目，其Cpk計(jì)算模型如下所示：

對于雙邊規(guī)格項(xiàng)目，既有上限，又有下限，其Cpk計(jì)算模型如下所示：

2 Cpk計(jì)算

無論是單邊規(guī)格或者雙邊規(guī)格Cpk計(jì)算模型，Cpk計(jì)算首先要具有“規(guī)格”。“規(guī)格”就是生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。任何生產(chǎn)，當(dāng)然也包括鋼鐵生產(chǎn)，生產(chǎn)過程種都必須嚴(yán)格執(zhí)行某種標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)分為國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)和客戶協(xié)商制定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)內(nèi)部自行制定的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。鋼廠所有生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)的鋼種、產(chǎn)品的規(guī)格(厚度或者直徑)、所要檢驗(yàn)的生產(chǎn)指標(biāo)有密切的關(guān)系。

在Cpk計(jì)算模型中，無論單邊規(guī)格Cpk模型，還是雙邊規(guī)格Cpk計(jì)算模型，必須有δ值(sigma標(biāo)準(zhǔn)差)。其計(jì)算公式為：

δ公式中X1，X2，......Xn是收集生產(chǎn)過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，收集過程必須及時(shí)，因?yàn)檫@些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)會瞬間發(fā)生變化，若收集不及時(shí)，要么得到的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，要么就得不到相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。X是X1，X2，......Xn的平均值。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不同，收集方式也不同。下面就不同基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，說明收集方式。數(shù)據(jù)收集方式分為兩種，第一種是二級主動上傳，如煉鋼成分；第二種是MES系統(tǒng)主動從PLC獲取其他方式采集的數(shù)據(jù)，如軋鋼KOCKS數(shù)據(jù)。

2.1 煉鋼成分?jǐn)?shù)據(jù)收集

煉鋼成分來源于快分系統(tǒng)。以爐號為單位進(jìn)行成分收集，每爐的成分又分爐內(nèi)、氬站、LF分析樣、連鑄等類型。煉鋼成分Cpk需要分類型計(jì)算。類型不同，需要計(jì)算Cpk的元素不同：轉(zhuǎn)爐爐內(nèi)需要計(jì)算Cpk的元素：CMnPSCrMoV，轉(zhuǎn)爐氬站需要計(jì)算Cpk的元素：CSiMnPSCrMoV，LF第一個(gè)分析樣需要計(jì)算Cpk的元素：CSiMnPSCrMoV，LF終點(diǎn)需要計(jì)算Cpk的元素：CSiMnPSCrMoVTiBAl，連鑄中包樣需要計(jì)算Cpk的元素：CSiMnPSCrTiBMoVAl。

2.2 軋鋼進(jìn)KOCKS溫度的收集

進(jìn)KOCKS溫度以坯料為單位進(jìn)行收集。先判斷當(dāng)前坯料是否已經(jīng)開始軋制，其次校驗(yàn)當(dāng)前坯料對應(yīng)的鋼種和規(guī)格是否有對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，不滿足采集條件，放棄數(shù)據(jù)。根據(jù)KOCKS對應(yīng)的PLC點(diǎn)位，加上PLC點(diǎn)發(fā)生的數(shù)值的時(shí)間在坯料的軋制時(shí)間范圍內(nèi)讀取對應(yīng)的溫度。由于PLC數(shù)據(jù)會發(fā)生突變，當(dāng)某個(gè)值小于或大于定義的極限值，不收集。數(shù)據(jù)收集的頻率可以通過專業(yè)人員自定義，3 s或者5 s讀取一次。當(dāng)在某一秒發(fā)生多條數(shù)據(jù)時(shí)，只讀取第一個(gè)發(fā)生的數(shù)據(jù)。

3 Cpk應(yīng)用

Cpk模型上線后，在MES系統(tǒng)運(yùn)行過程中不斷收集數(shù)據(jù)，通過配置CPK模型計(jì)算程序權(quán)限，相關(guān)用戶就可以利用Cpk計(jì)算程序進(jìn)行Cpk計(jì)算。

Cpk計(jì)算結(jié)果除了模型計(jì)算的Cpk值外，生成Cpk相關(guān)曲線：單邊控制、移動極差、正態(tài)分布曲線。通過曲線及Cpk值，快速找到生產(chǎn)過程中的不穩(wěn)定因素，及時(shí)解決相關(guān)問題，提高生產(chǎn)質(zhì)量。Cpk計(jì)算程序如圖1所示，從圖中可以看到，使用者可以選擇鋼種，可以選擇時(shí)間范圍，也可以進(jìn)行班次Cpk對比。

圖1 選定時(shí)間范圍內(nèi)各種指標(biāo)Cpk值

利用Cpk計(jì)算程序，選擇時(shí)間范圍，生成曲線圖、實(shí)績值曲線圖、影響某鋼種十大因素Cpk對照圖，如圖2—4所示。

從圖2—4中各種曲線可以看出SWRCH35K鋼種生產(chǎn)過程能力指數(shù)偏低，導(dǎo)致合格率比其他鋼種差很多，從十大因素可以看出從終點(diǎn)C到精整時(shí)間，Cpk值都不符合國際標(biāo)準(zhǔn)值。只有先找到問題，才能解決問題，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

圖2 某個(gè)Cpk值正態(tài)分布、單值控制、移動極差曲線

4 結(jié)語

本文系統(tǒng)闡釋了Cpk值在工業(yè)生產(chǎn)過程中的重要意義及計(jì)算公式，并將Cpk基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集和Cpk計(jì)算有機(jī)地結(jié)合鋼鐵MES系統(tǒng)，各層領(lǐng)導(dǎo)方便地在MES系統(tǒng)中隨時(shí)進(jìn)行Cpk計(jì)算，可以根據(jù)生產(chǎn)時(shí)間、生產(chǎn)班次、生產(chǎn)鋼種進(jìn)行Cpk計(jì)算，也可以對不同生產(chǎn)指標(biāo)(如成分或者軋鋼生產(chǎn)過程中溫度)進(jìn)行Cpk計(jì)算。并且可以對各種Cpk進(jìn)行對比，形成各種圖表，直觀地顯示不能達(dá)標(biāo)的各種生產(chǎn)指標(biāo)，以此為依據(jù)對可能出現(xiàn)問題的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行改善，從而提高生產(chǎn)質(zhì)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。在濟(jì)源一煉鋼MES及一軋鋼MES實(shí)施后，由于Cpk計(jì)算模型的實(shí)施，產(chǎn)品質(zhì)量合格率提高了0.01%。濟(jì)源鋼廠年產(chǎn)500萬t，合格產(chǎn)品提高1 000 t，提高經(jīng)濟(jì)效益折合人民幣150萬元。

圖3 某個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)各鋼種實(shí)績值曲線

圖4 單個(gè)鋼種各中Cpk對比