JP6116445B2 - 品質異常の原因推定支援システム - Google Patents

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Description

本発明は、品質検査工程を含む複数の工程から構成される製造ラインにおいて製造された製造物について、(製造ライン外で実施される)品質検査工程にて発見された品質異常の原因を推定する作業をオペレータが行うに際し、この推定作業を支援する支援システムに関する。
鉄鋼業における線材または鋼板の製造工程においては、製造された製品に対して品質を検査する品質検査工程を備える。この品質検査工程における試験の成績が、顧客から指定された値および/または社内の品質管理基準値を満足しなかった場合(=品質不良、品質異常)には、再検査または廃却となり無駄なコストが発生する。
このような品質不良または品質異常が発生した場合、再発を防止するために、製造データセット(たとえば、圧延中の温度、通材速度、冷却水量等の項目について製造中に測定した値であって数百項目からなる製造データ項目)から、品質異常の原因を調査して突き止める対策を実施する必要がある。
この原因を調査する際には、大きく分けて
(1)通常と異なる値を示す製造データ項目(特異性)
(2)その項目の値の違いが品質試験成績に及ぼす相関関係(共通性)
の観点での判断が必要となる。
これらのいずれの判断も、調査の際に用いる製造データセットに依存する。たとえば、直近1年分の製造データセットを用いた場合と、直近1ヶ月分の製造データセットを用いた場合とでは、その間に製造方法を変更したなどの変化があった場合、判断が異なってくる(原因が異なってくる)可能性がある。また、製造データ項目は数値情報および文字情報を合わせて数百項目にのぼり、(1)で評価しなければならない項目は多い。さらに、常に同じ一つの原因で品質不良が発生するわけではなく、(2)において明確な相関関係(製造条件が関与する品質異常の傾向)が見られない場合も多く、判断が困難となっている。
このように、多数の項目を対象として、判断に必要な製造データセットの選定が必要であり、選定した製造データセットから必ず判断できるとは限らないなど、特に、経験の少ない非熟練者にとっては、この品質異常の原因を推定する作業は難しい。
そこで、判断に用いるべき製造データセットの抽出支援も含む、製造データに基づく、品質異常の原因推定作業を支援するためのシステムが望まれていた。このようなシステムに関係する一般的な技術が、以下の文献に開示されている。
特開2007−58806号公報(特許文献1)に開示された製造条件計算装置は、過去の製品に係る製造条件を示すp種類の条件データをr種類(r≦p)の主成分得点に変換し、過去の製品の品質を示す品質データと主成分得点との関係を回帰分析して、品質データと主成分得点との関係を示す回帰式を求め、回帰式中の主成分得点を元の条件データへ戻すことにより、現実に得られる製造条件と製品の品質との関係を明らかにする。さらに、この製造条件計算装置は、実際に製品を製造する際の設備上の各種の制約内で、目標とする鉄鋼製品の品質を実現するために最適な製造条件を一義的に決定する。
特開平8−118443号公報(特許文献2)に開示された製品品質影響要因解析方法は、射出成形作業に関連する諸条件のデータを各々予め決められた成形サイクル毎に検出してデータ列として記憶し、該各データ列より前記条件を関連性のあるグループに分類する多変量解析を行い、データ列の変化の特徴が類似した条件同志をグループ化し、このグループ化された条件によって射出成形機で成形された製品の品質影響要因を解析する。
さらに、特開平9−297686号公報(特許文献3)に開示されたデータマイニング装置は、相関ルールの取捨選択の基準である支持度と確信度とが格納された取捨基準情報に基づき、データベース中のデータの属性間に存在する相関ルールを生成する相関ルール生成手段と、有効性が予め確認されている相関ルールの集合である業務知識ベースと、前記相関ルール生成手段により生成された相関ルールと前記業務知識ベースとから相関ルールの仮説である仮説相関ルールを生成する仮説相関ルール生成手段と、前記仮説相関ルール生成手段により生成された仮説相関ルールが前記データベース中のデータにおいて成立する確率を調べ、この確率が前記取捨基準情報の確信度を上まわる前記仮説相関ルールを補足相関ルールとして採用する仮説相関ルール検証手段とを備えたことを特徴とする。
特開2007−58806号公報 特開平8−118443号公報 特開平9−297686号公報
製造ラインにおけるオペレータは、トラブルを回避しつつ、生産性を落とすことなく、しかも規定の品質を満たした製造物を製造できるように、製造ラインにおける生産条件を決定することになる。加えて、製造物に何らかの品質異常が発生した場合、その原因を推定し、原因となっている工程に対して処置を行うようにする。このとき、経験豊富なオペレータだと、様々な情報を広範囲な観点から、過去の様々な経験を並列的に判断し、品質異常の原因を推定することができる。
しかしながら、経験の浅いオペレータの場合、上述した品質異常の原因の推定が困難であることが多い。この状況を改善すべく、特許文献1〜特許文献3の技術を採用しようとしても、以下に述べる困難が存在する。
例えば、特許文献1に開示された製造条件計算方法は、製造データと製品の品質との関係を明らかにし、目標とする品質を実現するための適切な製造条件を求めることができる。しかしながら、同じ製造条件の元で製造された製品の製造データを用いて、主成分分析を利用して品質と製造条件との関係を導出している。品質と製造条件との関係を評価するにあたり、数値データ以外が扱えず、また、対象とするデータセットも、同じ製造条件の元で製造された製品との記述のみで、その選択方法などは示されておらず、品質異常の原因を推定する作業を十分に支援できるとはいえない。
特許文献2に開示された製品品質影響要因解析方法は、製品の良否判別に有益なデータを的確に選択することができ、また成形以上を解消するための成形条件を容易に判断して適当な調整作業を行うことができる。しかしながら、製品の良否判断に用いる諸条件データセットを選択して主成分分析を用いるにあたり数値項目のみを扱うため、また、標準化した諸条件データを用いており、ユーザの判断を支援する使い方を前提とする場合にはユーザにわかりにくく使いづらく、品質異常の原因を推定する作業を十分に支援できるとはいえない。
特許文献3に開示されたデータマイニング装置は、既知の相関ルールの蓄積である業務知識ベースを利用し、有効な相関ルールを効率的に生成可能とする。しかしながら、データ項目間に見られる規則(相関ルール)を抽出する際、特定のクラスタ(データセット)内で有効な規則を抽出可能とするにあたり、このクラスタを事前にデータベースに知識として登録しておく必要があり、品質異常の原因を推定する作業を十分に支援できるとはいえない。
そこで、本発明は上記問題点を鑑み、製造物の品質異常の原因を推定する作業をオペレータが行うに際し、オペレータが原因を絞り込むことができ、品質異常の原因を推定する作業を十分に支援することのできるような、品質異常の原因推定支援システムを提供することを目的とする。
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明に係る品質異常の原因推定支援システムは、品質検査工程を含む複数の工程から構成される製造ラインにおいて製造された製造物の品質異常の原因を推定する作業をオペレータが行うに際し、前記推定作業を支援する支援システムであって、前記支援システムは、オペレータが確認可能な表示器を有し、前記表示器には、品質評価の指標と製造工程における第1の条件との相関関係が表示され、表示された相関関係に基づいて表示器上でオペレータが指定した範囲の品質評価の指標と、前記第1の条件とは異なる第2の条件との相関関係が自動的に表示され、前記第1の条件及び第2の条件は、製造工程における温度で表される数値情報、圧力で表される数値情報、水量で表される数値情報、又は複数の装置で構成された工程において1の装置を特定する文字情報であり、前記第1の条件が前記数値情報又は文字情報のうちのいずれか一つであり、第2条件が前記第1の条件とは異なるいずれか一つであり、前記第1の条件又は第2の条件が前記数値情報である場合、前記数値情報及び/又は該数値情報に関連する他の数値情報の時系列変化が表示可能なように構成されていることを特徴とする。
さらに好ましくは、前記製造工程における複数の条件に対して決定木学習を適用することで、前記第2の条件が選定されるように構成することができる。
さらに好ましくは、前記表示器には、当該表示器上においてオペレータが品質評価指標の範囲を指定しなくなるまで、品質評価の指標と異なる条件との相関関係が繰り返し表示されるように構成することができる。
さらに好ましくは、前記表示器には、前記相関関係が繰り返し表示される場合において、品質異常との強い相関関係が認められない条件であった場合には、オペレータが品質評価の指標の範囲を再指定することができる態様で表示されるように構成することができる。
さらに好ましくは、前記時系列変化の表示に加えて、前記品質異常に関する評価を、前記表示器に表示可能なように構成されていることを特徴とする。
好ましくは、前記第1の条件及び第2の条件は、製造工程における温度で表される数値情報、圧力で表される数値情報、水量で表される数値情報、又は複数の装置で構成された工程において1の装置を特定する文字情報であり、前記第1の条件又は第2の条件が前記数値情報である場合、前記表示器に、前記数値情報及び/又は該数値情報に関連する他の数値情報とに基づいた前記品質異常に関する多変量での評価を表示可能なように構成されていることを特徴とする。
本発明に係る品質異常の原因推定支援システムによれば、鋼材などに発生した品質異常の原因を、オペレータの経験度合いに左右されることなく、確実に推定して、品質異常の原因を推定することができるようになる。
本発明の第1実施形態に係る品質異常の原因推定支援システムが適用される一例である熱間圧延ラインの一部を模式的に示す図である。 図1の支援システムの表示器に表示される品質異常の原因を推定する対象を選択する画面例を示す図である。 図1の支援システムの表示器に表示される品質異常の範囲を選択する画面例を示す図である。 図1の支援システムの表示器に表示される品質の偏りについての画面例であって、(A)は数値項目の例を示す図であって、(B)は文字項目の例を示す図である。 図1の支援システムの表示器に表示される品質異常の原因を推定する画面例の遷移状態を示す図である。 本発明の第2実施形態に係る品質異常の原因推定支援システムの表示器に表示される品質の偏りについての画面例であって、数値項目の例を示す図である。 図6の画面例に示された数値項目、及び該数値項目に関連する他の数値項目が表示された画面例を示す図である。 図7の画面例で選択された数値項目についての実績値を時系列で示す表示の一例を示す図である。 本発明の第3実施形態に係る品質異常の原因推定支援システムの表示器に表示される品質の偏りについての画面例であって、数値項目の例を示す図である。 図9の画面例に示された数値項目、及び該数値項目に関連する他の数値項目が表示された画面例を示す図である。 図10の画面例で選択された複数の数値項目に基づいた多変量解析によって品質異常に関する評価を示す表示の一例を示す図である。
以下、本発明の実施形態に係る品質異常の原因を推定する作業の支援システム(以下において単に支援システムと記載する場合がある)10Aを、図を参照して説明する。なお、以下においては、支援システム10Aによる支援対象の製造工程(製造ライン)を熱間圧延工程(熱間圧延ライン)とするが、これは一例であって、本発明に係る品質異常の原因推定支援システムがこのような熱間圧延工程を対象とするものに限定されるものではない。
[第1実施形態]
図1は、本実施形態による支援システム10Aおよびその支援システム10Aが設けられた熱間圧延ライン1を示す模式図である。
本実施形態による支援システム10Aは、オペレータMによる熱間圧延ライン1の操業を支援するものであって、より詳しくは、熱間圧延ライン1により製造された製造物である線材または鋼板に発生した品質異常の原因を推定する作業を支援するものである。
以下において、この支援システム10Aについて詳しく説明するが、まず、この支援システム10Aの適用対象となる加熱炉2とそれに続く熱間圧延ライン1の構成について説明する。
<熱間圧延ラインの概略>
図1には、加熱炉2および冷却帯7を含む熱間圧延ライン1の一部が模式的に示されている。
熱間圧延ライン1は、圧延材Wを加熱する加熱炉2と、加熱された圧延材Wを圧延する複数の粗圧延機3及び仕上圧延機4と、圧延作業が完了した鋼板を冷却する冷却帯7と、冷却された鋼板をコイル状に巻き取るコイラ5を備えている。さらに、熱間圧延ライン1において製造された鋼板の品質を測定するために、複数の測定器9が設けられている。
このような熱間圧延ライン1は、複数の製造工程により構成され、各製造工程には、上述したように加熱炉2、粗圧延機3、仕上圧延機4、および、冷却帯7等の製造設備が設けられている。この熱間圧延ライン1自体が複数のラインで構成されている場合もあるし、熱間圧延ライン1自体が1のラインであっても各工程における製造設備が複数設けられている場合もある。すなわち、この熱間圧延ライン1を構成する1の製造工程には、同じ処理をするが設備(機台)としては異なる複数の製造設備が設けられている。
さらに、加熱炉2、粗圧延機3、仕上圧延機4、および、冷却帯7等の各製造設備には、分散制御用のコントローラである制御器8がそれぞれ設けられ、この制御器8は支援システム10Aを構成する上位コンピュータ(以下において単にコンピュータと記載する場合がある)12に接続されている。制御器8は、各製造設備に設けられた計測器(温度計、圧力計等)により計測された温度、時間(加熱時間、冷却時間)、圧力等を検出して、コンピュータ12へデータ送信する。なお、制御器8の上位コンピュータと支援システムのコンピュータとを別々のコンピュータにより構成するようにしても構わない。
ここで、冷却帯7は、鋼板の移送方向に連なるように配置された複数個の冷却バンク(冷却バンクA,Bなど)を備えている。各冷却バンクには、鋼板に向けて冷却水(冷却材)を吹き付ける冷却ノズルが複数備えられており、図1に示すように、冷却バンクAは、冷却ノズルA1,A2,A3,A4を有し、冷却バンクBは、冷却ノズルB1,B2,B3,B4を有している。
各冷却ノズルは冷却材の流量をオン・オフ制御可能なバルブを有している。このバルブを開状態にすると冷却材が冷却ノズルから噴出するため、開状態のバルブ数(開バルブ本数)を変更することで、冷却ノズルから鋼板に吹き付けられる冷却材の全量が変わる。このように、各冷却ノズルから噴出する冷却材の量を調整することで、例えば、冷却バンクAにおいて、鋼板の移送方向における上流側に設けられた冷却ノズルA1,A2と下流側に設けられた冷却ノズルA3,A4が噴出する冷却材の量を変化させることで、鋼板温度の降下量及び降下速度を様々に調整することができる。
加熱炉2は、圧延によって薄板等に加工される圧延材Wを、例えば1000℃以上となるように加熱する。加熱された圧延材Wは、加熱炉2から抽出されて粗圧延機3へと搬送され、所定の厚みとなるように複数の粗圧延機3によって粗圧延が施される。粗圧延を終えると、複数の仕上圧延機4によって仕上圧延が施される。冷却帯7で所望の温度まで鋼板の温度が下げられた後、コイラ5により鋼板が巻き取られる。
その後、コイラ5により巻き取られた圧延鋼板は、測定器9により所定の試験が行われて、品質評価の指標(たとえば鋼板の強度)が検出される。測定器9は、検出された測定結果を、コンピュータ12へデータ送信する。このように、本実施形態においては、製造ラインに、品質を検出する測定器が設けられているインライン式検査工程ではなく、製造ラインとは別に測定器9が設けられているオフライン式検査工程を備えるものとするが、本発明はこのようなオフライン式検査工程に限定されるものではない。
コンピュータ12は、制御器8から受信した製造データ(製造履歴)および測定器9から受信した品質評価(試験成績)を記憶装置に記憶して、製造実績データベース13を構築する。この製造実績データベース13に記憶される一例を以下の表に示す。
この表に示すように、ある種類(鋼種)の圧延鋼板は、たとえば、熱間圧延工程を構成する複数の工程において、複数の製造設備のいずれかで処理されることを繰り返して、コイラ5に巻き取られて製造される。各製造設備における製造データ(温度、時間、圧力等)が制御器8を通じて蓄積されて、表に示す製造データをハードディスク等の記憶装置に記憶していく。一方、熱間圧延工程で製造されてコイラ5に巻き取られた圧延鋼板は、製造後に測定器9により品質評価(試験成績)が検出されて、表に示す品質評価データをハードディスク等の記憶装置に記憶していく。品質評価データは、製造IDをキーとして、製造データに関連付けされて記憶される。
このように、熱間圧延工程において製造された全ての圧延鋼板について、表に示すように製造IDをキーとして、製造および品質評価データから構成されるデータベースが構築される。この熱間圧延工程において製造された、ある圧延鋼板に品質異常が検出された場合、オペレータMはこの品質異常の原因を突き止めて、その原因となっている製造設備の製造条件を調整したり、製造設備をメンテナンスしたりする必要がある。この熱間圧延工程においては、オフライン式検査工程を備え製造後に品質検査が行われており、製造から品質異常検出までにタイムラグがある。このため、品質異常を検出したタイミングまでにおいても、品質異常の圧延鋼板を製造した後に次々と圧延鋼板を製造している。このため、早急に品質異常に対応しなければ、多数の品質異常の圧延鋼板を製造することになり、原因を推定する作業に迅速性が求められる。
たとえば、品質異常が検出されると、オペレータMがその品質異常を検出した圧延鋼板の製造データ(製造履歴)を確認する。ここでは、製造データの1つとして記憶されている温度XXが通常よりも高い温度で記憶されていたとする。このような場合、同じ鋼種で過去に製造された圧延鋼板について製造データおよび品質評価データを製造実績データベース13から読み出して、まずは、このXX温度と品質異常を検出した検査項目(たとえば強度)との相関関係を調べることになる。ここで、XX温度が高いときに品質異常が多く検出されていると、XX温度が品質異常の原因として突き止めることができる。しかしながら、XX温度と品質異常を検出した検査項目(たとえば強度)との間に相関関係が見出せないと、品質異常の別の原因を突き止めなければならない。この場合、XX温度以外の製造条件を1つずつ、他の条件との関係を類推して、品質異常の原因を突き止める作業が必要となる。このような作業は、上述したように、製造データ項目は数値および文字を合わせて数百項目にのぼる上に、製造データは日々蓄積されるために、その項目の種類に加えてデータ量も膨大なものとなり、製造物の品質異常の原因を推定する作業をオペレータが行うことは、非熟練者はもちろんのこと、熟練者であっても相当に困難である。
本実施形態による支援システム10Aは、このように熱間圧延ライン1により製造された製造物である圧延鋼板に品質異常が検出された場合に、その品質異常の原因を推定するために、オペレータM(非熟練者および熟練者を含む)を支援する情報を表示器(後述する支援モニタ11)に表示するものである。
<支援システム>
本実施形態に係る支援システム10Aの詳細について説明する。
図1に示すように、この支援システム10Aは、コンピュータ12と、このコンピュータ12に接続された表示器である支援モニタ11と、このコンピュータ12を経由して構築された製造実績データベース13と、により構成される。
このように構成された支援システム10Aのコンピュータ12においてプログラムが実行されて、品質異常の相関関係(共通性、規則性)が見つかる製造データセットを抽出する作業を支援する。より具体的には、品質評価(試験成績)の良かった製品の製造データおよび悪かった製品の製造データを対象に、品質評価と製造データとの間に見られる相関関係を抽出して、オペレータMに支援モニタ11を介して提示する。このような支援システム10Aによると、品質の悪かった原因を発見することを支援することができ、的確な対策を迅速に実施することができるようになる。
さらに具体的には、この支援システム10Aの支援モニタ11には、品質異常の原因に関する情報が、オペレータMが原因を絞り込むことができる態様で表示される。この場合において、支援モニタ11には、品質評価の結果(指標)と製造工程における1つめの条件(第1の条件)との相関関係が表示され、表示された相関関係に基づいて支援モニタ11上でオペレータMが指定した範囲の品質評価の結果(指標)と、1つ目の条件(第1の条件)とは異なる2つめの条件(第2の条件)との相関関係が自動的に表示される。そして、このように、支援モニタ11上でオペレータMが品質評価の結果(指標)の範囲を指定することを繰り返して次々に条件が変更されて相関関係が繰り返し表示されて、品質異常と強い相関関係が認められた条件を品質異常の原因としてオペレータが絞り込むことができる態様で支援モニタ11に表示される。さらに、製造工程における複数の条件に対して決定木学習を適用することで、条件が選定されるように構成されている。これにより、自動的に相関関係が表示される。
支援モニタ11は、液晶モニタやCRTモニタで構成され、コントロール室内に設置されている。オペレータMは常にこの支援モニタ11を視聴可能な状態となっている。この支援モニタ11はコンピュータ12に接続されていて、このコンピュータ12は、支援モニタ11にて表示する情報を算出する。
このコンピュータ12は、内部に演算装置を備えると共にプログラムを記憶する記憶装置(メモリ等)を備えていて、コンピュータ12に対する指示および/または外部からの信号を取り込むための入力装置および/または演算結果を表示する出力装置(ここでは支援モニタ11を備えている。
<支援システムの処理手順>
以下において、支援システム10Aのコンピュータ12において実行されるプログラムにより、品質異常の原因を推定する作業を支援する手順について説明する。この手順は、フローチャートを図示していないが、コンピュータ12により実行されるプログラムのフローチャートに対応する。
<<第1のステップ>>品質異常の原因を推定する製造物の選択処理
まず、測定器9において品質異常の圧延鋼板を検出すると、支援モニタ11に図2の画面が自動的に表示される。なお、ここでは、品質項目を強度とした例を示すために、品質評価の指標は強度の数値となる。また、良品指標をしきい値A以下と定められている。このようにしておくと、測定器9でしきい値Aよりも高い強度が検出された圧延鋼板について、製造IDおよび鋼種等とともに、支援モニタ11に品質異常が発生した情報が図2に示すように自動的に表示させることができる。この図2に示す画面は、自動的ではなく、オペレータMがコンピュータ12の入力装置(キーボードやマウス)を用いて画面を呼び出すこともできる。
図2に示す画面において、オペレータMが品質異常の原因を推定したい場合には、解析対象製品ID、類似キーおよび品質項目を、たとえばプルダウン方式や直接入力方式で、オペレータMが選択する。ここで、解析対象製品IDは、上述した表の製造IDに対応している。類似キーとしては、解析対象製品と類似するとオペレータMが考える諸元が選択される。たとえば、この類似キーは、鋼種の他に、圧延鋼板のサイズ、顧客名(顧客によっては特殊な製法を採用しているため)等が考えられる。品質項目は、測定器9により測定される検査項目に対応しており、強度の他に、表面硬さ、表面疵形状等の測定器9により測定できる項目が考えられる。
なお、製造実績データベース13に蓄積されているデータの中で、以下の支援処理に用いるデータの範囲を選択(たとえば製造期間により選択)するようにしても構わない。
全ての選択が終わると、オペレータMは画面上に表示された選択ボタンをクリック等する。これを検出したコンピュータ12は、次の処理に移行する。
<<第2のステップ>>品質異常の範囲の選択処理
上述のように選択されると、選択された内容に従って、解析対象製品の品質良好範囲(以下単に品良と記載する場合がある)および品質不良範囲(以下単に品悪と記載する場合がある)をオペレータMが指定する。このとき、図3に示すように、品質項目A(強度)の評価の分布(ヒストグラム)が表示される。これは、オペレータMにより選択された内容に従って、コンピュータ12が製造実績データベース13から過去の製造実績を読み出して分布が分かるように表示している。
図3に示すように、オペレータMは、標準偏差の情報等に用いて、品質が極端に良好である範囲および品質が極端に不良である範囲を選択する。品質項目が強度である場合、強度を示す数値が低いほど品質良好であって、強度を示す数値が高いほど品質不良であるので、たとえば、平均より+2σ以上離れた範囲を品悪範囲として、平均よりー2σ以上離れた範囲を品良範囲として選択する。このとき、オペレータMは、品質分布の中で品良範囲および品悪範囲をドラッグして選択ボタンをクリックすることにより選択する。このように、オペレータMが、品良範囲の極端な領域および品悪範囲の極端な領域を選定することにより、品質の偏りに基づいて、品質の差があまりないデータを排除して誤差を少なくして原因を抽出することができるので、精度高く原因を推定することができるようになる。
<<第3のステップ>>分析対象データの選択処理および原因の抽出
選択された製品IDおよび品質項目、類似キー等の製造実績データを製造実績データベース13から抽出して、熱間圧延工程における製造条件と上述のように選択した品良範囲および品悪範囲との情報を支援モニタ11に表示する。この製造条件の抽出には、たとえば、確率をベースとした決定木学習等の手法が用いられる。なお、この決定木学習は、公知であるので、ここでの詳細な説明は繰り返さない。
このとき、図4(A)に示すように、製造条件としてXX温度(例えば、加熱炉2の出側温度)が抽出された場合には、すなわち製造条件が数値情報(数値項目)である場合には、横軸が製造データ項目(ここではXX温度)であって縦軸が品質項目の評価(強度の数値)である評価の分布を示す図が示される。さらに、オペレータMが選択した品良範囲および品悪範囲のしきい値(ここではXX温度のしきい値xx℃)が示される。
この図4(A)について説明する。図4(A)は、XX温度と強度との相関関係を示しており、しきい値xx℃よりも低温では品悪が多いが、しきい値xx℃よりも高温では約50%の確率で品良となっている。全体としては、XX温度の特定の範囲において、品悪と品良とが明確に分離されているわけではない。すなわち、XX温度の全範囲に亘って品悪が発生している。一方、XX温度がしきい値xx℃よりも高温の範囲においては、品良と品悪とがほぼ半々発生している。このような場合には、品質異常の原因はこのXX温度であるとは言えず、さらに原因を推定する必要がある。このとき、XX温度がしきい値xx℃よりも高温の範囲においては、他の原因により品良と品悪とが発生していることは容易に類推できる。このため、オペレータMはXX温度がしきい値xx℃よりも高温の範囲のデータを選択して選択ボタンをクリックする。すると、コンピュータ12は、選択されたデータについて学習木手法を用いて品良と品悪とを区別できるパラメータ(製造条件)を抽出して、この次の画面として支援モニタ11に表示する。1つの製造条件の全範囲に亘って品悪と品良とが明確に分離されるまで、このような処理を繰り返すことにより、最終的に1つの原因を抽出することになる。
また、このとき、図4(B)に示すように、製造条件として測定器9の種類が抽出された場合には、すなわち製造条件が文字情報(文字項目)である場合には、横軸が文字項目(ここでは測定器9を特定する文字情報)であって縦軸が品質項目の評価の比率(品良件数と品悪件数との比率)を示す図が示される。図4(B)においては、文字項目別に品質項目の結果の比率を表示する棒グラフを示しているが、円グラフ等の他の表示態様であっても構わない。
この図4(B)について説明する。図4(B)は、測定器Gにおける品悪と品良との検出比率および測定器G以外における品悪と品良との検出比率を示しており、測定器Gではほとんど品悪を検出していないのに対して、測定器G以外では相当に高い割合で(品良は品良、品悪は品悪として)品悪を正しく検出していると想像できる。すなわち、測定器Gは品悪の検出を取り逃がしているとも考えられるので、このような場合、正しく品質項目を検出していると想像できる測定器G以外のデータを選択して選択ボタンをクリックする。このように選択すると、解析対象の製造データの中に品良のデータと品悪のデータとが適宜な割合で混在させることができるので精度高く原因を推定することができる。すると、コンピュータ12は、選択されたデータについて決定木学習法を用いて品良と品悪とを区別できるパラメータ(製造条件)を抽出して、この次の画面として支援モニタ11に表示する。1つの製造条件の全範囲に亘って品悪と品良とが明確に分離されるまで、このような処理を繰り返すことにより、最終的に1つの原因を抽出することになる。このように、文字情報を用いることができることが本発明の1つの特徴となっている。
なお、最終的に1つの原因が抽出されたとオペレータMが判断すると支援モニタ11上においてオペレータMが品質評価指標(図4(A)では強度数値)の範囲を指定しなくなる。このように指定しなくなるまで、品質評価の指標と異なる条件との相関関係が繰り返し表示される。
また、このように相関関係が繰り返し表示される場合において、品質異常(品悪)との強い相関関係が認められない製造条件であった場合には、オペレータMが品質評価の指標の範囲を再指定することができる。すなわち、図4(A)のように範囲を指定することができないとオペレータMが判断した場合には、1つ前の製造条件と品質項目の指標との相関関係を示す画面に戻って、オペレータMにより品質評価の指標の範囲を再指定させて、決定木学習の手法を用いて別の製造条件を抽出する。
なお、最終的に抽出された1つの原因が、真の原因であるか否かの最終判断はオペレータMにより行われて、その最終判断に従い、熱間圧延工程の製造設備等が調整されることになる。
<支援システムの作動態様>
以上述べた支援システム10Aを用いて、品質異常の原因を推定する手法について、以下述べる。
図1に示すような熱間圧延ライン1において、線材または圧延鋼板を製造している状況を考える。線材または圧延鋼板は、複数の処理工程を、所定の速度で通過されることによって製造される。製造後に、測定器9により品質検査が行われる。
品質異常が発生すると(すなわち、測定器9でしきい値Aよりも高い強度が検出されると)、製造IDおよび鋼種等とともに支援モニタ11に品質異常が発生した情報が図2の上段に示すように表示される。
これを見たオペレータMが、品質異常の原因を推定したい場合には、図2の下段に示すように、解析対象製品ID、類似キーおよび品質項目をプルダウン方式で選択する。さらに、オペレータMは、図3に示す標準偏差の情報等に用いて、品質分布の中で品良範囲および品悪範囲をドラッグして選択ボタンをクリックする。
このようにオペレータMが操作すると、図5(A)に示す図が支援モニタ11の画面に表示される。なお、この図5(A)は図4(A)と同じである。
図5(A)において、オペレータMは、原因はXX温度(例えば、加熱炉2の出側温度)ではないと判断して、コンピュータ12により算出されたしきい値xx℃以上の範囲のデータを選択する。コンピュータ12は、選択されたデータについて品悪と品良とを区別できる製造条件(パラメータ)を決定木学習の手法により抽出して、その結果を図5(A)と同じように表示する(図5(B))。図5(B)に示すように、次に抽出された製造条件はYY温度(例えば、粗圧延機3の入側温度)である。
図5(B)において、オペレータMは、原因はYY温度ではないと判断して、コンピュータ12により算出されたしきい値yy℃以下の範囲のデータを選択する。コンピュータ12は、選択されたデータについて品悪と品良とを区別できる製造条件(パラメータ)を決定木学習の手法により抽出して、その結果を図5(A)および図5(B)と同じように表示する(図5(C))。図5(C)に示すように、次に抽出された製造条件はZZ温度(例えば、仕上圧延機4の入側温度)である。
図5(C)において、オペレータMは、原因はZZ温度ではないと判断して、コンピュータ12により算出されたしきい値zz℃以下の範囲のデータを選択する。コンピュータ12は、選択されたデータについて品悪と品良とを区別できる製造条件(パラメータ)を決定木学習の手法により抽出して、その結果を図5(A)、図5(B)および図5(C)と同じように表示する(図5(D))。図5(D)に示すように、次に抽出された製造条件はAA時間(例えば、加熱炉2での加熱時間)である。
なお、図5(A)、図5(B)、図5(C)、図5(D)と解析が進むに従って、解析対象のデータは減少している。
図5(D)において、オペレータMは、原因はAA時間であると判断する。このため、オペレータMはさらにデータを選択しないで、コンピュータ12により示されたAA時間が今回の解析対象の圧延鋼板の品質不良の原因であるか否かを最終的に判断する。そして、AA時間に関連する製造設備等が調整される。
以上述べたように、本実施形態の支援システム10Aを用いることにより、熱間圧延工程により製造された線材または鋼板に品質不良が検出された場合に、その原因を、オペレータMの経験度合いに左右されることなく、確実に推定したり探知したりすることができるようになる。
[第2実施形態]
図4及び図6〜図8を参照し、本発明の第2実施形態について説明する。
本実施形態による品質異常の原因を推定する作業の支援システム(以下において単に支援システムと記載する場合がある)10Bは、第1実施形態による支援システム10Aとほぼ同様の構成を有すると共にほぼ同様の動作を実行する。具体的に、支援システム10Bは、第1実施形態において図4(A)及び図4(B)を用いて説明した第3のステップまでの動作を支援システム10Aとほぼ同様に実行するが、第3のステップ以降の動作を、第1実施形態による支援システム10Aとは異にする。従って、以下の説明では、本実施形態による支援システム10Bの特徴的な動作である第3のステップ以降の動作について説明する。
まず図4を参照して、支援システム10Bの動作における第3のステップでは、第1実施形態による支援システム10Aと同じく、図4(A)に示すように、製造条件として数値情報(数値項目)が抽出される場合と、図4(B)に示すように、製造条件として文字情報(文字項目)が抽出される場合との2通りの場合がある。
本実施形態による支援システム10Bは、第3のステップにおいて数値情報が抽出された場合の動作に特徴がある。第3のステップにおいて図6に示す数値情報(数値項目)が抽出された場合を例として、支援システム10Bの動作を説明する。
図6は、抽出された数値情報として支援モニタ11に表示された実績値であって、冷却帯7の冷却ノズルA1の水量(A1水量)の実績値、及びその水量における品質項目A(強度)の評価を示す図である。図6に示される実績値だけを見る限り、A1水量を増加させると品質項目Aの評価のばらつきが大きくなっているといえる。しかし、図6は、A1水量の実績値を昇順に並べて示しているだけであり、これら昇順に並べられた実績値のばらつきだけを基にして品質異常の原因をA1水量の増加であると決めることはできない。
そこで図6に示すように、支援モニタ11には、実績値と共に「時系列選択」と示されたボタンである時系列選択ボタン20が同一画面内に表示されている。時系列選択ボタン20は、図6に示された実績値を時系列に並べ直す指示をコンピュータ12に出力するためのボタンである。
図6に示す支援モニタ11の表示画面内で時系列選択ボタン20が選択(押下)されると、コンピュータ12は、支援モニタ11に表示する画面を図6に示す表示から図7に示す表示に切り換える。図7は、第1実施形態で既に説明した決定木学習法によって抽出された製造条件であって、A1水量に関連する製造条件であるA2水量、A3水量、A4水量、B1水量、B2水量など製造条件の具体的な項目名が表示された画面を示す図である。
支援モニタ11に表示された図7の画面には、製造条件の項目名に記号「レ」で示すチェックマークを付す欄、「試験合格率」の項目にチェックマークを付す欄、及び「決定」と示されたボタンである決定ボタン21が同一画面内に表示されている。ここで、試験合格率とは、品質異常を検出する試験における品質異常に関する評価であって、品質異常が検出されなかった圧延鋼板の割合のことである。また、決定ボタン21は、チェックマークを付した項目について時系列でデータを表示する指示をコンピュータ12に出力するためのボタンである。
支援モニタ11に表示された図7の画面では、項目「A1水量」,「A4水量」と項目「試験合格率」にチェックマークが付されて選択されている。この状態で支援モニタ11の表示画面内の決定ボタン21が選択(押下)されると、コンピュータ12は、支援モニタ11に表示する画面を図7に示す表示から、図7の画面でチェックマークを付した項目についての実績値を時系列に示す表示に切り換える。
図8は、図7の画面で選択された項目についての実績値を時系列で示す表示の一例を示す図である。図8の表示では、例えば、A1水量、A4水量及び試験合格率の実績値が一日ごとに順にグラフで示されている。図8のグラフにおいて、斜線によるハッチングで示された棒グラフはA1水量の実績値を示し、点による網掛けで示された棒グラフはA4水量の実績値を示す。支援モニタ11の表示画面には、数値情報であるA1水量及びA4水量の実績値の時系列変化が表示される。さらに図8では、A1水量及びA4水量の棒グラフに重ねて、試験合格率が折れ線グラフで示されている。
オペレータMは、図8に示すA1水量、A4水量及び試験合格率の実績値を参照して、7日の試験合格率が低下していることに気付く。このとき、オペレータMは、7日のA1水量及びA4水量を、例えば、試験合格率が低下する前日6日以前のA1水量及びA4水量と比較すると共に、試験合格率が回復した翌8日以降のA1水量及びA4水量と比較する。これによって、オペレータMは、7日のA1水量及びA4水量について、A1水量とA4水量の比率が前日6日以前と比べて逆転していたことを知ることができる。
オペレータMは、A1水量とA4水量の比率の逆転と試験合格率の低下との間に関連性や合理性があれば、試験合格率の低下の原因となる製造条件がA1水量とA4水量の比率の逆転にあったと判断し、当該関連性や合理性に疑いがあれば支援モニタ11の表示を図7の画面に戻して項目の選択をやり直して、異なる項目についての実績値を図8に示すように時系列で支援モニタ11に表示させる。
なお、図7の画面で選択する項目の数は、1つ又は2つに限らず、3つ以上の項目を選択してもよい。このように、試験合格率の低下、例えば圧延鋼板の品質不良の原因が冷却帯7にあることを突き止めたオペレータMは、冷却帯7の該当する冷却ノズルの水量を適切に調整することができる。
以上述べたように、本実施形態の支援システム10Bは、第3のステップにおいて熱間圧延工程における製造条件として数値情報(数値項目)が抽出された場合、表示器である表示モニタ11に、数値情報(例えば、上述のA1水量)の時系列変化を表示可能なように構成されており、また、数値情報(例えば、上述のA1水量)に関連する他の数値情報(例えば、上述のA4水量)の時系列変化も表示可能なように構成されている。さらに、支援システム10Bは、上述の時系列変化の表示に加えて、品質異常に関する評価(例えば、上述の試験合格率)を、表示モニタ11に表示可能なように構成されている。
このような実績値の時系列の表示によって、熱間圧延工程により製造された線材または鋼板に品質不良が検出された場合に、その原因を、オペレータMの経験度合いに左右されることなく、確実に推定したり探知したりすることができる。
[第3実施形態]
図4及び図9〜図11を参照し、本発明の第3実施形態について説明する。
本実施形態による品質異常の原因を推定する作業の支援システム(以下において単に支援システムと記載する場合がある)10Cは、第2実施形態による支援システム10Bと同様に、第1実施形態による支援システム10Aとほぼ同様の構成を有すると共にほぼ同様の動作を実行し、第3のステップにおいて数値情報が抽出された場合の動作に特徴がある。
具体的に、本実施形態による支援システム10Cは、第1実施形態において図4(A)及び図4(B)を用いて説明した第3のステップまでの動作を第1実施形態による支援システム10Aとほぼ同様に実行するが、第3のステップ以降の動作を、第1実施形態による支援システム10Aとは異にする。従って、以下の説明では、本実施形態による支援システム10Cの特徴的な動作である第3のステップ以降の動作について説明する。
まず図4を参照して、支援システム10Cの動作における第3のステップでは、第1実施形態による支援システム10Aと同じく、図4(A)に示すように、製造条件として数値情報(数値項目)が抽出される場合と、図4(B)に示すように、製造条件として文字情報(文字項目)が抽出される場合との2通りの場合がある。
第3のステップにおいて図9に示す数値情報(数値項目)が抽出された場合を例として、支援システム10Cの動作を説明する。
図9は、抽出された数値情報として支援モニタ11に表示された実績値であって、冷却帯7の冷却ノズルA1の水量(A1水量)の実績値、及びその水量における品質項目A(強度)の評価を示す図である。この図9に示す支援モニタ11に表示された実績値は、第2実施形態で説明した図6に示される実績値とほぼ同様であるが、図9に示す支援モニタ11では、実績値と共に「多変量解析項目選択」と示されたボタンである多変量解析項目選択ボタン30が同一画面内に表示されている点が、図6とは異なる。多変量解析項目選択ボタン30は、図6に示された実績値(数値情報)及び該実績値に関連する他の実績値(数値情報)に基づいた多変量解析によって、品質異常に関する多変量での評価を支援モニタ11に表示するための指示をコンピュータ12に出力するためのボタンである。
図9に示す支援モニタ11の表示画面内で多変量解析項目選択ボタン30が選択(押下)されると、コンピュータ12は、支援モニタ11に表示する画面を図9に示す表示から図10に示す表示に切り換える。図10に示す表示は、第2実施形態で既に説明した図7と同様の表示であり、第1実施形態で既に説明した決定木学習法によって抽出された製造条件であって、A1水量に関連する製造条件であるA2水量、A3水量、A4水量、B1水量、B2水量など製造条件の具体的な項目名が表示された画面を示す図である。
支援モニタ11に表示された図10の画面には、製造条件の項目名に記号「レ」で示すチェックマークを付す欄、「試験合格率」の項目にチェックマークを付す欄、及び「決定」と示されたボタンである決定ボタン31が同一画面内に表示されている。ここで、試験合格率とは、品質異常を検出する試験において品質異常が検出されなかった圧延鋼板の割合のことである。また、決定ボタン31は、チェックマークを付した複数の項目に基づいた品質異常に関する多変量での評価を表示する指示をコンピュータ12に出力するためのボタンである。
支援モニタ11に表示された図10の画面では、項目「A1水量」,「A4水量」と項目「試験合格率」にチェックマークが付されて選択されている。この状態で支援モニタ11の表示画面内の決定ボタン31が選択(押下)されると、コンピュータ12は、支援モニタ11に表示する画面を図10に示す表示から、図10の画面でチェックマークを付した複数の項目に基づいた多変量解析によって品質異常に関する試験の合否を示す表示に切り換える。
図11は、図10の画面で選択された複数の項目に基づいた多変量解析によって品質異常に関する試験の合否、つまり品質異常に関する評価を示す表示の一例を示す図である。図11の表示では、例えば、A1水量、A4水量に基づいた多変量解析の一種である主成分分析の結果と品質異常に関する試験の合否(試験成績)がプロットされた画面が示されている。図11のプロット表示において、横軸は、第一主成分としてA1水量及びA4水量の組み合わせである成分(−3・A1+2・A4)を示し、縦軸は、第二主成分としてA1水量及びA4水量の組み合わせである成分(2・A1+3・A4)を示している。図11では、これら第一主成分及び第二主成分に対応する試験成績がプロットされており、小径の円で示される試験結果は合格を示し、反対に大径の円で示される試験結果は不合格を示す。
オペレータMは、支援モニタ11に表示された図11に示す表示を参照して、第一主成分の値が大きく、且つ第二主成分の値も大きい右上の領域に小径の円で示される合格の試験結果が多いことに気付く。つまり、オペレータMは、第一主成分の値を大きくするように、且つ第二主成分の値も大きくするようにA1水量及びA4水量を調整すれば、試験に合格する品質の鋼板を得ることができると判断することができる一方、試験に不合格となる品質の鋼板が多いときには、第一主成分の値が小さく、且つ第二主成分の値も小さいと判断することができる。
そこで、オペレータMは、第一主成分である成分(−3・A1+2・A4)及び第二主成分である成分(2・A1+3・A4)に注目し、第一主成分及び第二主成分の値を大きくするためには、まずA4水量を大きくすればよいと判断することができる。
オペレータMは、上述の主成分分析によってA1水量とA4水量の間に関連性や合理性を見いだすことができなかった場合、支援モニタ11の表示を図10の画面に戻して項目の選択をやり直して、異なる項目に基づく主成分分析の結果を図11に示すように支援モニタ11に表示させる。なお、図10の画面で選択する項目の数は、2つに限らず3つ以上の項目を選択してもよい。このように、試験合格率の低下、例えば圧延鋼板の品質不良の原因が冷却帯7にあることを突き止めたオペレータMは、冷却帯7の該当する冷却ノズルの水量を適切に調整することができる。
以上述べたように、本実施形態の支援システム10Cは、第3のステップにおいて熱間圧延工程における製造条件として数値情報(数値項目)が抽出された場合、表示器である表示モニタ11に、数値情報(例えば、上述のA1水量)及び/又は該数値情報(例えば、上述のA1水量)に関連する他の数値情報(例えば、上述のA4水量)とに基づいた品質異常に関する多変量解析に基づく評価、つまり多変量での評価を表示可能なように構成されている。
この多変量解析による表示によって、熱間圧延工程により製造された線材または鋼板に品質不良が検出された場合に、その原因を、オペレータMの経験度合いに左右されることなく、確実に推定したり探知したりすることができる。
本実施形態における多変量解析として、例えば主成分分析、因子分析、クラスタ分析などが知られているが、解析の手法はこれらに限らず適宜ふさわしい解析手法を用いることができる。
なお、本実施形態で説明した図9の画面例において、多変量解析項目選択ボタン30と共に、第2実施形態で説明した時系列選択ボタン20が表示されるように支援システム10Cを構成することもできる。多変量解析項目選択ボタン30と時系列選択ボタン20の両方を表示することによって、オペレータMは、図8に例示した時系列の表示と図11に例示した多変量解析の表示とを選択して表示モニタ11に表示させることができる。
以上、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、オペレータMに各種情報を提示する表示器として、視覚に訴える支援モニタ11を例示したが、オペレータMに対し音声で情報を伝える機器を採用しても構わない。
1 熱間圧延ライン(製造ライン)
2 加熱炉
3 粗圧延機
4 仕上圧延機
5 コイラ
7 冷却帯
8 制御器
9 測定器
10A 支援システム
11 支援モニタ(表示器)
12 上位コンピュータ(コンピュータ)
13 製造実績データベース
20 時系列選択ボタン
21,31 決定ボタン
30 多変量解析項目選択ボタン
M オペレータ

Claims (6)

  1. 品質検査工程を含む複数の工程から構成される製造ラインにおいて製造された製造物の品質異常の原因を推定する作業をオペレータが行うに際し、前記推定作業を支援する支援システムであって、
    前記支援システムは、オペレータが確認可能な表示器を有し、
    前記表示器には、品質評価の指標と製造工程における第1の条件との相関関係が表示され、
    表示された相関関係に基づいて表示器上でオペレータが指定した範囲の品質評価の指標と、前記第1の条件とは異なる第2の条件との相関関係が自動的に表示され、
    前記第1の条件及び第2の条件は、製造工程における温度で表される数値情報、圧力で表される数値情報、水量で表される数値情報、又は複数の装置で構成された工程において1の装置を特定する文字情報であり、前記第1の条件が前記数値情報又は文字情報のうちのいずれか一つであり、第2条件が前記第1の条件とは異なるいずれか一つであり、
    前記第1の条件又は第2の条件が前記数値情報である場合、前記数値情報及び/又は該数値情報に関連する他の数値情報の時系列変化が表示可能なように構成されていることを特徴とする品質異常の原因推定支援システム。
  2. 前記製造工程における複数の条件に対して決定木学習を適用することで、前記第2の条件が選定されるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の品質異常の原因推定支援システム。
  3. 前記表示器には、当該表示器上においてオペレータが品質評価指標の範囲を指定しなくなるまで、品質評価の指標と異なる条件との相関関係が繰り返し表示されるように構成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の品質異常の原因推定支援システム。
  4. 前記表示器には、前記相関関係が繰り返し表示される場合において、品質異常との強い相関関係が認められない条件であった場合には、オペレータが品質評価の指標の範囲を再指定することができる態様で表示されるように構成されていることを特徴とする請求項3に記載の品質異常の原因推定支援システム。
  5. 前記時系列変化の表示に加えて、前記品質異常に関する評価を、前記表示器に表示可能なように構成されていることを特徴とする請求項1〜請求項のいずれかに記載の品質異常の原因推定支援システム。
  6. 前記第1の条件及び第2の条件は、製造工程における温度で表される数値情報、圧力で表される数値情報、水量で表される数値情報、又は複数の装置で構成された工程において1の装置を特定する文字情報であり、
    前記第1の条件又は第2の条件が前記数値情報である場合、前記表示器に、前記数値情報及び/又は該数値情報に関連する他の数値情報とに基づいた前記品質異常に関する多変量での評価を表示可能なように構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の品質異常の原因推定支援システム。
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