信息化熱處理車間方案設計

劉 越

(天津卓朗科技發展有限公司,天津 300457)

熱處理車間通過各種熱處理設備對金屬工件進行特殊處理以達到不同的性能,熱處理車間對器械制造業來說至關重要,尤其是軍工、航天、船舶等涉及特殊金屬材料的行業。現有大多數熱處理車間設備數量與種類眾多,環境比較惡劣、車間信息化程度不高,設備狀態監控不及時,設備數據與產品品質數據無法追溯,管理與生產維護人員無法及時得知車間整體狀況與設備狀態。一個信息化的車間能夠很好地改善上述情況,并能極好地提高生產效率。

1 PMC系統

生產監控(production monitoring &control,簡稱PMC)系統,主要作用是生產過程中設備的實時監控。顯示設備狀態、元器件運行情況、傳感器參數和報警信息以及參數記錄和追溯。

1.1 數據采集

車間各種設備的PLC型號各不相同,上位機軟件很難直接采集數據,首先通過以太網將PLC設備、工控機和服務器連接到車間的同一局域網絡,然后需要通過OPC軟件(如KEPServerEX6)將各個設備的數據采集上來以供PMC系統和其他系統使用。如果現有車間設備plc和控溫儀表沒有通信功能則需增加相應的通信模塊。

1.2 生產監控畫面

生產畫面可分為三級(見圖1),一級畫面為車間總覽,將車間的整體布局在畫面中體現出來,各個設備分布盡量與現實分布一致,通過顏色來區分各個設備的運行情況,如紅色代表設備出現故障或報警,綠色代表正常運行。點擊設備進入其相應的二級畫面,二級畫面則顯示設備的具體運行情況,如各個傳感器的信號,電機的運行情況與運行頻率,加熱器的運行情況與輸出百分比,儀表的當前溫度與設定溫度等。畫面下方則顯示設備的實時報警欄,以便觀察設備的具體報警信息。二級畫面中增加三級畫面的跳轉按鈕,三級畫面則顯示設備的具體參數,如儀表PID值,當前運行的工藝曲線、儀表送檢時間、爐溫均勻性測試時間與參數、電能表數據等。通過三個等級的畫面內容使維修管理人員能在中控室把控車間設備的整體運行狀況。為了方便車間人員查看,也可在車間內增加客戶端以方便查詢。可以通過不同的賬戶來管理不同的權限,相應權限的賬戶只能做相應的操作,防止誤操作的情況發生。

圖1 PMC系統生產監控畫面

1.3 實時報警

通過實時報警控件的配置,來實現在畫面上對設備報警信息的實時監控(見圖2)。配置報警時應做好篩選功能,相應畫面內的報警控件只顯示對應設備的報警信息。報警信息需要分級別提示,可用顏色區分顯示,如重要故障、輕微故障與警告等。也可以在報警的備注中寫出報警發生時的處理方式,以便中控室人員提示現場維修與操作人員迅速處理現場狀況。實時報警在每個二級畫面之外需要做一個單獨的總體報警頁面,能顯示整個車間的所有報警信息,并做好篩選按鈕,通過不同的按鈕篩選不同設備的報警信息,方便查詢。也可以做好確認按鈕,點擊單條報警確認,則此報警顏色改變為不同顏色,表示已經確認過此報警信息。

圖2 報警信息畫面

1.4 歷史報警與重要設備參數存儲

為了做到數據可追溯,需要將報警信息歸檔記錄,同時還要需將一些重要的設備參數歸檔記錄,如控溫儀表的溫度,溫度記錄儀的溫度與風機的轉速等(見圖3)。一旦設備出現問題或者工件品質出現問題后,可通過相應的報表追溯相應時間段的數據。如數據需保存更長的時間則可以將數據上傳到數據庫中,并定期備份數據庫數據防止數據庫損壞數據丟失,以便實現長達幾年或十幾年的數據追溯。

圖3 PMC系統溫度記錄曲線

1.5 加熱工藝曲線集中管理

工藝曲線是工件質量的關鍵,它控制著設備如何升溫以及加熱時長,熱處理車間小型的熱處理設備一般都是選擇智能溫控儀表來控制加熱,這類儀表的工藝曲線設定一般比較復雜,像溫度、升溫時間、保溫時間、斜率等參數非常容易出錯,一旦出錯,將給工件品質帶來嚴重影響。

在上位機軟件中開發相應的功能來集中管理,讓參數設置界面變得簡潔、直觀。可通過按鈕來控制儀表選擇本地模式還是遠程模式,本地模式則可以通過儀表本身設置參數,而遠程模式則需通過上位軟件來設置參數,可做到靈活切換。工藝員可提前將不同工件所需要的工藝曲線參數提前設置好存儲起來,并上傳到數據庫中以防止本地數據丟失,這樣當設置時,可直接通過工件名稱篩選出相應的工藝曲線參數,能直接下發到儀表或PLC中。工藝發生更改時也可以隨時調整存儲的工藝曲線參數,這需要具有相應修改權限的賬戶才可以。

當設備啟動和關閉時則觸發相應的腳本記錄當前設備執行的工藝曲線名稱、參數與運行時間,并將數據存儲到數據庫中。這樣結合溫度曲線的記錄就能清楚地得知生產工件時設備具體的運行情況。

1.6 設備參數智能分析提示

通過后臺數據分析來得出相應的結論,用來提示管理維修人員設備可能存在什么問題,或將會發生什么問題,以便提前檢查并處理。防止設備問題變得越來越嚴重,使工件品質受到影響。例如當每次升溫時,爐溫都會超過設定溫度5 ℃以上,或者在保溫階段的溫度曲線波動較大,則提示設備PID參數不是最佳請做自整定或重新調整PID參數。當2個加熱區以上的設備運行時,某加熱區顯示溫度超過設定值且加熱器不工作,而相鄰加熱區加熱器功率輸出較高時則提示相鄰加熱區密封性可能出現問題。這些分析提示可以幫助維修人員及時解決設備存在不易察覺的問題。采集分析的數據需要排除偶然情況,多次得出相同結論時才會提示。可以在PMC畫面中開發單獨的提示頁面,用來顯示這些信息。

1.7 量具數據上傳系統

針對硬度檢測和尺寸測量等器具,開發對應的接口如藍牙或者無線網等對接平板電腦,用專用的APP將工件名稱和所對應的參數直接上傳到數據庫中記錄。在PMC畫面中開發查詢界面以方便查詢數據。

2 Andon系統

Andon系統[1]作為精益生產制造管理的一個核心工具, 在制造過程中出現品質問題,或設備問題時能立即通過LED屏幕和聲音廣播將信息傳遞出去,使管理人員和維修人員迅速了解車間所發生的狀況,并快速解決問題,保證生產平穩進行,提高生產效率。

Andon系統作為生產全過程組織的一個輔助工具,能實現快速的信息傳遞、申請呼叫、實時顯示、統計分析等,就工序作業、設備狀態、質量問題、供應物料情況等過程進行實時的信息傳遞和管理,對生產全過程構成支撐(見圖4)。

圖4 Andon系統架構圖

2.1 無線呼叫系統

車間可采用無線呼叫系統,無線呼叫系統包括無線按鈕盒、無線柱燈和無線主機,其中無線按鈕盒采用紐扣電池供電,可在相應的工位配置無線柱燈做報警提示,無線呼叫系統通過無線主機采集、發送按鈕盒和柱燈數據,并通過OPC軟件直接與PLC進行數據交互,相比于傳統的按鈕盒與警燈,無線按鈕盒和無線柱燈省去了供電電纜與PLC的輸入輸出電纜和PLC的IO模塊,施工布局簡單,按鈕盒可隨身攜帶。當生產中出現問題時,可及時通過無線按鈕盒進行呼叫,無線柱燈亮起做工位提示,廣播系統做出聲音報警,同時LED屏顯示出報警信息。

2.2 廣播系統

廣播系統包括音樂軟件、音樂板卡、功放、喇叭和網絡話筒。廣播系統功能包括實時報警系統和定時播放系統。實時報警系統通過音樂廣播軟件實時監控按鈕盒呼叫情況,并及時做出語音提示,如某工位出現設備問題,操作員按下呼叫按鈕后,軟件檢測到信號,通過音樂板卡將要播放的音頻文件的內容傳給功放,驅動現場喇叭發出語音報警提示,提醒維修人員迅速處理。定時播放系統可在軟件中設定不同的時間需要播放的提示音,如中午11∶30播放吃飯提醒,下午17∶00播放下班提醒等。可在軟件中設置多條方案以滿足不同季節的不同作息時間。網絡話筒能通按鍵選擇對不同區域進行喊話。音樂板卡和網絡話筒均通過以太網與軟件的服務器進行通信,節省了信號線與音頻線。

2.3 LED屏顯示系統

LED屏主要分為生產LED屏與展示LED屏,生產LED屏顯示車間的生產信息、呼叫報警信息、設備報警信息、產品品質問題、展示LED屏顯示車間的總體狀況、播放宣傳視頻和幻燈片等。發屏軟件能設置息屏時間,自動控制LED屏的開啟與熄滅,同時具有一鍵熄屏功能,能將所有LED屏立即熄滅。

可根據設備種類的不同放置多個生產LED屏(見圖5),正常生產時,生產LED屏顯示車間的生產信息,如工件完成數量,今日計劃數量,正在處理數量,合格數量與不合格數量、產品合格率等。也能同時顯示工件的質量問題等以作提示。生產信息與品質問題間隔固定時間輪顯。當有按鈕呼叫時,LED屏切換到報警信息顯示畫面,顯示當前的報警呼叫。當2個以上報警種類同時出現時,做優先級處理,例如設備呼叫與品質呼叫同時出現時,設備呼叫優先級高優先顯示,設備1的設備呼叫與設備2的設備呼叫同時顯示時,由于優先級一樣,故兩個報警間隔固定時間輪顯。

圖5 Andon系統LED屏

3 能源管理系統

熱處理車間作為能源消耗大戶,循環水、燃氣、電能、壓縮空氣的用量監控是非常有必要的。能源管理系統能生成各種能源報表,通過能源計劃,能源監控,能源統計,能源消費分析,重點能耗設備管理,能源計量設備管理等多種手段,使管理者對能源成本比重,發展趨勢有準確的掌握。通過能源系統對車間能源做出合理規劃,對能源消耗較大的重點設備做出節能改進,減少能源系統運行成本,使車間能夠穩定,高效地運行(見圖6)。

圖6 能源管理系統

3.1 控制系統網絡架構

能源管控系統為三層網絡架構,即系統管理層、網絡控制層、現場設備層。

系統管理層通過以太網將全廠能源采集子站中的數據及站房內各PLC系統地址信息讀取至能源管控系統中并進行處理,用于能源管控系統上位軟件進行分析及畫面展示,實現統一監控及管理。

網絡控制層是整個能源管控系統的核心,在整個系統中起著“承上啟下”的作用。采集現場各控制系統及計量儀表的數據,并上傳至能源管控系統服務器。

現場設備層負責現場數據采集及執行功能,設備包括:系統PLC、控制器、水計量表、電能表、壓縮空氣計量表、天然氣計量表等。

3.2 數據采集與分析

3.2.1 表計臺賬管理

統計表計的基本信息:編號(建立編號規則)、名稱、規格型號、精度等級、量程、生產廠家、工作電源等信息。統計表計的使用狀態:投入運行時間、使用單位、負責人、安裝位置、用途等信息;統計表計的檢定信息:檢定周期、檢定時間、有效期等信息。表計信息查詢支持表計多維度篩選、查詢需求。

3.2.2 計量數據維護

系統對錯誤數據剔除,針對采集到的異常數據(如干擾導致的量級異常、負數、斷電等情況出現數據異常等)進行邏輯判斷,進行規避;斷電或其他原因丟失的數據,可續傳,確保數據完整性;異常數據和丟失數據的記錄統計,以報表形式展現。

3.2.3 報表

能源管控系統提供下列報表類型,能源消耗及統計報表,包括各分類分項(按單體、按介質)能耗數據的逐日、逐月、逐年的報表,重點設備各相關能耗指標統計報表,車間級電量峰、谷、平分時間段統計報表。

3.2.4 異常報警

能耗值、流量、溫度、電壓、電流、功率等數值超限時發出數值超限報警,系統畫面做出報警提示,并且進行語音提示。同時提供完整的報警事件查詢功能,允許根據不同的組合條件對報警信息進行篩選查詢。

3.2.5 能源實時監控

根據能源網絡的流向關系,實時監測能源數據;用2D圖形展示一次能源、二次能源的消耗量(瞬時量、累積量;電介質顯示其電流值),系統通過實時趨勢曲線和歷史趨勢曲線來展示實時數據動態和歷史數據。

3.2.6 能源能耗分析

對應能耗用量分析出用能成本,分類(水、電、氣)、分項(生產、生活)、分區(如退火設備區、淬火設備區等)以報表形式展示。同時對能源平衡性進行分析,包括各類能源介質的平衡現狀分析和跑冒滴漏、其他原因導致的能源異常損失分析。對能耗及成本進行預測,并與實際值進行比對。對電能質量進行綜合分析,如供電電壓偏差、電力系統頻率偏差、三相電壓不平衡度和電網諧波等。從而改善電能質量,降低配電線損,提高用電設備運行可靠性。

4 結 語

車間信息化管理可在現有自動化設備基礎上進行改造,整合利用現有資源降低成本。信息化的熱處理車間能極大提高生產效率,減少人力資源成本,使異常問題處理更加高效,降低設備損耗,提高資源綜合利用率,降低生產能耗,實現產品數字化、標準化制造,提高企業的核心競爭力。