鋼鐵全流程質量管控及大數據分析應用

鞍鋼股份有限公司

一、企業及項目概況

鞍鋼股份有限公司于1997年5月8日由鞍山鋼鐵集團有限公司獨家發起設立，股票分別在香港聯交所（股票代碼：00347）和深圳證券交易所（股票代碼：000898）掛牌上市。公司注冊資本為72.34億元。鞍鋼是新中國第一個恢復建設的大型鋼鐵聯合企業和最早建成的鋼鐵生產基地，被譽為“中國鋼鐵工業的搖籃”、“共和國鋼鐵工業的長子”。鞍鋼擁有燒結、焦化、煉鐵、煉鋼、軋鋼等完整的鋼鐵生產流程和配套設施，主體生產工藝和技術裝備達到國際先進水平，產品涵蓋了熱軋板、冷軋板、鍍鋅板及彩涂板、中厚板、大型材、線材、無縫鋼管、冷軋硅鋼等。公司汽車板、家電板、集裝箱板、造船板、高速重軌等產品，廣泛應用于鐵路、造船、汽車、家電、石油化工、電力等領域。公司產品綜合市場競爭力強，在國內外享有歷史聲譽和較高的知名度。多年來與戰略用戶和供應商逐步建立起互利互信、久經考驗的合作關系，具有一定競爭優勢的供應鏈。

目前，針對制造過程的數據采集、在線質量判定、設備狀態診斷與大數據分析技術主要集中在生產質量控制方法或信息系統研究，但是深入詳細的分析方法、技術和系統實現手段比較缺乏。另外MES系統中的質量管理功能單一集成性差，缺乏對質量相關數據的有效組織和管理，不能從多工序角度發展產品和提升質量。質量數據分析仍停留在簡單的報表制作與數據匯總，產品質量設計過程依賴于經驗，缺乏系統建模支撐業務人員對產品質量變化趨勢的深入研究。鋼鐵流程的多工序全連續生產、產品質量遺傳耦合特征顯著，需要由不同功能但又相互關聯、相互支撐、相互制約的多種工序、多個部門協同。傳統的質量管控模式為“事后”抽檢模式，難以實現全過程質量追蹤監控和全局優化，敏捷性低和協同性差，迫切需要在方法和技術上進行創新。鋼鐵全流程質量管控及大數據分析應用項目將基于工業互聯網平臺新技術融合應用，實現鋼鐵企業全流程質量管控分析，以解決鋼鐵企業產品質量管理問題為導向，提升產品品質，實現質量數據在線分析、設備監控、智能診斷等。項目將搭建以客戶、產品為主線的全流程質量大數據共享和分析平臺以及共享數據資源體系，對各類業務進行前瞻性預測及分析，為各層次用戶提供統一的決策、分析和業務支撐，提升數據共享與流轉能力。聚焦涉及產品質量數據的采集、傳輸、處理、匯聚、分析、交互的全生命周期，實現數據開發利用和深度挖掘。

二、項目主要實施內容

（一）關鍵工藝設備數據采集，實現全流程物質流、信息流時空精準匹配

從各種數據源獲取制造過程工藝質量數據、設備狀態數據，通過實時數據庫提供的標準接口驅動，以及自主開發的接口等，實現從基礎自動化系統、過程自動化系統、MES、ERP、大型檢測儀器、儀表等，按設定要求采集從煉鋼、連鑄、熱軋、冷軋等全工序產品制造過程的重要工藝參數、設備參數、質量參數、物料參數、判定結果以及控制系統報警事件等。

利用設備狀態監測數據并適當結合設備自身特點、生產過程工藝數據等，構建智能報警指標體系，在確保不遺漏設備故障節點報警的前提下，最大限度地減少無效報警。在采集過程中利用工藝知識和統計分析等方面實現多源、異構數據的融合，形成整個制造流程時空統一的工藝、質量、設備數據。當產品出現質量問題時，可以利用大數據，綜合分析歷史記錄中同工況的設備狀態變化，對設備精度劣化的趨勢給出研判結果，實現設備精度與品質傾向性分析。

（二）實現全流程產品質量的溯源分析和質量優化

建立物料基因鏈：在完成數據采集的同時，建立物料與物料之間的聯系，或者說是數據集與數據集之間的聯系。通過板坯號、熱軋鋼卷號、冷軋鋼卷號，在數據集之間建立基因鏈，對物料上下游工藝數據、設備數據進行追蹤，將所有生產環節的所有信息都集成起來。

（三）搭建數據存儲、分析平臺，實現在線分析和離線分析

數據存儲平臺包括質量數據庫、工藝規范庫、規則庫和分析方法庫。在線分析平臺實現生產過程的實時監控、分析、診斷、優化和質量在線判定等。離線數據分析平臺實現全流程質量追溯、預測、診斷以及工藝規范優化、質量報表等。

（四）基于工藝規則和大數據的全流程產品質量預警、在線綜合評判與診斷技術

通過基于大數據的相關分析和聚類分析，對上述因素進行定量篩選、排序，分析確定關鍵過程變量、設備狀態參數和關鍵產品質量變量，實現產品質量在線/離線精準判定。開發基于大數據的關鍵過程變量與關鍵產品質量變量的關系模型，質量異常時，分析各工藝參數、設備狀態參數對產品質量（力學性能、表面質量、內部質量、幾何尺寸等）的影響程度。

（五）基于人工智能、感知技術，實現全流程多工序產品檢測數據集成、數據互聯互通

通過對全流程各工序產品加工過程中的檢測設備進行聯網，實現互聯互通，對檢測數據實時采集，對數據統一規劃，集中存儲，綜合各工序多變量之間非線性耦合關系，工藝機理規則和檢測數據關聯分析，建立各工序產品質量到工藝過程變量映射的質量診斷模型，分析確定引起產品質量缺陷的關鍵過程變量及異常原因，提高工序間協調控制的能力。基于氧化鐵皮圖譜分析、識別技術，采集工藝、氧化鐵皮結構和表面檢測質量數據，建立工藝-氧化鐵皮結構-表面質量數據關系，并對采集數據進行數據轉換和數據清洗，為開發智能化工藝優化數據分析模型奠定基礎。

（六）便捷的數據分析方法和工具

通過智能報表，實現自定義報表功能；用戶自定義數據勾連關系，實現數據多表查詢功能。

三、實施成效

整個項目圍繞鞍山鋼鐵在產品研發、制造、質量、決策等產品全生命周期的主要過程，以產業鏈價值提升為主線，以自主創新為驅動力，以鋼鐵智能制造為抓手，推動鞍山鋼鐵由“鋼鐵制造”向“鋼鐵智造”、由“制造型”向“服務型”的轉型升級。

本項目主要涉及鞍鋼本部板帶產品制造的核心流程，包括三個煉鋼廠、三個熱軋廠、一個冷軋廠等在內的各生產線的工業互聯網平臺建設，以產品質量管控為核心，采集所有影響產品質量的關鍵工藝參數，實現制造過程質量監控、過程質量評價、質量預測與預警、過程質量追溯、質量分析與質量診斷等功能。通過上下工序協同優化、橫縱向集成，實現冷軋2130產線成材率提高0.5%；減少工序間產品缺陷傳遞，質量控制集成能力顯著提升，減少斷帶事故3次/月；數據采集率、利用率達到60%以上，綜合年創效3000余萬元。

四、實施經驗

鋼鐵全流程質量管控及大數據分析應用項目范圍涉及到鋼鐵行業核心的制造過程，項目推廣建設中存在產線差異、自動化控制系統范圍廣、復雜等問題，屬于典型的制造業多源、異構工業數據集成應用，需要深入調研摸底，做好系統梳理。在前期項目實施與設計基礎上，要堅持在整體性、先進性、開放性、成熟性、可擴展性、可靠性、經濟性、安全性等方面開展推廣建設工作。針對不同企業建設實際，要對不同應用場景進行典型業務應用場景開發，形成一些具有產品功能特色應用。鞍山鋼鐵將以本項目為試點向鞍山本部其他產線、鲅魚圈鋼鐵有限公司、朝陽鋼鐵有限公司推廣建設。

推廣模式如下：

統一平臺架構，項目建設將遵照“統一平臺、統一規范”的原則，與貫穿鋼鐵流程生產的產線無縫銜接和集成，形成“以客戶為關注焦點”的鋼鐵產品質量管控與分析應用平臺，支撐產品質量的穩定提升和產品質量的持續改進。軟件功能采用統一的平臺架構，保證各系統軟件應用功能之間的平臺與架構統一。

成熟經驗復用，以鞍鋼鋼鐵全流程質量管控及大數據分析應用項目的成熟實施經驗、軟件應用功能等，以及鞍鋼特色的產品質量管控經驗。未來項目建設將充分復用平臺架構統一的技術優勢，實現產品質量軟件功能及相應管控技術在企業內多條生產線（或產品）之間復用，提高企業產品質量的整體管控水平和實物質量。

深化典型場景，以鞍鋼鋼鐵全流程質量管控及大數據分析應用項目的成熟實施經驗，向其他鋼鐵產品產線推廣應用，要針對業務人員提出的一些典型應用場景，在目前功能實現基礎上進行典型業務應用場景開發，形成一些具有產品功能特色典型應用場景。