统计过程控制实验平台研制

郝南海， 秦字兴

(北京信息科技大学 机电工程学院， 北京 100192)

仪器设备研制与应用

统计过程控制实验平台研制

郝南海， 秦字兴

(北京信息科技大学 机电工程学院， 北京 100192)

为了加深学生对统计过程控制方法的认识与理解，研制了统计过程控制实验平台。该实验平台以电池充电过程为实验对象，通过连续检测电池充电量得到系列测量数据，根据测量数据变化趋势判断加工过程是否处于受控状态。充电电池内嵌射频识别芯片，利用读卡器读取电池序列号并记录电池状态，根据电池状态确定电池电量。测量示数由后台计算机控制，可按需生成休哈特提出的8种失控状态模式数据。实验平台具有情景真实、数据质量高、操作方便、成本低廉的特点，实际应用取得了良好的实验教学效果。

统计过程控制； 实验平台； 质量管理

统计过程控制(statistical process control, SPC)是一种根据数理统计原理提出的过程质量控制方法,它能够依据连续测量得到的数据,及时预警过程异常,使过程维持在仅受随机性因素影响的受控状态,以达到控制质量的目的。统计过程控制是“质量管理与可靠性”课程的重要内容之一,主要介绍统计过程控制的原理和实现方法,包括过程统计特征参数、过程能力评价、过程控制图等内容[1-3]。

设计合理可行的实验内容,使学生通过实验,深入了解统计过程控制的具体实施方法,深化对所学课程知识的理解,是提升课程教学水平的有效途径。如何准确、快速地得到高质量的测量数据信息,是决定实验能否顺利进行并达到实验目的的关键[4]。

目前各高校所开设的统计过程控制实验大多通过测量各种机械零件的特征尺寸来获得系列测量数据,测量对象一般采用外购标准件,如圆柱销、轴承套圈、滚珠等。这种做法从数据质量角度看存在两方面不足：一是无零件加工顺序信息,随机捡取零件进行测量无法得到过程控制所需的顺序信息；二是标准件一般采用大批量自动化方式生产,尺寸精度较高,使用常规尺寸测量手段(如游标卡尺、千分表)无法获得足够精确的测量数据,极端情况下,测量值的差异仅为实验者的测量误差,削弱了实验数据的真实性[5-7]。

针对目前该实验存在的不足,研制出一种统计过程控制实验平台,该实验平台以电池充电过程为实验对象,通过连续检测电池充电量得到系列测量数据,绘制控制图,根据测量数据变化趋势判断过程状态,当过程进入失稳状态时,及时启动系统修复将系统恢复到受控状态,避免废品产生。测量示数由后台计算机控制,可按需生成国家标准《常规控制图》(GB4091—2001)所列8种失控状态模式数据,数据质量高，而且电池可长期使用,实验成本低。

1 实验原理

控制图是用来分析和判断生产过程是否处于稳定状态的一种统计工具,它通过监视生产过程中产品质量随时间波动的动态信息,判断发现工艺过程中出现的异常因素,并采取相应的控制措施,使工艺过程的质量状态得到良好的控制。控制图是美国质量管理专家休哈特在1924年首创的,经过90多年的不断发展和完善,已成为过程控制的主要方法之一[8-10]。

控制图的基本形式见图1,纵坐标表示被控制的质量特征值,横坐标为样本号。控制图中设有3条平行于横轴的控制界限,中间一条实线为控制中心线,记为CL(central line),上下两条虚线分别为上控制界限UCL(upper control limit)和下控制界限LCL(lower control limit)。控制图的上下控制界限是根据±3σ法来计算的,计算公式如下:

CL=μ

UCL=μ+3σ

LCL=μ-3σ

式中,μ为质量特征的平均值,σ为质量特征的标准差。

图1 控制图的基本形式

控制图对过程异常的分析判断依据概率理论中的“小概率原理”,即小概率事件一般是不会发生的,如果小概率事件发生了,则意味着生产过程有异常情况发生,这时就需要对系统进行修复,使系统恢复到正常状态。在国家标准《常规控制图》(GB4091—2001)中规定,只要质量数据服从正态分布或近似正态分布,当出现以下8种变异模式之一时,即可判定过程失控:(1)1个点距离中心线超过3倍标准差;(2)连续排列的9个点在中心线的同一侧;(3)连续排列的6个点递增或递减;(4)连续排列的14个点交替上下;(5)连续排列的3个点中有2个距离中心线超过2倍标准差;(6)连续排列的5个点中有4个距离中心线超过1倍标准差:(7)连续排列的15个点都位于距离中心线1倍标准差范围内;(8)连续排列的8个点距离中心线超过1倍标准差。

2 统计过程控制实验平台设计

统计过程控制实验平台设计主要包括方案设计、硬件设计、软件设计以及界面设计。

2.1 方案设计

为满足统计过程控制实验需要,所研制的统计过程控制实验平台应具备以下特点:

(1) 实验平台应具有加工设备的特征,能连续完成多个工件的全过程加工；

(2) 为合理控制实验时间,单个工件的加工时间不宜过长,30 min内应能完成100个以上工件的加工；

(3) 加工件质量特征参数可测量,测量时间不超过加工时间的5倍；

(4) 特征参数的测量值应包含国家标准《常规控制图》(GB4091—2001)所列8种失控状态模式数据；

(5) 实验平台具备系统修复功能,当系统进入失控状态时,通过启动系统修复功能使系统恢复到受控状态；

(6) 实验工件可重复使用,实验成本低；

(7) 实验平台操作简单、易于掌握,且安全性高。

根据上述要求,在充分调研和反复论证的基础上提出了统计过程控制实验平台设计方案。实验平台以电池充电过程为实验对象,将待充电电池连续送入充电口进行充电,电池充电完毕后根据规则抽取一定数量充电完毕的电池进行充电量检测,得到系列测量数据,并绘制控制图,根据测量数据变化趋势判断过程状态,当过程进入失稳状态时,及时启动系统修复功能将系统恢复到受控状态,避免废品产生。

无论是电池充电还是电池电量检测都仅是模拟性的。实验中当电池进入充电口后并未被真正充入电能,系统仅记录该电池的识别号码。电池插入检测口进行充电量检测时,系统读取被检测电池的识别号码,根据识别号码判断电池状态,结合实验需要给出电量值。

该方案的好处在于,电池充电和电量检测时间由系统设定,方便可调,实验效率高。电池不需包含电量储存内芯,仅需嵌入一块ID芯片做识别用途,可多次使用,制造成本低。电池充电和电量检测操作与真实过程无差别,实验情景逼真度高。测量数据根据实验需要由系统生成,覆盖国家标准所列全部8种失控状态模式,数据质量高。

2.2 硬件设计

实验平台结构见图2。电池充电入口和出口位于机柜左右两侧。实验时,待充电电池由左侧入口送入,从右侧出口送出,时长为1 min。利用皮带机实现电池在机柜内的水平输送,皮带机长1 200 mm,皮带宽度95 mm,交流220 V供电,配电子调速器,传送速度范围10～100 mm/s,连续可调。

图2 实验平台结构图

电池尺寸为136 mm×84 mm×20 mm,电极位于电池端部,如图3所示。电池外壳由ABS塑料注塑成型,分上下两块,超声波焊合。电池内嵌射频识别ID卡,ID卡工作频率125 kHz,PVC材质,尺寸86 mm×54 mm×0.8 mm,每个ID卡有独立的卡号供识别。

图3 充电电池

充电量检测口位于机柜正面,内嵌于机柜中。检测时,将电池的电极一端插入检测口,电池正负电极与检测口铜爪接触后,检测指示灯亮,检测开始。电量放空后,检测指示灯灭,检测结束。检测口上方安装电量显示屏,显示屏为4位8段14.2 mm(0.56英寸)数码管,24 V直流供电,RS-485端口,支持通过工业标准协议Modbus控制显示。

机柜正面设置电源开关、手动进料和系统修复按钮,实验正式开始前可通过手动进料将充电通道内的电池退出。系统修复按钮为带灯自复位型,按钮按下启动系统修复过程,指示灯亮,修复过程结束后,指示灯灭。

实验平台配置2台ID卡读卡器,分别位于充电通道上方和检测口内。电池经过充电通道时,读卡器读出电池内ID卡卡号,系统将卡号写入数据库。电池插入检测口时,读卡器读取电池识别号码,系统根据卡号对电池充电状态进行判断,给出检测值。读卡器尺寸11.6 cm×7.5 cm×1.5 cm,24 V直流供电,RS-485端口,通过Modbus协议与主机通信,工作频率为125 kHz,感应距离为80～150 mm,读卡时间小于80 ms。

系统控制主机为工业平板电脑,屏幕为38.1 cm(15寸)电阻式触摸屏,分辨率1024像素×768像素,CPU为Intel Atom D2500 1.86 GHz双核处理器,4个RS232串口,2个RS485串口,DC12 V输入,Windows XP操作系统。

计算机通过输入输出模块检测并控制外部设备。实验平台输入输出模块选用4进4出开关量控制器,控制器为DC24V供电,继电器输出触点,RS232端口,支持标准modbus协议。

2.3 软件设计

为便于计算机对实验过程进行精确控制,使用Microsoft Visual Basic 6.0程序设计语言设计了实验平台控制程序。程序启动后,通过定时器控件对2个读卡器和多个按钮、开关的状态进行轮询，并调用相应的处理模块进行处理。

各处理模块功能不同,但原理相似。以检测处理模块为例,当电池插入检测口接通电极触点后,调用检测处理模块。首先通过读取电池识别号码,根据识别号码检索数据库,如电池进行过充电则根据实验进程确定并显示测量值,否则测量值为0。流程图见图4。

图4 电量检测模块流程图

系统主机与外部设备按照Modbus协议进行通信,需要按照Modbus协议编制相应输入输出代码。Modbus协议由莫迪康公司于1978年提出,不同厂商生产的符合Modbus协议的控制设备可以连成工业网络,进行集中监控。Modbus协议采用主从(master-slave)技术,是一种问答方式的通信协议。每次通信均由主机发出数据请求信息,从机接收到正确消息后就可以发送数据到主机以响应请求；主机也可以直接发信息修改从机的数据,实现双向读写。Modbus协议的指令由地址码(1个字节),功能码(1个字节),起始地址(2个字节),数据(N个字节),校验码(2个字节)5个部分组成,具体内容可参考文献[11-12]。

读卡器读到的ID卡号以及失稳状态模式数据均存储于数据库文件中,系统通过Microsoft Access 2000数据库进行数据管理,Visual Basic利用ADO对象编程实现对数据库的读取与修改。

2.4 界面设计

Visual Basic 6.0是可视化的程序设计语言,提供了丰富的控件和可插入对象,为开发基于触摸屏的软件交互界面创造了有利条件。根据统计过程控制实验的特点,设计编制了如图5所示的实验界面：窗口左上部放置图形对象,绘制控制图；右上部放置文本框,显示测量数据；中部放置显示电量测试进度的滚动条的状态提示文本框；下部为控制按钮。使用弹出窗口提示系统修复过程,同时设置滚动条显示修复进度,修复界面见图6。

图5 系统界面

图6 系统修复界面

3 结语

针对质量管理与可靠性课程实验教学需求,研制了统计过程控制实验平台,实验平台以电池充电过程为实验对象,具有情景真实、数据质量高、操作方便、成本低廉的特点。使用自主研制的统计过程控制实验平台,已完成2届学生的统计过程控制实验,取得了良好的实验教学效果。

References)

[1] 张根保. 现代质量工程[M]. 北京:机械工业出版社,2015.

[2] 苏秦. 质量管理与可靠性[M]. 北京:机械工业出版社, 2005.

[3] 孙静. 接近零不合格过程的质量控制[M]. 北京: 清华大学出版社, 2001.

[4] 邓春芳, 卓奕君. 质量控制与可靠性实验教学模式改革探索与实践[J]. 实验技术与管理,2010,27(11):159-161.

[5] 秦字兴,郝南海. 工业工程仿真实验教学方案[J]. 实验室研究与探索,2015,34(11):114-119.

[6] 陈宏,陈国柱. SPC在实验设备质量控制中的应用[J]. 实验室研究与探索,2013,32(7):226-230.

[7] 牛占文,王小秋,韩尚梅. 基于MES应用的流水线综合实验设计[J]. 实验技术与管理,2012,29(12):100-103.

[8] 刘文，孙静，马毅林，等.GB/T4091—2001 常规控制图[S].北京：中国标准出版社，2001.

[9] 赵会珍,张聚涛. 理解SPC控制图的关键:小概率原理[J]. 统计与决策, 2009(22):18-19.

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[12] 王书根, 王振松, 刘晓云. Modbus协议的RS485总线通讯机的设计及应用[J]. 自动化与仪表, 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，山西沁县，博士，教授，研究方向为工业工程.

E-mail：n.hao@bistu.edu.cn

O213.1；G484

A

1002-4956(2017)2-0070-04