汽車焊接車間設(shè)備故障自動(dòng)診斷及焊機(jī)群控系統(tǒng)

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(chǎn)品，設(shè)計(jì)并實(shí)施完成一套設(shè)備故障自動(dòng)診斷及焊機(jī)群控系統(tǒng)。經(jīng)過幾年的使用，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

一. 焊接車間現(xiàn)狀分析

該焊接車間主要生產(chǎn)桑塔納2000型轎車的車身。車間進(jìn)料為沖壓車間的各種沖壓零件，經(jīng)過焊接生產(chǎn)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(jīng)過總拼把這些部件拼焊成整體車身，最后經(jīng)過補(bǔ)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(chǎn)流水線，分別為前圍線、后圍線、前底板線、底板線、總拼線和補(bǔ)焊線。這六條生產(chǎn)流水線按照生產(chǎn)工藝相互剛性連接。在這些生產(chǎn)流水線上的各個(gè)工位主要配備的是焊接機(jī)械手、焊接機(jī)械人、多點(diǎn)焊機(jī)、拉桿傳輸和空中輸送車等自動(dòng)化設(shè)備組成。由44臺(tái)西門子公司的PLC分別控制這些生產(chǎn)流水線上的各種加工設(shè)備，使其相互協(xié)調(diào)地、連續(xù)地、自動(dòng)地運(yùn)行，使車間達(dá)到每56秒鐘生產(chǎn)一部白車身的的生產(chǎn)節(jié)拍的能力。

但是該車間生產(chǎn)流水線投入運(yùn)行時(shí)，存在兩個(gè)主要的問題：

當(dāng)設(shè)備上某處出現(xiàn)故障時(shí)，由于不能很快地排除，經(jīng)常造成整條生產(chǎn)線停機(jī)，或者整個(gè)車間停產(chǎn)，嚴(yán)重影響車間產(chǎn)量和生產(chǎn)節(jié)拍。

會(huì)發(fā)生某些焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，不能保證白車身質(zhì)量。

經(jīng)過調(diào)查研究和具體分析，發(fā)生上述問題的主要原因是：
生產(chǎn)線上設(shè)備比較多，設(shè)備比較復(fù)雜，生產(chǎn)線之間又是剛性連接，如果某一部位發(fā)生機(jī)械、液壓或電氣故障會(huì)造成某條生產(chǎn)線停機(jī)，維修人員要經(jīng)過一定時(shí)間的分析查找過程，才能找到故障點(diǎn)，才能排除故障。在故障的分析查找和排除的時(shí)間內(nèi)，由于生產(chǎn)線之間無緩沖，前面的生產(chǎn)線立即停機(jī)，后面生產(chǎn)線造成空工位，這個(gè)時(shí)間過長，還會(huì)造成后面生產(chǎn)線停機(jī)。而故障的分析查找和排除的時(shí)間中占主要的是分析查找時(shí)間。

該車間共有兩千多把電焊槍在同時(shí)工作，容易造成供電壓波動(dòng)。如果一部分電焊槍正趕在電壓低谷通電焊接，容易發(fā)生該焊點(diǎn)焊接不實(shí)，質(zhì)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(gè)問題，我們?yōu)檐囬g建立這套設(shè)備故障自動(dòng)診斷及焊機(jī)群控系統(tǒng)。

二. 系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)構(gòu)

1.設(shè)備層
全車間六條生產(chǎn)線上共有PLC 44 臺(tái)，由 S5-115U、S5-135U和S5-55U構(gòu)成。這些PLC可向系統(tǒng)提供分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和分析出發(fā)生的故障點(diǎn)的相關(guān)信息。但這些PLC是分散的，無故障診斷能力。所以，我們的系統(tǒng)在車間建立了兩段現(xiàn)場工業(yè)總線Profibus 網(wǎng)，分別把這些PLC連接起來。使系統(tǒng)能夠通過現(xiàn)場PLC采集和匯總生產(chǎn)線上設(shè)備狀態(tài)信息，自動(dòng)分析診斷故障。設(shè)備并網(wǎng)的具體做法是，每臺(tái)PLC 上都插入Profibus網(wǎng)卡CP5431，并連接在其中一段現(xiàn)場工業(yè)總線上。(參見附圖)

2.現(xiàn)場工程師站
現(xiàn)場工程師站設(shè)置在車間現(xiàn)場，是由六臺(tái)工控機(jī)組成，分別對應(yīng)著車間現(xiàn)場六條生產(chǎn)線。這六臺(tái)工控機(jī)上都分別插有 Profibus 網(wǎng)卡CP5412，并通過該卡連接在 Profibus 的網(wǎng)上。通過現(xiàn)場工程師站可以監(jiān)控對應(yīng)的生產(chǎn)流水線。(參見附圖)

3.信息交換中心
信息交換中心是由一臺(tái) S5-155U 構(gòu)成，也稱為系統(tǒng)的主PLC。一方面通過車間現(xiàn)場工業(yè)總線 Profibus 網(wǎng)，連接生產(chǎn)線上 44臺(tái) PLC，采集匯總分析生產(chǎn)線上設(shè)備的故障信息；另一方面通過工業(yè)以太網(wǎng) H1 與系統(tǒng)的管理層連接，把分析診斷結(jié)果送到辦公室計(jì)算機(jī)上，同時(shí)又通過車間現(xiàn)場工業(yè)總線 Profibus 網(wǎng)把其分析診斷結(jié)果送回現(xiàn)場工程師站。(參見附圖)



4.管理層
系統(tǒng)的管理包括車間主任辦公室和維修辦公室的計(jì)算機(jī)，通過工業(yè)以太網(wǎng)H1信息交換中心連接，使管理層可以實(shí)時(shí)地從信息交換中心獲得目前分析結(jié)果，并對此分類歸檔，形成各種報(bào)表。(參見附圖)

5.焊機(jī)群控裝置
設(shè)置一臺(tái)高靈敏的電壓監(jiān)測儀， 實(shí)時(shí)監(jiān)測車間電焊機(jī)工作時(shí)供電電壓的變化，并把結(jié)果送入信息交換中心，通過S5－155U的中斷程序處理焊機(jī)群控信息，經(jīng)過Prifibus-DP方式，把控制信號(hào)高速地傳送到生產(chǎn)線上 的PLC，使相應(yīng)焊機(jī)的通電動(dòng)作得以控制。

6.系統(tǒng)配置的軟件
Coros LSB/Win是系統(tǒng)主要的軟件，主要運(yùn)行在管理層和現(xiàn)場工程師站的計(jì)算機(jī)上，是系統(tǒng)主要開發(fā)平臺(tái)。COM5431 和COM143系統(tǒng)軟件是為了管理現(xiàn)場工業(yè)總線 Profibus 和工業(yè)以太網(wǎng) H1。

三. 系統(tǒng)的主要目的

1.采集全車間六條生產(chǎn)線上的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息
由于 Profibus 網(wǎng)連接著現(xiàn)場PLC，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測并分辨當(dāng)前各生產(chǎn)設(shè)備所處的正常運(yùn)行、停機(jī)、故障等各種狀態(tài)，并在相應(yīng)工控機(jī)的相應(yīng)畫面上，通過以不同的符號(hào)、圖形和顏色變化等形式顯示出來。

2.實(shí)時(shí)分析發(fā)生在各生產(chǎn)線上設(shè)備的故障狀態(tài)及具體部位
由于 Profibus 網(wǎng)絡(luò)采集各生產(chǎn)設(shè)備上的信息，匯總到主 PLC S5－155U上集中進(jìn)行分析綜合，系統(tǒng)可以判斷出故障類型和發(fā)生故障的所在生產(chǎn)線、工位、部位等位置信息，隨后把判斷結(jié)果送到相應(yīng)工機(jī)顯示出來，以提示維修人員。

3.進(jìn)行有關(guān)故障信息的分析與統(tǒng)計(jì)
系統(tǒng)的上位管理機(jī)和工控機(jī)在工業(yè)組態(tài)軟件 CorosLSB/Win 操作平臺(tái)下，可對從主 PLC 送來的故障信息，進(jìn)行分類歸檔處理，同時(shí)在設(shè)備維修手冊數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索，找出故障發(fā)生的位置，故障發(fā)生的原因及排除故障的主要方法。然后該軟件把故障發(fā)生的時(shí)間、位置、原因及排除的情況記錄到設(shè)備檔案數(shù)據(jù)庫中，并形成各種報(bào)表。

4.對全車間由 PLC 控制的焊接變壓器的通電進(jìn)行群控
利用 Profibus DP的快速 I/O的特性，對全車間電焊機(jī)供電電壓進(jìn)行監(jiān)測，按照電焊機(jī)群控原理，對由 PLC 控制的電焊機(jī)進(jìn)行排隊(duì)通電控制。

四. 系統(tǒng)工作基本原理

1.自動(dòng)故障診斷一般方法
焊接車間設(shè)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(dòng)作。初步統(tǒng)計(jì)該車間分布在各生產(chǎn)線上共 4 千個(gè)大大小小的油缸和氣缸，而設(shè)備故障主要發(fā)生油缸和氣缸的部件上，表現(xiàn)為這些缸不到位。下面分析一個(gè)油缸動(dòng)作情況，得出自動(dòng)故障診斷一般方法。設(shè)一個(gè)油缸向前運(yùn)動(dòng) Q＝1，油缸經(jīng)過一定的運(yùn)動(dòng)時(shí)間到達(dá)前端，則前端接近開關(guān) 得電 I_1＝1，后端接近開關(guān)失電 I_2＝0。我們系統(tǒng)中為這個(gè)油缸設(shè)置一個(gè)計(jì)時(shí)器T。當(dāng)油缸動(dòng)作 Q 信號(hào)發(fā)出，該計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，在設(shè)定的該油缸運(yùn)動(dòng)時(shí)間T_set范圍內(nèi)，相應(yīng)到位接近開關(guān)得電，即系統(tǒng)認(rèn)為該油缸工作正常。如果在該油缸運(yùn)動(dòng)時(shí)間T_set范圍內(nèi)，相應(yīng)到位接近開關(guān)未得電，則系統(tǒng)認(rèn)為該油缸發(fā)生故障。系統(tǒng)自動(dòng)分析的結(jié)果列表如下：


根據(jù)上述方法，系統(tǒng)對車間設(shè)備上每個(gè)油缸和氣缸，在該設(shè)備PLC控制器都分配計(jì)時(shí)器T，并設(shè)置相應(yīng)缸運(yùn)動(dòng)時(shí)間T_set，以完成自動(dòng)故障診斷。

2.焊機(jī)群控的一般方法
該車間有四個(gè)供電變壓器向焊機(jī)供電，由于焊機(jī)是使用的單相電。車間焊機(jī)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(jiān)測儀分別監(jiān)視著這 12 條單相電線路。當(dāng)監(jiān)測到其中一條線路電壓低于設(shè)定的值時(shí)，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(duì)工作范圍內(nèi)，中斷程序?qū)凑展に嚋?zhǔn)許的范圍，把掛在該線路的焊機(jī)排隊(duì)，通過現(xiàn)場工業(yè)總線，控制設(shè)備上PLC，讓該線路上的焊機(jī)按先后順序通電焊接，使每個(gè)焊接都有足夠的電流工作。

線路電壓在停機(jī)范圍內(nèi)，中斷程序通過現(xiàn)場工業(yè)總線的廣播形式通知設(shè)備PLC，將掛在該線路的所有焊機(jī)停止工作，直到線路電壓恢復(fù)正常范圍內(nèi)。

五. 系統(tǒng)主要功能及實(shí)現(xiàn)方法

1.系統(tǒng)的工作方式
由于系統(tǒng)的絕大部分硬件都是采用西門子公司SIMATIC 工業(yè)型產(chǎn)品，就保證了系統(tǒng)全天24 小時(shí)不間斷的正常工作。特別是系統(tǒng)的信息交換中心采用是 S5-155U，車間現(xiàn)場采用是Profibus 網(wǎng)絡(luò)，管理層采用是工業(yè)以太網(wǎng) H1，這些都具有在惡劣的環(huán)境下可以高度可靠工作的工業(yè)產(chǎn)品，可以常年的不停機(jī)地工作。這樣就保證了系統(tǒng)可以在幾年之內(nèi)不間斷地監(jiān)測生產(chǎn)線設(shè)備，連續(xù)采集設(shè)備信息和生產(chǎn)信息，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的及時(shí)性、準(zhǔn)確性和完整性。

2.生產(chǎn)設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行的狀態(tài)信息
由于生產(chǎn)線的生產(chǎn)過程是由現(xiàn)場生產(chǎn)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(wǎng)采集現(xiàn)場 PLC 的所有 I / O 的信號(hào)。信息交換中心對這些信號(hào)經(jīng)過匯總和分析，判斷出全車間各生產(chǎn)線各部分的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，并把這些運(yùn)行狀態(tài)存入信息交換中心內(nèi)的相應(yīng)數(shù)據(jù)塊DB。同時(shí)這些運(yùn)行狀態(tài)信息是隨著信息交換中心(主PLC)運(yùn)行周期而實(shí)時(shí)刷新的?，F(xiàn)場的工程師站和管理層的計(jì)算機(jī)分別通過 Profibus 和 工業(yè)以太網(wǎng) H1 ，訪問信息交換中心內(nèi)的相應(yīng)數(shù)據(jù)塊，而得到生產(chǎn)設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)信息，再經(jīng)過 Coros LSB/Win動(dòng)態(tài)圖形畫面，生動(dòng)、形象地顯示出生產(chǎn)設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。

3.設(shè)備故障自動(dòng)診斷、分析與統(tǒng)計(jì)
當(dāng)生產(chǎn)線上設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，信息交換中心通過Profibu網(wǎng)可以立即監(jiān)測到。信息交換中心依據(jù)下面四個(gè)方面，判斷出故障發(fā)生的具體內(nèi)容和位置，并在在現(xiàn)場工程師站和管理層的計(jì)算機(jī) Coros LSB/Win 的動(dòng)態(tài)圖形畫面上詳細(xì)顯示：
a. 現(xiàn)場維修人員提供的經(jīng)驗(yàn)；
b. 分析動(dòng)作不到位信號(hào)；
c. 由故障歷史記錄而形成的發(fā)生幾率；
d. 該設(shè)備 PLC 程序的邏輯分析。

信息交換中心按照發(fā)生故障性質(zhì)確定出故障類型：機(jī)械故障、電器故障、液壓故障、氣動(dòng)故障等。信息交換中心按照所發(fā)生故障對設(shè)備運(yùn)行影響程度確定出故障等級(jí)：將要故障、次要故障和主要故障。信息交換中心按照發(fā)生故障特征和維修記錄提示出排故方法。在現(xiàn)場工程師站和管理層的計(jì)算機(jī) Coros LSB/Win 的動(dòng)態(tài)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(jí)以不同顏色和閃爍程形式顯示。

由管理層的計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)，其內(nèi)容主要包括：
a. 每臺(tái)設(shè)備每天的發(fā)生的故障信息記錄；
b. 設(shè)備按照故障發(fā)生類型進(jìn)行周、月、季和年統(tǒng)計(jì)；
c. 每臺(tái)設(shè)備的故障率和開通率；
d. 各條生產(chǎn)線的故障率和開通率；
e. 全車間設(shè)備的故障率和開通率；

4.車間生產(chǎn)信息自動(dòng)統(tǒng)計(jì)
在 Profibus 絡(luò)的支持下，系統(tǒng)自動(dòng)采集各生產(chǎn)線的產(chǎn)量信息，并存入信息交換中心的數(shù)據(jù)塊中。通過管理層的計(jì)算機(jī)的 Coros LSB/Win 界面形成下例各種生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)報(bào)表：
實(shí)時(shí)顯示各條生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍及變化狀況；

實(shí)時(shí)顯示各條生產(chǎn)線的生產(chǎn)產(chǎn)量及變化狀況，顯示當(dāng)日 和近七日內(nèi)每天的生產(chǎn)產(chǎn)量變化過程；

車間在一年內(nèi)每天的白班和夜班的生產(chǎn)產(chǎn)量記錄；

車間生產(chǎn)產(chǎn)量的周報(bào)表、月報(bào)表和年報(bào)表。

5.焊機(jī)群控
當(dāng)電壓監(jiān)測裝置監(jiān)測出車間供電電壓低于正常供電電壓時(shí)，主 PLC 上的中斷輸入模板 (6ES5 451-4UA13) 將接收到電壓監(jiān)測裝置發(fā)出的信號(hào)，主 PLC 刻進(jìn)入執(zhí)行中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序根據(jù)焊機(jī)群控原理，通過 Profibus 網(wǎng)，向設(shè)備上的PLC發(fā)出工作指令，使各焊機(jī)按一定的順序工作。

六. 結(jié)論和意義

1.該系統(tǒng)對對用戶的設(shè)備排故維修提供了比較切實(shí)可行的便利手段，徹底改變了過去那種單憑經(jīng)驗(yàn)診斷故障的工作方法。在計(jì)算機(jī)的幫助下，只要生產(chǎn)設(shè)備有故障發(fā)生，系統(tǒng)都能比較準(zhǔn)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(shí)間，保證了設(shè)備能夠盡可能短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常。

2.由于該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，代替了過去需要很多時(shí)間的手工抄報(bào)統(tǒng)計(jì)工作，提高了車間生產(chǎn)管理的自動(dòng)化程度。同時(shí)該系統(tǒng)也給車間提供了生產(chǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)度的手段，通過管理層計(jì)算機(jī)了解當(dāng)前車間各生產(chǎn)線、各部分生產(chǎn)狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的生產(chǎn)瓶頸，使得車間管理者及時(shí)地進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)整。

3.焊機(jī)群控過去在國內(nèi)還無法實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在系統(tǒng)利用西門子公司的 PLC 和 Profibus 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了焊機(jī)群控。這對電焊機(jī)的焊接質(zhì)量的穩(wěn)定和提高有了一定的保證。

4.在該系統(tǒng)中成功地應(yīng)用了西門子公司 SIMATIC 產(chǎn)品的技術(shù)，其中 Profibus 現(xiàn)場總線和 H1工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在該系統(tǒng)中起到關(guān)鍵的作用，它們把系統(tǒng)的各部分構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一體； 主 PLC S5-155U以運(yùn)行速度高、大存儲(chǔ)量技術(shù)保證系統(tǒng)信息的采集、綜合分析和傳送能夠可靠、準(zhǔn)確地進(jìn)行；Coros LSB/Win制作的人機(jī)界面速度快、效率高，而且易操作、使用友好方便。