摘要
研究了休哈特控制图及其改进方法指数加权滑动均值(EWMA)控制图在造纸行业中的应用。收集了国内某造纸工厂2020年9月10—20日共120批胶版纸生产数据,使用训练集绘制胶版纸定量、厚度、白度、松厚度和表面吸水性的休哈特控制图与EWMA控制图,使用验证集验证控制图的准确性。结果发现,休哈特控制图能够及时监测生产中出现的异常并保证成纸质量,而EWMA控制图的监测标准过于严格,实用性不如休哈特控制图。
改革开放以来,我国的制浆造纸产业蓬勃发展,工业生产不断向自动化、规模化方向前进,而实际生产过程中发生故障的几率也随之增
统计分析法是基于数据驱动的故障监测技术之一,能够提高产品质量和生产稳定
本文着重介绍了单变量统计过程控制在胶版纸造纸过程中纸张定量、厚度、白度、松厚度和表面吸水性控制的方法。首先,对采集到的数据进行正态分析检验,然后使用均值-移动极差-标准差控制图和过程能力图对造纸过程某些重要指标进行可控性分析,最后使用休哈特控制图及其改进方法,建立胶版纸造纸过程中重要指标的实时放行标准,达到生产过程在线监控的目
利用单变量统计过程控制进行质量控制的核心是对产品进行适当分组抽样后进行质量数据分析,正态分布是其中最为关键的工具。因为产品的质量数据通常遵循正态分布或近似正态分布。因此,在使用控制图和分析过程能力时,质量数据也要求以遵循正态分布为前提。当数据略微偏离正态分布时,不会对控制图的结果产生较大的影响。
在质量数据是非正态分布的情况下,直接按照正态数据的处理方法进行过程能力分析和控制图的描绘会有很大的误差。通常,处理非正态数据可以通过Box-Cox变换、Johnson变换等方法,但Box-Cox变换方法对样本数据有严格的要求,不如Johnson变换的条件宽松。因此,本文采用Johnson变换法处理非正态数据,其一般形式如
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式中,Z为标准正态分布变量;X为非正态分布变量;γ、δ为决定X的分布形状的变量,δ>0;g(x)为变换函数;ξ为位置参数;λ为尺度参数,λ>0。
本文采用均值-移动极差-标准差控制图来分析胶版纸造纸过程中关键指标的可控性。其中,均值控制图可以显示成纸过程中心是否处于受控状态,同时可以消除控制限中异常的子组内分量,跟踪过程位置。移动极差控制图可以显示样本子组间差异是否处于受控状态,并使用移动极差标绘子组平均值以消除子组内变异,利用此图可以使用异常的子组间分量来追踪过程变异。标准差控制图可以显示子组内差异是否处于受控状态,使用异常的子组内分量来标绘过程变
过程能力是指在过程加工上满足加工质量的能力,用来衡量过程加工的内在一致性,通常用过程能力指数CP或CPK来描述。当公差中心M和分布中心μ重合时使用CP描述,用来反映过程能力满足质量要求的程度。而当二者不重合时则使用CPK描述,用来反映产品质量数据的平均值偏离目标值的过程能力。过程能力指数CP计算公式如
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式中,Tμ、Tτ为规范上、下限;σ为总体标准差。过程能力指标评
设某个过程指标数据服从正态分布,在某一时间抽取容量为n的样本,共抽取了k个。根据3原理,图的控制限计算方法如式(3)~
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式中,、为控制上、下限;为中心线;为总体标准差;为子组样本均值的均值;为子组样本标准差的均值;n为子组的样本容量;c4为与n有关的常数;A3为控制系数。
S图的控制限计算方法如式(6)~
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式中,UCLS、LCLS为控制上、下限;CLS为中心线;σ为总体标准差;为子组样本标准差的均值;c4、c5为与n有关的常数;B3、B4为控制系数。
使用EWMA控制图的优点是可以监控质量指标的指数加权移动平均值,检测过程平均值的微小偏差,同时可以去除样本数据中的较大值和较小值所带来的不利影响。
EWMA控制图的统计量见
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式中,Zt为第t个统计量;Zt-1为第t-1个统计量;yt为第t个样本值;t为样本序号;n为样本容量;λ为平滑系数(通常取0.2~0.3)。
EWMA控制图的方差统计量见
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式中,为的标准差;σ为总体标准差。
根据休哈特3σ原理,EWMA控制图的控制限计算见式(11)~
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式中,UCL、LCL为控制上、下限;CL为中心线;μ为Z0;k为控制限参数(通常取3)。
当公式中的t逐渐增大时,(1-λ
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EWMA控制图不仅考虑到了历史数据的累积作用,而且考虑了当前数据的信息,有一定的预报警能
实现单变量统计过程控制的关键是利用实际生产中采集的数据建立统计分析模型。本课题训练集样本来自国内某胶版纸生产过程,收集了2020年9月10—20日的历史生产数据,从每天采集到的数据中取10批,共110批历史生产数据作为训练集样本。同时将剩余的10批历史生产数据作为测试集样本。
对从生产线上采集的训练集样本进行正态性检验。P值是将观察结果认为有效,即具有总体代表性的犯错概率。当P>0.05时,说明数据呈现正态分

图1 定量、厚度、白度、松厚度和表面吸水性的正态分布图
Fig. 1 Normal probability plots of basic weight, thickness, whiteness, bulk and surface water absorption
对非正态数据进行Johnson变换,如

图2 白度的Johnson变换
Fig. 2 Johnson transformation of whiteness

图3 表面吸水性的Johnson变换
Fig. 3 Johnson transformation of surface water absorption
胶版纸造纸过程可控性分析结果见

图4 定量的均值-移动极差-标准差控制图
Fig. 4 I-MR-S control chart of basic weight

图5 厚度的均值-移动极差-标准差控制图
Fig. 5 I-MR-S control chart of thickness

图6 白度的均值-移动极差-标准差控制图
Fig. 6 I-MR-S control chart of whiteness

图7 松厚度的均值-移动极差-标准差控制图
Fig.7 I-MR-S control chart of bulk

图8 表面吸水性的均值-移动极差-标准差控制图
Fig. 8 I-MR-S control chart of surface water absorption
对胶版纸成纸过程进行过程能力分析,根据国家胶版印刷纸的方法标准和国内某造纸企业规定,70 g胶版纸的质量指标如下:定量(70.0±3.0) g/
根据采集国内某造纸企业胶版纸成纸数据时选取的子组大小为10,查询国家标准GB/T 4091—2001《常规控制图》得到:A3=0.975,B3=0.284,B4=1.716。按照式(3)~

图9 定量、厚度、白度、松厚度和表面吸水性的休哈特控制图
Fig. 9 Shewhart control charts of basic weight, thickness, whiteness, bulk and surface water absorption
从
而9号样品的定量低于LCL,可能是生产过程中各个因素共同作用累积后的结果,比如稀释水量偏大、进浆量偏小、筛板不畅通、卷曲压力波动、浆料纤维发生变化或者化学品性质变化
由
按照式(9)~

图10 定量、厚度、白度、松厚度和表面吸水性的EWMA控制图
Fig. 10 EWMA control charts of basic weight, thickness, whiteness, bulk and surface water absorption
比较
由于EWMA控制图的控制上下限范围小于控制图,所以对于小波动更加敏感,显示异常的样本数量也更多。

图11 4种控制限所对应的Ⅰ类错误
Fig. 11 Type Ⅰ error corresponding to the 4 control limits
注 曲线代表稳定受控的生产过程;阴影部分代表样品出现在控制限以外的概率。
EWMA控制图的0.5~2个标准控制条件严格,适用于监测精度很高的过程。而胶版纸生产过程是流程性材料工艺,受随机因素的影响较大,使用EWMA控制图会产生过度控制的情况,所以对于胶版纸的质量指标控制用控制图的3标准就已经足够严格且错误造成损失最小。
本课题按照建立统计模型的步骤,针对胶版纸生产过程定量、厚度、白度、松厚度和表面吸水性这些关键质量指标,根据3原理建立了休哈特控制图和EWMA控制图,比较二者发现,EWMA控制图对于微小波动敏感性较高。
随着过程控制的发展,国内许多造纸企业已经建立了能够保存大量过程数据的生产过程控制系统。应用单变量统计过控制可以提取出隐藏在数据中的信息并合理应用,这对于提高造纸生产的安全性和成纸质量的稳定性具有重大意义。然而造纸过程工艺复杂、设备庞大,随机因素众多,变量之间的耦合作用较强,传统的单变量统计过控制仅注意监测少量的过程变量,一旦发现问题很难找出根源,如何建立和发展适合造纸生产过程的准确的统计过程模型还需要更深入的研究。
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