CN102540944A - 嵌入式多功能统计过程控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种嵌入式多功能统计过程控制装置及方法，包括处理器、工控主板、操作系统，还包括基础资料模块，数据录入模块，内设有控制限计算器与比较器的数据处理中心，SPC图形生成模块，报警模块；所述基础资料模块至少包含有数据的层次信息、SPC控制基础、质控点及参数的信息；所述控制限计算器对采集到的一定数量和时间段内的数据应用统计过程控制技术检测数据的分布特性，计算出控制限并存贮，所述比较器按SPC控制基础的判异规则将数据与控制限比较。本发明将SPC统计过程控制系统嵌入在嵌入式工业控制设备中的，实现软硬件无缝集成，系统能够快速、精确地完成基于统计原理的各种质量数据分析，适应不同制造系统的特定要求，实现了对产品过程的质量控制。

Description

嵌入式多功能统计过程控制装置及方法

技术领域

本发明涉及数据处理技术领域，更具体地说，涉及一种嵌入式多功能统计过程控制装置及方法。

背景技术

微电子技术和制造业应用软件技术的发展使传统工业化意义上的机械化、电气化、自动化的生产装备具备数字化、智能化、网络化的特征，制造业应用软件是信息化与工业化的融合剂。目前，已经有很多的企业把信息化的工作当成企业发展的一个重要组成部分，但是因为技术上的一些发展限制，企业实施信息化的过程当中，硬件和软件大部分是分离的，严重的甚至造成实际应用上的脱节，应用软件不能很好地发挥作用，甚至系统一上线就没再使用，即使已经实施现代化信息管理系统的企业，也因为制造业本身的特点，只能手工录入生产数据或需要把普通的PC机用于工业生产现场，加上目前Windows操作系统本身固有的不稳定等因素，使得系统的使用、维护费用都很高。在企业的内部生产部门，管理者为了掌控产品的整体生产状况，建立预防不合格的机制，常使用统计过程控制的方法(StatisticalProcess Control，SPC)，它是以大量数据和事实为基础，通过收集过程信息并加以分析，借助数理统计技术，及时地发现异常状况，以便采取措施加以消除异常和改善工序，追求完美的质量管理方法，目前虽然涌现了许多关于SPC的软件，但鉴于上述信息化与工业化结合存在的不足，在应用上受到一定的限制。

发明内容

本发明目的为了克服上述已有技术存在的不足，提供一种嵌入式多功能统计过程控制装置及方法，为企业的产品质量管理提供良好工具。

本发明采用的技术方案是：嵌入式多功能统计过程控制装置，包括处理器、工控主板、操作系统，还包括：

基础资料模块，至少包含有数据的层次信息、SPC控制基础、质控点及参数的信息；

数据录入模块，包括手工数据录入模块、文件或数据库导入模块、仪器设备数据采集模块的一种或多种；

数据处理中心，内设有控制限计算器与比较器，所述控制限计算器对采集到的一定数量和时间段内的数据应用统计过程控制技术检测数据的分布特性，计算出控制限并存贮，所述比较器按SPC控制基础的判异规则将数据与控制限比较；

SPC图形生成模块，将数据在对应层次的控制限图作标示；

报警模块，对由数据处理中心检测到异常的数据情况报警。

上述的嵌入式多功能统计过程控制装置，还包括报表输出模块，由数据处理中心处理采集到的数据并生成生产管理用的统计报表。

上述的嵌入式多功能统计过程控制装置，所述工控主板包括CPU模块、IDE硬盘、内存、显示模块、电源模块，还包括以太网连接模块，外接WiFi的无线网络模块，触摸屏接口模块、USB接口模块，所述以太网连接模块、无线网络模块、触摸屏接口模块、USB接口模块均与CPU连接。

上述的嵌入式多功能统计过程控制装置，包括CPU模块、IDE硬盘、内存、显示模块、电源模块，其特征在于：还包括以太网连接模块，外接WiFi的无线网络模块，触摸屏接口模块、USB接口模块，所述以太网连接模块、无线网络模块、触摸屏接口模块、USB接口模块均与CPU连接。

上述的嵌入式多功能统计过程控制装置，所述CPU模块还连接有红外遥控模块、摄像头连接模块、音频模块。

上述嵌入式多功能统计过程控制装置的控制方法，包括以下步骤：

1)分析产品制造过程，确定质控点及其参数；

2)将产品品种、工序、质控点、参数、不良代码信息分层设置；

3)按层次选择合适的控制图类型；

4)基础数据采集并分析，数据判稳；

5)将采集到的稳定数据计算控制限；

6)日常制程数据采集并判稳，若过程稳定则继续监控，若出现数据不稳则触发报警。

上述的多功能统计过程控制方法，在基础数据采集、分析并判稳的步骤后确定制程工序能力。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明建立了一套具有一定实用性的软件应用系统，将SPC统计过程控制系统嵌入在嵌入式工业控制设备中的，实现软硬件无缝集成，系统应用是架构在软件和硬件高度集成基础之上，同时具备PC机强大功能和嵌入式系统的优势，应用到生产制造业的制造装备上，它能够快速、精确地完成基于统计原理的各种质量数据分析，适应不同制造系统的特定要求，实现了对产品过程的质量控制。

2)本发明以功能强、功耗低、性能高、接口多、分辨率高等特点的智能工控主板作为工业控制设备整套系统最底层的支撑件，内嵌Windows CE操作系统，同时将SPC技术和产品质量控制进行了有机结合，针对SPC的实际应用，采用c#高级编程语言对其模拟软件的设计进行分析，建立控制模型。

3)本发明具有多语言支持、系统分层信息任意定制、产品和质量控制点无限扩展、多报警方式、判断异常的规则可调整、全面权限管理机制、并支持ERP系统等功能，系统功能强大实用。

附图说明

图1是本发明嵌入式多功能统计过程控制装置的工控主板结构示意图；

图2是本发明嵌入式多功能统计过程控制装置结构框架图；

图3是本发明嵌入式多功能统计过程控制装置工作流程图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1-3，SPC统计过程控制技术应用于使用多维数据表示为一量值的企业指标，系统可检测企业生产过程中潜在的工序能力及规律，并可监测其根本性的变化，因此可通过报警向企业的生产管理者通知某质控点的潜在的变异趋势，通过纠正、预防措施使产品的质量得到提升。本发明的嵌入式多功能统计过程控制装置将SPC控制技术与计算机控制技术完美结合，为企业的产品质量管理提供良好工具。

工业控制器主板包括CPU模块1、IDE硬盘、内存9、显示模块2、电源模块，还包括以太网连接模块3，外接WiFi的无线网络模块4，触摸屏接口模块12、USB接口模块5、红外遥控模块7、摄像头连接模块6、音频模块11、外置存储器8、声卡10，上述模块或外设均与CPU连接。在IDE硬盘内嵌有Windows CE操作系统。主板采用RMI公司AU1250处理器，以3.5英寸(146mm x 102mm)主板作为工业控制器整套系统最底层的支撑件，内嵌Windows CE操作系统，可以进行各类应用程序的开发和使用，应用到各行各业。RMI公司的AlchemyAu1250系列处理器，是一个低功耗、高性能的片上系统解决方案，面向多功能便携式媒体播放器(mPMP)、移动信息娱乐设备、家庭数字媒体适配器(DMA)、导航设备、医疗电子以及工业应用，Au1250处理器支持MPEG-1、MPEG-2、4wmv9、DivX和Xvid全D1(720x480)视频30fps流畅播放，处理器接口丰富，功能强大，支持最大1280x1024分辨率，特别适合于一般ARM处理器无法满足的高性能应用，其SoC架构整合了大部分外围设备，因而极大地降低了材料成本。工控主板主板上集成以下硬件：电源、CPU、RTC、FLASH、DDR2 SDRAM、以太网、WiFi、USB2.0、RS232/RS485串口、CF/SDHC/MMC/xD/MS卡、IDE硬盘、声卡、功放、触摸屏控制器、8x8键盘、红外遥控、VGA、LCD驱动、背光控制、Camera等。操作系统采用Microsoft公司生产的Windows CE嵌入式操作系统，该系统是一种紧凑、高效、可伸缩的32位的操作系统，可根据实际需要作功能裁剪，主要面向各种嵌入式系统和产品。它所具有的多线程、多任务、完全抢占式的特点是专为各种有很严格资源限制的硬件系统所设计的。由上述科学配置可达到以下技术指标，为SPC控制系统提供有力的支持：

(1)支持7到15英寸以上手写触摸屏；

(2)可防病毒侵入，维护方便；

(3)低功耗，大约为普通PC的1/10，大大节约电能，相对一般PC，每台每年能为企业节约电能约2000人民币；

(4)硬件体积小，可安放在工作台中，也可安装在设备中，节约工厂场地空间；

(5)稳定性高，比普通PC具有更高的安全防护等级；

(6)与普通PC相比较，维护成本低廉，系统有自我保护机制；

(7)通过扩展可同时接入多个设备，支持USB接口，以太网口，RS232/RS485，及无线传输功能。

为了科学地对数据进行统计分析，寻找关键控制点的品质影响要素，预防不良品产生，以达到降低质量成本、提高产品质量的目的，整个系统由以下模块构成：

(1)数据录入模块，包括手工数据录入、文件或数据库导入、仪器设备数据采集，完成企业所生产产品的各控制点的数据采集及录入。

(2)基础资料模块，包括：

层次信息录入——完成生产过程中的层次信息，使得过程控制时可以分层次进行多方位的控制，比如批次、设备、人员、班次、客户等信息。

质控点及参数录入——完成每一产品关键控制参数信息的录入。

用户信息资料录入——完成系统使用用户基本信息的录入，包括系统的操作权限等。

SPC控制基础资料录入——完成对SPC理论指导信息的录入，包括控制图基本信息(规格限、控制限、样本容量、工序能力判定标准等)、判异规则等信息的录入。

(3)SPC图形生成——包括运行图的生成及查看模块，完成对运行趋势图的查看和分析；控制图生成及查看模块，完成对控制图的查看和分析；工序能力分析图生成及查看模块，完成对工序能力分析图的查看和分析。

(4)报表和指导文件输出模块——完成经过汇总、统计和分析后的结果，并指导生产。

(5)实时报警模块——完成对生产过程中生产数据的即时警告，预防质量事故的发生。报警模块对照控制界限参数值比较录入或设备获取数据，以确定是否存在超界限的情况，如果超出界限，则触发报警。报警的方式由用户选择，在系统内预设，如发送报警电子邮件、短信服务、亮报警指示灯等等。

系统内还设有维护模块，用于完成对系统数据的维护，比如初始化、数据备份和数据恢复等。

本发明使用c#作为编程语言，Visual Studio 2008为开发环境，Microsoft SQL Server 2000为后台数据库。因为WinCE开发都是大家熟悉的VC++环境，方便快速，微软的强大技术支持，它的开发难度远低于嵌入式Linux，与WindowXP、Win2000的同族性，保证了原来在PC机上开发的程序可容易移植到嵌入式系统中；最新的Visual Studio 2008已经支持基于Compact Framework下的WindowsCE应用程序的开发，加上Windows CE可以由Win32应用程序便利迁移过来，将已经研究出来的基于Windows下的SPC基础框架程序和基础类等能通过Visual Studio 2008的开发移植到Windows CE的应用当中，再根据Windows CE下应用程序的实际要求再作必要的调整和改进，加上功能的扩充得以形成。通过以上方案实现SPC统计过程控制系统嵌入式工业控制设备中的嵌入，达成软硬件无缝集成的应用。另外，程序开发完成后，将程序系统跟需要的一些组件和Windows CE操作系统及相关部件，一起编译打包集成，一次性烧入嵌入式工业控制设备中。这样使得系统维护方便，免受病毒等外界因素干扰，从而稳定工作。

本发明的软件设计通过建立数学模型，当系统接收来自各种输入模块的数据后，由SPC数据处理中心处理数据、生成SPC控制图，从而为管理者提供准确、直观的质量管控手段。下面详细介绍本系统SPC控制图的生成及判异准则。SPC控制图主要分为变量(Variablechart)图和属性(Attribute chart)图和预测图(Capabilitychart)。控制图中都有三条控制线，即控制上限USL，控制中心线SL和控制下限LSL，采用以下计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{USL}=\mathrm{\μ}=3\mathrm{\σ}\\ \mathrm{SL}=\mathrm{\μ}\\ \mathrm{LSL}=\mathrm{\μ}-3\mathrm{\σ}\end{array}\right.$ μ：平均值或标准值  σ：标准偏差

系统利用SPC技术来计算控制限从而测度、分析过程的变化。通常，使用控制限计算器来完成该功能，首先，系统将一段时间范围内的使用至少100个数据点，通过SPC技术计算控制上限和控制下限、平均值，并生成控制图，控制图上通常显示出控制上限、控制下限、中心线(平均值)三条水平线，并在图形上标出各数据点所在位置。系统设定的SPC控制图常用的图表有：不良率控制图、缺陷数控制图、均值控制图、标准差控制图、极差控制图等。

其中，缺陷数控制图基于泊松过程，可方便地监视等量样本的“缺陷”数量，适用于需要对发生不良报告计数进行图示。而均值和极差控制图则常用于日常的生产过程控制。

先取一定区间的数据作为预备数据，数据数目N最好有100个以上。按时间把N分为每有n＝4、5个的k＝20～25组并列成表格，Xmax为数据组中的最大值，Xmin为数据组中的最小值，对数据按以下公式进行运算：

数据结构的设计统一将5个实测值作为一组数据组。为了使绘图以及最后的计算更加便捷，需要将所有的数据组内容存储下来。使用容器可以动态地加入对象。此外，为了方便绘图和提供热点查询(点击坐标轴上的数据点显示该数据点所处的数据组的详细信息)，编写一个数据类(DetailData)，用来保存数据组的详细信息，包括数据组中的5个基本数据值、数据组均值(即处于这个数据组的数据点的值)、数据组极差值、采集日期和时间以及异常情况的描述。再编写一个属性类(Pointer)，这个类描述的是数据点属性，包括横坐标值x、纵坐标值y、异常情况、是否符合规格、数据组具体信息的对象。

成功测量一组数据时，首先生成数据类的一个对象，记录数据组的信息，包括5个基本数据、数据组的均值和极差、采集日期和时间以及异常情况(若无，则为正常)。然后根据数据组的均值计算出相应的坐标值，符合规格情况，则生成一个属性类的对象，加入到容器中。若出现异常情况，同样生成数据类的一个对象，将数据组的基本信息设定为5个基本数据、均值和极差都为0，设定采集日期和时间以及相应的异常情况。纵坐标值为纵坐标轴的最小值，设定其不符合规格，同样生成一个属性类的对象，加入到容器中。这样，能够比较简单方便地进行之后的绘图和统计计算。

在模拟实测前，由系统先根据数据范围计算数据的数学期望(mu)，由用户输入标准差(sig)，用函数方法产生具有标准正态分布的数据，再由系统生成对应的非标准的服从数学期望为mu、方差为sig平方的正态分布的数据。

在测量了100个呈正态分布的数据后，系统自动计算数据的平均值、标准差等相应的统计数据和性能指标并显示。这一步验证程序的正确性。之后的数据便由系统随机生成。实测值的范围在数值加上差和数值减下差之间，C#中有函数方法产生随机数，设计时采用的是产生大于0、小于上差的随机值，以及产生大于下差、小于0的随机值，将数值和这两者相加，得出实测值。这样设计能够尽量多地产生中间范围的数值，尽可能做到使数据正态分布。

SPC控制基础模块内还须设定判异规则和控制限调整规则。控制限计算器需在已有的数据中查找趋势，如果出现以下情况：

●个别点在控制上限之上或控制下限之下

●连续9点在中心线同一侧

●存在连续上升或连续下降的六个数据点

●连续14点相邻点上下交替

●七个点全部高于或低于平均值

●出现数据循环或其它非随机模式

上述情况需重新计算控制限，例如，出现个别超界限时，先将可疑点剔除，若重新计算后新的控制限和平均值后，数据点的分布更好(在平均值两侧有大致等量的数据点)，则可认为新的控制限更合适，具有更高的可信度。如果出现存在连续上升或连续下降的七个数据点，则通常可认为是数据已经出现显著的变化，需企业管理人员更多的关注。

Claims (7)

1.嵌入式多功能统计过程控制装置，包括处理器、工控主板、操作系统，其特征在于：还包括：

基础资料模块，至少包含有数据的层次信息、SPC控制基础、质控点及参数的信息；

数据录入模块，包括手工数据录入模块、文件或数据库导入模块、仪器设备数据采集模块的一种或多种；

数据处理中心，内设有控制限计算器与比较器，所述控制限计算器对采集到的一定数量和时间段内的数据应用统计过程控制技术检测数据的分布特性，计算出控制限并存贮，所述比较器按SPC控制基础的判异规则将数据与控制限比较；

SPC图形生成模块，将数据在对应层次的控制限图作标示；

报警模块，对由数据处理中心检测到异常的数据情况报警。

2.根据权利要求1所述的嵌入式多功能统计过程控制装置，其特征在于：还包括报表输出模块，由数据处理中心处理采集到的数据并生成生产管理用的统计报表。

3.根据权利要求2所述的嵌入式多功能统计过程控制装置，其特征在于：所述工控主板包括CPU模块、IDE硬盘、内存、显示模块、电源模块，还包括以太网连接模块，外接WiFi的无线网络模块，触摸屏接口模块、USB接口模块，所述以太网连接模块、无线网络模块、触摸屏接口模块、USB接口模块均与CPU连接。

4.根据权利要求3所述的嵌入式多功能统计过程控制装置，其特征在于：包括CPU模块、IDE硬盘、内存、显示模块、电源模块，其特征在于：还包括以太网连接模块，外接WiFi的无线网络模块，触摸屏接口模块、USB接口模块，所述以太网连接模块、无线网络模块、触摸屏接口模块、USB接口模块均与CPU连接。

5.根据权利要求4所述的嵌入式多功能统计过程控制装置，其特征在于：所述CPU模块还连接有红外遥控模块、摄像头连接模块、音频模块。

6.一种嵌入式多功能统计过程控制方法，其特征在于包括以下步骤：

1)分析产品制造过程，确定质控点及其参数；

2)将产品品种、工序、质控点、参数、不良代码信息分层设置；

3)按层次选择合适的控制图类型；

4)基础数据采集并分析，数据判稳；

5)将采集到的稳定数据计算控制限；

6)日常制程数据采集并判稳，若过程稳定则继续监控，若出现数据不稳则触发报警。

7.根据权利要求6所述的嵌入式多功能统计过程控制方法，其特征在于：在基础数据采集、分析并判稳的步骤后确定制程工序能力。

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