在制造設(shè)備設(shè)計(jì)中，一個(gè)常被忽視的方面是可維護(hù)性。設(shè)備是否具備可維護(hù)性相關(guān)特性，會(huì)顯著影響設(shè)備的運(yùn)維成本；而這些運(yùn)維成本，又直接關(guān)系到維護(hù)合同的盈利能力。因此，找到降低運(yùn)維成本的有效方法，對(duì)于提升維護(hù)合同盈利能力至關(guān)重要。

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統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制是什么？

統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（Statistical Process Control，簡(jiǎn)稱 SPC）采用成熟的統(tǒng)計(jì)方法監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性，助力減少浪費(fèi)與返工。只要某個(gè)過(guò)程可測(cè)量，且其波動(dòng)近似符合正態(tài)分布，SPC 就能應(yīng)用于該過(guò)程。

例如，若某生產(chǎn)過(guò)程制造的零件目標(biāo)長(zhǎng)度為 1 單位，且長(zhǎng)度波動(dòng)符合正態(tài)分布，那么測(cè)量 100 個(gè)零件并將數(shù)據(jù)繪制成直方圖，得到的圖表會(huì)如下所示：

SPC 的核心原理是通過(guò)控制圖，將實(shí)際樣本測(cè)量值與預(yù)期值進(jìn)行對(duì)比。其中，預(yù)期值基于 “基準(zhǔn)期” 或 “訓(xùn)練期” 收集的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。一張控制圖通常包含三條關(guān)鍵參考線：

中心線（Center Line，簡(jiǎn)稱 CL）：訓(xùn)練期測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值（均值）。

上控制限（Upper Control Limit，簡(jiǎn)稱 UCL）：被認(rèn)定為“過(guò)程受控”的最高值，對(duì)于符合正態(tài)分布的過(guò)程，通常設(shè)定為均值加 3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。

下控制限（Lower Control Limit，簡(jiǎn)稱 LCL）：被認(rèn)定為“過(guò)程受控” 的最低值，通常設(shè)定為均值減 3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。

當(dāng)收集到新的樣本測(cè)量數(shù)據(jù)后，會(huì)將其繪制在過(guò)程控制圖上，并與控制限進(jìn)行比對(duì)：若樣本測(cè)量值處于 UCL 與 LCL 之間，則認(rèn)為過(guò)程 “受控”，符合預(yù)期運(yùn)行狀態(tài)。此外，還可應(yīng)用額外規(guī)則（如檢測(cè)趨勢(shì)、周期性波動(dòng)，或多個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)接近控制限等情況），以識(shí)別過(guò)程不穩(wěn)定或潛在問(wèn)題的早期跡象。

控制圖能夠檢測(cè)樣本均值和波動(dòng)的雙重變化。例如，在下方圖表中，樣本均值隨時(shí)間下降，表明過(guò)程正趨于 “失控”；

而在另一張圖表中，樣本波動(dòng)隨時(shí)間增大，這意味著過(guò)程穩(wěn)定性下降，同樣正走向 “失控”。

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故障檢測(cè) OR 預(yù)測(cè)性維護(hù)

統(tǒng)計(jì)意義上的 “過(guò)程失控” 與 “過(guò)程故障” 并非同一概念。理想情況下，統(tǒng)計(jì)控制限應(yīng)處于過(guò)程公差范圍（即規(guī)格限）之內(nèi) —— 因此，即使控制圖顯示過(guò)程 “失控”，其產(chǎn)出仍可能符合質(zhì)量規(guī)格要求。

以之前的零件生產(chǎn)為例：假設(shè)零件長(zhǎng)度均值為 1.000，上控制限（UCL）為 1.003，下控制限（LCL）為 0.997；而設(shè)計(jì)標(biāo)稱長(zhǎng)度為 1.000，公差為 ±0.005，那么上規(guī)格限（USL）即為 1.005，下規(guī)格限（LSL）為 0.995。此時(shí)計(jì)算得出的過(guò)程能力指數(shù)（Process Capability Index，簡(jiǎn)稱 Cpk）為 1.67，表明該過(guò)程 “具備能力”，產(chǎn)出通常能符合規(guī)格要求。

當(dāng)過(guò)程均值處于規(guī)格限中間時(shí)，Cpk 值等于質(zhì)量規(guī)格限與統(tǒng)計(jì)控制限的比值，可量化過(guò)程產(chǎn)出符合規(guī)格要求的能力。Cpk 值越高，說(shuō)明過(guò)程的能力越強(qiáng)、穩(wěn)定性越好。

下方控制圖中已添加了上規(guī)格限（USL）與下規(guī)格限（LSL）的參考線。

若控制限處于規(guī)格限之內(nèi)，控制圖就能有效指示何時(shí)需要進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)：此時(shí)若過(guò)程 “失控” 但仍在規(guī)格范圍內(nèi)，設(shè)備可能需要預(yù)防性維護(hù)，但無(wú)需立即停機(jī)。

然而，若控制限超出規(guī)格限，則該過(guò)程被視為 “不具備能力”（Cpk 值小于 1.0）。這種情況下，在生產(chǎn)故障發(fā)生前，統(tǒng)計(jì)控制限無(wú)法可靠地指示預(yù)防性維護(hù)的時(shí)機(jī)。

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聚焦過(guò)程監(jiān)控，而非產(chǎn)出檢測(cè)

在許多情況下，制造設(shè)備并不清楚自己正在生產(chǎn)的具體產(chǎn)品，也不了解產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。例如，一臺(tái)生產(chǎn)零件的設(shè)備，可能既不知道零件的目標(biāo)長(zhǎng)度是 1.000，也無(wú)法直接獲取零件的實(shí)際長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。這就引出一個(gè)問(wèn)題：設(shè)備如何利用 SPC 監(jiān)控質(zhì)量？

盡管設(shè)備無(wú)法直接測(cè)量產(chǎn)出的質(zhì)量，但通常可以監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù) —— 即跟蹤那些會(huì)影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的過(guò)程參數(shù)與狀態(tài)。

以半導(dǎo)體制造設(shè)備為例，可監(jiān)控的過(guò)程屬性包括：

光源強(qiáng)度

圖像質(zhì)量（如焦距、對(duì)比度、亮度）

氣體流量

管路或腔室中的氣體壓力

電壓

電流

速度（如旋轉(zhuǎn)速度或平移速度）

環(huán)境壓力（大氣壓、真空度）

溫度

時(shí)長(zhǎng)（如指令完成時(shí)間）

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實(shí)際值 VS 預(yù)期值

用于過(guò)程控制的任何過(guò)程屬性，都必須滿足一個(gè)關(guān)鍵要求：可通過(guò)傳感器測(cè)量，且數(shù)據(jù)基于實(shí)際傳感器讀數(shù)。過(guò)程控制的核心是將測(cè)量值與預(yù)期值進(jìn)行對(duì)比，但通常需要對(duì)原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

以閉環(huán)氣體冷卻系統(tǒng)為例：氣體流量由質(zhì)量流量控制器（Mass Flow Controller，簡(jiǎn)稱 MFC）控制，流量設(shè)定值由過(guò)程參數(shù)確定。在這種情況下，合適的控制測(cè)量指標(biāo)是實(shí)際氣體流量。

數(shù)據(jù)預(yù)處理的第一步通常是確定氣體流量何時(shí)處于 “穩(wěn)定狀態(tài)”。氣體關(guān)閉時(shí)的測(cè)量值，或設(shè)定值變更后立即出現(xiàn)的瞬態(tài)期測(cè)量值，通常不具備參考價(jià)值。流量穩(wěn)定所需的時(shí)間可通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。

若系統(tǒng)僅以一個(gè)流量設(shè)定值運(yùn)行，過(guò)程則相對(duì)簡(jiǎn)單：以流量設(shè)定值為預(yù)期值，以實(shí)際測(cè)量的流量為實(shí)際值即可。

但當(dāng)系統(tǒng)存在多個(gè)流量設(shè)定值時(shí)，由于 SPC 要求過(guò)程具備單一均值和波動(dòng)范圍，需進(jìn)行額外預(yù)處理。以下是兩種常見(jiàn)的處理方法：

若離散設(shè)定值數(shù)量較少，可為每個(gè)設(shè)定值單獨(dú)創(chuàng)建控制圖，并計(jì)算其專屬的均值和波動(dòng)范圍。

計(jì)算流量設(shè)定值與實(shí)際測(cè)量值的差值（即“流量誤差”），將該誤差的預(yù)期值設(shè)定為 0。若不同設(shè)定值對(duì)應(yīng)的預(yù)期波動(dòng)范圍存在差異，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立映射函數(shù)，以修正這些差異。

Cimetrix CIM 控制框架健康指標(biāo)（HealthIndicators）

Cimetrix CIM 控制框架 (Cimetrix CIMControlFramework，簡(jiǎn)稱 CCF)是基于微軟.NET 框架技術(shù)開(kāi)發(fā)的設(shè)備自動(dòng)化框架。該框架能幫助設(shè)備制造商滿足監(jiān)控控制、物料處理、平臺(tái)與過(guò)程控制及工廠自動(dòng)化等多方面需求。

通過(guò)與設(shè)備硬件對(duì)接并發(fā)布數(shù)據(jù)，CCF 具備了監(jiān)控設(shè)備性能的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。其“健康指標(biāo)（HealthIndicators）” 功能將統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC）與功能強(qiáng)大、操作直觀的圖形化界面（GUI）管理工具相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的全面監(jiān)控。借助 CCF 健康指標(biāo)功能，企業(yè)能夠提前開(kāi)展預(yù)防性維護(hù)、及早發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，從而有效降低維護(hù)成本。

用于演示講解及配置健康指標(biāo)的 CCF（Cimetrix CIM 控制框架）界面

帶有所有健康指標(biāo)匯總視圖的 CCF（Cimetrix CIM 控制框架）界面