自动化系统设计过程的质量控制

自动化系统设计过程的质量控制孙玥1自动化系统1.1概要现代化的流程与制造工业企业都是利用建立各种自动化系统来实现高速、高效、高质量的产品生产，以适应全球化市场的激烈竞争。工业自动化技术是一种运用控制理论、计算机有关的信息技术、电气控制技术、仪表检测技术等对工业生产过程实现检测、控制、监视、优化、调度、管理和决策、达到增加产量、提高质量、降低消耗，确保安全等目的的综合性技术。信息化技术发展促使自动化系统更趋先进完善。全面的生产自动化一般由多级的计算机系统来完成，包括生产管理级、过程监控级、设备控制级以及最下层级的数字化电气控制与现场监测控制。各级计算机系统由相应适配的数据通信总线一体化联接构成多级计算机网络系统。1.2自动化系统的设计任务构成自动化系统的计算机系统十分复杂，包括硬件（H/W）与软件（S/W）两个方面，有机地结合一体化运行。因此自动化系统的设计任务主要包括系统配置设计、硬件配套设计、应用软件设计。设计结果还需通过必要的单体试验与现场综合系统调试来验证与确认。2自动化系统设计质量控制的重要意义2.1自动化系统的运行质量自动化系统是按照过程控制与设备运转的优化数学模型与控制模型自动运行，追求具有高精度、高响应、高稳定性的运行特性，以利于实现生产过程的工艺连续化、流程高速化、装备大型化，因此对自动化系统的要求具有高的RAS性能，即可靠性（Reliability）、可用性(Availability)、可维修性(Serviceability)。2.2质量控制是建立自动化系统的生命线生产过程自动化系统是一项非常复杂的综合性系统，建立自动化系统的工程项目实施是一项非常复杂的系统工程，对其设计过程必须考虑要严密的策划，严格的管理，严谨的运作。质量控制是设计过程的生命线，应贯穿项目所有的过程。z不严格实行质量控制，设计与项目实施将随时随地陷入失误混乱，资源浪费，工期延误，成本剧增，返工麻烦，以至于顾此失彼，严重者项目彻底失败。质量控制水平是衡量自动化系统成套供应商管理素质和产品档次的最主要指标。z不严格实行质量控制，系统作为产品，其不合格问题及缺陷隐患不知不觉将转移至现场用户，生产线带病工作，故障系数频繁，安全不能保障，维护检修困难麻烦，生产产量2质量不能保证，后患无穷。3．自动化系统项目设计与实施的过程本文将对一个自动化系统设计过程成熟管理经验的国外典型案例进行具体介绍，由此可了解质量控制的制约作用与效果。涉及的自动化系统实际是应用装备大规模钢铁生产线的基础自动化系统，且由PLC（可编程序控制器）的应用软件与硬件系统及相关的电气控制系统来构成。3.1自动化系统设计过程的分阶段框图图1中的各阶段内实际包含着与严格质量控制严密相关的许多实施过程。图1自动化系统设计过程的分阶段框图3.2自动化系统设计过程实施及质量控制3.2.1阶段（1）：合同建立阶段z主要责任者：营销及其技术支持的部门z实施要点：(1)合同建立(2)项目启动策划(5)项目设备计划(初步设计)(9)H/W硬件设计(12)H/W检验试验(3)系统设计计划(初步设计)(4)S/W运转方案(初步设计)(6)S/W系统设计(基本设计)(8)S/W单体试验(13)S/W试验计划(14)S/W综合试验(15)系统设备出厂设计检查(16)现场调试(17)项目交工验收(10)元器件申购、采购初步设计审查A基本设计审查B详细设计审查C(出图检查)S/W出图S/W试验计划检查S/W试验结果评审(7)S/W编程设计(详细设计)(11)H/W成套制造(营销P)(计划P)(电气设计P)(电气设计P)(电气成套P)(电气成套P)(S/W设计P)(S/W设计P)(S/W设计P)(S/W设计P)(S/W设计P)(质量管理P)(质量管理P)(质量管理P)(工程管理P)(工程管理P)(质量管理P)3A）确认设计能力、供货条件是否满足顾客需求（技术、工期等）；B）确认报价内容与顾客需求是否符合；C）确认顾客需求是否有变更，是否有不明问题；D）确认合同建立是否遵守法律、法规。z质量控制说明：a)自动化系统的建立完全直接依附顾客提出整体系统运行性能的功能需求，应充分满足，这是项目质量控制的起始步骤。3.2.2阶段（2）：项目启动策划阶段z主要责任者：项目计划部门z实施要点：a)实施目的：考虑项目质量、项目成本、项目工期的保证，应研讨项目面临的课题、问题，质量管理对应运作。b)项目启动讨论内容：包括项目有关的文件资料、设备概要、工程项目相关的体制、技术规格（系统构成、PLC系统硬件清单、PLC功能控制方案等），实施计划、项目推进中课题、保证值确定、其他（工程成本）等。c)单项质量管理计划：每一个项目必须制定计划，对于非标条件的项目（特殊工程即顾客用户控制系统全面更新改造条件或初次采用新产品条件、质量管理特殊要求条件、特殊引进品条件、特殊试验检验的条件），应作相应的质量管理，包括工程管理、初用新品管理、制造管理、特殊质量管理。z质量控制说明：项目启动策划确保项目质量工期、成本的要求确定项目质量目标、调集资源、沟通信息、研讨项目课题、建立项目实施体制、制定工程与质量计划，这就有效地实施项目质量策划，在设计实施准备阶段全面展开了质量管理与控制。3.2.3阶段（3）、（4）：S/W初步设计阶段z主要责任者：软件设计部门z实施要点：a)初步设计是自动化系统设计的基础，完成自动化系统的系统配置设计（系统计划）及相关的传感器清单、电磁阀清单、I/O清单、接口清单等；b)进行系统配置设计的检查；c)完成S/W运转方案；4d)实施初步设计评审A：评审系统的维护性、可靠性、系统精度、控制响应、系统安全性、定时/接口操作要求、自动调整校正系统驱动设备、执行机构协调性、电气设备的保护、异常操作过程、生产成材率、传感器及其他课题；e)初步设计及其评审还需通过顾客确认。z质量控制说明:a)系统配置与运转方案的初步设计是自动化系统设计的基础，是下一步设计过程的根本性依据与条件。初步设计正确与否是系统设计成败的关键。b)初步设计评审A是设计过程有效质量控制与可信质量保证的重要措施之一，评审的内容最全面、最细致、最深入。3.2.4阶段（5）：项目设备计划制定阶段（初步设计）z主要责任者：电气设计计划部门z实施要点：a)据合同规格书要求对电气设备进行初步设计，完成单线图、布置图及元器件清单等，完成相应的设计审查与顾客确认，对硬件系统进行质量把关。b)必须进行设备计划（设计）的检查及顾客的确认。z质量控制说明：硬件设备是自动化系统的重要组成部分，完成初步设计实施检查并通过顾客确认，也作了质量控制的把关。3.2.5阶段（6）：S/W系统设计阶段（基本设计）z主要责任者：S/W设计部门z实施要点：a)完成基本设计任务※设计控制系统构成图；※设计编制功能一览表、单一功能构成表、程序构成表；※设计GFC（综合流程图）控制功能分担图、控制框图、数据结构图、数据存储器分配图等等。b)基本设计评审，评审内容包括：功能一览表的控制项目、框架、数据存储器分配、程序与数据接口、监督用备用I/O、程序参量、数据存储器的容量、PLC的协调、执行周期、中断输入、计算机数据交换、计数器使用方法、控制数据、输入输出信号可靠性、传感器、PI/O卡、S/W备用考虑等。5z质量控制说明：S/W基本设计是自动化系统设计的根本性主体技术，是下一步编程设计的原理依据与操作指南。它概括包含体系系统的所有功能，准确地表示系统及各单元的控制原理、方法与接口。基本设计的评审是通过设计部门内部的专业性的全面、细致、缜密的技术审核，评审设计结果与设计输入（例如合同规定、运转方案等）的符合性、一致性，确保设计过程质量一直处于受控状态。3.2.6阶段（7）：详细设计阶段z主要责任者：软件设计部门z实施要点：a)据基本设计结果完成编程设计与制作，包括：程序清单、存储器清单、定时器清单、I/O清单、计算机清单、常数清单、模块一览表、过程事件设定清单等等；b)除了基本设计阶段完成的设计任务以及上述编程设计，还将完成各种S/W技术文件：试验规格书、S/W质量评审表、程序制作方法、S/W相关的使用说明书等等；c)实施详细设计评审：评审主要为PLC、S/W出图检查（涉及所有相关的技术细节问题），最后对全设计过程的设计输出进行评审。z质量控制说明：详细设计工作量庞大繁杂，投入的人力最多，并非待所有设计任务完成后进行评审检查，而是在设计过程推进的每一单项任务设计出图时进行检查，按照计划进行多次多方面评审。检查评审都是非常细致的专业技术问题，尽量避免设计的失误与缺陷。3.2.7阶段（8）：程序单体试验阶段z主要责任者：软件设计部门z实施要点：a)S/W软件编程出图计检查后进行单体试验的验证，以便正确修改，并完成PLC出图检查，避免将隐患带入联机调试；b)单体试验的项目包括：对应功能构成表项目的调试任务（联络、确认、溢出），数据总线输入信息确认、程序存储器与数据存储器的使用量、程序采样时间、程序执行处理时间；c)单体试验验证设计不良不符合，作出记录反馈，修改设计；d)PLCS/W的出图检查。z质量控制说明：通过单体试验的检验PLCS/W出图，可能隐患问题不含带到联机调试。63.2.8阶段（9）：（H/W）硬件设计阶段z主要责任者：硬件设计部门z实施要点：a)H/W设计完成PLC控制柜的单线系统图、原理接线图、布置图、元器件清单等；b)H/W设计进行审查。z质量控制说明：硬件成套设计作为基本设计是按照项目设备计划（第5阶段）初步设计确定的要求作为设计输入来实施，这些要求包括合同规定的硬件技术规格书、控制功能概要等等。硬件设计输出还需通过相关的设计审查与顾客需求的确认以及可能的设计修改，最终出图，再经出图检查。这样硬件设计过程确保了严格的质量控制。3.2.9阶段（10）：元器件申购、采购阶段（11）：H/W硬件成套制造（PLC控制柜）阶段（12）：H/W硬件检验（PLC控制柜）z主要责任者：硬件（电气）成套制造部门z实施要点：按一般电气控制成套设备要求进行。z质量控制说明：按电气控制成套设备的相关标准进行。3.2.10阶段（13）：S/W试验计划策划阶段z主要责任者：产品质量检验试验部门z实施要点：a)试验环境设施的设置；b)S/W装入实际的PLC控制装置；c)制定各种功能的试验计划；d)试验计划的评审：评审系统开工跟踪、设备各项跟踪、控制情况不明点、试验环境、是否循环试验、系统异常处理的试验等。z质量控制说明：试验计划的策划与评审建立完善的试验条件与环境条件，是验证S/W设计确保质量的必要措施。3.2.11阶段（14）：综合试验阶段z主要责任者：质量检验试验部门7z实施要点：a)综合工艺、设备运行的单项功能要求，实施S/W综合试验；b)进行综合试验的检查：检查设备功能、操作、指示等情况，检查程序执行时间、定时功能、运算回路的输入输出等等。z质量控制说明：综合试验及检查是系统出厂前检验的质量控制环节，是自动化系统设计（S/W、H/W）最有效的验证。3.2.12阶段（15）：自动化系统（H/W、S/W）出厂阶段（16）：自动化系统（H/W、S/W）现场调试阶段（17）：自动化系统（H/W、S/W）交工验收z主要责任者：工程管理部门、质量检验试验部门z实施要点：现场调试：自动化控制系统与电气、仪表、机械、动力等有关设备一体化运行试验。首先完成单台生产设备单体试验，然后整条生产线联动试验，调试正常后投入负荷试验，试运行的规定时间据顾客合同规定，考核功能合格后交工验收。z质量控制说明：自动化系统设计的最后验证是现场调试，设计确认是交工验收的考核合格。4自动化系统设计质量控制的特征与要点4.1自动化系统无论软件或硬件，任一局部与整体体系都不可能孤立存在与运行。项目实施就必须实行过程控制方法，确定输入与输出，按过程管理程序运作，并做出相应的文档记录。4.2自动化系统中大量的变量、参数均为数字化虚拟形态，不易简单地直观测量、暴露系统隐患错误，这更要求S/W设计过程中实行繁复的检查与评审，以求设计失误与缺陷为零。图1中表示了关键