现代钢铁企业MES中质量管理系统优化设计

　　0 引言
　　
　　质量管理系统是企业制造执行系统（MES）的重要组成部分，也是实施企业生产过程控制和产品质量保证的基本技术手段。在传统的静态质量管理模式下，通常是事先下达生产质量计划要求，然后再通过对产品生产质量进行检验及统计分析等方式，进行事后质量管理。

　　由于传统的静态质量管理模式，未能实现生产过程的实时化、数据化和可视化质量管理，因此，管理和控制效果大打折扣。基于此，文章在已有研究基础上，对现代钢铁企业MES中质量管理系统设计进行研究，该系统研究以信息技术为支撑，应用质量匹配检索功能，以搜索实例库中与订单产品质量相似度最高实例，进行订单产品的质量设计；通过实时采集制造现场的生产数据，及时控制各工序加工质量，以确保质量隐患事先消除；最后对所采集的质量数据进行分析和追踪，为后续的生产提供可靠的质量报告，使质量计划的实施具有较好预见性；同时，为企业管理层提供优化产品质量问题、改善产品品质的决策支持[1].

　　钢铁产品质量特性主要包括物理质量特性和化学质量特性。其中物理质量特性主要有：屈服强度、抗拉强度、涂层要求、长度、壁厚、直径、力学性能、高低倍要求等；化学成分质量特性则是指产品各化学元素的成分含量要求，如C、Mo、Si、Cr等元素含量的最大最小值要求。作为质量管理系统的核心内容和关键技术，质量匹配和设计的好坏直接关系到整个系统的运行效率，其内容主要是指参照订单产品所要求的产品物理、化学质量特性等质量参数指标，运用相关的匹配检索技术，在实例库中进行匹配检索和质量设计，并根据质量设计结果，将相关工序质量参数作为生产过程中质量检验及判定的标准[2].

　　1 系统设计目标及业务流程分析
　　
　　1.1 系统设计目标文章所提出的质量管理系统，融合并强化了一贯制质量管理原则，系统设计的目标主要包括：

　　1）一贯制质量管理：以客户需求为设计前提，以冶金规范为设计准则，通过与PDCA方法相结合，对钢铁生产全过程进行质量管理，以优化管理水平、改善产品质量的同时提升企业效益。

　　2）全过程质量控制：以用户满意为目标，将一贯制管理思想具体落实到钢铁生产过程的每一个工序环节，进行质量数据的实时采集、跟踪、分析与控制。

　　3）按“标准+a”组织生产：为满足客户的个性化需求，遵循冶金规范的同时将客户个性化的附加需求按“标准+a”组织生产，相应的质量判定过程也以“标准+a”为放行标准。4）质量数据分析与追踪：实时采集各工序节点的质量数据，并进行相应的质量分析，若发现有偏差的质量数据，需进行“溯源”追踪，并找出问题的关键所在，为后续产品质量改进提供有力的保障。

　　1.2 质量管理系统业务流程分析钢铁企业质量管理系统的流程主要概况为以下几部分：首先，通过对客户订单质量参数等相关特性的录入，并应用下文所提到的基于分层实例的钢铁产品质量匹配检索技术，搜索质量设计库中已有的设计结果并进行匹配，若检索匹配成功，则直接将匹配结果发送到生产计划管理，并进入下一个订单管理环节；若未能匹配检索到相应的实例，则需依据客户产品质量需求，提取系统中已有的冶金规范库和产品规范库进行质量设计，并在质量设计库中保存所设计的结果。其次，生产计划管理下发后，系统会实时监控并采集生产工序中的每一个质量数据，进行物理和化学性能的检化验，并依据事先设定的质量放行指标，自动进行质量判定。最后，系统会依据订单产品信息和检验结果，进行质保书信息的收集与打印[3,4].具体流程如图1所示。

　　2 系统总体架构及功能模块分析
　　
　　通过以上对质量管理系统的业务流程分析，文章现以无缝钢管生产为例，对质量标准管理、质量设计、在制品质量管理、质量判定管理、质保书管理和质量跟踪与分析等六个主要功能模块进行详细阐述[5],系统具体功能模块架构如图2所示。

　　2.1 质量标准管理所谓质量标准管理，指的是将存储在ERP系统中的静态产品质量标准库，依据不同客户订单的要求，对各工序生产的质量执行标准进行相应的管理。它是订单评审中产品质量考量，生产过程中质量指导、质量检验与质量分析的标准。

　　质量数据库是用以存储生产工艺标准的数据库，它是技术质量管理部门对全部生产工序所包含的工艺控制要求、检化验标准等作业指令，归并后所形成的集合，同时也是产品质量设计的基础和前提。无缝钢管生产质量标准数据库主要包括化学成分标准库、机械性能标准库、高、低倍及工艺性能标准库、热轧工艺状态库、热处理状态库、管加工状态库等，各数据库中分别存放着相应工序的工艺判定条件和标准。

　　2.2 质量设计无缝钢管质量设计是按照客户订单对无缝钢管特殊产品质量要求及生产标准，对从ERP系统接收过来的客户订单进行质量设计。在此基础上，对无缝钢管生产过程中的热轧、管加工、热处理等各工序生产工艺建立对应关系，并确定各工序阶段的半成品所需满足的工艺质量规范要求。在接下来的产品生产过程中，各工序阶段的产品质量要求按事先设定在计算机中的放行标准进行严格的检验与控制，具体流程为[6]:

　　1）首先，将无缝钢管产品大类、品种、钢种、牌号、交货状态、质量标准等用户需求特性输入计算机中，系统根据所输入的产品信息，应用下文所提到的基于CBR质量匹配技术，对产品质量数据库进行检索，其结果会检索出实例产品生产相应的产品规范码。依据该产品规范码，系统会同时会检索出以该规范码为检索号的产品质量的相关设计内容，并完成该订单产品质量设计。

　　2）其次，输入客户代码和产品最终用途码，并与上面检索到的产品规范码相结合，则可检索得出该订单产品的冶金规范码。

　　3）接下来，以所检索到的冶金规范码为主检索关键词，辅以壁厚、内、外径、长度等度量型外部特征属性作为次关键词，在冶金规范库中进行检索，得出该冶金规范码下产品生产工艺路径及相应加工设备的控制规范。具体到无缝钢管的生产过程中，该环节主要是找出锯切、环形炉加热、穿孔、连铸、热处理、张减、精整等工序的工艺控制规范，即各工序的制造标准数据。

　　4）最后，由于同一产品生产加工可以通过多条工艺路线来实现，同样的，在冶金规范库中，一个产品同样对应有多条生产线路径。当合同订单进行质量设计后，发行有多条生产工艺路径时，需结合生产车间实际及各工艺路径的优劣情况，确定主次产线。实际生产过程中，也可以视生产环境的变化，进行相应的主次生产线的更改，以实现柔性生产。

　　2.3 在制品质量管理无缝钢管生产中的原材料和半成品主要包括毛管、荒管、热处理在制品、管加工在制品等。因此，在制品质量管理就是指以上在制品的相关管理，主要包括在制品质量信息的采集、指令信息管理、成分数据管理等[7].

　　1）在制品质检信息采集：通过在各在制品工序设置相应的质量数据采集节点，以实时采集各关键工序的质量信息。所采集的信息主要包括物理机械性能和化学性能数据等；采集方式包括自动采集（如拉力测量仪、硬度试验仪器）和人工采集。采集到的数据通过自动或者手工的方式录入系统，而对于较复杂的质量信息，须送到中心实验室或化验室进行检化验，该过程中以各生产工序为委托方，送料包括待验在制样品、检验卡片（即大票），检验卡片上主要是注明委托方、炉号、规格、技术条件等信息。

　　2）在制品试样指令信息管理：对要发送给检化验管理系统的在制品试样，要求对检验项目信息进行管理，提供增加、修改、查询等操作功能。对于初检，系统根据订单质量设计的结果自动找出检验项目，对于抽检、认证、质量异议的试样要求信息也要管理。

　　3） 在制品质量数据管理：对毛管、荒管、热处理和管加工等在制品的检化验数据进行收集、查询等。质量数据主要包括：弯曲试验、拉伸试验、冲击试验等机械性能数据和表面质量和尺寸规格以及化学性能数据等。检化验数据主要是传递给质量判定，进行生产过程的质量检验与放行。

　　2.4 质量判定管理由于无缝钢管生产过程极其复杂，且常伴随着物理和化学变化的发生，以及由此而引发出的很多不可控突变因素，因此，产品的质量检验和判定极其重要，且须贯穿于无缝钢管生产的全过程中。通过在锯切、环形炉加热、穿孔、连铸、热处理、精整等各关键工序节点设置质量采集点，采集相关质量数据，并按管批号输入到计算机内，与系统中的放行标准相对照，进行质量判定。判定包括原材料、毛管、荒管、半成品、产成品等的化学成分实际判定、物理性能实际判定等。若输入相关产品的实际检验数据，与系统中的放行标准相符，则产品达到质量要求并放行进入下一道生产工序。若质量不在放行标准内，即系统自动判定出现异常，则需进入下一道人工判定环节，由相关质量专家进行判定并根据异常与否进行分析与处理。若人工判定仍出现质量异常，则视异常问题的严重性，分为“判废”（废品）、“改判”（不良品）和“返回”（返回品）流程等。若异常严重，结果视为“判废”,则终止该在制品的制造流程，将其送入废品库；若异常一般，视为“改判”,则该“改判品”以降级改变牌号或规格的方式，将其送到中间产品库中，用以在日后的调配调度时，提供给其他有需要的订单使用。若异常较轻，视为“返回”,则将该“返回品”将返回到出错的工序进行返修。判定管理为质量管理的重要环节，现对化学和物理性能的质量判定流程进一步进行详细阐述[8],具体流程如图3所示。

　　1）化学性能实际判定：主要对产品化学成分进行判定检验，主要包括：1）数据输入：即以产品管坯号为单位，从终端将所检验出产品化学成分信息输进系统中，并在系统内建立相应的产品化学成分数据库；2）数据分析：结合系统标准库中的产品化学成分放行标准，对所收集并输入到系统中的相关产品化学成分信息进行判定，看其是否通过，若不通过则判定其是判废、改判或者是作为返回品处理。通过分析给出异常产品原因（钢种、炉号、元素及超标原因）；并将该异常分析结果在化学成分台账中保存；3）化学成分修改：视情况需要，系统可根据分析结果，对照原始单据进行相应的修改；4）化学成分台账管理：对于保存的成分信息，需要时可以以炉号、记录号或具体的输入月份为关键词进行检索查看，也可以进行相应的编辑和打印等操作。

　　2）物理性能实际判定：主要对产品机械性能、表面质量、尺寸规格等进行质量判定。主要包括：1）数据输入输入：可以以批号为单位，将产品的机械性能、工艺性能、表面质量和尺寸规格测试等相关数据输入系统内；2）数据分析：对输入计算机内的各半成品的实际机械性能、工艺性能、表面质量和尺寸规格与标准库中对应半成品的相应标准界定范围进行判定，看其是否通过，若不通过则判定其是判废、改判或者是作为返回品处理，并列出不合格项（炉号、钢种、技术标准、测试项）及不合格原因；3）数据编辑：对于录入有误差的数据，可以进行相应的修改、删除等操作；4）物理性能台账管理：可以以炉号、钢种、月份等为关键词，对相关数据进行检索查看和打印等操作。

　　2.5 质保书管理质保书是购销活动中重要的技术文件，是生产厂家对所其所生产产品质量检验合格所附的证明材料。质保书材料具体包括：质保书材料名称、合同号、交货数量、重量、检验号、产品牌号、产品规格、产品质量等级，以及在订单合同中所约定的所有质量检验结果等。

　　质保书是厂家对所生产产品质量化验结果的确认和保证，也是客户对订单产品质量进行核对和使用有效凭据。质保书的管理具体包括：1）信息录入：即在质保书生成过程中，依据订单合同和发货通知单要求，将需要开具质保书的产品相关质量信息输入系统中。2）信息分析：信息分析主要包括以下几点：

　　（1）首先，需要将质保书上的产品数量等相关信息与产品发货单进行核对，以确保准确无误；（2）其次，输入相关产品批次编号，检索并检查产品化学成分、物理性能台账数据及其质检报告分析结果；（3）对发现有质量问题的产品，罗列出排名前三位的不合格产品，并给出相应的警告。3）信息编辑：该功能主要是对系统中出现输入或分析误差的出厂产品信息，进行编辑。4）质保书生成管理：（1）对质量判定和分析满足出厂要求的产品，自动记录并分配相应质保书编号； （2）可以按质保书开出日期或质保书编码检索并进行打印操作；（3）可以对已开具或打印的质保书进行保留存档。

　　2.6 质量跟踪与分析质量跟踪主要是对管坯、毛管、荒管等物料或中间品，对其生产过程中各加工工序的在线和离线的质量状况予以跟踪及分析。质量分析则是将被控变量与预定的质量标准进行多层次、多角度的分析，以找出问题的根源，在此基础上，制定相应的措施，为日后工艺或操作规程的改进提供参考依据。

　　生产过程中所有的产品生产数据都在系统中以炉号、客户编号或生产批号为单位进行了相应的存储，因此，在质量跟踪与分析时可以输入以上关键检索号，查找该产品生产各工序的质量情况，对发现有质量异常的产品进行生产过程的溯源追踪与分析。进行产品质量的溯源追踪和分析的目的，主要是为了找出质量异常产品产生的原因及其解决的方案，并通过对问题的溯源分析，进一步优化未来企业对产品生产的质量把控，以杜绝类似质量问题的发生。

　　3 基于分层实例推理的钢铁产品质量设计求解策略
　　
　　3.1 钢铁产品生产特性及质量设计优化策略分析以定制化生产方式进行生产的钢铁产品质量设计，首要的关键环节是进行产品质量匹配与检索。针对钢铁产品规格复杂、工艺相似且生产过程具有阶段性，若仍沿用传统单一的CBR方法进行质量匹配检索，会致使实例库过于膨大、冗余，检索效率较低等弊端。文章提出基于分层实例推理的钢铁产品质量匹配求解技术。该方法将钢铁生产过程划分为炼钢、连铸、轧制和精整等阶段层次，通过层次模块化及不同层次间重用，可以降低搜索空间的同时提升检索效率。即通过产品钢号及质量参数信息等关键词，应用相关的匹配搜索技术，从实例库中自动检索出产品质量相似度最高且满足要求的实例；根据检索出的实例产品质量信息，通过规则库的解释并进行人工审核修正后，得到产品生产各工序的工艺质量设计细节。

　　3.2 基于分层实例的钢铁产品质量设计求解策略CBR技术的原理是模仿人类解决类似问题的思维模式，通过类比推理技术，利用过去求解问题的经验来解决新出现的类似问题。CBR求解技术的“关键大脑”是实例库，求解步骤包括检索（retrieve）、重用（reuse）、修改（revise）和保存（retain）四部分。当遇到所需求解的新问题时，CBR技术会使用相关的匹配检索技术，把相似度最高的案例从实例库中检索出来；在此基础上，进行相应的修改，以得到新问题的求解方案，并根据需要更新并保存新问题的求解方案[9].

　　针对钢铁产品规格复杂、工艺相似且生产过程具有阶段性特点，文章提出基于分层实例的产品工艺质量设计模型，具体如图4所示。该模型根据钢铁产品生产的阶段性特征，划分为具有一定层次性关系的不同类别。

　　该层次性可用如图5所示，图5中将钢铁生产的层次性用多叉树的结构形式表示，并形成相应的产品工艺质量实例分类索引树。图中最低端的工步级实例层相连接，即可得到产品生产相关工艺质量要求。

　　由上可知，文章所提出的分段分层的实例推理产品质量设计方法，它可以根据钢铁生产的阶段性流程特性，通过分层处理的思想将质量设计问题细化分解；而且由于其实例库的存储是根据不同阶段层级来进行，这样可以有效的降低检索空间，避免了实例库过于庞大、冗余，同时可以实现多实例重用的功能。

　　4 结束语
　　
　　近年来，随着社会经济快速发展，钢铁企业间的竞争日趋激烈，如何满足客户个性化需求的同时提升产品质量，已成为各企业竞争的焦点所在。文章首先对质量管理系统设计的目标进行了分析，在此基础上详细阐述了系统的总体架构及各模块功能；最后针对系统实现的关键技术--质量匹配与设计问题，提出了基于分层实例的钢铁产品质量设计求解策略。本文所提出的质量管理系统将一贯制质量管理理念与钢铁企业质量管理功能有机结合，对钢铁生产进行全过程的质量设计，实现了企业生产由符合标准向满足客户需求转变；钢铁企业质量管理系统是企业MES系统的基础和核心，文章的研究对钢铁企业信息化建设具有实际的指导意义。

　　参考文献：

　　[1] 程志伦，范玉青。钢铁企业MES质量设计中CBR方法的相似度计算方法研究[J].制造业自动化，2006,28（10）：6-10.
　　[2] 陈冬亮。钢铁企业MES中质量控制系统的研究与设计[J].工业控制计算机，2005,18（6）：51-53.
　　[3] 刘晓冰，刘彩燕，马跃，蒙秋男。基于制造执行系统的动态质量控制系统研究[J].计算机集成制造系统，2005,11（1）：133-134.