統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制SPC技術(shù)在數(shù)字化車(chē)間建設(shè)中的應(yīng)用研究

目前國(guó)內(nèi)統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC）技術(shù)仍處于起步階段，特別是在數(shù)字化車(chē)間的建設(shè)過(guò)程中，仍未得到廣泛的應(yīng)用?；趪?guó)內(nèi)某微特電機(jī)數(shù)字化車(chē)間的智能化改造，較為詳細(xì)系統(tǒng)地介紹了SPC在數(shù)字化車(chē)間建設(shè)過(guò)程中的應(yīng)用，以及建立電機(jī)制造過(guò)程質(zhì)量管理新模式、新方法的途徑。1

序言微特電機(jī)的生產(chǎn)過(guò)程中，零件多，工作量大，人工輸入數(shù)據(jù)容易出錯(cuò)。生產(chǎn)車(chē)間雖有電機(jī)綜合檢測(cè)儀以及定子綜合測(cè)試儀、電機(jī)成品測(cè)試系統(tǒng)等自動(dòng)化設(shè)備，但還未將在線檢測(cè)技術(shù)與質(zhì)量監(jiān)控相結(jié)合，未對(duì)電機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行入檔與監(jiān)控，以使相關(guān)人員能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地獲取各類質(zhì)量信息。由于數(shù)據(jù)不能及時(shí)統(tǒng)計(jì)分析，異常不能及時(shí)改善解決，故時(shí)效性差，無(wú)法起到預(yù)防的目的。對(duì)微特電機(jī)生產(chǎn)工序采用統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制方法，通過(guò)SPC控制圖和SPC監(jiān)控圖對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行分析，提高產(chǎn)品良品率和質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（StatisticalProcessControl，簡(jiǎn)稱

SPC）技術(shù)仍處于起步階段，統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制是使用各種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)生產(chǎn)制造各個(gè)階段中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用繪制得到控制圖來(lái)判定生產(chǎn)過(guò)程是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，適用面廣，既可針對(duì)計(jì)數(shù)性數(shù)據(jù)，也可針對(duì)計(jì)量型數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析來(lái)評(píng)價(jià)和控制生產(chǎn)狀態(tài)。它是過(guò)程控制的一部分，從兩個(gè)方面來(lái)實(shí)施。1）通過(guò)對(duì)要分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理地分組和收集，建立分析用控制圖和控制用控制圖，通過(guò)八項(xiàng)判異準(zhǔn)則來(lái)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控；結(jié)合其他質(zhì)量工具分析生產(chǎn)過(guò)程發(fā)生異常的原因，及時(shí)進(jìn)行工藝、參數(shù)、材料等因素的調(diào)整。2）通過(guò)對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)程能力指數(shù)的分析和判斷，判定生產(chǎn)過(guò)程的過(guò)程能力，根據(jù)管控要求進(jìn)行比對(duì)和分析，提供及時(shí)的預(yù)警。2

數(shù)字化車(chē)間建設(shè)背景國(guó)內(nèi)某微特電機(jī)制造公司主要經(jīng)營(yíng)范圍包括電機(jī)、電器設(shè)備、空調(diào)配件、機(jī)電設(shè)備及電子元件的制造和銷(xiāo)售，自營(yíng)或代理各類商品和技術(shù)的進(jìn)出口業(yè)務(wù)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)診斷后發(fā)現(xiàn)，雖然公司生產(chǎn)車(chē)間設(shè)備眾多，自動(dòng)化程度較高，但設(shè)備聯(lián)網(wǎng)率相對(duì)較低，數(shù)據(jù)沒(méi)有統(tǒng)一的接口進(jìn)行管理，在生產(chǎn)良品率和產(chǎn)品庫(kù)存方面存在較多問(wèn)題。根據(jù)《智能制造能力成熟度模型》（GB/T39116—2020）、《智能制造能力成熟度評(píng)估方法》（GB/T39117—2020）對(duì)企業(yè)的數(shù)字化、智能化水平進(jìn)行評(píng)估，得分1.67，企業(yè)目前處于第一級(jí)已規(guī)劃級(jí)，接近規(guī)范級(jí)階段。智能制造得分雷達(dá)如圖1所示。圖1智能制造得分雷達(dá)企業(yè)目前迫切的需求如下。1）對(duì)老設(shè)備的改進(jìn)，除了購(gòu)置一批新機(jī)器之外，需要對(duì)能夠升級(jí)的舊設(shè)備進(jìn)行升級(jí)。2）對(duì)工藝流程的改進(jìn)，提高產(chǎn)品的良品率和質(zhì)量。3）減少流水線的人員使用，達(dá)到減員增效的目的，更加合理地利用資源，增加效益。在電機(jī)的生產(chǎn)車(chē)間（見(jiàn)圖2）中，電機(jī)零部件生產(chǎn)過(guò)程通過(guò)人工輸入數(shù)據(jù)，工作量大，數(shù)據(jù)錄入錯(cuò)誤不易檢出，易出錯(cuò)。公司生產(chǎn)的定子由人工檢測(cè)，效率低、易出錯(cuò)，且不能?chē)?yán)格按判異規(guī)則執(zhí)行。生產(chǎn)管理人員無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中由特殊原因?qū)е碌漠惓＃矡o(wú)法為電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供科學(xué)決策和改進(jìn)依據(jù)。因此公司迫切需要深入分析電機(jī)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的良品率和質(zhì)量。圖2生產(chǎn)車(chē)間3

總體建設(shè)方案此次針對(duì)公司車(chē)間智能化改造的建設(shè)不僅僅是自動(dòng)化、數(shù)字化的生產(chǎn)設(shè)備設(shè)施，還需要有信息系統(tǒng)的部署和管理技術(shù)的應(yīng)用[8]。一般離散型企業(yè)的數(shù)字化工廠應(yīng)用體系如圖3所示。該應(yīng)用體系把企業(yè)數(shù)字化車(chē)間整體劃分為人力平臺(tái)、供應(yīng)鏈平臺(tái)、財(cái)務(wù)平臺(tái)、企業(yè)資源平臺(tái)、銷(xiāo)售平臺(tái)、生產(chǎn)平臺(tái)、倉(cāng)儲(chǔ)物流平臺(tái)和研發(fā)平臺(tái)。

為了解決現(xiàn)階段存在的問(wèn)題，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的良品率和質(zhì)量，重點(diǎn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套SPC系統(tǒng)。根據(jù)企業(yè)現(xiàn)狀，SPC系統(tǒng)主要需求如下。1）增加SPC界面，主界面包含整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)線的選擇，選擇后進(jìn)入具體的產(chǎn)品生產(chǎn)線。2）首頁(yè)為整條生產(chǎn)線的Layout，制作質(zhì)量看板，相關(guān)產(chǎn)品工藝階段質(zhì)量監(jiān)控。當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警后，可點(diǎn)擊進(jìn)入到對(duì)應(yīng)的工藝階段的監(jiān)控曲線。3）SPC參數(shù)變更記錄，改變SPC參數(shù)上下限、保存SPC參數(shù)的操作，記錄3年數(shù)據(jù)。4）SPC參數(shù)設(shè)定值被修改時(shí)記錄。5）SPC參數(shù)實(shí)際值記錄，數(shù)據(jù)記錄來(lái)自產(chǎn)線各類PLC、傳感器和數(shù)據(jù)庫(kù)等。6）關(guān)鍵參數(shù)點(diǎn)配置，上下限管理、異常管理。7）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表，以圖表形式展示查詢。4

系統(tǒng)架構(gòu)為加強(qiáng)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)線生產(chǎn)質(zhì)量的全過(guò)程監(jiān)控、預(yù)警和分析，進(jìn)一步提高電機(jī)產(chǎn)品的合格率，提供了SPC系統(tǒng)方案，其架構(gòu)如圖4所示。SPC系統(tǒng)主要分為三層：后臺(tái)涉及電機(jī)的生產(chǎn)加工和檢測(cè)測(cè)試產(chǎn)線，包括人員、設(shè)備、系統(tǒng)三部分，人員包括生產(chǎn)人員和檢測(cè)人員，設(shè)備包括生產(chǎn)電機(jī)零部件的設(shè)備，系統(tǒng)包括MES、ERP等軟件系統(tǒng)；業(yè)務(wù)中臺(tái)主要是業(yè)務(wù)建模和SPC分析，包括自動(dòng)焊錫機(jī)、電動(dòng)自動(dòng)檢測(cè)臺(tái)等自動(dòng)化設(shè)備的狀態(tài)等的信息收集和生產(chǎn)物料、關(guān)鍵工序參數(shù)等的SPC分析；前臺(tái)通過(guò)產(chǎn)線圖、控制圖和監(jiān)控圖等工具進(jìn)行SPC分析與控制。圖4SPC系統(tǒng)架構(gòu)5

數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析該方案的SPC系統(tǒng)提供多樣化數(shù)據(jù)采集方式（見(jiàn)圖5），可以滿足公司多種自動(dòng)化程度不同的生產(chǎn)設(shè)備以及實(shí)現(xiàn)與企業(yè)不同系統(tǒng)間的對(duì)接。圖5數(shù)據(jù)采集方式（1）數(shù)據(jù)采集測(cè)量?jī)x器根據(jù)公司現(xiàn)有設(shè)備條件不同，分別采用不同的方式進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，測(cè)量數(shù)據(jù)保存在ASC、CSV或XLS格式的文件中，之后采用自動(dòng)讀取文件的方式進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)采集；采集端實(shí)時(shí)監(jiān)控放置數(shù)據(jù)的文件，當(dāng)有新數(shù)據(jù)傳入時(shí)，采集端軟件自動(dòng)錄入并將數(shù)據(jù)解析后實(shí)時(shí)上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)中。（2）手工錄入方案對(duì)于計(jì)數(shù)型數(shù)據(jù)的采集，其數(shù)據(jù)格式為合格與不合格，對(duì)于此類型質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集則主要通過(guò)鍵盤(pán)人工錄入到系統(tǒng)進(jìn)行SPC數(shù)據(jù)分析。（3）從Excel導(dǎo)入數(shù)據(jù)在Excel中按照公司規(guī)定的格式填入數(shù)據(jù)，保存后，采集端軟件會(huì)自動(dòng)讀取Excel文件，達(dá)到錄入數(shù)據(jù)的效果。（4）有RS232或RS485串口對(duì)于計(jì)量型數(shù)據(jù)的采集，其數(shù)據(jù)格式為具體的數(shù)據(jù)，主要通過(guò)與數(shù)字化量?jī)x接口（主要包括

RS232、RS458）的多路擴(kuò)展器以及數(shù)字化檢測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)多種數(shù)字化量?jī)x對(duì)質(zhì)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集。（5）其他系統(tǒng)對(duì)接SPC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)后臺(tái)創(chuàng)建臨時(shí)表，由其他系統(tǒng)在滿足SPC計(jì)數(shù)類數(shù)據(jù)采集的規(guī)則的條件下插入相關(guān)的數(shù)據(jù)到臨時(shí)表中供SPC提取。SPC的數(shù)據(jù)分析模塊提供了多種圖形分析方法，如SPC監(jiān)控圖（見(jiàn)圖6）和SPC控制圖（見(jiàn)圖7）。圖6SPC監(jiān)控圖7SPC控制在監(jiān)控圖頁(yè)面中點(diǎn)擊產(chǎn)線將顯示產(chǎn)品產(chǎn)線總體預(yù)覽圖，既可通過(guò)點(diǎn)擊具體的SPC特征點(diǎn)進(jìn)入SPC特征監(jiān)控頁(yè)面，也可以通過(guò)點(diǎn)擊相應(yīng)圖標(biāo)進(jìn)入特征監(jiān)控頁(yè)面，產(chǎn)線Layout界面放置狀態(tài)Logo，當(dāng)區(qū)域內(nèi)SPC參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，提示報(bào)警?？刂茍D的理論基礎(chǔ)主要有下述四個(gè)方面[9]。（1）假設(shè)檢驗(yàn)假設(shè)檢驗(yàn)中，首先需要提出原假設(shè)與備擇假設(shè)，確定用于分析的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，如均值、極差，并確定檢驗(yàn)的顯著性水平；收集數(shù)據(jù)，計(jì)算出檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的結(jié)果；確定與此檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量相關(guān)的分布，接著以原假設(shè)為前提，比較檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量與其相關(guān)分布，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的分析；最后要評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，衡量虛發(fā)警報(bào)或漏發(fā)警報(bào)的后果，并做出合適的結(jié)論。（2）分布假設(shè)在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，影響產(chǎn)品質(zhì)量的因素主要有偶然因素和異常因素。偶然因素是必然存在，不可消除的，但影響微小，并且它決定了質(zhì)量特性值服從某種典型分布；而異常波動(dòng)導(dǎo)致偏離這種典型分布，但可以被消除。通過(guò)對(duì)穩(wěn)態(tài)過(guò)程的抽樣分析發(fā)現(xiàn)，絕大部分的計(jì)量型質(zhì)量特性值都服從或近似服從正態(tài)分布N（μ，σ2）；計(jì)件質(zhì)量特性值服從二項(xiàng)分布；計(jì)點(diǎn)質(zhì)量特性值服從泊松分布。（3）3σ

原理若質(zhì)量特性值是計(jì)量型數(shù)據(jù)，服從正態(tài)分布N（μ，σ2），則消除了過(guò)程中的異常因素后，質(zhì)量特性值落在μ±3σ

的概率為99.73%，控制上限為μ＋3σ，中心線為μ，控制下限為μ－3σ。如果點(diǎn)落在控制上限之上或控制下限之下，我們就判斷為異常，這正是基于下面的小概率事件原理。（4）小概率事件原理小概率事件原理，即指概率很小的事件在一次試驗(yàn)中實(shí)際上幾乎是不可能發(fā)生的。然而現(xiàn)在一個(gè)概率很小的事件在一個(gè)過(guò)程中發(fā)生了，故有理由懷疑其正確性。SPC控制圖顯示的是歷史信息，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以便分析產(chǎn)線的產(chǎn)品生產(chǎn)情況。SPC控制圖對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集和分析，并在頁(yè)面中顯示Xbar-R圖、樣本圖、能力直方圖、分布圖和能力圖，可以通過(guò)選擇不同的時(shí)間段以得到該時(shí)間段的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)。使用公司自己設(shè)定的希望值進(jìn)行分析，可以設(shè)置相關(guān)的USL與LSL，點(diǎn)擊應(yīng)用得到對(duì)應(yīng)的分析數(shù)據(jù)。此外，通過(guò)系統(tǒng)可以獲取對(duì)應(yīng)時(shí)間段的OoC（OutofControl）報(bào)警信息和顯示所選擇時(shí)間段內(nèi)分析的樣本數(shù)據(jù)，并可以導(dǎo)出成Excel。6

效益分析SPC系統(tǒng)部署完成后，為質(zhì)量分析和生產(chǎn)異常追蹤提供了大量實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，成為質(zhì)量控制管理的有效手段。該系統(tǒng)取得的效益主要體現(xiàn)在以下方面。（1）滿足質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)需求SPC系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程重要數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行匯總，為技術(shù)人員提供質(zhì)量分析數(shù)據(jù)，方便一線操作人員及時(shí)了解生產(chǎn)情況，為質(zhì)量控制提供支持。（2）滿足技術(shù)人員需求之前電機(jī)零部件生產(chǎn)過(guò)程中主要通過(guò)人工輸入數(shù)據(jù)，工作量大，數(shù)據(jù)錄入錯(cuò)誤不易檢出，易出錯(cuò)。實(shí)施SPC系統(tǒng)后技術(shù)人員享有詳實(shí)的過(guò)程數(shù)據(jù)，不需要再匯總數(shù)據(jù)，可以專注于質(zhì)量控制。（3）對(duì)質(zhì)量的改進(jìn)實(shí)施SPC質(zhì)量管理模塊之后，在質(zhì)量管控水平方面取得顯著提升