統計過程控制實驗平臺研制

郝南海， 秦字興

(北京信息科技大學 機電工程學院， 北京 100192)

儀器設備研制與應用

統計過程控制實驗平臺研制

郝南海， 秦字興

(北京信息科技大學 機電工程學院， 北京 100192)

為了加深學生對統計過程控制方法的認識與理解，研制了統計過程控制實驗平臺。該實驗平臺以電池充電過程為實驗對象，通過連續檢測電池充電量得到系列測量數據，根據測量數據變化趨勢判斷加工過程是否處于受控狀態。充電電池內嵌射頻識別芯片，利用讀卡器讀取電池序列號并記錄電池狀態，根據電池狀態確定電池電量。測量示數由后臺計算機控制，可按需生成休哈特提出的8種失控狀態模式數據。實驗平臺具有情景真實、數據質量高、操作方便、成本低廉的特點，實際應用取得了良好的實驗教學效果。

統計過程控制； 實驗平臺； 質量管理

統計過程控制(statistical process control, SPC)是一種根據數理統計原理提出的過程質量控制方法,它能夠依據連續測量得到的數據,及時預警過程異常,使過程維持在僅受隨機性因素影響的受控狀態,以達到控制質量的目的。統計過程控制是“質量管理與可靠性”課程的重要內容之一,主要介紹統計過程控制的原理和實現方法,包括過程統計特征參數、過程能力評價、過程控制圖等內容[1-3]。

設計合理可行的實驗內容,使學生通過實驗,深入了解統計過程控制的具體實施方法,深化對所學課程知識的理解,是提升課程教學水平的有效途徑。如何準確、快速地得到高質量的測量數據信息,是決定實驗能否順利進行并達到實驗目的的關鍵[4]。

目前各高校所開設的統計過程控制實驗大多通過測量各種機械零件的特征尺寸來獲得系列測量數據,測量對象一般采用外購標準件,如圓柱銷、軸承套圈、滾珠等。這種做法從數據質量角度看存在兩方面不足：一是無零件加工順序信息,隨機撿取零件進行測量無法得到過程控制所需的順序信息；二是標準件一般采用大批量自動化方式生產,尺寸精度較高,使用常規尺寸測量手段(如游標卡尺、千分表)無法獲得足夠精確的測量數據,極端情況下,測量值的差異僅為實驗者的測量誤差,削弱了實驗數據的真實性[5-7]。

針對目前該實驗存在的不足,研制出一種統計過程控制實驗平臺,該實驗平臺以電池充電過程為實驗對象,通過連續檢測電池充電量得到系列測量數據,繪制控制圖,根據測量數據變化趨勢判斷過程狀態,當過程進入失穩狀態時,及時啟動系統修復將系統恢復到受控狀態,避免廢品產生。測量示數由后臺計算機控制,可按需生成國家標準《常規控制圖》(GB4091—2001)所列8種失控狀態模式數據,數據質量高，而且電池可長期使用,實驗成本低。

1 實驗原理

控制圖是用來分析和判斷生產過程是否處于穩定狀態的一種統計工具,它通過監視生產過程中產品質量隨時間波動的動態信息,判斷發現工藝過程中出現的異常因素,并采取相應的控制措施,使工藝過程的質量狀態得到良好的控制。控制圖是美國質量管理專家休哈特在1924年首創的,經過90多年的不斷發展和完善,已成為過程控制的主要方法之一[8-10]。

控制圖的基本形式見圖1,縱坐標表示被控制的質量特征值,橫坐標為樣本號。控制圖中設有3條平行于橫軸的控制界限,中間一條實線為控制中心線,記為CL(central line),上下兩條虛線分別為上控制界限UCL(upper control limit)和下控制界限LCL(lower control limit)。控制圖的上下控制界限是根據±3σ法來計算的,計算公式如下:

CL=μ

UCL=μ+3σ

LCL=μ-3σ

式中,μ為質量特征的平均值,σ為質量特征的標準差。

圖1 控制圖的基本形式

控制圖對過程異常的分析判斷依據概率理論中的“小概率原理”,即小概率事件一般是不會發生的,如果小概率事件發生了,則意味著生產過程有異常情況發生,這時就需要對系統進行修復,使系統恢復到正常狀態。在國家標準《常規控制圖》(GB4091—2001)中規定,只要質量數據服從正態分布或近似正態分布,當出現以下8種變異模式之一時,即可判定過程失控:(1)1個點距離中心線超過3倍標準差;(2)連續排列的9個點在中心線的同一側;(3)連續排列的6個點遞增或遞減;(4)連續排列的14個點交替上下;(5)連續排列的3個點中有2個距離中心線超過2倍標準差;(6)連續排列的5個點中有4個距離中心線超過1倍標準差:(7)連續排列的15個點都位于距離中心線1倍標準差范圍內;(8)連續排列的8個點距離中心線超過1倍標準差。

2 統計過程控制實驗平臺設計

統計過程控制實驗平臺設計主要包括方案設計、硬件設計、軟件設計以及界面設計。

2.1 方案設計

為滿足統計過程控制實驗需要,所研制的統計過程控制實驗平臺應具備以下特點:

(1) 實驗平臺應具有加工設備的特征,能連續完成多個工件的全過程加工；

(2) 為合理控制實驗時間,單個工件的加工時間不宜過長,30 min內應能完成100個以上工件的加工；

(3) 加工件質量特征參數可測量,測量時間不超過加工時間的5倍；

(4) 特征參數的測量值應包含國家標準《常規控制圖》(GB4091—2001)所列8種失控狀態模式數據；

(5) 實驗平臺具備系統修復功能,當系統進入失控狀態時,通過啟動系統修復功能使系統恢復到受控狀態；

(6) 實驗工件可重復使用,實驗成本低；

(7) 實驗平臺操作簡單、易于掌握,且安全性高。

根據上述要求,在充分調研和反復論證的基礎上提出了統計過程控制實驗平臺設計方案。實驗平臺以電池充電過程為實驗對象,將待充電電池連續送入充電口進行充電,電池充電完畢后根據規則抽取一定數量充電完畢的電池進行充電量檢測,得到系列測量數據,并繪制控制圖,根據測量數據變化趨勢判斷過程狀態,當過程進入失穩狀態時,及時啟動系統修復功能將系統恢復到受控狀態,避免廢品產生。

無論是電池充電還是電池電量檢測都僅是模擬性的。實驗中當電池進入充電口后并未被真正充入電能,系統僅記錄該電池的識別號碼。電池插入檢測口進行充電量檢測時,系統讀取被檢測電池的識別號碼,根據識別號碼判斷電池狀態,結合實驗需要給出電量值。

該方案的好處在于,電池充電和電量檢測時間由系統設定,方便可調,實驗效率高。電池不需包含電量儲存內芯,僅需嵌入一塊ID芯片做識別用途,可多次使用,制造成本低。電池充電和電量檢測操作與真實過程無差別,實驗情景逼真度高。測量數據根據實驗需要由系統生成,覆蓋國家標準所列全部8種失控狀態模式,數據質量高。

2.2 硬件設計

實驗平臺結構見圖2。電池充電入口和出口位于機柜左右兩側。實驗時,待充電電池由左側入口送入,從右側出口送出,時長為1 min。利用皮帶機實現電池在機柜內的水平輸送,皮帶機長1 200 mm,皮帶寬度95 mm,交流220 V供電,配電子調速器,傳送速度范圍10～100 mm/s,連續可調。

圖2 實驗平臺結構圖

電池尺寸為136 mm×84 mm×20 mm,電極位于電池端部,如圖3所示。電池外殼由ABS塑料注塑成型,分上下兩塊,超聲波焊合。電池內嵌射頻識別ID卡,ID卡工作頻率125 kHz,PVC材質,尺寸86 mm×54 mm×0.8 mm,每個ID卡有獨立的卡號供識別。

圖3 充電電池

充電量檢測口位于機柜正面,內嵌于機柜中。檢測時,將電池的電極一端插入檢測口,電池正負電極與檢測口銅爪接觸后,檢測指示燈亮,檢測開始。電量放空后,檢測指示燈滅,檢測結束。檢測口上方安裝電量顯示屏,顯示屏為4位8段14.2 mm(0.56英寸)數碼管,24 V直流供電,RS-485端口,支持通過工業標準協議Modbus控制顯示。

機柜正面設置電源開關、手動進料和系統修復按鈕,實驗正式開始前可通過手動進料將充電通道內的電池退出。系統修復按鈕為帶燈自復位型,按鈕按下啟動系統修復過程,指示燈亮,修復過程結束后,指示燈滅。

實驗平臺配置2臺ID卡讀卡器,分別位于充電通道上方和檢測口內。電池經過充電通道時,讀卡器讀出電池內ID卡卡號,系統將卡號寫入數據庫。電池插入檢測口時,讀卡器讀取電池識別號碼,系統根據卡號對電池充電狀態進行判斷,給出檢測值。讀卡器尺寸11.6 cm×7.5 cm×1.5 cm,24 V直流供電,RS-485端口,通過Modbus協議與主機通信,工作頻率為125 kHz,感應距離為80～150 mm,讀卡時間小于80 ms。

系統控制主機為工業平板電腦,屏幕為38.1 cm(15寸)電阻式觸摸屏,分辨率1024像素×768像素,CPU為Intel Atom D2500 1.86 GHz雙核處理器,4個RS232串口,2個RS485串口,DC12 V輸入,Windows XP操作系統。

計算機通過輸入輸出模塊檢測并控制外部設備。實驗平臺輸入輸出模塊選用4進4出開關量控制器,控制器為DC24V供電,繼電器輸出觸點,RS232端口,支持標準modbus協議。

2.3 軟件設計

為便于計算機對實驗過程進行精確控制,使用Microsoft Visual Basic 6.0程序設計語言設計了實驗平臺控制程序。程序啟動后,通過定時器控件對2個讀卡器和多個按鈕、開關的狀態進行輪詢，并調用相應的處理模塊進行處理。

各處理模塊功能不同,但原理相似。以檢測處理模塊為例,當電池插入檢測口接通電極觸點后,調用檢測處理模塊。首先通過讀取電池識別號碼,根據識別號碼檢索數據庫,如電池進行過充電則根據實驗進程確定并顯示測量值,否則測量值為0。流程圖見圖4。

圖4 電量檢測模塊流程圖

系統主機與外部設備按照Modbus協議進行通信,需要按照Modbus協議編制相應輸入輸出代碼。Modbus協議由莫迪康公司于1978年提出,不同廠商生產的符合Modbus協議的控制設備可以連成工業網絡,進行集中監控。Modbus協議采用主從(master-slave)技術,是一種問答方式的通信協議。每次通信均由主機發出數據請求信息,從機接收到正確消息后就可以發送數據到主機以響應請求；主機也可以直接發信息修改從機的數據,實現雙向讀寫。Modbus協議的指令由地址碼(1個字節),功能碼(1個字節),起始地址(2個字節),數據(N個字節),校驗碼(2個字節)5個部分組成,具體內容可參考文獻[11-12]。

讀卡器讀到的ID卡號以及失穩狀態模式數據均存儲于數據庫文件中,系統通過Microsoft Access 2000數據庫進行數據管理,Visual Basic利用ADO對象編程實現對數據庫的讀取與修改。

2.4 界面設計

Visual Basic 6.0是可視化的程序設計語言,提供了豐富的控件和可插入對象,為開發基于觸摸屏的軟件交互界面創造了有利條件。根據統計過程控制實驗的特點,設計編制了如圖5所示的實驗界面：窗口左上部放置圖形對象,繪制控制圖；右上部放置文本框,顯示測量數據；中部放置顯示電量測試進度的滾動條的狀態提示文本框；下部為控制按鈕。使用彈出窗口提示系統修復過程,同時設置滾動條顯示修復進度,修復界面見圖6。

圖5 系統界面

圖6 系統修復界面

3 結語

針對質量管理與可靠性課程實驗教學需求,研制了統計過程控制實驗平臺,實驗平臺以電池充電過程為實驗對象,具有情景真實、數據質量高、操作方便、成本低廉的特點。使用自主研制的統計過程控制實驗平臺,已完成2屆學生的統計過程控制實驗,取得了良好的實驗教學效果。

References)

[1] 張根保. 現代質量工程[M]. 北京:機械工業出版社,2015.

[2] 蘇秦. 質量管理與可靠性[M]. 北京:機械工業出版社, 2005.

[3] 孫靜. 接近零不合格過程的質量控制[M]. 北京: 清華大學出版社, 2001.

[4] 鄧春芳, 卓奕君. 質量控制與可靠性實驗教學模式改革探索與實踐[J]. 實驗技術與管理,2010,27(11):159-161.

[5] 秦字興,郝南海. 工業工程仿真實驗教學方案[J]. 實驗室研究與探索,2015,34(11):114-119.

[6] 陳宏,陳國柱. SPC在實驗設備質量控制中的應用[J]. 實驗室研究與探索,2013,32(7):226-230.

[7] 牛占文,王小秋,韓尚梅. 基于MES應用的流水線綜合實驗設計[J]. 實驗技術與管理,2012,29(12):100-103.

[8] 劉文，孫靜，馬毅林，等.GB/T4091—2001 常規控制圖[S].北京：中國標準出版社，2001.

[9] 趙會珍,張聚濤. 理解SPC控制圖的關鍵:小概率原理[J]. 統計與決策, 2009(22):18-19.

[10] 王會良, 羅軍. SPC在工序質量控制中的應用[J]. 煤礦機械, 2008,29(1):101-102.

[11] 朱小襄, ModBus通信協議及編程[J]. 電子工程師, 2005,31(7):42-44.

[12] 王書根, 王振松, 劉曉云. Modbus協議的RS485總線通訊機的設計及應用[J]. 自動化與儀表, 2011,5(5):25-28.

Development of experimental platform for statistical process control

Hao Nanhai, Qin Zixing

(School of Mechanical Engineering, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China)

In order to deepen students’ cognition and understanding of statistical process control methods, an experimental platform for statistical process control is developed. The experimental platform takes the battery charging process as the experimental object, and a series of measurement data are obtained by continuously detecting the battery charge. According to the trend of measurement data, whether the process is in a controlled state is determined. As a radio frequency identification chip is embedded in the rechargeable battery, the serial number of the battery is read by using the reader, the battery status is recorded, and the level of the battery power is determined according to the battery status. The measured number is controlled by the background computer. The eight kinds of the out-of-control mode data proposed by Shewhart can be generated as needed. The experimental platform has the characteristics of scene reality, high data quality, convenient operation and low cost, and the good experimental teaching effect is achieved in its practical application.

statistical process control; experimental platform; quality management

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.019

2016-06-28

郝南海(1963—)，男，山西沁縣，博士，教授，研究方向為工業工程.

E-mail：n.hao@bistu.edu.cn

O213.1；G484

A

1002-4956(2017)2-0070-04