制造企業SPC質量信息系統設計研究*

龔立雄，黃 敏，楊 巖

(1.重慶理工大學 機械工程學院，重慶 400054；2.重慶理工大學 MBA教育中心，重慶 400050)

制造企業SPC質量信息系統設計研究*

龔立雄1，黃 敏2，楊 巖1

(1.重慶理工大學 機械工程學院，重慶 400054；2.重慶理工大學 MBA教育中心，重慶 400050)

分析了統計過程控制的基本理論，以SPC為基礎，運用Visual Studio.net設計了SPC質量信息系統，該系統包含5個子系統，每個子系統相互關聯，共同組成了一個整體。企業生產和管理人員可通過該系統實時監控和預警現場生產過程，確保生產過程處于受控狀況。應用實踐表明，該系統能有效提高產品質量和企業經營水平。

制造企業；統計過程控制；質量信息系統；控制圖

0 引言

產品質量是制造企業普遍關注的突出問題，由質量問題導致企業在市場上的損失是巨大的。因此，對產品質量實施“事前控制”措施比“事后補救”所起的效果要重要的多。統計過程控制(Statistical Process Control，SPC)強調用統計技術監測生產過程，保證全過程的預防，可以幫助企業在質量控制上做到“事前預防和控制”[1-2]。近年來，許多學者對SPC技術進行了大量研究，如曹軍等提出了一種多品種小批量機加工車間關鍵工序動態SPC研究及應用[3]。王秀紅采用神經網絡技術監測SPC/EPC整合過程策略，分別用Shewhar圖、CUSUM圖對模型進行了監控，有效監測了異常擾動的發生[4]。但上述SPC方法計算復雜，均是一種離線數據輸入監測異常因素的發生，不能實時處理生產過程中的質量問題，也無法對歷史質量數據進行統計查詢，影響了SPC技術的應用。本文依托SPC理論，運用計算機信息技術設計了一種制造企業SPC質量信息系統，將企業信息化與SPC結合起來實施，根據系統的質量數據進行控制圖分析和過程控制，及時分析問題、解決問題，保證生產過程受控，提高產品質量。

1 SPC基本理論

1.1 SPC簡述

SPC的基本原理是采用統計方法對過程及輸出特性進行監控，及時、準確獲取生產過程的實際狀況，并采取措施保持過程的穩定性。它是一種理念，通過關注用戶要求和減少變異獲得高質量產品，通過持續改善推動產品質量的提升。SPC強調的是全過程監控與參與，構建“事前”預防和“事后”控制的現代管理體系，區分正常波動和異常波動，及時發現問題，消除異常[5-6]。

1.2 SPC控制圖分析

控制圖是工序質量控制的主要方法之一。在生產過程中，產品質量特性會發生波動，正常的波動影響很小且難以去除，異常的波動對產品質量影響很大，但可以去除。產品質量的波動具有一定的規律性。一般控制圖的構造基于正態分布，如圖1所示，用μ±3σ為控制界限來管理過程，界限之內的波動屬于正常波動，否則為異常波動[7]。

圖1 控制圖

對計量型控制圖來說，一般采用均值—極差控制圖實施SPC控制，計數型的控制圖類似。其使用步驟如下：

(1)

式中，Xi為產品質量特性的樣本。xmax,xmin分別為樣本中的最大值和最小值。

(2)

步驟3：分析R圖：檢查極差點有無超出控制限，有無異常模式或趨勢。

2 SPC質量信息系統設計

2.1 SPC質量信息系統功能模塊

制造企業SPC質量信息系統功能模塊根據系統需求分析確定。模塊劃分的恰當與否關系到整個系統性能的高低，因此必須保證模塊分解準確、可靠[9]。通過分析某軸承制造企業對質量信息系統的要求，確定SPC質量信息系統包含5個功能模塊，即權限管理子系統、在線過程質量信息采集子系統、失效分析與診斷子系統、多窗口監控子系統、質量分析及評價子系統。各個子系統相互影響、相互支持，每個子系統的具體實現功能需要進一步細化。如圖2所示。

圖2 制造企業SPC質量信息系統功能模塊

下面對5個子系統功能模塊分別敘述：

(1)權限管理子系統

企業在生產過程中產生大量的工藝參數、數據和資料，不同等級的操作人員應該具有不同管理權限。權限管理屬于系統的安全機制的一部分。該模塊由管理員來建立不同操作者，并賦予不同操作權限。操作者登陸該系統時，在權限范圍內進行操作，設置添加、刪除、修改等功能。

(2)在線過程質量信息采集子系統

該系統是SPC質量信息系統的核心。該系統根據質量計劃確定控制工序的質量信息。可以采集產品或錄入生產線質量數據，并實時顯示數據、繪制控制圖，如控制圖點子超界或出現異常，則報警提示生產過程處于失控狀態。

(3)失效分析與診斷子系統

該子系統依托專家知識庫，建立了失效分析與診斷子系統。在SPC實施過程中，數據統計的主要目的在于進行加工過程的控制，過程控制的建議可以從系統中的專家知識庫中獲取，為生產實際提供有效支持。專家知識庫的建立以產品加工過程結構為基礎進行管理，內容包括：工序過程管理、失效模式、參數維護、控制策略管理等。

(4)多窗口監控子系統

該子系統可以實現高層管理人員通過SPC質量信息系統實時監控多個生產過程，保證產品過程控制質量。系統同時監控多產品、多尺寸、多機臺、多質量特性。

(5)質量分析及評價子系統

該子系統可以對在線監測系統中錄入或采集的數據自動化處理，計算Cp、Cpk等工序能力指數，自動生成報表或圖形，為產品及其過程質量評估提供工具與技術，為質量持續改進提供幫助。主要功能包括控制圖分析、SPC能力分析、數據輸出與打印等。

2.2 系統界面設計及實現

SPC質量信息系統采用Visual Studio.net開發，選用SQL Server 2008創建數據庫，基于ADO.net編程接口連接和訪問數據庫。因SPC質量信息系統只需要在制造企業集團內部使用，安全性、實時性、快速性是考慮的關鍵因素，故采用C/S結構設計SPC質量信息系統。所有統計與分析功能在客戶端實現，負責現場采集數據的輸入，實時生成控制圖，分析、處理統計質量數據。服務器存儲數據文件、應用程序，控制外部設備等。在輸入正確用戶名及密碼，可以登錄進入圖3所示授權的主界面。

圖3 制造企業SPC質量信息系統主界面

(1)權限管理子系統

在菜單欄選擇“權限管理”即進入“權限管理子系統”界面。通過員工賬號設置、權限設置菜單實現“添加”、“修改”、“刪除”、“查詢”等功能，系統管理員有最高權限。圖4為權限管理子系統界面。

圖4 系統權限管理

(2)在線過程質量信息采集子系統

在SPC質量信息系統主界面中點擊數據錄入與采集模塊進入在線過程質量信息采集子系統，如圖5所示。系統自動根據采集或錄入的數據生成控制圖。如出現異常，系統會提示過程出現失控狀態，并報警。

圖5 SPC質量信息采集與控制圖

(3)失效分析與診斷子系統

失效分析與診斷子系統主要用于管理生產過程的失效模式和專家庫。系統根據已有的失效模式對當前生產狀況進行診斷，該子系統與在線過程質量信息采集子系統緊密聯系，圖6、7為失效模式管理和控制策略界面。點擊相應的節點，右邊就會顯示其失效模式信息。控制策略分為計量型和計數型兩種策略。

圖6 失效模式界面

圖7 控制策略

(4)多窗口監控子系統

多窗口監控子系統主要針對制造企業中、高層管理人員，便于在辦公室實時監測企業多個產品質量特性，圖8為監控的兩個不同質量特性的控制圖。其核心是采用VB.NET中的控件調用Minitab繪制多質量特征控制圖[10]。

圖8 多窗口監控系統界面

(5)質量分析及評價子系統

在SPC質量信息系統主界面中點擊統計與分析界面，進入質量分析及評價子系統，該系統可以打印輸出報表、計算直方圖、工序能力分析圖、排列圖、正態概率圖、線性回歸圖等。系統根據質量分析及評價子系統的統計功能，對生產過程作出判斷并提出改進措施。圖9、圖10分別為系統中的工序能力分析圖和正態概率圖。

圖9 工序能力分析圖

圖10 正態概率圖

制造企業SPC質量信息系統還可以實時查看、保存質量信息。在生產線上使用SPC質量信息系統，借助控制圖等工具可以實施動態控制，促進了預警式質量管理，降低了質量成本，提高了工序加工能力。本文所設計的SPC質量信息系統應用于某軸承生產企業，提高了產品質量控制和管理能力，使得產品不良率降低了25%，成功實現了產品的質量控制和管理目標。

3 結論

實施SPC技術對提高制造企業產品質量和生產過程的穩定性具有重要的意義。本文分析了SPC技術的基本原理，根據制造企業的實際需求，分析了SPC質量信息系統功能模塊，采用Visual Studio.net設計了SPC質量信息系統，使得制造企業的質量管理由“事后控制”變為“預防控制”，提高了生產過程的控制能力，并消除了質量信息孤島，增加了質量數據來源的可靠性，有效提高了企業的信息化水平。

[1] 姜興宇，王世杰，趙凱，等．面向網絡化制造的智能工序質量控制系統[J]．機械工程學報，2010,46(4):186-194.

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[3] 曹軍，尹超，劉飛，等. 多品種小批量機加工車間關鍵工序動態SPC研究及應用[J]. 中國機械工程，2011,22(23):2822-2827.

[4] 王秀紅. 基于神經網絡的SPC/EPC 整合過程監測方法研究[J]. 工業工程，2012,15(4): 12-16.

[5] Navon R.Automated projeet performane control of construction projects[J]. Automation in Construction, 2005,14:467-477.

[6] 楊慕升，張宇. 基于STA /SPC /EPC的集成方法質量控制技術研究[J]. 機床與液壓，2011,39(7):11-14.

[7] Zhang Yu, Yang Musheng, Zhang Yanxin. Concurrent design for process quality, statistical tolerance, and SPC[J]. Communications in Statistics-Theory and Methods, 2006, 35(10):1869-1882.

[8] 袁錫明. 基于SPC 的SMT生產質量在線分析系統設計[J]. 測控技術，2012,31(12):111-113,117.

[9] 費一正，汪惠芬，劉婷婷，等. 基于SPC的車間制造質量管理系統研究[J]. 制造業自動化，2011,33(10)上:43-46.

(編輯 趙蓉)

Research of Designing Manufacturing Enterprise SPC Quality Information System

GONG Li-xiong1，HUANG Min2，YANG Yan1

(1. School of Mechanical Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054；2. MBA Education Center，Chongqing University of Technology，Chongqing 400050)

Analysed theory of statistical process control, and quality information system adopted visual studio.net software, the system have five subsystems and composed correlative integral whole.Manager can monitor and warn manufacture process to ensure it is controlled by the SPC quality information system. The application of system shows that it can help to improve product quality and enterprise management level.

manufacturing enterprise; statistical process control; quality information system; control chart

1001-2265(2014)06-0157-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.043

2013-09-25；

2013-11-12

重慶市基礎與前沿研究項目(cstc2013jcyjA60002)；重慶理工大學青年基金(2011ZQ25)；重慶理工大學科研啟動基金(2010ZD24)；重慶理工大學管理科學與工程開放課題(GLKX01)

龔立雄(1978— )，男，湖北仙桃人，重慶理工大學講師，工學博士，研究方向為產品質量控制與測試、制造業信息化，(E-mail) herogong2001@sohu.com。

TH165+.4；TG165

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