制造业生产车间管控一体化系统研制报告

1、热处理信息集成管控系统研发与应用技术研究报告完成单位：贵州新技术研究所 贵阳纵横控制技术发展有限责任公司 2012 年 2 月目录一概述 2二立项的依据和目标 3三、主要研究内容及完成情况 51.主导思想 : 52.系统建设原则 63. 主要技术路线 64. 项目实施及完成情况 1.6.四项目运行效果及分析 1.6.五主要技术指标及经济效益完成情况 1.9六项目技术创新点 1.9.七、论文发表 1篇和参加完成国军标 GJB509B-2008 编制错误! 未 定义书签。八、团队建设及人才培养 错. 误! 未定义书签。九项目总结与建议 2.0.一. 概述在我国制造业的热加工部门，目前大多采用传统的

2、生产和管理模 式，存在设备和技术产能落后、职工素质不高、生产管理不到位等问 题。随着工业生产规模不断扩大和大飞机等项目的启动， 以及新材料、 新工艺大的量使用，对工艺控制与产品质量要求日趋严格，现有的生 产设备和管理模式已不能满足未来发展的需要， 更不能满足国际转包 生产的需求，迫切需要进行设备和产能技术的提升。 工业现场监控网 络自动化、企业管理信息化是计算机技术在企业应用和发展的必然趋 势，用先进的控制技术对现场设备进行改造， 用信息化技术实现车间 的智能化管理，通过二者的结合应用提高企业的生产和管理水平，改变以往落后的生产管理模式，严格贯彻不同质量管理体系（如航标、 国军标及美国宇航标准

3、、波音标准等）的要求势在必行。本项目采用工业以太网技术和现场总线技术， 结合数据库和软件 设计，组建生产车间管、控一体化综合应用系统，通过工业现场总线 将现场的控制设备进行连接组网，组建工业现场实时监控系统，通过 计算机对现场进行状态监控，实现生产工艺自动传送、控制参数自动 调整、过程数据实时采集与记录、现场状态实时提示与报警等功能， 解决人工设置现场参数容易出错、 零件加工过程超时、数据记录精度 不高等问题；各管理科室的管理终端通过工业以太网进行连接，组成生产管理网络，系统通过以太网交换技术实现从生产计划制定、任务分配、任务下达、生产过程执行与监控、质量监测与控制、生产计划执行情况统计等生产

4、过程的闭环控制， 解决了因管理工作量大、效率 低下，管理人员对现场的情况了解不及时等带来的一系列问题， 为企 业的生产管理提供了更可靠、有力的手段。二. 立项的依据和目标热处理是通过改变材料组织使机械零件或产品获得所需性能并 保证使用安全可靠的工艺过程。热处理生产成炉批量投入，连续生产, 处理对象大部分是经过加工的半成品件或成品件，如果出现质量问 题，损失很大；更主要的是热处理缺陷漏检很容易发生严重的机械事 故，造成更大损失。因此，热处理属于特种工艺，必须实施全面质量 控制。热处理全面质量控制，是对零件在热处理前、中、后的整个过 程中一切影响因素实施全面控制，包括人、机、料、法、环等各个环 节

5、，改变过去传统的单纯靠最终检验被动把关来保证质量的观念和制 度，实行以预防为主、预防与检验结合的主动控制质量保证模式，把 重点转移到质量形成过程的控制上来，把热处理缺陷消灭在质量形成 过程中。热处理全面质量控制是一项系统工程，本项目通过专业技术、 管理技术和信息科学技术的有机结合，形成满足全面质量管理要求的 热处理管控一体化系统。车间管控一体化系统是以测量、控制及管理一体化，实现车间 全局最优化、效益最大化为目的，用信息化的方式为管理提供手段， 提高企业的信息化应用和管理水平。 该系统是集计算机技术、 控制技 术、网络通信技术、 图形显示技术及先进管理经验于一体的综合运用 系统，能满足各生产厂

6、在数字化条件下的管理要求， 更好的贯彻质量 控制标准。生产车间管、控一体化系统属数字化和智能化设计制造， 根据中 华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要 中指出以 信息化改造制造业， 推进生产设备数字化、 生产过程智能化和企业管 理信息化，促进制造业研发设计、生产制造、物流库存和市场营销变 革。提高机电装备信息化水平， 实现精准、高效生产。 推广集散控制、 现场总线控制、敏捷制造等技术，强化生产过程的在线监测、预警和 控制。国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2006-2020 ) ，制 造业是国民经济的主要支柱，其发展思路是： (1) 提高装备设计、制 造和集成能力。以促进企业技

7、术创新为突破口，通过技术攻关，基本 实现高档数控机床、工作母机、重大成套技术装备、关键材料与关键 零部件的自主设计制造。 本项目是关键技术集成的自主设计系统， 属 于数字化和智能化设计 制造优先主题。贵州省中长期科学和技术发展规划纲要 2006-2020 ) 中将 智能控制与集成、数字化制造、列为重大专项，“ 加强制造业信息 化相关技术的集成推广应用，重点开展智能控制与集成、数字化制造、 模块化和网络化设计制造等技术的攻关”。目标市场：热处理管、控一体化系统涉及电力、电子、计算机、人工智能、通讯、机电等诸多领域。该项目技术含量高、专业性强、应用广泛（遍及冶金、石油、机械、汽车、航空航天、军工、

8、环境工 程等军工及民用领域）。该系统已成功应用于航空航天等企业，而航 空航天企业因件号众多，且大量使用新材料、新工艺，其质量管理体 系最为复杂及严格，故该系统在其他领域的使用将更为容易。我国制 造行业的车间众多，即使有5%的车间设备采用管控一体化系统也是 一个相当大的数量。三、主要研究内容及完成情况1. 主导思想：采用先进的思想和技术、结合完善的功能设计组建实用、可靠、 方便操作的应用系统。通过计算机技术、网络技术、数据库技术、自动控制与数据通 信技术的集成应用，结合生产企业的具体情况，对热处理车间现场控 制设备和生产管理模式进行系统的技术改造，组建满足航标、国军标等不同质量管理体系要求的、集

9、工业现场监控与生产管理为一体、 满 足生产实际需要的管控一体化综合应用系统。 实现：从生产计划制定、 零件进入、加工过程监控、 质量检查、生产统计到零件发出的生产过 程全流通管理；做到：现场控制可靠、数据采集迅速、准确；状态报 警及时；曲线、数据显示直观、保存完善、查询方便；管理和生产人 员能够按各自的权限，方便、快捷地使用本系统功能，调用相关模块 进行所需的操作， 实现生产管理的各项要求； 做到信息数据的及时流 通、交流与资源共享，满足质量控制体系及行业标准的要求，达到国 内领先水平。2. 系统建设原则（1）. 采用标准化设计原则， 充分考虑建成的系统具有扩展性和互联 性，既满足当前可实现的

10、应用要求， 又能适应今后系统扩展的需 要。（ 2） . 遵循国内、国际和相关的行业标准，设计时充分考虑系统的 实用、安全、可靠、容错、稳定性和可操作性，在既能满足系统 要求的前提下又能尽可能的节省经费的开支。（3）. 系统设计尽可能寻求最优的性能 / 价格比。在经费许可的条件 下尽量采用市场上先进的技术和成熟的产品。3. 主要技术路线项目采取的主要步骤和技术路线由以下几个步骤组成：1. 项目调研2. 系统方案设计3. 软、硬件设计、制作4. 现场改造与网络建设5. 系统联调与试运行6. 系统完善与验收3.1 项目调研按照管控一体化系统的设计原则，项目组到多个相关厂家进行了 项目的实地调研，基本

11、掌握了工业现场的生产工作情况和生产管理的 工作流程以及数据处理的流向。听取了用户对该系统所提出的使用要 求和希望达到的预期目标，收集了相关的数据、表格及处理方式，经 整理后取得了设计该系统所需的第一手资料。 如下是项目调研的部分 数据资料。车间管理组织结构：标题:组织机构及职能编号：3节点:车间管理信息数据车间信息*产值利润统计财务数据*生产成本统计废品损失统计成本分析数据一*经济指标完成数据3.2 系统总体方案设计本系统主要分为三层结构：现场监控层、通讯网络层和生产管理层。3.2.1. 现场监控层，包括：（1）通过智能精密控制装置、 I/O 模 块、传感器、变送器、 PLC 等完成对各种参数

12、及动作的测量与控制。 主要测控参数有：温度、氮势、碳势、氧势、真空度、电流、电压、 压力、气体流量、工作时间等；动作控制对象包括炉门、炉盖、搅拌 电机、台车、各种泵、阀等。 （ 2）现场操作及监控终端，包括：工控 机、读卡器、条码扫描仪等，所有设备通过工业现场总线与系统服务 器和现场操作及监控终端相连。设计满足工艺要求的现场监控软件，使系统能实时监控现场所 有设备的运行情况； 显示相关数据和运行趋势曲线， 并具有状态报警 功能，报警的同时进行 LED 大屏幕显示和现场广播语音提示。现场 采集的所有数据均存入数据库服务器的硬盘阵列， 以便于其他管理模 块分析和调用。3.2.2. 通讯网络层：利用

13、工业现场总线及工业以太网，实现控制 层与管理层的数据交换。工业现场总线种类众多，各有所长与不足， 应用范围也不同，因现场仪表种类繁杂，数量较多，既有国内各仪表 厂生产，也有产自日本、美国、欧洲不同厂家，一个中型的车间采样 点平均在 300 个以上；目前用户现场所使用的设备主要配置 RS-485/422 通讯接口，由于这类接口具有通讯距离长，较高的可靠 性和稳定性，在现有智能控制系统中应用比较广泛。从系统实用、经 济的角度考虑，现场网络仍使用 RS485/422 工业现场总线。为提高 采样速度及可靠性， 采用了多网并行及多线程处理方式。 根据现场不 同设备所采用的通信协议种类的不同， 设计了能满

14、足多种通信协议要求的数据通信软件包，供现场监控程序调用。为了便于与厂级骨干网进行数据通信与数据共享， 系统采用路由 器与厂级骨干网连接，并根据用户要求提供所需的数据访问接口， 供 上级部门进行访问。323生产管理层：包括系统服务器、车间各管理部门操作终端、 电子大屏幕、车间广播系统、闭路监控系统及相关功能软件模块等。各科室终端通过工业以太网和网络交换机进行连接，依靠管理软件的运行，实现零件从进入到发出车间的整个生产流程及质量控制过程的 管理，完成数据从现场采集到生产管理报表自动生成的全流通。软件在windows micsoft.NET 的平台上进行开发，采用 C/S 和B/S两种方式设计，其中

15、包括生产管理所需的各个功能模块。如下是系统网络图:中心机房车间管理科室22 日 Tuesday态LED第1组（真空炉、淬火炉 等，共11台，控温点13 个，测温点11个）数据库服务器 札网络交换机工业局域网K . &现场终端1现场终端2现场终端3第2组（箱式炉、井式 炉等，共18台，控温点19个，测温点18个）扫描,路由器网络交换机第3组（除氢干燥箱 共12台，控温点12 个，测温点12个）现场控制设备厂级骨干网3.3 软件设计 软件设计包括：现场监控软件、通信软件和生产管理软件三部分根据本生产车间的工作性质和特点，软件模块分上层管理、底层 管理和数据综合查询三个部分，各部分分别有各自的子系统

16、。详见如 下是模块框图：计划制定执行监测生产统计报表管理质量统计质量分析质量报表质量预测和控制设备档案管理运行情况记录维修保养记录维修、保养计划库存台帐管理入、出库记录库存盘点、对帐库存预测底层管理工艺维护工艺查询工艺建档在线跟踪、记录零件编码收发台帐数据记录、显示运行状态监控参数传送工艺检查软件在windows micsoft.NET 的平台上进行开发，具体程序模 块采用visal basic 2008 , Java, C#编程语言进行编写，分如下四部 分：3.3.1. 现场监控模块：遵循航标、国军标等对热处理的要求，结 合生产的使用需要，设计现场监控软件，实时监控现场的运行情况； 根据工艺

17、要求调整控制参数。监控终端显示现场的相关数据和运行趋 势曲线，并具有状态报警功能；LED大屏幕显示报警信息和广播语音 系统进行语音提示。采用多线程并发处理方式，系统运行时同时进行多路通讯、 多路 数据采集、大幅度提高数据采集的速度。采样数据直接进入数据库保 存，减少数据转存的中间环节。3.3.2. 现场数据采集、通讯模块：根据不同设备所采用的通信协议种类的不同，设计能满足多种通信协议要求的数据通信软件包，供 现场监控程序调用。3.3.3. 生产管理软件模块：其中包括 :计划管理模块、工艺管理模 块、零件加工流程管理模块、质量管理模块、生产统计模块、权限管 理模块和数据综合查询等模块。涵盖了生产

18、车间从生产计划的制定、 零件进车间后的台帐建立、任务分配、现场加工、流程记录、质检和 零件发出的周转全过程管理， 包含了产量、 工时、成本的统计和计算， 生产报表的自动生成。程序采用 C/S 和 B/S 两种方式设计，其中所有管理、监控模块 采用 C/S 方式设计，主要考虑是各模块由于功能的不同而在不同部 门的终端独立运行， 可以减轻服务器的负担。 数据综合查询模块采用 B/S 方式设计，当本系统与厂级骨干网链接以后，上级管理部门可按 权限通过网页访问的方式查询和访问本车间的生产数据， 了解运行情 况。所有数据存入数据库服务器的硬盘阵列， 以便于其他程序 模块共享、分析和调用。软件平台：操作系

19、统：windows sever 2003（服务器）；windows XP3 （现场终端、科室电脑）设计平台： windows micsoft.NET设计语言 :visal basic 2008 ，Java，C#数据库： Oracle 10G3.4 现场改造与网络建设3.4.1. 对热处理工业现场的控制设备进行技术改造主要包括：用我公司生产的智能精密温度控制装置更换原有落 后陈旧的控制柜。考虑到工业现场需具有多参数控制、多回路调节、 多路数据采集的特点，控制装置采用模块化设计，其控温精度高（控 湿精度士C，显示精度最高0.1级）；控制对象广泛，可以是阻性也 可以是感性负载，可以是单温区也可以是多

20、温区；适用于扩散炉、烧 结炉、单晶炉、隧道窑、盐炉、真空炉等机械工业的各种热处理炉及 其它控温对象；采用专为热处理行业设计的无超调专家 PID 算法， 具有 PID 自整定功能，各种传感器自由输入，使用方便；实现无超 调、无欠调、快速升温和抑制扰动； 报警及保护功能完善， 安全可靠、 故障率极低、维修方便。增加智能采集模块、流量、压力传感器、 变送器、动作采集模块、 PLC 等，以实现电、气能耗及碳势、氧势、 氮势、真空度、流量、压力采集；热处理过程自动控制等。增加能 实现与工业现场总线连接的数据通讯接口， 并通过现场总线与监控终 端相连，组成工业现场监控网络。 所需连接的现场设备不但包括控温

21、 仪，还包括记录仪、碳势、氮势控制仪表、真空计等。系统配备便 携式高精度多通道炉温均匀性测量装置，以便实现和执行 HB5354 及 GJB509B 中有关仪表系统定期校验； 有效加热区定期检测等标准。 便携式高精度多通道炉温均匀性测量装置为自行研发 ,其测量精度优 于士0.1%，现场动画显示炉内温场各点差值 ,自动获取均温区，并打 印校验报告及均温区示意图， 校验结果可通过网络传递至服务器， 作 为设备管理的原始依据。大幅减轻工作量，节省校验时间。3.4.2. 现场监控网络和生产管理网络布线与安装 由于现场设备数量众多， 监控点数据采样量大， 单个串行网不能 满足现场数据迅速采样和处理的要求，

22、 因此本系统采取多串口分网处 理的方式， 对现场的设备按通讯接口种类、 放置的位置和使用的工段 进行分类组网连接； 服务器采用多线程并发处理， 可以最大限度地提 高采集速度，缩短数据处理的时间，充分发挥系统的效能。服务器与现场一台指定的工控终端互为备用的容错方式运行， 该 台终端安装有相应的数据采集装置。 一般情况下由应用服务器与现场 设备进行数据通信， 当应用服务器出现故障或进行检修时， 指定的工 控终端可代替服务器进行现场数据通信和数据存储， 服务器正常以后 指定的工控终端把临时存储的数据传送到服务器进行永久保存， 系统 恢复原来的正常运行， 不会因设备的故障影响系统的正常运行。 这样 可

23、减少经费开支的同时保证系统的不间断运行。3.5 系统调试与试运行在现场施工与软件设计完成后对现场系统软、 硬件进行联调， 调 试结束后投入试运行。3.6 系统完善与验收系统投入试运行后， 根据用户使用的情况和提出的意见和建议进 行调整与完善，使之能最大限度的满足实际生产的需要，力争达到： 高效、实用、可靠、操作方便的目的，所有问题解决后进行评审和验 收。4.项目实施及完成情况2007年5月2010年4月先后在北京长空机械厂（503厂）、西安庆安集团有限公司（114厂）、陕西航空电气有限责任公司（115厂）、解放军5713修理厂、航空618所、贵州航天精工有限 公司（536厂）、贵州新艺机械厂（

24、170厂）、沈阳黎明航空发动机（集 团）有限公司（410厂）热表分厂、精铸分厂成功推广，在此期间根 据各厂生产管理模式差别及各厂的合理化建议，对系统进行了不断完 善，使之成为能适应不同类型生产厂家及不同生产管理模式的通用系 统。2010年4月 用户方组织本企业相关部门针对该系统的功能、 运行情况和使用者反馈的意见召开了项目评审会，对该项目所取的成果给予充分的肯定，评审结论见评审意见。四. 项目运行效果及分析本系统在航空航天系统的几个生产厂运行情况证明：系统设计是 合理的，运行是可靠的，操作、维护方便，用户反映良好。所取得的 效果主要体现在以下几个方面：1. 系统的投入运行，改善了现场设备运行的

25、管理与监控方式，注重 了生产过程中间环节的质量控制，改变过去单纯靠最终检验把关来保 证质量的观点和做法。现场状态显示直观，曲线、数据、参数一目了 然，便于掌控现场的情况。2. 数据记录的精度高、准确、真实、可靠。原始记录曲线、数据保 存规范，完整，查询方便，对于产品的质量跟踪与事故分析提供了可 靠的依据。 当出现产品质量问题时， 生产管理模块和现场监控模块可 直接调用和共享， 对生产现场数据进行分析， 通过分析结果找出问题 所在，并根据分析结果对生产工艺、控制参数、管理模式和工作的方 法进行调整，避免质量事故的再次发生。3. 工艺参数和现场控制参数自动调用，并提示现场人员进行核实与 确认，然后

26、自动传送，减少了人为操作可能出现的错误，降低了废品 率。4. 不同零件、相同工艺的同炉加工功能，节省能耗。5. 生产车间采用信息化管理，生产数据准确、可靠、规范，汇总统 计及时、生产报表清楚，提高了生产效率。6. 系统采用权限管理，避免越权操作，对责任事故便于认定。通过 系统的使用也提高了在岗人员的素质。7. 上级部门生产管理人员通过网络查看车间生产数据，及时掌握生 产进度和情况，对指导生产很有帮助。如下是部分显示界面 现场监控画面：忝舄 廿 fl - fMsft 1 tfiiPVHC咕彳EW*M划 HW*Mi.Mit加怦处祚l 中运行状态详细显示画面WkU 1 rnt. ; ridl-4ri

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28、 WHiJfflM 卅注1K MftDM-ai L Hte从使用效果分析，本系统能够满足制造业热处理生产车间的生产管理与现场状态监控的要求，对于种类不同的生产企业只要做相应的调整和改动就可满足用户的使用需求， 因此，本系统可以在制造业不 同的生产车间进行推广使用。五. 主要技术指标及经济效益完成情况主要技术指标1.数据记录分辨率 v 0.1C /mm（航标最高要求士 1.1C /mm）2 .现场控温精度1C （航标最高要求w 士 1 C）10%12%约10Mb/日3.温度梯度4 .节约能耗5 .降低废品率6 .每日现场数据米集信息量六. 项目技术创新点热处理管控一体化综合应用系统，目前在国内鲜

29、有成功的案 例，其主要原因是开发者缺乏对现场运行情况及生产管理流程的深 入了解，没有搞清楚上面的管理层与下面的现场数据怎样进行接口 和数据综合处理。本项目对这些问题进行了深入的探讨和研究、开 发与实践，并成功地在相关企业得到推广和使用，也是计算机集成 制造系统（CIMS ）在我国制造业热处理生产过程中的成功先例。我们认为该项目有以下几个创新点：1采用两级网络架构，通过网络交换技术实现工业现场总线控制 系统与工业以太网管理系统的结合。实现零件从进入到发出车间的整 个生产过程的管理，包括计划调度、设备管理、库存管理、质量管理、 成本核算、人事管理、生产工艺管理及现场过程控制和状态提示；完 成数据从现场采集