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钢铁企业MES中质量控制系统的研究与设计 |
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作者： |
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本课题研究是福建省重大科技攻关项目——制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）研究的一个重要分支，制造执行系统以福建三明钢铁厂的钢铁生产过程制造执行系统为主要研究对象，其主要包括生产计划和生产调度，钢铁生产工艺流程、生产过程自动控制， 从原料进厂到产品出厂的物流控制，全过程的能源流控制，全过程的质量控制等研究内容，其中生产制造全过程的质量控制研究正是本课题研究的主线。根据生产大多是一环套一环具有较强的连续性， 要想大幅度提高产品质量，就必须对生产的每一个环节包括从原料、半成品到成品的各道工序进行严格的质量控制， 这就从客观上要求钢铁企业必须建立一套科学、完整、高效的质量控制系统。
1 原型法与结构化生命周期法混合模型
原型法的致命弱点是在开发初期，难于对整个系统的总目标有清晰的了解。结构化生命周期法虽然在系统分析和设计阶段，对系统的总目标有较为清楚的描述，但系统难于满足灵活多变的要求。为了克服单纯原型法与生命周期法的弱点，又产生了混合模型法。
所谓混合模型法就是在系统分析和总体框架结构，采用生命周期法，根据未来的发展目标，对系统的总目标和总体框架结构，进行清晰的描述，然后根据这些描述建立起系统原型，逐步补充，不断完善，形成最终的系统。
混合模型既考虑了系统的主要要求，又考虑了在系统开发过程中的不确定因素，使得原型法和生命周期法相互取长补短。无疑混合模型是优于单纯原型法和生命周期的开发方法。目前，它正广泛地应用于计算机信息系统开发中。
2 质量控制系统的设计与功能结构
钢铁质量控制系统主要分为两大部分：在线质量控制和离线质量控制。在线质量控制就是利用计算机在线采集生产过程中的生产工艺数据，并把数据长期存放在动态数据库中，同时给数据添加动态显示和监视的功能， 能较直观的观察数据的变化情况。离线质量控制就是建立一套离线数据库系统，利用规则和算法对大量的生产质量数据进行分析和判断， 从中找出影响质量的异常因素，实现对工艺参数的优化，然后不断调整工艺参数来确保生产的钢铁产品尽可能满足质量要求。从系统实现来看，质量控制采集系统中动态数据库的建立属于在线质量控制，质量控制采集系统中离线数据库的建立和质量检验判定系统的建立属于离线质量控制。
2.1 质量控制采集子系统的数据库框架设计
质量控制采集子系统包括各类参数的设置输入、数据采集、双机通讯、数据处理、数据存储与管理、数据分析与计算、图形图表的生成、动态监视、图形图表显示、数据备份与打印输出等任务。模块之间的关系是，从PLC采集的现场数据发送到上位机上，利用上位机的通讯模块负责把PLC传送来的数据送到数据库中，它们之间的传送按照通讯协议进行的，连续不断送到上位机中，上位机中数据库应用程序到端口读取数据流，进行分析和取舍，分别绑定到数据库中的各个列上，送到动态数据库中的同时在前台进行工艺数据的监视，操作人员可以根据前台界面操作数据从而根据不同的需要来查询所关心的工艺数据， 还可以根据工艺数据关系生成一些图形图表，更形象地观察数据。
质量控制采集子系统数据库的框架设计包括动态数据库的框架设计和离线数据库的框架设计两部分，其中动态数据库侧重数据的采集、存储和显示，离线数据库侧重查询和分析的功能。
（1）动态数据库的框架设计
动态数据库的框架结构如图1所示。
图1 动态数据库的框架结构
（2）离线数据库的框架设计
离线数据库的框架结构如图2所示，从图中可知，数据流的流向从外部数据的导入开始，其中生产工艺数据、钢铁化学成分数据、钢铁质量数据是在动态数据库中导出的，这些数据由管理模块分别以文本的形式导入到离线数据库中，在数据库中生成不同的表，然后再将这些表合成为一个的数据表，针对不同的查询条件对这些数据进行离线质量分析。
图2 离线数据库的框架结构
2.2 质量检验判定子系统的功能结构
质量检验判定是一种管理手段，它包括四个步骤：制定质量检验标准、评价标准的执行情况、偏离标准时采用纠正措施、安排改善标准的计划。由此，质量检验判定系统大致由质量基本资料控制系统、质量检测控制系统、质量分析控制系统、质量故障排除控制系统等组成。质量基本资料控制系统是指根据各生产环节的质量性能指标，建立相应的标准库、规则库、模型库并对各质量标准进行有效控制，通过该系统能及时了解整个生产过程中原料、半成品、成品的质量判定标准和规则，保证执行有效的化验指标，防止失效标准的误用及质量记录的流失。质量检测控制系统是指根据质量基本资料提供的质量标准进行质量化验。质量分析控制系统负责对质量检测系统发出的检测数据进行数理统计分析处理和评价， 并根据分析处理的结果为生产决策提供依据。质量故障排除系统指的是如何对生产出的不合格品进行技术处理， 使其在最大限度上达到合格标准的要求。由于判定标准极其复杂和化验方法多样化，建立质量基本资料和故障排除系统是质量检验判定系统实现的难点，质量检测控制系统和质量分析控制系统是质量检验判定系统的核心和重点。
根据系统需求和功能特点， 质量检验判定子系统大致分为以下几个主要功能模块。
1）判定标准管理模块：主要提供判定标准的录入、查询、修改、删除、复制与备份等功能，判定标准需要有经验的判定人员或标准专家在理解标准的基础上，进行录入。本模块将面向用户的判定标准转化为面向计算机使用的判定标准， 是机器向专家获取知识的人-机智能接口。判定标准库包括判定标准数据库、判定标准规则库、判定标准模型库，其中数据库用来存储判定标准中以表格的形式给出的检测项目及其标准值；规则库用来存储按条件语句给出的检测项目及其标准值；模型库用来存储含有计算公式的检验项目及其标准值；这三个库构成完整的判定标准综合信息库。
2）理化性能判定模块：一方面提供对已生产的钢材、原材料、耐材等理化检验项目事实数据的录入、查询、修改、删除、转储等功能。另一方面，对事实数据已齐备的钢材、原材料、耐材等，按判定标准进行理化性能判定，对各检验项目合格的钢材打印出质保书。对不合格的钢材、原材料、耐材等向判定人员说明不合格的原因和处理意见。
3）质量统计分析模块：提供对原材料、半成品、产成品，按各种要求统计月报、季报、半年报和年报，为质量部门分析质量、产量和合格率等情况提供依据。同时也提供对已下证的钢材合格品的某些化学成分和物理性能进行数理分析，如直方图、排列图、线性回归分析等。
3 质量控制系统功能特点
质量控制采集子系统特点：
1）可靠性：动态数据库的通信接口采用读取COM端口形式，通讯采用的协议是RS485，完全满足远程数据采集的需要，在实用性和可靠性方面满足了大数据量和快速采集的要求，通讯方式采用单工通讯，采集数据的误码率低，抗干扰性较强。
2）动态功能：动态数据库具有采集、显示、监视和查询的功能，实用性强，达到了动态采集、动态显示和动态监视的要求，系统建立了强大的查询系统，实现了生产数据的连续在线采集，自动入库和自动溢出的功能。
3）图形图表分析：工程人员分析数据的主要依据是数据和图形图表，对一些比较关心的数据都需要一些趋势图来做辅助分析，通过综合比较产生缺陷时和正常生产时的曲线不同来找出影响质量的各种原因，从而找出各个数据之间的相互关系，为质量控制模型的建立打定了基础。
4）完整性：由于动态数据库在现场长时间在线运行，它的主要应用对象是现场的操作人员，同时由于大量的数据存储在动态数据库中而没有充分利用，所以有必要建立离线数据库方便工程技术人员离线查询和分析，这样动态数据库侧重数据的采集、存储和显示，离线数据库侧重查询和分析的功能，使得整个软件在总体上更完整、方便和易于使用。
质量检验判定子系统特点：
1）自由定义质量管理的多项指标内容。自由定义检测内容、检测项目、检测对象：自由定义计算公式、定义检验单和多种报表类型。
2）质量反馈的跟踪和溯源。实现钢铁质量信息的逐级反向追踪与查询分析。
3）自动判定检测结果。根据质量检测标准和判定规则，自动得出检测结果，并给出质量缺陷原因。
4）实现质量数据的有效处理和同步复制。由于“四舍五入”法不够精确，舍的情况有4种，进的情况有5种，这样舍进情况不平衡，在质量数据处理中采用“四舍六入五单双法”进行有效数字的处理，同时实现了质量数据单用户环境与多用户环境的数据同步。
5）实现整体使用和单独使用。与全过程物流管理系统实现无缝链接，实时共享数据、整体使用，又可作为单独的系统分级使用，灵活方便。
4 结束语
随着生产制造执行系统课题研究的深入发展和管理信息系统建设的完善，质量控制系统将在实际生产中发挥着重要作用，它改变了过去检验成品的质量是否合格的现象，形成了原材料、半成品和成品一整套质量控制体系，减少了产品报废率，以提高经济效益。该系统对企业生产过程中的产品质量进行了客观、全面和准确的评价，为企业生产决策提供了方便、实用和有力的辅助决策工具，因此质量控制系统具有广泛的应用前景。(end)
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(2/13/2009) |
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