1、熱處理信息集成管控系統研發與應用技術研究報告完成單位：貴州新技術研究所 貴陽縱橫控制技術發展有限責任公司 2012 年 2 月目錄一概述 2二立項的依據和目標 3三、主要研究內容及完成情況 51. 主導思想 : 52. 系統建設原則 63. 主要技術路線 74. 項目實施及完成情況 16四項目運行效果及分析 17五主要技術指標及經濟效益完成情況 20六項目技術創新點 20七、論文發表 1 篇和參加完成國軍標 GJB509B-2008 編制錯誤 !未定義書簽八、團隊建設及人才培養錯誤!未定義書簽九.項目總結與建議21一. 概述在我國制造業的熱加工部門，目前大多采用傳統的生產和管理模 式，存在設備

2、和技術產能落后、職工素質不高、生產管理不到位等問 題。隨著工業生產規模不斷擴大和大飛機等項目的啟動，以及新材料、新工藝大的量使用，對工藝控制與產品質量要求日趨嚴格，現有的生 產設備和管理模式已不能滿足未來發展的需要， 更不能滿足國際轉包 生產的需求，迫切需要進行設備和產能技術的提升。 工業現場監控網 絡自動化、企業管理信息化是計算機技術在企業應用和發展的必然趨 勢，用先進的控制技術對現場設備進行改造， 用信息化技術實現車間 的智能化管理，通過二者的結合應用提高企業的生產和管理水平， 改 變以往落后的生產管理模式，嚴格貫徹不同質量管理體系（如航標、 國軍標及美國宇航標準、波音標準等）的要求勢在必

3、行。本項目采用工業以太網技術和現場總線技術， 結合數據庫和軟件 設計，組建生產車間管、控一體化綜合應用系統，通過工業現場總線將現場的控制設備進行連接組網，組建工業現場實時監控系統，通過 計算機對現場進行狀態監控，實現生產工藝自動傳送、控制參數自動 調整、過程數據實時采集與記錄、現場狀態實時提示與報警等功能， 解決人工設置現場參數容易出錯、 零件加工過程超時、數據記錄精度 不高等問題；各管理科室的管理終端通過工業以太網進行連接，組成生產管理網絡，系統通過以太網交換技術實現從生產計劃制定、任務分配、任務下達、生產過程執行與監控、質量監測與控制、生產計劃 執行情況統計等生產過程的閉環控制， 解決了因

4、管理工作量大、效率 低下，管理人員對現場的情況了解不及時等帶來的一系列問題，為企業的生產管理提供了更可靠、有力的手段。二. 立項的依據和目標熱處理是通過改變材料組織使機械零件或產品獲得所需性能并 保證使用安全可靠的工藝過程。熱處理生產成爐批量投入，連續生產， 處理對象大部分是經過加工的半成品件或成品件，如果出現質量問 題，損失很大；更主要的是熱處理缺陷漏檢很容易發生嚴重的機械事 故，造成更大損失。因此，熱處理屬于特種工藝，必須實施全面質量 控制。熱處理全面質量控制，是對零件在熱處理前、中、后的整個過 程中一切影響因素實施全面控制，包括人、機、料、法、環等各個環 節，改變過去傳統的單純靠最終檢驗

5、被動把關來保證質量的觀念和制 度，實行以預防為主、預防與檢驗結合的主動控制質量保證模式，把 重點轉移到質量形成過程的控制上來， 把熱處理缺陷消滅在質量形成 過程中。熱處理全面質量控制是一項系統工程，本項目通過專業技術、 管理技術和信息科學技術的有機結合， 形成滿足全面質量管理要求的 熱處理管控一體化系統。車間管控一體化系統是以測量、控制及管理一體化，實現車間 全局最優化、效益最大化為目的，用信息化的方式為管理提供手段， 提高企業的信息化應用和管理水平。 該系統是集計算機技術、 控制技 術、網絡通信技術、 圖形顯示技術及先進管理經驗于一體的綜合運用 系統，能滿足各生產廠在數字化條件下的管理要求，

6、 更好的貫徹質量 控制標準。生產車間管、控一體化系統屬數字化和智能化設計制造， 根據中 華人民共和國國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要 中指出以 信息化改造制造業， 推進生產設備數字化、 生產過程智能化和企業管 理信息化，促進制造業研發設計、生產制造、物流庫存和市場營銷變 革。提高機電裝備信息化水平， 實現精準、 高效生產。 推廣集散控制、 現場總線控制、敏捷制造等技術，強化生產過程的在線監測、預警和 控制。國家中長期科學和技術發展規劃綱要( 2006-2020 ) ，制 造業是國民經濟的主要支柱，其發展思路是： (1)提高裝備設計、制 造和集成能力。以促進企業技術創新為突破口，通過技術攻

7、關，基本 實現高檔數控機床、工作母機、重大成套技術裝備、關鍵材料與關鍵 零部件的自主設計制造。本項目是關鍵技術集成的自主設計系統， 屬 于數字化和智能化設計制造優先主題。貴州省中長期科學和技術發展規劃綱要 2006-2020 ）中將 智能控制與集成、數字化制造、列為重大專項，“ 加強制造業信息 化相關技術的集成推廣應用，重點開展智能控制與集成、數字化制造、 模塊化和網絡化設計制造等技術的攻關”。目標市場：熱處理管、控一體化系統涉及電力、電子、計算機、人工智能、通訊、機電等諸多領域。該項目技術含量高、專業性強、應用廣泛（遍及冶金、石油、機械、汽車、航空航天、軍工、環境工 程等軍工及民用領域）。該

8、系統已成功應用于航空航天等企業，而航 空航天企業因件號眾多，且大量使用新材料、新工藝，其質量管理體 系最為復雜及嚴格，故該系統在其他領域的使用將更為容易。 我國制 造行業的車間眾多，即使有5%的車間設備采用管控一體化系統也是 一個相當大的數量。三、主要研究內容及完成情況1. 主導思想：采用先進的思想和技術、結合完善的功能設計組建實用、可靠、方便操作的應用系統。通過計算機技術、網絡技術、數據庫技術、自動控制與數據通 信技術的集成應用，結合生產企業的具體情況，對熱處理車間現場控 制設備和生產管理模式進行系統的技術改造， 組建滿足航標、 國軍標 等不同質量管理體系要求的、 集工業現場監控與生產管理為

9、一體、 滿 足生產實際需要的管控一體化綜合應用系統。 實現：從生產計劃制定、 零件進入、加工過程監控、質量檢查、生產統計到零件發出的生產過 程全流通管理；做到：現場控制可靠、數據采集迅速、準確；狀態報 警及時；曲線、數據顯示直觀、保存完善、查詢方便；管理和生產人 員能夠按各自的權限，方便、快捷地使用本系統功能，調用相關模塊 進行所需的操作， 實現生產管理的各項要求； 做到信息數據的及時流 通、交流與資源共享，滿足質量控制體系及行業標準的要求，達到國 內領先水平。2. 系統建設原則（1）. 采用標準化設計原則， 充分考慮建成的系統具有擴展性和互聯 性，既滿足當前可實現的應用要求， 又能適應今后系

10、統擴展的需 要。（2 ）. 遵循國內、國際和相關的行業標準，設計時充分考慮系統的 實用、安全、可靠、容錯、穩定性和可操作性，在既能滿足系統 要求的前提下又能盡可能的節省經費的開支。（3 ）. 系統設計盡可能尋求最優的性能 / 價格比。在經費許可的條件下盡量采用市場上先進的技術和成熟的產品3. 主要技術路線項目采取的主要步驟和技術路線由以下幾個步驟組成:1. 項目調研2. 系統方案設計3. 軟、硬件設計、制作4. 現場改造與網絡建設5. 系統聯調與試運行6. 系統完善與驗收3.1 項目調研按照管控一體化系統的設計原則，項目組到多個相關廠家進行了 項目的實地調研，基本掌握了工業現場的生產工作情況和

11、生產管理的 工作流程以及數據處理的流向。聽取了用戶對該系統所提出的使用要 求和希望達到的預期目標，收集了相關的數據、表格及處理方式，經 整理后取得了設計該系統所需的第一手資料。 如下是項目調研的部分數據資料。車間管理組織結構:車間主任生產副主任技術副主任行政副主任設備能力評估 設備維修計劃編制 設備費用統計 設備運行統計 建設備臺帳 生產工藝修改 生產工藝建檔 生產工藝制定室 管 經 J生產成本核算人 員 工 資 核 算成本分析庫存材料采購計劃 庫存占用資金分析 出、入庫操作 庫存臺帳行政費用統計節點:標題:車間管理信息數據組織機構及職能編號：3車間信息產品車間計劃基礎數據生產數據設備信息庫存

12、信息人員信息財務數據資料3.2 系統總體方案設計本系統主要分為三層結構：現場監控層、通訊網絡層和生產管理3.2.1. 現場監控層，包括：（1 ）通過智能精密控制裝置、 I/O 模 塊、傳感器、變送器、 PLC 等完成對各種參數及動作的測量與控制。 主要測控參數有：溫度、氮勢、碳勢、氧勢、真空度、電流、電壓、 壓力、氣體流量、工作時間等；動作控制對象包括爐門、爐蓋、攪拌 電機、臺車、各種泵、閥等。 （ 2 ）現場操作及監控終端，包括：工控 機、讀卡器、條碼掃描儀等，所有設備通過工業現場總線與系統服務 器和現場操作及監控終端相連。設計滿足工藝要求的現場監控軟件，使系統能實時監控現場所 有設備的運行

13、情況； 顯示相關數據和運行趨勢曲線， 并具有狀態報警 功能，報警的同時進行 LED 大屏幕顯示和現場廣播語音提示。現場 采集的所有數據均存入數據庫服務器的硬盤陣列， 以便于其他管理模 塊分析和調用。3.2.2. 通訊網絡層：利用工業現場總線及工業以太網，實現控制 層與管理層的數據交換。工業現場總線種類眾多，各有所長與不足， 應用范圍也不同，因現場儀表種類繁雜，數量較多，既有國內各儀表 廠生產，也有產自日本、美國、歐洲不同廠家，一個中型的車間采樣 點平均在 300 個以上；目前用戶現場所使用的設備主要配置 RS-485/422 通訊接口，由于這類接口具有通訊距離長，較高的可 靠性和穩定性，在現有

14、智能控制系統中應用比較廣泛。從系統實用、 經濟的角度考慮，現場網絡仍使用 RS485/422 工業現場總線。為 提高采樣速度及可靠性， 采用了多網并行及多線程處理方式。 根據現 場不同設備所采用的通信協議種類的不同， 設計了能滿足多種通信協 議要求的數據通信軟件包，供現場監控程序調用。為了便于與廠級骨干網進行數據通信與數據共享， 系統采用路由 器與廠級骨干網連接， 并根據用戶要求提供所需的數據訪問接口， 供 上級部門進行訪問。3.2.3. 生產管理層：包括系統服務器、車間各管理部門操作終端、 電子大屏幕、車間廣播系統、閉路監控系統及相關功能軟件模塊等。 各科室終端通過工業以太網和網絡交換機進行

15、連接， 依靠管理軟件的 運行，實現零件從進入到發出車間的整個生產流程及質量控制過程的 管理，完成數據從現場采集到生產管理報表自動生成的全流通。軟件在 windows micsoft.NET 的平臺上進行開發，采用 C/S 和 B/S 兩種方式設計，其中包括生產管理所需的各個功能模塊。如下是系統網絡圖：中心機房廠級骨干網車間管理科室22 日 TuesdayLED現場終端1數據庫服務器網絡交換機工業局域網現場終端3掃描,路由器網絡交換機第1組（真空爐、淬火爐 等，共11臺，控溫點13 個，測溫點11個）現場終端2第2組（箱式爐、井式 爐等，共18臺，控溫點 19個，測溫點18個）個，測溫點12個）

16、現場控制設備3.3 軟件設計軟件設計包括：現場監控軟件、通信軟件和生產管理軟件三部分根據本生產車間的工作性質和特點，軟件模塊分上層管理、底層 管理和數據綜合查詢三個部分，各部分分別有各自的子系統。詳見如 下是模塊框圖：上層管理庫存管理子系統庫存預測庫存盤點、對帳入、出庫記錄庫存臺帳管理報表管理生產統計執行監測計劃制定軟件在windows micsoft.NET的平臺上進行開發，具體程序模塊采用visal basic 2008, Java , C#編程語言進行編寫，分如下四部分：3.3.1. 現場監控模塊：遵循航標、國軍標等對熱處理的要求，結 合生產的使用需要，設計現場監控軟件，實時監控現場的運

17、行情況； 根據工藝要求調整控制參數。監控終端顯示現場的相關數據和運行趨 勢曲線，并具有狀態報警功能；LED大屏幕顯示報警信息和廣播語 音系統進行語音提示。采用多線程并發處理方式，系統運行時同時進行多路通訊、多路數據采集、大幅度提高數據采集的速度。采樣數據直接進入數據庫保 存，減少數據轉存的中間環節。3.3.2. 現場數據采集、通訊模塊：根據不同設備所采用的通信協議種類的不同，設計能滿足多種通信協議要求的數據通信軟件包，供 現場監控程序調用。3.3.3. 生產管理軟件模塊：其中包括：計劃管理模塊、工藝管理模塊、零件加工流程管理模塊、質量管理模塊、生產統計模塊、權限管 理模塊和數據綜合查詢等模塊。

18、涵蓋了生產車間從生產計劃的制定、 零件進車間后的臺帳建立、任務分配、現場加工、流程記錄、質檢和 零件發出的周轉全過程管理， 包含了產量、 工時、成本的統計和計算， 生產報表的自動生成。程序采用 C/S 和 B/S 兩種方式設計， 其中所有管理、 監控模塊 采用 C/S 方式設計，主要考慮是各模塊由于功能的不同而在不同部 門的終端獨立運行， 可以減輕服務器的負擔。 數據綜合查詢模塊采用 B/S 方式設計，當本系統與廠級骨干網鏈接以后，上級管理部門可 按權限通過網頁訪問的方式查詢和訪問本車間的生產數據， 了解運行 情況。所有數據存入數據庫服務器的硬盤陣列，以便于其他程 序模塊共享、分析和調用。軟件

19、平臺：操作系統：windows sever 2003（服務器）；windows XP3 （現場終端、科室電腦）設計平臺： windows micsoft.NET設計語言 :visal basic 2008，Java ，C#數據庫： Oracle 10G3.4 現場改造與網絡建設對熱處理工業現場的控制設備進行技術改造主要包括： 用我公司生產的智能精密溫度控制裝置更換原有落 后陳舊的控制柜。考慮到工業現場需具有多參數控制、多回路調節、 多路數據采集的特點，控制裝置采用模塊化設計，其控溫精度高（控 濕精度士c,顯示精度最高0.1級）；控制對象廣泛，可以是阻性 也可以是感性負載，可以是單溫區也可以是多

20、溫區；適用于擴散爐、 燒結爐、單晶爐、隧道窯、鹽爐、真空爐等機械工業的各種熱處理爐 及其它控溫對象；采用專為熱處理行業設計的無超調專家 PID 算法, 具有 PID 自整定功能,各種傳感器自由輸入,使用方便；實現無超 調、無欠調、快速升溫和抑制擾動； 報警及保護功能完善, 安全可靠、 故障率極低、維修方便。增加智能采集模塊、流量、壓力傳感器、 變送器、動作采集模塊、 PLC 等,以實現電、氣能耗及碳勢、氧勢、 氮勢、真空度、流量、壓力采集；熱處理過程自動控制等。增加能 實現與工業現場總線連接的數據通訊接口, 并通過現場總線與監控終 端相連,組成工業現場監控網絡。 所需連接的現場設備不但包括控溫

21、 儀，還包括記錄儀、碳勢、氮勢控制儀表、真空計等。系統配備便 攜式高精度多通道爐溫均勻性測量裝置,以便實現和執行 HB5354 及 GJB509B 中有關儀表系統定期校驗；有效加熱區定期檢測等標 準。便攜式高精度多通道爐溫均勻性測量裝置為自行研發 ,其測量精 度優于士 0.1% ,現場動畫顯示爐內溫場各點差值 ,自動獲取均溫區, 并打印校驗報告及均溫區示意圖,校驗結果可通過網絡傳遞至服務 器,作為設備管理的原始依據。大幅減輕工作量,節省校驗時間。3.4.2. 現場監控網絡和生產管理網絡布線與安裝 由于現場設備數量眾多, 監控點數據采樣量大, 單個串行網不能 滿足現場數據迅速采樣和處理的要求，

22、因此本系統采取多串口分網處 理的方式， 對現場的設備按通訊接口種類、 放置的位置和使用的工段 進行分類組網連接； 服務器采用多線程并發處理， 可以最大限度地提 高采集速度，縮短數據處理的時間，充分發揮系統的效能。服務器與現場一臺指定的工控終端互為備用的容錯方式運行， 該 臺終端安裝有相應的數據采集裝置。 一般情況下由應用服務器與現場 設備進行數據通信， 當應用服務器出現故障或進行檢修時， 指定的工 控終端可代替服務器進行現場數據通信和數據存儲， 服務器正常以后 指定的工控終端把臨時存儲的數據傳送到服務器進行永久保存， 系統 恢復原來的正常運行， 不會因設備的故障影響系統的正常運行。 這樣 可減

23、少經費開支的同時保證系統的不間斷運行。3.5 系統調試與試運行在現場施工與軟件設計完成后對現場系統軟、 硬件進行聯調， 調 試結束后投入試運行。3.6 系統完善與驗收系統投入試運行后， 根據用戶使用的情況和提出的意見和建議進 行調整與完善，使之能最大限度的滿足實際生產的需要，力爭達到： 高效、實用、可靠、操作方便的目的，所有問題解決后進行評審和驗 收。4. 項目實施及完成情況2007年5月2010年4月先后在北京長空機械廠（503廠）、西安慶安集團有限公司（114廠）、陜西航空電氣有限責任公司（115廠）、解放軍5713修理廠、航空618所、貴州航天精工有限 公司（536廠）、貴州新藝機械廠（

24、170廠）、沈陽黎明航空發動機（集團）有限公司（410廠）熱表分廠、精鑄分廠成功推廣，在此期 間根據各廠生產管理模式差別及各廠的合理化建議，對系統進行了不斷完善，使之成為能適應不同類型生產廠家及不同生產管理模式的通 用系統。2010年4月 用戶方組織本企業相關部門針對該系統的功能、 運行情況和使用者反饋的意見召開了項目評審會，對該項目所取的成果給予充分的肯定，評審結論見評審意見。四. 項目運行效果及分析本系統在航空航天系統的幾個生產廠運行情況證明：系統設計是 合理的，運行是可靠的，操作、維護方便，用戶反映良好。所取得的 效果主要體現在以下幾個方面：1. 系統的投入運行，改善了現場設備運行的管理

25、與監控方式，注重 了生產過程中間環節的質量控制，改變過去單純靠最終檢驗把關來保 證質量的觀點和做法。現場狀態顯示直觀，曲線、數據、參數一目了 然，便于掌控現場的情況。2. 數據記錄的精度高、準確、真實、可靠。原始記錄曲線、數據保 存規范，完整，查詢方便，對于產品的質量跟蹤與事故分析提供了可 靠的依據。當出現產品質量問題時，生產管理模塊和現場監控模塊可 直接調用和共享， 對生產現場數據進行分析， 通過分析結果找出問題 所在，并根據分析結果對生產工藝、控制參數、管理模式和工作的方 法進行調整，避免質量事故的再次發生。3. 工藝參數和現場控制參數自動調用，并提示現場人員進行核實與 確認，然后自動傳送

26、，減少了人為操作可能出現的錯誤，降低了廢品 率。4. 不同零件、相同工藝的同爐加工功能，節省能耗。5. 生產車間采用信息化管理，生產數據準確、可靠、規范，匯總統 計及時、生產報表清楚，提高了生產效率。6. 系統采用權限管理，避免越權操作，對責任事故便于認定。通過 系統的使用也提高了在崗人員的素質。7. 上級部門生產管理人員通過網絡查看車間生產數據，及時掌握生 產進度和情況，對指導生產很有幫助。如下是部分顯示界面現場監控畫面：忝舄 廿 fl - fMsft 1 tfiiPVHC咕彳EW*M劃 HW*Mi.Mit加怦處祚l 中運行狀態詳細顯示畫面WkU 1 rnt. ; ridl-4ri5 7*

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28、flM 卅注1K MftDM-ai L 10%12%約10Mb/日2 .現場控溫精度士 1 C （航標最高要求w 士 1 C）3.溫度梯度4 .節約能耗5 .降低廢品率6 .每日現場數據米集信息量六. 項目技術創新點熱處理管控一體化綜合應用系統，目前在國內鮮有成功的案 例，其主要原因是開發者缺乏對現場運行情況及生產管理流程的深 入了解，沒有搞清楚上面的管理層與下面的現場數據怎樣進行接口 和數據綜合處理。本項目對這些問題進行了深入的探討和研究、開 發與實踐，并成功地在相關企業得到推廣和使用，也是計算機集成 制造系統（CIMS ）在我國制造業熱處理生產過程中的成功先例。我們認為該項目有以下幾個創新點：1.采用兩級網絡架構，通過網絡交換技術實現工業現場總線控制 系統與工業以太網管理系統的結合。實現零件從進入到發出車間的整 個生產過程的管理，包括計劃調度、設備管理、庫存管理、質量管理、 成本核算、人事管理、生產工藝管理及現場過程控制和狀態提示；完 成數據從現場采集到生產管理報表自動生成的全流通。