基于MES的实时智能过程质量监控系统

2018/12/03 11:48

本文介绍了一种基于MES的质量监控系统的结构组成以及软件模型设计,能够实现数据采集、统计过程分析、质量诊断并给出质量改进意见。传统的SPC应用系统产生的分析结果必须由质量专家来解释,但基于MES的无人的,尢进制造环境蛰求实现解释过捍的自动化。该系统能够帮助选择和设计各种基于规则或者启发式模型的质量控制图,并通过配置和运用规则集合来提供专家解释。同时,当生产过程出现异常现象时,质量专家系统会提供适当的改进措施。

◎文丨房纪涛  邓卫伟  于大鹏 

1 引 言

使用质量控制技术的基本目标就是使生产制造过程发生质量问题的几率减到最小。大多数情况下,产品的质萤问题是由可控制因素引起,例如供营商提供的原材料、用于生产的机器设备、使用的生产方法、参与的人员以及其他一些特殊因素等。这些因素通常会在生产过程的各个阶段影响产品的质量,因此有必要通过设计和部署适当的过程质量控制系统来有效地监控那些问题。

目前,为了使制造过程更具竞争力,将进一步扩展传统的统计过程控制系统的三种基本功能,即规范、检测和控制。各种各样的方法被建议用来设计和解释具体生产过程的质量控制图,从而保持生产过程和产品质量的稳定性。然而,要实现过程数据的实时采集和在线的数据分析解释,必须要采用一种集成的方法。这样才能确保在施行了制造执行系统(MES)的环境中最大效率的发挥质量控制的作用。本文介绍了一种基于MES的质量监控系统的集成结构组成以及软件模型设计。该系统使用先进的方法解决质鼍控制中的各种问题,进一步满足制造业中一些独特的质最需求。开发的软件系统主要应用统计技术方法来分析解释制造过程中各个阶段采集的数据。系统的质量控制模块伞面应用了上述的各种方法,同时当生产过程出现失控状态情况实现自动报警,同时利用专家系统诊断解释质量控制图,给出质量调整或改进意见。

2 系统的总体结构设计

2.1 系统的逻辑结构设计

根据对制造过程质量监控系统进行的需求分析。设计开发五个逻辑功能模块。每个模块将根据它们提供的功能不同被详细设计。为了保证系统功能的有效实施,通过合并各种数据流对象设计开发了一个适当的数据库。该质量监控系统的主要功能模块包括:数据定义、数据采集、控制图设计、控制图显示和控制图解释。数据定义模块提供定义制造过程相关的计量型和计数型的数据规范的功能。数据采集模块能够通过软件和硬件结构的集成实现关键数据的实时采集功能。采集的数据可分为两类,即和测量尺寸相关的计量型或者计数型数据以及和制造过程相关的成本数据。然后,数据将以质量控制图的形式显示出来。控制图设计模块将提供选择和设计合理控制图的功能。控制图显示模块将提供简单的显示各种种类控制网的功能,例如均知控制图、极差控制图、直方图以及缺陷排列图等。实现了质量数据的控制图显示后,控制闭解释模块将提供专家诊断和分析解释数据的功能。

2.2 系统的物理结构设计

在设计的逻辑结构的基础上,开发的监控系统的物理结构被实施建立在制造车间生产现场局域网的环境中。系统的物理结构设计如图1所示。设置了一个检验服务器用来采集存储检验过程所得到各种计量型或计数型尺寸数据。由生产机器本身的检测设备所提供各种质量特征数据。将被收集统一存储在制造执行系统(MES)的服务器中。同时设置了一个中间综合化服务器用来收集前面两种服务器所提供测量数据并将它们传送给中央质量管理服务器。中央质量管理服务器是实现所开发系统的各个模块功能的核心部分,提供所有质量相关功能的用户操作界面。集成的ERP服务器负责提供其它成本和业务相关的数据。所开发的系统包括五个功能模块,使用Oracle 8i服务器作为底层数据支持技术。它将用来存储所有采集到的相关数据存储表以及开发的应用程序。

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图1系统的物理结构与组成示意图

每当一个外部事件发生,例如数据文件或在线测虽数据的到来,综合化适配器将被事件触发并且传送数据到交换机服务中心。这台服务器也以基于听众服务的形式接受系统数据负载翻。数据负载基本上包括测量数据和过程参数数据。统计部分实际上包裹了分析和存储过程,可以实现用户界面访问和用于控制图显示。分析系统部分通过交换机服务得到数据。控制图设计系统部分提供决策支持包括:控制图的选择、控制图参数的选择以及控制图的解释。控制图设计模块提供控制图选择和相关控制图参数设置的功能。系统模块的设计方法保证可获得这些功能。启发式模型、分析模型或者规则模型都町被用来帮助系统决策。用户操作界面用来设置控制图参数,例如样本大小、采样间隔时间等。最优化模型的宗旨是使控制周期的总成本减到最小,为了必要的优化,统计过程控制(SPC)被应用起来。控制图解释模块被设计成为实时在线的顾稳专家,帮助制造过程操作人员查出过程失控情况并且给出产生那些失控情况的可能原因。在生产过程中,控制图解释的价值将被体现为一种控制规则。规则可以和生产过程中一些可能原因联系起来,作为决策支持操作人员采取必要的过程矫正措施。

3 系统的有效信息流

质量监控系统将集成各个功能模块形成类似供应链管理系统的应用产品,提供对各种生产或采购的产晶进行质量监控的功能。企业的采购和生产部门通常会针对各种采购的配件或制造的产品的关键尺寸来定义各自的控制点。质量管理部门将选择和确定各种变量的质量控制点。当生产过程中,一种新的材料被使用或者一个具体参量的控制点不适合的时候,质量管理人员将会采取一定的改进措施。他们采取手工的或者通过适当的测量仪器来测量和收集相关数据,然后应用开发的质鼍控制模块进行检测和统计分析。检查那些被预先设定的各种参数和变量的控制点是否合适。统计分析测量的数据并进一步建立被采购的材料或者生产的产品的检验模型。

统计过程控制模块的数据信息流来源于生产过程管理模块,并通过数据分析和诊断作出生产过程处于受控或者失控的状态判断。传统的统计过程控制系统产生的结果,将由操作员或者质量管理工程师来进一步解释。在基于制造执行系统(MES)的自动化的无人制造环境,没有质量管理专家的存在,质量控制结果的分析解释将成为难题。开发的质量监控系统将通过建立专门的质量解释专家系统来克服这个固有瓶颈问题。解释专家系统模块被设计成为实时在线的顾问专家,帮助制造过程操作人员查出过程失控情况并且给出产生那些失控情况的可能原因并建议操作人员采取必要的过程矫正措施。系统的有效信息流如图2所示。

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图2 系统的有效信息流示意图

4 系统的应用实例

该质量监控系统被应用到一家半自动化的变速箱制造企业,在生产车间用于监控其中关键的齿轮滚铣的过程。齿轮滚铣的设备连接一台中央监控和数据采集系统服务器,通常用于监测各种的设备参数。现有的质最控制情况是基于EXCEL的统计分析工具应用在原料验收和产品终检阶段。这里没有齿轮各种尺寸特征数据的实时采集设备。企业决定在车间开发和实施一个适当的SPC应用系统,从而使得产品不合格数和返修率减到最小。为了把质量管理模块有效的集成到总管理信息系统,各种输入和输出功能界面被适当地设计与开发出来。

检验计划与模型设计界面如图3所示,各种各样的检查控制点被设置并且检验数据也将被显示。在应用过程中将建立一个检验模型采集相关有价值信息并且分析这些信息。每当生产部门或者采购部门建议对产品进行检验,系统将建立检验计划并且分配相应的检验模型到具体检查工作中。如果一个产品在终检或者过程中被检验,则对应的生产过程信息也将被输入系统中。采购的材料被检验时,采购订单的信息也将被输入。检验计划将由提出要求检验的部门和实施检验的部门共同协商决定。对必要的检验进行实施的过程中,由质量管理部门提供检验起始日期和结束日期。

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图3 检验设置与数据采集界面图

系统通过手工测量或者在线自动化测量仪器采集到质量特征数据,将会对这些数据进行质量分析并输出分析结果。由自动化系统或手工采集的各种样本数据,将会根据设置的检验模型进行分析。相关的产品信息与层别信息也将会和样本联系起来,并且帮助进行详细的分析。当按下按钮时,过程控制限将被计算,过程参数会被设定。处于系统监控状态下的制造过程,将实现质量数据的自动采集与在线分析。

常规控制图是一种已经被制造企业广泛接受了的成熟的质量控制技术。均值-极差控制图显示和解释界面如图4所示,其分析数据来源于数据采集模块。

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图4 控制图显示与解释界面图

在按均值网按钮,相关的详细演算将被执行以及均值控制图将会显示。同样,当按极差图按钮时,必要的计算将被执行,并且极差图也在结果部分被显示出来。开发的控制图解释专家系统也将同时被执行,并且如果其中任一个预定义的规则被违犯,那么所有违反那个规则的数据对应的样本号将会被显示。操作员将根据相关事实因素判断过程是否处于受控或失控状态。此外,操作员也能搜寻到可能的造成这种结果的原因。解释专家系统被设计和开发担当一位实时在线的顾问专家,帮助制造过程的操作员设计和选择适当的控制图,查出过程失控情况并且给出产生那些失控情况的可能原因。一个基于规则的专家决策支持系统也被合并到系统里,分析失控的程度和引起的原因,给出建议并对生产过程采取适当的改进措施。

5 总 结

该质量监控系统在用户可接受的测试环境被实施应用,从制造车间生产过程中的多处产品质营监控点实时采集数据,例如工业减速齿轮箱的生产过程。这种多产品和多检测点的数据采集与分析证明了系统的可靠性和实用性。在一个由齿轮滚铣加工设备和MES服务器构成的环境,实施该监控系统能够在5-6小时内查出一个通常需要一天多时间才能监测到的失控情况。可以及时准确的采取改进措施。该系统在工业现场复杂性和多样性环境的应用中。能够满足顾客的需求,突出体现了其使用方便、可靠性高等优点,能较大地提高产品质量和增加经济效益。

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