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统计过程控制与分析(SPC)功能在SIEMENS WinCC中的应用实施

发布日期:2013-11-15

统计过程分析是利用数理统计方法对生产过程的各个阶段进行监控和分析,从而达到保证产品质量的目的.目前, 这项功能的重要性日益得到很多生产厂家的重视, 并且提出了与SCADA软件集成应用的要求. 本文主要讲述SPC的原理,应用以及与WinCC集成使用的方法.   关键词:SPC, 脚本, 控件,QA, QAX
 
 
 
  SPC 概述 
  
  SPC是Statistical Process Control的缩写, 即统计过程控制, 主要是利用数理统计的方法去识别生产过程中潜在的问题, 采取措施控制产品质量在允许的公差或者限制范围之内, 避免产品质量的波动.另外, 同样可以利用SPC来预测生产过程是否能够满足预先设定的要求. 
  
  SPC原理 
  
  之所以采用SPC功能,因为这是现代质量管理的基本观点决定的,即产品质量由于受人员,机器,物料,制度,环镜,软件,辅助材料,共用设备的影响,具有变异性, 而这种变异性随机现象服从统计规律,所以我们可以使用统计学的原理来分析研究. 
  
  SPC的核心工具就是一系列的控制图, 通过对控制图的分析, 来判断生产过程的异常.SPC控制图主要包括变量 (Variable chart) 图和属性 (Attribute chart) 图和预测图(Capability chart).控制图中都有三条控制线, 即控制上限UCL, 控制中心线CL和控制下限LCL, 
  

  控制图中的点来自于单点测量值或测量值样本组.控制图判断分析的原理是: 
  
  一.小概率事件原理: 小概率事件实际上不发生, 发生即判异常. 
  
  二.质量波动的原因是必然因素和偶然因素(异常因素). 必然因素是始终存在, 对质量影响较小,是难以消除,不可避免的.偶然因素是有时存在, 对质量影响较大, 不难消除, 是可以避免的.控制图的实质是区分必然因素和偶然因素, 控制限是区分必然波动和偶然波动的界限. 
  
  变量图中*常用的是两种图: 单值I-R图和XBar-R图. 单值I-R图主要用来分析批处理或连续生产过程中的孤立单值的波动和范围的控制图.而XBar-R图用来分析连续重复性生产过程中,同一时刻采样2-12值后的均值波动状况和范围. XBar-R图的上下限计算公式如下: 
  

  其中系数A2,D4以及D3根据不同标准而定. 
  
  下图所示为一标准的Xbar-R图,从图中我们可以看到测量点在不同点的波动情况. 
  

  不同行业中对于判定标准的制定也不同,例如烟草行业中的制丝生产过程的Xbar-R图的异常判断标准如下: 准则一:一个点子落在控制界限以外;准则二:连续9个点子落在中心线同一侧;准则三:连续6个点子递增和递减;准则四:连续14个点子相邻点子上下交替;准则五:连续2个点子落在中心线同一侧2δ区域以外;等等 
  
  预测图的目的是评估生产过程是否满足预先设定的要求,预报生产过程的未来行为,预测的参数为过程生产能力指数CP,计算公式为 
  

  一般情况下,99.73%的点都落在(μ-3σ,μ+3σ)的范围之内,这时候过程生产能力CP为1,过程生产能力的判断也是根据行业应用的不同而不同.下图为预测图样本. 
  

  SPC在WinCC中的实施应用 
  
  SPC在WinCC中实施的基础 
  SPC的重要性日益受到工控领域的青睐, 越来越多的用户希望在WinCC中也能方便的实施SPC功能, 这是因为WinCC具有很高的灵活性.首先WinCC V6具有功能强大的数据库MS SQL SERVER2000 和归档系统, 可以高性能的存取大量的数据.其次, 是WinCC的开放性. WinCC可以很方便的集成多种ActiveX控件, 另外WinCC 集成了强大的脚本系统包括C脚本和VB脚本, 可以方便的操作各种控件的属性, 方法事件. 
  
  SPC 在WinCC中实施的方案 
  SPC的实施过程包括生产过程, 生产工序的分析, 关键质量因素的确定, 制定过程控制的标准, 测量点的归档, 样本数据读取\分组和参数计算, 控制图的形成, 过程的监控和分析判断以及措施采取.对于样本数据读取\分组, 可以利用WinCC的变量归档来完成.参数计算, 控制图的生成过程比较复杂, 这涉及SPC的理论核心, 可以用WinCC的脚本编写实现, 但是很复杂, 我们可以集成一些现成的第三方控件来完成这些功能, 其中NWA公司的QAX控件使用比较方便, QAX控件能够很方便的生成各种SPC控制图, 包括变量图, 属性图和预测图.控制图中的参数例如上下限, 过程生产能力参数等等都可以自动计算或设定.QAX预留了一个数据缓存区, 我们可以利用WinCC的脚本和开放性接口OLEDB从WinCC的数据库中读取样本测量点后放入QAX的数据缓存区, 然后操作QAX的属性, 方法事件生成控制图和诊断参数.示意图如下: 
  

  QAX 控件读取数据库样本参数后送到QAX数据缓冲区生成控制图, 当鼠标移动时, 控制图上点的相关信息可以显示在MSFlexGrid控件里, 相关VB脚本代码样例如下: 
  

  QAX控件集成到WinCC的画面中的结果如下: 
  

   
  小结 
  
  至此, 我们完成了SPC功能的设计,在WinCC中的集成实施.这种方案我们成功的应用到了某卷烟厂的制丝生产线中, 用于控制分析烟丝烘烤滚筒温度等影响烟丝质量的因素, 取得了良好的效果. 由于WinCC灵活的开放性和强大的功能,WinCC可实现很多功能的扩展,可方便的实现SCADA系统向MES系统的功能延伸. 
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