汽車焊接車間設備故障自動診斷及焊機群控系統

 我們針對上海大眾汽車二廠焊接車間，利用西門子公司的 SIMATIC產品，設計并實施完成一套設備故障自動診斷及焊機群控系統。經過幾年的使用，該系統運行穩定可靠，基本達到了設計目的。 
        一. 焊接車間現狀分析 
        該焊接車間主要生產桑塔納2000型轎車的車身。車間進料為沖壓車間的各種沖壓零件，經過焊接生產流水線，先把這些各種零件焊接拼裝各種車身部件，如汽車前圍、后圍、前底板等部件，再經過總拼把這些部件拼焊成整體車身，最后經過補焊、打磨形成最終的白車身，輸出到油漆車間噴漆。該焊接車間按照沖壓零件－部件－總拼的焊接加工過程，建立了六條生產流水線，分別為前圍線、后圍線、前底板線、底板線、總拼線和補焊線。這六條生產流水線按照生產工藝相互剛性連接。在這些生產流水線上的各個工位主要配備的是焊接機械手、焊接機械人、多點焊機、拉桿傳輸和空中輸送車等自動化設備組成。由44臺西門子公司的PLC分別控制這些生產流水線上的各種加工設備，使其相互協調地、連續地、自動地運行，使車間達到每56秒鐘生產一部白車身的的生產節拍的能力。 
        但是該車間生產流水線投入運行時，存在兩個主要的問題： 
        1. 當設備上某處出現故障時，由于不能很快地排除，經常造成整條生產線停機，或者整個車間停產，嚴重影響車間產量和生產節拍。 
        2. 會發生某些焊點的焊接質量不穩定，不能保證白車身質量。 
        經過調查研究和具體分析，發生上述問題的主要原因是： 
        1. 生產線上設備比較多，設備比較復雜，生產線之間又是剛性連接，如果某一部位發生機械、液壓或電氣故障會造成某條生產線停機，維修人員要經過一定時間的分析查找過程，才能找到故障點，才能排除故障。在故障的分析查找和排除的時間內，由于生產線之間無緩沖，前面的生產線立即停機，后面生產線造成空工位，這個時間過長，還會造成后面生產線停機。而故障的分析查找和排除的時間中占主要的是分析查找時間。 
        2. 該車間共有兩千多把電焊槍在同時工作，容易造成供電壓波動。如果一部分電焊槍正趕在電壓低谷通電焊接，容易發生該焊點焊接不實，質量不好。
所以，為了快速分析查找故障和保證正常電壓通電焊接，解=決上述兩個問題，我們為車間建立這套設備故障自動診斷及焊機群控系統。 
        二. 系統的硬件和軟件結構 
        1. 設備層 
        全車間六條生產線上共有PLC 44 臺，由 S5-115U、S5-135U和S5-55U構成。這些PLC可向系統提供分析設備運行狀態和分析出發生的故障點的相關信息。但這些PLC是分散的，無故障診斷能力。所以，我們的系統在車間建立了兩段現場工業總線Profibus 網，分別把這些PLC連接起來。使系統能夠通過現場PLC采集和匯總生產線上設備狀態信息，自動分析診斷故障。設備并網的具體做法是，每臺PLC 上都插入Profibus網卡CP5431，并連接在其中一段現場工業總線上。
        2. 現場工程師站 
        現場工程師站設置在車間現場，是由六臺工控機組成，分別對應著車間現場六條生產線。這六臺工控機上都分別插有 Profibus 網卡CP5412，并通過該卡連接在 Profibus 的網上。通過現場工程師站可以監控對應的生產流水線。(參見附圖) 

        3. 信息交換中心 
        信息交換中心是由一臺 S5-155U 構成，也稱為系統的主PLC。一方面通過車間現場工業總線 Profibus 網，連接生產線上 44臺 PLC，采集匯總分析生產線上設備的故障信息；另一方面通過工業以太網 H1 與系統的管理層連接，把分析診斷結果送到辦公室計算機上，同時又通過車間現場工業總線 Profibus 網把其分析診斷結果送回現場工程師站。(參見附圖) 

        4. 管理層 
        系統的管理包括車間主任辦公室和維修辦公室的計算機，通過工業以太網H1信息交換中心連接，使管理層可以實時地從信息交換中心獲得目前分析結果，并對此分類歸檔，形成各種報表。(參見附圖) 
        5. 焊機群控裝置 
        設置一臺高靈敏的電壓監測儀， 實時監測車間電焊機工作時供電電壓的變化，并把結果送入信息交換中心，通過S5－155U的中斷程序處理焊機群控信息，經過Prifibus-DP方式，把控制信號高速地傳送到生產線上 的PLC，使相應焊機的通電動作得以控制。 
        6. 系統配置的軟件 
        Coros LSB/Win是系統主要的軟件，主要運行在管理層和現場工程師站的計算機上，是系統主要開發平臺。COM5431 和COM143系統軟件是為了管理現場工業總線 Profibus 和工業以太網 H1。 
        三. 系統的主要目的 
        1. 采集全車間六條生產線上的設備運行狀態信息
由于 Profibus 網連接著現場PLC，系統可以實時地監測并分辨當前各生產設備所處的正常運行、停機、故障等各種狀態，并在相應工控機的相應畫面上，通過以不同的符號、圖形和顏色變化等形式顯示出來。 
        2. 實時分析發生在各生產線上設備的故障狀態及具體部位
由于 Profibus 網絡采集各生產設備上的信息，匯總到主 PLC S5－155U上集中進行分析綜合，系統可以判斷出故障類型和發生故障的所在生產線、工位、部位等位置信息，隨后把判斷結果送到相應工機顯示出來，以提示維修人員。 
        3. 進行有關故障信息的分析與統計 
        系統的上位管理機和工控機在工業組態軟件 CorosLSB/Win 操作平臺下，可對從主 PLC 送來的故障信息，進行分類歸檔處理，同時在設備維修手冊數據庫中進行檢索，找出故障發生的位置，故障發生的原因及排除故障的主要方法。然后該軟件把故障發生的時間、位置、原因及排除的情況記錄到設備檔案數據庫中，并形成各種報表。 
        4. 對全車間由 PLC 控制的焊接變壓器的通電進行群控
利用 Profibus DP的快速 I/O的特性，對全車間電焊機供電電壓進行監測，按照電焊機群控原理，對由 PLC 控制的電焊機進行排隊通電控制。 
        四. 系統工作基本原理 
        1. 自動故障診斷一般方法 
        焊接車間設備絕大部分是通過油缸和氣缸來完成工件的裝夾、上料、下料和輸送等動作。初步統計該車間分布在各生產線上共 4 千個大大小小的油缸和氣缸，而設備故障主要發生油缸和氣缸的部件上，表現為這些缸不到位。下面分析一個油缸動作情況，得出自動故障診斷一般方法。設一個油缸向前運動 Q＝1，油缸經過一定的運動時間到達前端，則前端接近開關 得電 I_1＝1，后端接近開關失電 I_2＝0。我們系統中為這個油缸設置一個計時器T。當油缸動作 Q 信號發出，該計時器開始計時，在設定的該油缸運動時間T_set范圍內，相應到位接近開關得電，即系統認為該油缸工作正常。如果在該油缸運動時間T_set范圍內，相應到位接近開關未得電，則系統認為該油缸發生故障。系統自動分析的結果列表如下：

 

        根據上述方法，系統對車間設備上每個油缸和氣缸，在該設備PLC控制器都分配計時器T，并設置相應缸運動時間T_set，以完成自動故障診斷。 
        2. 焊機群控的一般方法 
        該車間有四個供電變壓器向焊機供電，由于焊機是使用的單相電。車間焊機基本是均勻地分別掛在車間里 12 條單相電線路上。高靈敏的電壓監測儀分別監視著這 12 條單相電線路。當監測到其中一條線路電壓低于設定的值時，就向主PLC申請中斷。中斷程序首先檢查線路電壓低到什么程度，再分別處理：
·線路電壓在排隊工作范圍內，中斷程序將按照工藝準許的范圍，把掛在該線路的焊機排隊，通過現場工業總線，控制設備上PLC，讓該線路上的焊機按先后順序通電焊接，使每個焊接都有足夠的電流工作。
·線路電壓在停機范圍內，中斷程序通過現場工業總線的廣播形式通知設備PLC，將掛在該線路的所有焊機停止工作，直到線路電壓恢復正常范圍內。 
        五. 系統主要功能及實現方法 
        1. 系統的工作方式 
        由于系統的絕大部分硬件都是采用西門子公司SIMATIC 工業型產品，就保證了系統全天24 小時不間斷的正常工作。特別是系統的信息交換中心采用是 S5-155U，車間現場采用是Profibus 網絡，管理層采用是工業以太網 H1，這些都具有在惡劣的環境下可以高度可靠工作的工業產品，可以常年的不停機地工作。這樣就保證了系統可以在幾年之內不間斷地監測生產線設備，連續采集設備信息和生產信息，保證系統數據處理的及時性、準確性和完整性。 
        2. 生產設備當前運行的狀態信息 
        由于生產線的生產過程是由現場生產線上的 PLC控制的，而且 這些 PLC 都掛在 Profibus 上，這樣信息交換中心，即主 PLC 可以通過該網采集現場 PLC 的所有 I / O 的信號。信息交換中心對這些信號經過匯總和分析，判斷出全車間各生產線各部分的當前運行狀態，并把這些運行狀態存入信息交換中心內的相應數據塊DB。同時這些運行狀態信息是隨著信息交換中心(主PLC)運行周期而實時刷新的。現場的工程師站和管理層的計算機分別通過 Profibus 和 工業以太網 H1 ，訪問信息交換中心內的相應數據塊，而得到生產設備當前運行狀態信息，再經過 Coros LSB/Win動態圖形畫面，生動、形象地顯示出生產設備當前運行狀態。 
        3. 設備故障自動診斷、分析與統計 
        ·當生產線上設備發生故障時，信息交換中心通過Profibu網可以立即監測到。信息交換中心依據下面四個方面，判斷出故障發生的具體內容和位置，并在在現場工程師站和管理層的計算機 Coros LSB/Win 的動態圖形畫面上詳細顯示： 
        a. 現場維修人員提供的經驗； 
        b. 分析動作不到位信號； 
        c. 由故障歷史記錄而形成的發生幾率； 
        d. 該設備 PLC 程序的邏輯分析。 
        ·信息交換中心按照發生故障性質確定出故障類型：機械故障、電器故障、液壓故障、氣動故障等。信息交換中心按照所發生故障對設備運行影響程度確定出故障等級：將要故障、次要故障和主要故障。信息交換中心按照發生故障特征和維修記錄提示出排故方法。在現場工程師站和管理層的計算機 Coros LSB/Win 的動態圖形畫面上，故障類型和排故方法以文字形式顯示，故障等級以不同顏色和閃爍程形式顯示。 
        ·由管理層的計算機進行設備故障統計，其內容主要包括： 
        a. 每臺設備每天的發生的故障信息記錄； 
        b. 設備按照故障發生類型進行周、月、季和年統計； 
        c. 每臺設備的故障率和開通率； 
        d. 各條生產線的故障率和開通率； 
        e. 全車間設備的故障率和開通率； 
        4. 車間生產信息自動統計 在 Profibus 絡的支持下，系統自動采集各生產線的產量信息，并存入信息交換中心的數據塊中。通過管理層的計算機的 Coros LSB/Win 界面形成下例各種生產統計報表： 
        ·實時顯示各條生產線的生產節拍及變化狀況； 
        ·實時顯示各條生產線的生產產量及變化狀況，顯示當日 和近七日內每天的生產產量變化過程； 
        ·車間在一年內每天的白班和夜班的生產產量記錄； 
        ·車間生產產量的周報表、月報表和年報表。 
        5. 焊機群控 
        當電壓監測裝置監測出車間供電電壓低于正常供電電壓時，主 PLC 上的中斷輸入模板 (6ES5 451-4UA13) 將接收到電壓監測裝置發出的信號，主 PLC 刻進入執行中斷服務程序。中斷服務程序根據焊機群控原理，通過 Profibus 網，向設備上的PLC發出工作指令，使各焊機按一定的順序工作。 
        六. 結論和意義 
        該系統對對用戶的設備排故維修提供了比較切實可行的便利手段，徹底改變了過去那種單憑經驗診斷故障的工作方法。在計算機的幫助下，只要生產設備有故障發生，系統都能比較準確、迅速地確定故障具體位置或方位，并提供排故方法。這樣極大地縮短了故障查找和排故時間，保證了設備能夠盡可能短的時間內恢復正常。 
        由于該系統能夠實現生產產量自動統計，代替了過去需要很多時間的手工抄報統計工作，提高了車間生產管理的自動化程度。同時該系統也給車間提供了生產動態調度的手段，通過管理層計算機了解當前車間各生產線、各部分生產狀態，可以發現可能出現的生產瓶頸，使得車間管理者及時地進行生產調整。
焊機群控過去在國內還無法實現，現在系統利用西門子公司的 PLC 和 Profibus 技術實現了焊機群控。這對電焊機的焊接質量的穩定和提高有了一定的保證。 
        在該系統中成功地應用了西門子公司 SIMATIC 產品的技術，其中 Profibus 現場總線和 H1工業以太網技術在該系統中起到關鍵的作用，它們把系統的各部分構成一個統一體； 主 PLC S5-155U以運行速度高、大存儲量技術保證系統信息的采集、綜合分析和傳送能夠可靠、準確地進行；Coros LSB/Win制作的人機界面速度快、效率高，而且易操作、使用友好方便。