摘要：成本和质量是企业产品竞争力的核心要素，如何在保证产品质量的前提下降低成本、提高自动化程度是企业发展面临的一个重要问题。本文阐述的正是基于这种需求和智能制造项目的实际情况，对铸件进行的智能化成分判定和选材配料进行的架构及软件开发。系统提供对输入端硬件设备和输出端硬件设备的支持，可以读取光谱分析仪等硬件设备的数据，可以根据标准来判定输入端数据是否符合标准，把调整后的合格结果发送给下游设备，对不符合项进行报警和调整。系统包含自动配比、手动配比和炉前配比等多种炉料配比方法，能够使用户根据生产计划、原材料成分、价格、吸收率、烧损率和目标化学成分等计算出经济、优化的配料单，并可根据炉前铁水化学成分等参数反馈信息进行动态优化调整。
关键词：智能制造：选材配料：软件开发
引言：
产品的核心竞争力来源于两个部分：质量和成本。如何在保证质量的前提下，尽可能的降低成本是企业面临的一个重要问题。而在降低成本的过程中，如何提高自动化程度和减少材料不必要的耗费又是两个重点问题。
1.提高自动化程度，减少人为干预，不仅可以减少人员费用支出、降低错误概率，更能够保证恶略环境下生产中的人员安全。
2.基于生产过程中的原料价格波动和原料组合的多样，寻找尽可能兼顾成本和质量的最优化组合方法也是非常重要的。
因此，成分判定与配料的准确、经济在生产过程中具有非常重要的作用，本软件正是根据这些需求，并切实考虑与厂商系统对接与数据交互，开发出适合厂商使用的成分判定与配料软件。此软件不仅提供实现从智能选材到成分判定再到配料的全过程覆盖，还提供了三种配料方法，对不同场景提供不同的方法匹配，使用户能够得出较优化的数据。本系统不仅可以直接用于生产、还可以与PLC等控制单元进行交互。
1．整体设计
由于企业生产过程中除了遵循国家标准外，还需要遵循企业标准及一些个人经验。因此，本软件中的标准不仅吸收了国家标准和企业标准，也融合了部分个人的经验在内。本系统包含了从选材、配料、熔炼、成分判定、结果反馈、在线调整的全过程。成分判定及配料软件从光谱分析仪读取化学成分，根据标准对化学成分进行判定，对不合格项进行调整，确定最终材料加入量，从而实现从智能选材到成分判定再到配料的全过程覆盖。此系统不仅实现了以上功能，还具备对异常数据分析和报警等功能。系统具备多种源设备的接口数据获取方法，采用智能化方法，自动寻找铁液的评判标准，并对铁液合格与否进行自动判定，对不合格项进行报警处理。系统采用图形化方法对铁水成分进行智能分析、控制，采用科学灵活且含有预警机制的炉前炉料成分的配比运算方法，并以配比项目的方式对相关信息进行集成。
本系统由化学成分管理、化学成分采集及预处理、铁水成分结果、铁水成分控制、材料配比调控、系统管理等六大块块组成。主要模块如图1所示。
图 1 模块功能图
2．软件架构体系
本软件根据厂家的需求，引入中间层，提供了易于访问、易于管理的方法，可以将多种应用服务封装部署于应用服务器，增强了应用程序可用性、安全性、封装复用性、可扩展性和可移置性，从而实现了高效、安全、稳定的企业级系统应用，软件主要采用C#、wpf编程语言进行开发，数据库采用sql2008。本设计中，将应用程序的数据访问、合法性校验等工作放在中间层进行处理。客户端不直接与数据库进行交互。中间层提供WCF服务接口，客户端通过 WCF技术与中间层建立连接，再经由中间层与数据库进行交互，并利用web服务访问厂家数据。
软件系统的总体架构共分为六层，由外至内分别是：界面控制层、界面模型层、业务逻辑层、数据接口层、中间件、数据实体层。分述如下：
1、界面控制层
界面控制层负责用户操作页面的调度，界面流程的控制。界面控制负责在收集到足够的信息后将用户操作请求发送给业务过程层用以完成用户要求的工作。
2、界面模型层
界面模型层负责把从业务逻辑层得到的数据进行加工整理，从而得到需要的数据表示方式，使界面控制层能够得到合适的数据，并且数据能够支撑界面控制层的数据展示。
3、业务逻辑层
业务逻辑层完成各个领域模型之间的业务逻辑，并对上层提供完整的业务结果。业务逻辑层是业务过程处理的核心，负责处理事务化的业务流程。业务逻辑负责调度一个或者多个业务活动的执行与否和执行次序，并且保证这些业务活动的同步和事务，业务逻辑本身不完成具体的业务操作。业务逻辑负责达成用户操作的目的，基本上可以对应于用例模型中的用例。系统中的配置项大部分作用于业务逻辑。
4、数据接口层
主要实现对中间件的调用。将存储在中间件中的数据提交给业务层，同时将业务层处理的数据传递给中间件。DAL接口层采用接口工厂模式，对BLL层屏蔽了不同数据库管理系统的差异，便于用户切换数据库管理系统的需要。
5、中间件
中间件层由.NET Remoting分布式远程服务组件承担，它负责所有与数据库交互的部分。中间件层同样分为BLL、DAL等，除了承担数据库交互的部分以外，也需要承担服务器端的逻辑功能。
6、数据实体层
数据实体层，在本系统主要是SQL Server 2008数据库管理系统，同时他们集合了MS Sql、Oracle DB等接口，系统更加具有扩展性。
3．主要功能
3.1 铸铁成分参数标准库
基于企业生产历史数据和诸多专家经验数值，总结出不同类型铸铁的可靠化学成分范围，本系统建立了包括灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁等多种牌号（例如：HT100、HT200、HT250、HT350、QT350-22、QT400-15、QT450-10、QT550-5、QT900-2、RuT260、RuT340、RuT420等）的化学成分参数标准库，与实际生产联系紧密，为铸件选材和成分调整提供极大的便利。
化学成分含量的高低对铸铁件的性能有着决定性作用，故灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁的化学成分范围的确定需要进行严格的把控。系统在相关学术资料的基础上，融合多家企业灰铸铁件、球墨铸铁件和蠕墨铸铁等铸件长期生产成分数据，最终总结得出适宜铸铁生产的专家推荐成分标准数据。
根据生产条件的实际变化，本系统可以对不同牌号的推荐成分进行添加、修改、删除等维护工作。
3.2丰富的数据获取机制
本系统具有从光谱分析仪、炉前铁液在线检测等多种源设备的接口获取数据的功能，无论是针对串口、webservice、wcf等服务都能很好的给予支持。
通过连接光谱分析仪，轮循读取光谱分析仪的数据，并且加入化验编号等企业自有数据，形成完整的数据源，同时根据实际需要可进行添加、修改、删除等数据维护工作。
3.3智能判定铁液化学成分
本系统软件能够自动筛选数据库中铁液的评判标准，智能化判定铁液是否合格，并对不合格铁液试样进行报警，报警信息实时在现场设备和中央控制室进行显示。
本系统可以智能的对不同牌号铸铁件化学成分进行判定，无需人工干预，可以自动获得标准的牌号信息。能够根据牌号标准来自动判断铁液是否在化学成分范围内，若所有化学元素均在范围内，则为合格，否则判定为不合格，并对不合格项用红色标注，在其余的列标识出与上下限的差值。如果需要对本条数据进行调整，点击牌号的相应按钮即可跳转至成分调整界面。如果自动流转过程出现问题，可以用手动方式对数据进行处理。
3.4铁液成分判定
软件根据折线图展示，可以直观的对近期的化学成分进行判定。红色线分别代表国标数据上下限，蓝色折线代表化学成分数据。通过折线图可以对近期的数据进行分析，从而调整、控制后续配料熔炼。
同时，本系统具备柱状图、饼状图和折线图等其他图形方式对数据进行判定、分析。
3.5炉料智能配比
炉料配比包括炉料管理、炉料配比计算、配比项目管理等模块，适用于实际生产的科学灵活且含有预警机制的炉前炉料成分的配比运算，并以配比项目的方式对相关信息进行集成。
配料所需的材料存储在炉料管理模块，为配料计算提供了基础数据。
配料计算主要是依据化学成分的含量是否达标的原理来进行计算的，故炉料的化学成分含量需收集整理。
炉料管理主要包含炉料名称、化学成分（C、S、Si、Mn、P、Cr、Mo、Cu、Sn）含量，化学元素（C、S、Si、Mn、P、Cr、Mo、Cu、Sn）吸收率，供应商，批次，价格，录入人员等信息。
3.6炉料配比计算
熔炼配料的基本原理是在已知原料化学成分的条件下，计算出满足目标成分要求的原料配比，炉料组成按化学元素并考虑其在电炉中的烧损和增加。系统采用试算的方法，用户可随时灵活增删炉料种类、重量。系统会实时校核配料计算结果是否符合企业化学成分标准，如未达标则给予红色预警。
除此之外，也可以采用经验法和线性方程组法。
使用经验法，需要大量的经验数据支撑，需要把配料的相关历史经验数据加入数据库。新加的数据与历史经验数据进行配比，得到最接近的历史经验数据，可以直接使用，也可以再对历史经验数据进行进一步调整，从而获得适合的配料数据。
使用线性方程组方法有两种方式，第一种方式可以根据线性方程组直接进行大数据量运算，第二种方式可以内置企业已经成型的线性方程组方法。本项目是为企业服务，且第二种方式的速度明显快于第一种方式，因此我们选择使用内置企业已经成型的线性方程组方法：
首先得到材料中某种化学成分的总量。
材料中某种化学成分的总量=（每种材料的重量）*（每种材料中的某化学成分百分比）*（每种材料中的某化学成分的吸收率）。
其次得到每种化学成分在总量中的百分比含量。
每种化学成分在总量中的百分比含量=材料中某种化学成分的总量/每种材料的重量之和。
如果每种化学成分在总量中的百分比含量在标准范围外，则报警提示。
3.7配比项目管理
配料结果是企业生产的基本数据，也是知识的重要累积，从安全性和规范性上考虑，每次配料的归档存储是极为必要的。配比项目管理主要是对材料配比计算的结果进行管理，含有创建、编辑、删除配比项目的功能。
3.8生成配料表单
本系统能够生成配料表单，设计有符合行业标准的对外接口，可传输炉料配比结果给相关设备。
由于实际生产需提供配料单以确保信息传输的准确性，且根据工作报表等管理方面的需要，配料单的生成获取也显得极为重要。配料单主要包含三个方面的信息：缸套型号、所需炉料、化学成分。目前提供有以Excel、PDF或图片的形式导出，或直接打印输出。
3.9配料试算防错机制
配料试算的过程中，对未确定的配料数据在XML中进行运算，把最终运算结果存入数据库，有效预防了数据错误的发生。
配料试算首先在内存建立数据库，在内存数据库中进行数据计算，这种方法不仅有效的提高了运算效率，而且杜绝了错误数据。试算数据首先存入内存中，若计算过程中发生错误，不希望保存，则重新进行试算，否则对数据库进行占用判断，若其他用户正在读写数据库，则数据返回内存，否则有效数据存储至数据库。
本系统采用XML作为内存数据的载体，使用LINQ对XML进行操作，依次通过调用WPFUI层，UIMODEL层，BLL层，DAL层，最终通过XML操作类对XML进行操作。
4.总结
本软件是根据多个企业的实际需求打造而成的软件系统，针对企业生产线的实际特点，提供了多种不同的技术选择。
本系统不仅包含了从选材、配料、熔炼、成分判定、结果反馈、在线调整的全过程，还提高了自动化程度，减少了人为干预。系统具有自动筛选数据库中铁液的评判标准，智能化判定铁液是否合格，在配料过程中自动校准，自动对不合格铁液试样和不合格配料进行报警等自动化功能。
本系统提供了三种配料方法，对不同场景提供不同的方法匹配，使用户能够得出较优化、经济的数据。系统可以采用试算、经验法和线性方程组法进行配料，配料根据标准要求和材料价格的波动，计算出满足目标成分要求的、较为经济的原料配比，配比过程中考虑了化学成分在电炉中的烧损和增加。
本软件中包含的标准不仅吸收了国家标准和企业标准，也融合了部分个人的经验在内。目前收集的铸铁种类有灰铸铁（HT100、HT150、HT200、HT225、HT250、HT275、HT300、HT350）、蠕墨铸铁（RT300、RT350、RT400、RT450、RT500）、球墨铸铁（QT350-22、QT400-18、QT400-15、QT450-10、QT500-7、QT550-5、QT600-3、QT700-2、QT800-2、QT900-2）。另外，在配料过程中，系统建立了企业经验数据库，对经验数据进行积累，便于配料过程更适用于企业的个性化需求。
目前，系统已经在企业部署使用，这有利于提升国家高端装备制造业的信息化和智能化水平。
论文作者:刘浩,王宽儒,李亚康
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/5
标签：数据论文; 化学成分论文; 成分论文; 炉料论文; 本系统论文; 标准论文; 业务论文; 《基层建设》2019年第4期论文;