典型智能生产监控方法分析

1.离散制造的智能监控

（1）制造系统状态监测与故障诊断。状态监测与故障诊断是指在线监测制造系统相关运行参数，主要有振动、温度、转速、工艺量参数、电压电流、磁通量、噪声等，采用适当的分析诊断方法，评估制造系统的运行状态，起到3方面的作用：①监测与保护。监测机械设备工作状态，发现故障及时报警，并隔离故障。②分析与诊断。判断故障的性质、程度和部位，分析故障产生原因。③处理与预防。给出消除故障的措施，防止发生同类故障（孙明科，2009）。

鉴于振动信号能够很好地反映机械设备的故障特征，因此，通常将其作为制造系统故障特征信息的主要载体。数控加工中，通常采用振动信号进行切削加工监控、刀具磨损监控等；大型旋转机械（工业压缩机、汽轮机等）的状态监测与故障诊断一般采集振动、噪声信号，并运用信号分析方法中的时域分析法、频域分析法、倒频谱分析法、三维瀑布图以及状态参数进行分析与诊断（胖永新，何伟明，2008）。

现以汽轮机状态监测与故障诊断为例进行说明。如图4.11所示，汽轮机状态监测部分包括监测仪表系统（TSI）、分散控制系统（DCS）和越限报警功能等模块，故障诊断部分包括振动传感器、信号采集、信号分析/特征提取和故障识别诊断等模块。其中，汽轮机监测仪表系统作为一种多路监控系统（李建忠，鱼凤萍，2007），可以有效地连续监测汽轮发电机组转子和汽缸机械的主要运行参数，包括机组各个轴瓦处的绝对瓦振和相对轴振，以及机子转速。绝对瓦振一般通过放置在各个轴承座上的磁电式振动速度传感器获得；相对轴振则通过电涡流式振动位移传感器获得。系统将采集到的模拟量通过现场分散控制系统显示，并提供越限报警功能。

图4.11　汽轮机状态监测与故障诊断

汽轮机故障诊断方法主要有主分量分析、聚类分析、模糊模式分析及人工神经网络分析等。如考虑故障原因和故障征兆之间存在很强的模糊关系，则运用模糊逻辑理论分析处理振动信号，推断故障原因（张晓，苗长新，2002），基本步骤如下：

1）对振动信号进行预处理（如快速傅里叶变换FFT），得到振动信号频域结构信息，即振动信号在7个频段（＜0.4f，（0.4～0.5）f，（0.5～0.99）f，1f，2f，（3～5）f，＞5f）的幅值，将这些信息当作汽轮机故障征兆。

2）运用升半柯西分布函数，计算所获得故障振动信号7个频段的隶属度，并进行归一化处理：

3）运用模糊聚类分析方法，选用择近原则和模糊综合评判原则，将所得到的故障征兆与汽轮机故障的模糊关系矩阵进行对比分析，查找机组故障原因，并得到诊断结论。

（2）机械零部件的在线质量监控。机械加工过程中，对机械零部件的物理尺寸进行在线检测与监控，可以为生产者快速反馈加工状况的有用信息，尤其是可以进一步提高数控加工生产线的自动化程度。当前，三坐标测量机在线检测和SPC统计分析质量监控在生产实际中得到了广泛应用。

三坐标测量机原理（刘培等，2013）：任何形状都是由空间点组成的，所有的几何量测量都可以归结为空间点的测量。因此，任何几何形状都可以通过空间点坐标的采集进行评定。将被测量零件放入测量机允许的测量空间后，选取合适的测量参考坐标系，精确地测出被测零件表面的点在空间三个坐标位置的数值，再经过计算机处理，得出其形状、位置公差及其他几何量数据。

上海大众汽车公司将三坐标测量机应用在PASSAT轿车生产线的车身骨架测量（胡建峰，2011），如图4.12所示。PASSAT轿车车身共分为36个总成、分总成，以及多种辅助饰件，其中PASSAT轿车车身骨架总成共有200多个测量点，分布在车身的每个部位。在PASSAT生产线上，2台BRAVO NT型测量机用于测量各类分总成，包括侧板、前后底架、前后盖和白车身的测量，第3台测量机用于校验测量编程的控制精度。测量过程是自动完成的，一次典型的全车体检测过程大约需要40分钟。

图4.12　三坐标测量机应用在车身骨架测量

图4.12描述了车身骨架总成的测量，其中点位偏差显示设计图，采用直线段控件表示偏差方向，共有6个方向，分别表示x、y、z及i、j、k 6个指向，其中x与i、y与j、z与k分别逆向。以TEXT01rj为例，TEXT为文本控件标识，01为点序号，r为车身右边，j为方向。

SPC统计控制原理将在本节下文的“在制品质量SPC统计控制”中论述。现以齿轮自动加工过程质量管控（朱波，2013）为例说明SPC统计分析质量监控方法。

齿轮自动加工生产线是典型的机械加工生产线。在“轿车变速箱成套齿轮加工国产自动生产线”的设计开发过程中，其基本技术要求为：齿轮加工精度达到国标6级，整条生产线的工序能力指数CPK≥1.33，生产线节拍在2分钟以内（王洪波，2013）。现场生产自动控制与质量监控相辅相成。

图4.13表示齿轮加工生产线SPC质量监控整个流程。首先分析产品质量特性，以确定控制过程中的关键特性。其次通过统计分析质量特性变量的历史数据，判定变量间的相关性。对独立变量采取单变量过程控制，对相关变量采取多变量过程控制。单变量过程控制选用SPC的均值—标准差控制图；多变量过程控制则选用MSPC的T 2-|S|控制图。

图4.13　齿轮加工生产线SPC控制流程

1）单变量过程控制。对生产现场的测量仪器和下位机传送的质量数据进行实时监控，一旦监控到异常，系统便进入异常诊断模式，利用基于特征融合与SVM的单变量过程控制模型对异常控制图中的曲线进行分析，判断并输出异常模式类型，然后进行异常模式参数估计，输出异常参数值。所有输出信息导入异常溯源专家系统，获得过程质量异常诱因的详细信息，从而给出对应的过程调整措施。

2）多变量过程控制。多变量过程控制与单变量过程控制的不同之处在于，多变量过程控制图监测到异常后，需识别出具体的异常源。采用选择性DAGSVM集成分类器对多变量过程状态进行模式识别，并输出异常的变量及其类型，然后再通过优化多核SVR模型对异常变量的异常参数值进行估计。通过诊断信息分析导致异常发生的诱因，以采取对应的过程调整措施。

（3）总装线的零部件供应监控。装配总成通常是机器制造的最后环节，零部件供应直接影响生产效率。总装线的零部件供应监控，一般指在准时生产JIT模式下，满足装配线库存约束、市场预测（或销售订单）要求时，对零部件供应进行的监测和调控，以稳定生产节拍、控制生产成本和保证交货期。德国和日本的汽车厂商在这方面有很深入的应用。

华晨宝马轿车装配生产线物料的准时化供应，是由其轿车混流总装配线物流供应系统（张溯，2013）来保证的。如图4.14所示，物料供应系统包括生产设备、物流系统和信息系统，其中信息系统担负着生产调度和过程监控重任。

图4.14　轿车混流总装配线物料供应系统

无论是外部零部件采供，还是内部零部件分装供应，信息系统围绕物料准时供应的监控策略为：

1）计划拉动Autopull→看板拉动Kanban→紧急拉动Emergency Kanban。

2）计划拉动Autopull。根据SAP R3系统生产计划及零部件在生产线的消耗计算，自动产生物料需求计划并传达到库房，形成定时定量的配送模式。

3）看板拉动Kanban。装配工程师通过扫描看板卡的方式将生产线需求通过SAP R3 系统传送给库房，库房根据实际需求调整零部件的备货和配送。

4）紧急拉动Emergency Kanban。在订单调整等紧急情况下，造成现场某一种零部件供应不及而导致停线，调度员采取紧急呼叫库房补货，以保证生产顺利进行。

丰田汽车零部件全球供应链库存监控管理技术（周雷鸣，2002）堪称一流。早在2001年，丰田公司在分析过往的库存供需和物流监控数据的基础上，率先提出SOQ（建议订货量）计算公式，把一个月订单细化分解成四周订单，并确保每月第一周新增的订货基本补偿了上个月的需求变动。(www.xing528.com)

式中，i={1，2，3，4}，为每月的周次。

此外，丰田公司针对零部件库存及物流特有的波动因素，制定了相应的监控管理措施，如针对新款车型零部件或改进型部件的需求预测较困难的问题，系统监控中除SOQ公式等应用工具外，还需要相关公式支持，如UIO（运转设备）公式、PNC（零件代码管理因素）表格等，从而形成更为精准的管控。

2.连续生产的智能监控

（1）化工装置的安全联锁控制。化工生产中高温、高压、易燃、易爆、易中毒、强腐蚀性、强刺激性等危险危害因素是固有的，在不能彻底避免人为失误的情况下，采用隔离、远程自动控制等方法是最有效的安全措施。安全联锁控制可以在化工设备启动、运行，甚至出现危险事故紧急停车中发挥安全保护作用。

在化工本质安全原则中，安全系统和过程控制系统是独立设置的。目前推行的紧急停车功能、安全仪表系统，基本要求是独立配置，其安全性要比自动控制系统的高。正常情况下，这些新推行的安全系统处在静止状态，不需要人工控制，但永远处在监视工作状态。当化工装置出现事故时，它们就会做出反应，保证化工设施可以在紧急事故下安全停车（刘忠明，李岩，2013）。

通常，化工安全联锁控制通过电子、电气、气动等方法实现化工装置之间的操作联锁以及电源、开关、阀门等部件之间的联锁。安全联锁控制的主要特点，体现在联锁，在相互关联的作用下，相互制约，将装置之间的操作进行协调，实现设备的安全运行和安全控制。

现以ESD紧急停车系统在CS2化工装置中的应用（王秀丽，2010）为例加以说明。

CS2用途广泛，主要用于生产农药、橡胶助剂以及作为化工原料等。在CS2制作工艺流程中，要求原料液态硫黄和甲烷气体在一定条件下进入反应炉，经过化学反应生成成品。在反应过程中，当甲烷和燃料气的压力过高或过低时，都需要采取联锁保护措施，关闭相应阀门。

如图4.15所示，当甲烷或燃料气中某种进料压力不属于正常压力范围内时，ESD内部逻辑电路将产生相应的联锁信号，使现场相关电磁阀停止工作，达到联锁目的。与此同时ESD系统还将向DCS通信站单向传输联锁信号。DCS系统在接受信号后，在显示器上显示具体数值并启动报警功能，同时关闭所有进料阀门。随后采取相应措施，在生产装置恢复正常后手动复位阀门。

图4.15　二硫化碳安全联锁控制系统流程

出于安全考虑，系统联锁触点在正常情况下处于闭合状态，发生事故时断开。由于联锁触点长期暴露于空气中，容易受腐蚀、氧化、磨损等因素影响，会导致故障发生时无法准确断开，造成事故，因此，在联锁信号输入方面常采用“与门”连接，当存在多个联锁输入信号时，只要有一个信号达到联锁条件便启动自动联锁，关闭相应阀门。

（2）在制品质量SPC统计控制。1924年美国质量大师休哈特（Shewhart）博士发明了控制图方法进行工序控制，以预防为主方式稳定生产过程的质量。控制图是判别生产工序过程是否处于控制状态的一种手段。即在生产过程中，仅有相互独立的偶然性因素影响时，产品特性值x会服从正态分布即x-N（σ2），P（-3σ＜x＜3σ）=0.9973。x落在如图4.16所示的以-3σ，3σ为上、下控制线外的概率之和只有0.27%。这是个很小的概率，出现这样概率的事件称为小概率事件。根据概率统计理论，小概率事件在一次试验中是几乎不会发生的。如果发生了，则说明原来的分布受到了系统性因素的影响处于失控状态。休哈特正是根据这一理论提出了控制图方法（钱夕元等，2004）。

统计过程控制（Statistical Process Control，SPC）正是使用控制图等统计技术来分析过程及产品特性值输出，通过适当的措施来达到并保持过程稳定，从而实现改进和保证产品质量的目的。实际应用中，控制图是对选定的过程质量特性加以测定、记录，从而进行控制管理的一种用统计方法设计的图。图上有中心线（CL）、上控制界限（UCL）和下控制界限（LCL），并按时间顺序抽取的样本点序列描点。

图4.16　SPC控制图示例

现以南通宝钢炼铁厂SPC统计控制改进铁水质量应用（彭坤等，2011）为例加以说明。

南通宝钢炼铁厂在2005年投运高炉炼铁生产，随后几年受到原燃料质量波动的影响，以及生产经验不足的限制，给高炉炼铁生产工艺参数控制和技术经济指标优化带来较大困难，为此，开展了SPC统计控制持续改进铁水质量的应用。

实施SPC控制，首先必须选择对铁水质量影响最关键的因素作为控制点。根据南通宝钢生产的环境以及高炉生产的特性，把铁水[Si]含量作为最关键的控制点之一。其次，在实施SPC控制时，还需要用到大量的数据，需获得炼铁厂一段时间内的数据。根据铁水[Si]含量的数据类型，综合考虑后使用SPC中的均值极差控制图来对[Si]含量进行监控。

在初步实施SPC统计控制后，将所得到的铁水[Si]含量的均值极差控制图与未实施之前的比较，发现实施后的过程控制能力CPK有所提升，但其目标值还是偏离中心，说明SPC统计控制还没有达到预期值，仍需继续对SPC统计控制进行优化。综合考虑影响铁水[Si]含量的因素后，利用鱼翅图，采取“5M1E”方法分析得到影响铁水[Si]含量的其他因素，并采取相关措施进行优化后，再对其进行均值极差控制图分析，结果发现铁水[Si]含量的过程控制能力值CPK明显提高，达到预期的效果。

实施SPC控制的效果明显，如图4.17所示，通过增强对铁水[Si]含量的控制，保证了铁水质量，同时燃料比下降，使炼铁生产经济效益得到提升。

图4.17　实施SPC控制过程能力对比

（3）批量生产质量跟踪。批量生产在冶金、化工、制药行业非常普遍，但是批量生产质量跟踪方面，行业差距非常大。制药行业对产品质量高度重视，其生产须强制符合国家药品生产质量管理规范GMP认证，对批量生产的产品进行全面质量管理，为患者提供一致且质量可靠的成品。因此，药品生产过程要求有十分严格的批号记录，从原材料、供应商、中间品以及销售给用户的产品，不仅记录批次物料信息，而且记录批次工艺信息，这些批次信息将用来进行生产回溯和问题跟踪（白向荣，2013；王彦桂，陈宇，2010）。药品批次信息流程如图4.18所示（韦文思，2009）。

批次信息管理是批量生产质量跟踪的基础，这涉及批次标签及其相关信息的全程记录。随着条码、二维码、RFID电子标签技术的普及，批次标签及信息录入也变得快捷方便。对于冶金行业，已尝试从转炉炼钢或高炉炼铁开始，建立批次概念，在连铸坯上喷印标签，并采集转炉炼钢、连铸连轧等实际工艺参数，形成可追溯的批次产品质量数据库。

（4）安全生产监控。随着人们对生命的珍惜，在生产过程中的人身安全保障得到高度重视，安全生产监控从装置安全拓展到人员安全。危化、民爆行业纷纷增设了人员安全控制（进出人数、位置、操作控制）、重大危险源监控等保护措施。

图4.18　药品物料批次信息流程

如图4.19所示，某民爆企业实施了人员出入门禁管理和人员定位遇险救援管理系统。门禁系统控制进入厂区、车间的人员，使危险区作业人数得到严格控制。人员定位遇险救援系统则跟踪记录人员实时位置以及相关信息，在危险情况下支撑应急抢险方案，及时救助受困人员。

图4.19　门禁及人员定位遇险救援系统

智能化门禁管理系统采用了RFID身份标识、视频监控等技术，在各厂区、车间设立感应点，能很好地记录进入危险区域作业的人员，能鉴别、控制持卡人员的进出。当危险区域人员数量超限时报警提示，甚至暂停人员入内。

民爆企业一旦事故发生，救援行动必须得到有效开展。民爆人员定位遇险救援系统通过建立一套完整的监控、救灾应急体系，实现对民爆生产作业、遇险定位搜救、救援通信和紧急疏散引导的综合管理，有效应对灾难事故。系统由人员定位、人员搜救、救援指挥、疏散引导、紧急通信5个子系统组成，硬件设备由标识卡、识别器、搜救仪、逃生导引牌、通信分站、中继器以及通信线路组成，通过CAN总线实现生产场所与指挥中心的数据交互。系统核心技术是确保搜救仪和人员标识卡间的无线通信，尽可能地增强搜救仪的搜索范围，提高搜索精确度。为实现此功能，首先利用CAN总线位速率高、抗电磁干扰强、可靠性高的优点确保正常的无线通信；其次采用近距离蓝牙技术和远距离ZigBee技术结合的方式，提高搜救精确度。在快速、有效地做出正确的救援决策方面，针对不同事故类型，制定专项应急预案，根据扇形优化Dijkstra算法确定最佳逃生路线；同时可通过CAN总线控制逃生通道灯的颜色和闪烁频率，为现场受困人员紧急撤离提供方向。