信息化热处理车间方案设计

刘 越

(天津卓朗科技发展有限公司,天津 300457)

热处理车间通过各种热处理设备对金属工件进行特殊处理以达到不同的性能,热处理车间对器械制造业来说至关重要,尤其是军工、航天、船舶等涉及特殊金属材料的行业。现有大多数热处理车间设备数量与种类众多,环境比较恶劣、车间信息化程度不高,设备状态监控不及时,设备数据与产品品质数据无法追溯,管理与生产维护人员无法及时得知车间整体状况与设备状态。一个信息化的车间能够很好地改善上述情况,并能极好地提高生产效率。

1 PMC系统

生产监控(production monitoring &control,简称PMC)系统,主要作用是生产过程中设备的实时监控。显示设备状态、元器件运行情况、传感器参数和报警信息以及参数记录和追溯。

1.1 数据采集

车间各种设备的PLC型号各不相同,上位机软件很难直接采集数据,首先通过以太网将PLC设备、工控机和服务器连接到车间的同一局域网络,然后需要通过OPC软件(如KEPServerEX6)将各个设备的数据采集上来以供PMC系统和其他系统使用。如果现有车间设备plc和控温仪表没有通信功能则需增加相应的通信模块。

1.2 生产监控画面

生产画面可分为三级(见图1),一级画面为车间总览,将车间的整体布局在画面中体现出来,各个设备分布尽量与现实分布一致,通过颜色来区分各个设备的运行情况,如红色代表设备出现故障或报警,绿色代表正常运行。点击设备进入其相应的二级画面,二级画面则显示设备的具体运行情况,如各个传感器的信号,电机的运行情况与运行频率,加热器的运行情况与输出百分比,仪表的当前温度与设定温度等。画面下方则显示设备的实时报警栏,以便观察设备的具体报警信息。二级画面中增加三级画面的跳转按钮,三级画面则显示设备的具体参数,如仪表PID值,当前运行的工艺曲线、仪表送检时间、炉温均匀性测试时间与参数、电能表数据等。通过三个等级的画面内容使维修管理人员能在中控室把控车间设备的整体运行状况。为了方便车间人员查看,也可在车间内增加客户端以方便查询。可以通过不同的账户来管理不同的权限,相应权限的账户只能做相应的操作,防止误操作的情况发生。

图1 PMC系统生产监控画面

1.3 实时报警

通过实时报警控件的配置,来实现在画面上对设备报警信息的实时监控(见图2)。配置报警时应做好筛选功能,相应画面内的报警控件只显示对应设备的报警信息。报警信息需要分级别提示,可用颜色区分显示,如重要故障、轻微故障与警告等。也可以在报警的备注中写出报警发生时的处理方式,以便中控室人员提示现场维修与操作人员迅速处理现场状况。实时报警在每个二级画面之外需要做一个单独的总体报警页面,能显示整个车间的所有报警信息,并做好筛选按钮,通过不同的按钮筛选不同设备的报警信息,方便查询。也可以做好确认按钮,点击单条报警确认,则此报警颜色改变为不同颜色,表示已经确认过此报警信息。

图2 报警信息画面

1.4 历史报警与重要设备参数存储

为了做到数据可追溯,需要将报警信息归档记录,同时还要需将一些重要的设备参数归档记录,如控温仪表的温度,温度记录仪的温度与风机的转速等(见图3)。一旦设备出现问题或者工件品质出现问题后,可通过相应的报表追溯相应时间段的数据。如数据需保存更长的时间则可以将数据上传到数据库中,并定期备份数据库数据防止数据库损坏数据丢失,以便实现长达几年或十几年的数据追溯。

图3 PMC系统温度记录曲线

1.5 加热工艺曲线集中管理

工艺曲线是工件质量的关键,它控制着设备如何升温以及加热时长,热处理车间小型的热处理设备一般都是选择智能温控仪表来控制加热,这类仪表的工艺曲线设定一般比较复杂,像温度、升温时间、保温时间、斜率等参数非常容易出错,一旦出错,将给工件品质带来严重影响。

在上位机软件中开发相应的功能来集中管理,让参数设置界面变得简洁、直观。可通过按钮来控制仪表选择本地模式还是远程模式,本地模式则可以通过仪表本身设置参数,而远程模式则需通过上位软件来设置参数,可做到灵活切换。工艺员可提前将不同工件所需要的工艺曲线参数提前设置好存储起来,并上传到数据库中以防止本地数据丢失,这样当设置时,可直接通过工件名称筛选出相应的工艺曲线参数,能直接下发到仪表或PLC中。工艺发生更改时也可以随时调整存储的工艺曲线参数,这需要具有相应修改权限的账户才可以。

当设备启动和关闭时则触发相应的脚本记录当前设备执行的工艺曲线名称、参数与运行时间,并将数据存储到数据库中。这样结合温度曲线的记录就能清楚地得知生产工件时设备具体的运行情况。

1.6 设备参数智能分析提示

通过后台数据分析来得出相应的结论,用来提示管理维修人员设备可能存在什么问题,或将会发生什么问题,以便提前检查并处理。防止设备问题变得越来越严重,使工件品质受到影响。例如当每次升温时,炉温都会超过设定温度5 ℃以上,或者在保温阶段的温度曲线波动较大,则提示设备PID参数不是最佳请做自整定或重新调整PID参数。当2个加热区以上的设备运行时,某加热区显示温度超过设定值且加热器不工作,而相邻加热区加热器功率输出较高时则提示相邻加热区密封性可能出现问题。这些分析提示可以帮助维修人员及时解决设备存在不易察觉的问题。采集分析的数据需要排除偶然情况,多次得出相同结论时才会提示。可以在PMC画面中开发单独的提示页面,用来显示这些信息。

1.7 量具数据上传系统

针对硬度检测和尺寸测量等器具,开发对应的接口如蓝牙或者无线网等对接平板电脑,用专用的APP将工件名称和所对应的参数直接上传到数据库中记录。在PMC画面中开发查询界面以方便查询数据。

2 Andon系统

Andon系统[1]作为精益生产制造管理的一个核心工具, 在制造过程中出现品质问题,或设备问题时能立即通过LED屏幕和声音广播将信息传递出去,使管理人员和维修人员迅速了解车间所发生的状况,并快速解决问题,保证生产平稳进行,提高生产效率。

Andon系统作为生产全过程组织的一个辅助工具,能实现快速的信息传递、申请呼叫、实时显示、统计分析等,就工序作业、设备状态、质量问题、供应物料情况等过程进行实时的信息传递和管理,对生产全过程构成支撑(见图4)。

图4 Andon系统架构图

2.1 无线呼叫系统

车间可采用无线呼叫系统,无线呼叫系统包括无线按钮盒、无线柱灯和无线主机,其中无线按钮盒采用纽扣电池供电,可在相应的工位配置无线柱灯做报警提示,无线呼叫系统通过无线主机采集、发送按钮盒和柱灯数据,并通过OPC软件直接与PLC进行数据交互,相比于传统的按钮盒与警灯,无线按钮盒和无线柱灯省去了供电电缆与PLC的输入输出电缆和PLC的IO模块,施工布局简单,按钮盒可随身携带。当生产中出现问题时,可及时通过无线按钮盒进行呼叫,无线柱灯亮起做工位提示,广播系统做出声音报警,同时LED屏显示出报警信息。

2.2 广播系统

广播系统包括音乐软件、音乐板卡、功放、喇叭和网络话筒。广播系统功能包括实时报警系统和定时播放系统。实时报警系统通过音乐广播软件实时监控按钮盒呼叫情况,并及时做出语音提示,如某工位出现设备问题,操作员按下呼叫按钮后,软件检测到信号,通过音乐板卡将要播放的音频文件的内容传给功放,驱动现场喇叭发出语音报警提示,提醒维修人员迅速处理。定时播放系统可在软件中设定不同的时间需要播放的提示音,如中午11∶30播放吃饭提醒,下午17∶00播放下班提醒等。可在软件中设置多条方案以满足不同季节的不同作息时间。网络话筒能通按键选择对不同区域进行喊话。音乐板卡和网络话筒均通过以太网与软件的服务器进行通信,节省了信号线与音频线。

2.3 LED屏显示系统

LED屏主要分为生产LED屏与展示LED屏,生产LED屏显示车间的生产信息、呼叫报警信息、设备报警信息、产品品质问题、展示LED屏显示车间的总体状况、播放宣传视频和幻灯片等。发屏软件能设置息屏时间,自动控制LED屏的开启与熄灭,同时具有一键熄屏功能,能将所有LED屏立即熄灭。

可根据设备种类的不同放置多个生产LED屏(见图5),正常生产时,生产LED屏显示车间的生产信息,如工件完成数量,今日计划数量,正在处理数量,合格数量与不合格数量、产品合格率等。也能同时显示工件的质量问题等以作提示。生产信息与品质问题间隔固定时间轮显。当有按钮呼叫时,LED屏切换到报警信息显示画面,显示当前的报警呼叫。当2个以上报警种类同时出现时,做优先级处理,例如设备呼叫与品质呼叫同时出现时,设备呼叫优先级高优先显示,设备1的设备呼叫与设备2的设备呼叫同时显示时,由于优先级一样,故两个报警间隔固定时间轮显。

图5 Andon系统LED屏

3 能源管理系统

热处理车间作为能源消耗大户,循环水、燃气、电能、压缩空气的用量监控是非常有必要的。能源管理系统能生成各种能源报表,通过能源计划,能源监控,能源统计,能源消费分析,重点能耗设备管理,能源计量设备管理等多种手段,使管理者对能源成本比重,发展趋势有准确的掌握。通过能源系统对车间能源做出合理规划,对能源消耗较大的重点设备做出节能改进,减少能源系统运行成本,使车间能够稳定,高效地运行(见图6)。

图6 能源管理系统

3.1 控制系统网络架构

能源管控系统为三层网络架构,即系统管理层、网络控制层、现场设备层。

系统管理层通过以太网将全厂能源采集子站中的数据及站房内各PLC系统地址信息读取至能源管控系统中并进行处理,用于能源管控系统上位软件进行分析及画面展示,实现统一监控及管理。

网络控制层是整个能源管控系统的核心,在整个系统中起着“承上启下”的作用。采集现场各控制系统及计量仪表的数据,并上传至能源管控系统服务器。

现场设备层负责现场数据采集及执行功能,设备包括:系统PLC、控制器、水计量表、电能表、压缩空气计量表、天然气计量表等。

3.2 数据采集与分析

3.2.1 表计台账管理

统计表计的基本信息:编号(建立编号规则)、名称、规格型号、精度等级、量程、生产厂家、工作电源等信息。统计表计的使用状态:投入运行时间、使用单位、负责人、安装位置、用途等信息;统计表计的检定信息:检定周期、检定时间、有效期等信息。表计信息查询支持表计多维度筛选、查询需求。

3.2.2 计量数据维护

系统对错误数据剔除,针对采集到的异常数据(如干扰导致的量级异常、负数、断电等情况出现数据异常等)进行逻辑判断,进行规避;断电或其他原因丢失的数据,可续传,确保数据完整性;异常数据和丢失数据的记录统计,以报表形式展现。

3.2.3 报表

能源管控系统提供下列报表类型,能源消耗及统计报表,包括各分类分项(按单体、按介质)能耗数据的逐日、逐月、逐年的报表,重点设备各相关能耗指标统计报表,车间级电量峰、谷、平分时间段统计报表。

3.2.4 异常报警

能耗值、流量、温度、电压、电流、功率等数值超限时发出数值超限报警,系统画面做出报警提示,并且进行语音提示。同时提供完整的报警事件查询功能,允许根据不同的组合条件对报警信息进行筛选查询。

3.2.5 能源实时监控

根据能源网络的流向关系,实时监测能源数据;用2D图形展示一次能源、二次能源的消耗量(瞬时量、累积量;电介质显示其电流值),系统通过实时趋势曲线和历史趋势曲线来展示实时数据动态和历史数据。

3.2.6 能源能耗分析

对应能耗用量分析出用能成本,分类(水、电、气)、分项(生产、生活)、分区(如退火设备区、淬火设备区等)以报表形式展示。同时对能源平衡性进行分析,包括各类能源介质的平衡现状分析和跑冒滴漏、其他原因导致的能源异常损失分析。对能耗及成本进行预测,并与实际值进行比对。对电能质量进行综合分析,如供电电压偏差、电力系统频率偏差、三相电压不平衡度和电网谐波等。从而改善电能质量,降低配电线损,提高用电设备运行可靠性。

4 结 语

车间信息化管理可在现有自动化设备基础上进行改造,整合利用现有资源降低成本。信息化的热处理车间能极大提高生产效率,减少人力资源成本,使异常问题处理更加高效,降低设备损耗,提高资源综合利用率,降低生产能耗,实现产品数字化、标准化制造,提高企业的核心竞争力。