汽车焊接车间设备故障自动诊断及焊机群控系统

我们针对上海大众汽车二厂焊接车间，利用西门子公司的 SIMATIC产品，设计并实施完成一套设备故障自动诊断及焊机群控系统。经过几年的使用，该系统运行稳定可靠，基本达到了设计目的。

一. 焊接车间现状分析

---- 该焊接车间主要生产桑塔纳2000型轿车的车身。车间进料为冲压车间的各种冲压零件，经过焊接生产流水线，先把这些各种零件焊接拼装各种车身部件，如汽车前围、后围、前底板等部件，再经过总拼把这些部件拼焊成整体车身，最后经过补焊、打磨形成最终的白车身，输出到油漆车间喷漆。该焊接车间按照冲压零件－部件－总拼的焊接加工过程，建立了六条生产流水线，分别为前围线、后围线、前底板线、底板线、总拼线和补焊线。这六条生产流水线按照生产工艺相互刚性连接。在这些生产流水线上的各个工位主要配备的是焊接机械手、焊接机械人、多点焊机、拉杆传输和空中输送车等自动化设备组成。由44台西门子公司的PLC分别控制这些生产流水线上的各种加工设备，使其相互协调地、连续地、自动地运行，使车间达到每56秒钟生产一部白车身的的生产节拍的能力。

---- 但是该车间生产流水线投入运行时，存在两个主要的问题：

1. 当设备上某处出现故障时，由于不能很快地排除，经常造成整条生产线停机，或者整个车间停产，严重影响车间产量和生产节拍。
   
2. 会发生某些焊点的焊接质量不稳定，不能保证白车身质量。

---- 经过调查研究和具体分析，发生上述问题的主要原因是：

1. 生产线上设备比较多，设备比较复杂，生产线之间又是刚性连接，如果某一部位发生机械、液压或电气故障会造成某条生产线停机，维修人员要经过一定时间的分析查找过程，才能找到故障点，才能排除故障。在故障的分析查找和排除的时间内，由于生产线之间无缓冲，前面的生产线立即停机，后面生产线造成空工位，这个时间过长，还会造成后面生产线停机。而故障的分析查找和排除的时间中占主要的是分析查找时间。
   
2. 该车间共有两千多把电焊枪在同时工作，容易造成供电压波动。如果一部分电焊枪正赶在电压低谷通电焊接，容易发生该焊点焊接不实，质量不好。

---- 所以，为了快速分析查找故障和保证正常电压通电焊接，解=决上述两个问题，我们为车间建立这套设备故障自动诊断及焊机群控系统。

二. 系统的硬件和软件结构

1. 设备层
   全车间六条生产线上共有PLC 44 台，由 S5-115U、S5-135U和S5-55U构成。这些PLC可向系统提供分析设备运行状态和分析出发生的故障点的相关信息。但这些PLC是分散的，无故障诊断能力。所以，我们的系统在车间建立了两段现场工业总线Profibus 网，分别把这些PLC连接起来。使系统能够通过现场PLC采集和汇总生产线上设备状态信息，自动分析诊断故障。设备并网的具体做法是，每台PLC 上都插入Profibus网卡CP5431，并连接在其中一段现场工业总线上。(参见附图)

2. 现场工程师站
   现场工程师站设置在车间现场，是由六台工控机组成，分别对应着车间现场六条生产线。这六台工控机上都分别插有 Profibus 网卡CP5412，并通过该卡连接在 Profibus 的网上。通过现场工程师站可以监控对应的生产流水线。(参见附图)

3. 信息交换中心
   信息交换中心是由一台 S5-155U 构成，也称为系统的主PLC。一方面通过车间现场工业总线 Profibus 网，连接生产线上 44台 PLC，采集汇总分析生产线上设备的故障信息；另一方面通过工业以太网 H1 与系统的管理层连接，把分析诊断结果送到办公室计算机上，同时又通过车间现场工业总线 Profibus 网把其分析诊断结果送回现场工程师站。(参见附图)

4. 管理层
   系统的管理包括车间主任办公室和维修办公室的计算机，通过工业以太网H1信息交换中心连接，使管理层可以实时地从信息交换中心获得目前分析结果，并对此分类归档，形成各种报表。(参见附图)

5. 焊机群控装置
   设置一台高灵敏的电压监测仪， 实时监测车间电焊机工作时供电电压的变化，并把结果送入信息交换中心，通过S5－155U的中断程序处理焊机群控信息，经过Prifibus-DP方式，把控制信号高速地传送到生产线上 的PLC，使相应焊机的通电动作得以控制。

6. 系统配置的软件
   Coros LSB/Win是系统主要的软件，主要运行在管理层和现场工程师站的计算机上，是系统主要开发平台。COM5431 和COM143系统软件是为了管理现场工业总线 Profibus 和工业以太网 H1。

三. 系统的主要目的

1. 采集全车间六条生产线上的设备运行状态信息
   由于 Profibus 网连接着现场PLC，系统可以实时地监测并分辨当前各生产设备所处的正常运行、停机、故障等各种状态，并在相应工控机的相应画面上，通过以不同的符号、图形和颜色变化等形式显示出来。

2. 实时分析发生在各生产线上设备的故障状态及具体部位
   由于 Profibus 网络采集各生产设备上的信息，汇总到主 PLC S5－155U上集中进行分析综合，系统可以判断出故障类型和发生故障的所在生产线、工位、部位等位置信息，随后把判断结果送到相应工机显示出来，以提示维修人员。

3. 进行有关故障信息的分析与统计
   系统的上位管理机和工控机在工业组态软件 CorosLSB/Win 操作平台下，可对从主 PLC 送来的故障信息，进行分类归档处理，同时在设备维修手册数据库中进行检索，找出故障发生的位置，故障发生的原因及排除故障的主要方法。然后该软件把故障发生的时间、位置、原因及排除的情况记录到设备档案数据库中，并形成各种报表。

4. 对全车间由 PLC 控制的焊接变压器的通电进行群控
   利用 Profibus DP的快速 I/O的特性，对全车间电焊机供电电压进行监测，按照电焊机群控原理，对由 PLC 控制的电焊机进行排队通电控制。

四. 系统工作基本原理

1. 自动故障诊断一般方法
   焊接车间设备绝大部分是通过油缸和气缸来完成工件的装夹、上料、下料和输送等动作。初步统计该车间分布在各生产线上共 4 千个大大小小的油缸和气缸，而设备故障主要发生油缸和气缸的部件上，表现为这些缸不到位。下面分析一个油缸动作情况，得出自动故障诊断一般方法。设一个油缸向前运动 Q＝1，油缸经过一定的运动时间到达前端，则前端接近开关 得电 I_1＝1，后端接近开关失电 I_2＝0。我们系统中为这个油缸设置一个计时器T。当油缸动作 Q 信号发出，该计时器开始计时，在设定的该油缸运动时间T_set范围内，相应到位接近开关得电，即系统认为该油缸工作正常。如果在该油缸运动时间T_set范围内，相应到位接近开关未得电，则系统认为该油缸发生故障。系统自动分析的结果列表如下：
   

   

   
   根据上述方法，系统对车间设备上每个油缸和气缸，在该设备PLC控制器都分配计时器T，并设置相应缸运动时间T_set，以完成自动故障诊断。

2. 焊机群控的一般方法
   该车间有四个供电变压器向焊机供电，由于焊机是使用的单相电。车间焊机基本是均匀地分别挂在车间里 12 条单相电线路上。高灵敏的电压监测仪分别监视着这 12 条单相电线路。当监测到其中一条线路电压低于设定的值时，就向主PLC申请中断。中断程序首先检查线路电压低到什么程度，再分别处理：
   • 线路电压在排队工作范围内，中断程序将按照工艺准许的范围，把挂在该线路的焊机排队，通过现场工业总线，控制设备上PLC，让该线路上的焊机按先后顺序通电焊接，使每个焊接都有足够的电流工作。
     
   • 线路电压在停机范围内，中断程序通过现场工业总线的广播形式通知设备PLC，将挂在该线路的所有焊机停止工作，直到线路电压恢复正常范围内。

五. 系统主要功能及实现方法

1. 系统的工作方式
   由于系统的绝大部分硬件都是采用西门子公司SIMATIC 工业型产品，就保证了系统全天24 小时不间断的正常工作。特别是系统的信息交换中心采用是 S5-155U，车间现场采用是Profibus 网络，管理层采用是工业以太网 H1，这些都具有在恶劣的环境下可以高度可靠工作的工业产品，可以常年的不停机地工作。这样就保证了系统可以在几年之内不间断地监测生产线设备，连续采集设备信息和生产信息，保证系统数据处理的及时性、准确性和完整性。

2. 生产设备当前运行的状态信息
   由于生产线的生产过程是由现场生产线上的 PLC控制的，而且 这些 PLC 都挂在 Profibus 上，这样信息交换中心，即主 PLC 可以通过该网采集现场 PLC 的所有 I / O 的信号。信息交换中心对这些信号经过汇总和分析，判断出全车间各生产线各部分的当前运行状态，并把这些运行状态存入信息交换中心内的相应数据块DB。同时这些运行状态信息是随着信息交换中心(主PLC)运行周期而实时刷新的。现场的工程师站和管理层的计算机分别通过 Profibus 和 工业以太网 H1 ，访问信息交换中心内的相应数据块，而得到生产设备当前运行状态信息，再经过 Coros LSB/Win动态图形画面，生动、形象地显示出生产设备当前运行状态。

3. 设备故障自动诊断、分析与统计
   • 当生产线上设备发生故障时，信息交换中心通过Profibu网可以立即监测到。信息交换中心依据下面四个方面，判断出故障发生的具体内容和位置，并在在现场工程师站和管理层的计算机 Coros LSB/Win 的动态图形画面上详细显示：
     a. 现场维修人员提供的经验；
     b. 分析动作不到位信号；
     c. 由故障历史记录而形成的发生几率；
     d. 该设备 PLC 程序的逻辑分析。
     
   • 信息交换中心按照发生故障性质确定出故障类型：机械故障、电器故障、液压故障、气动故障等。信息交换中心按照所发生故障对设备运行影响程度确定出故障等级：将要故障、次要故障和主要故障。信息交换中心按照发生故障特征和维修记录提示出排故方法。在现场工程师站和管理层的计算机 Coros LSB/Win 的动态图形画面上，故障类型和排故方法以文字形式显示，故障等级以不同颜色和闪烁程形式显示。
     
   • 由管理层的计算机进行设备故障统计，其内容主要包括：
     a. 每台设备每天的发生的故障信息记录；
     b. 设备按照故障发生类型进行周、月、季和年统计；
     c. 每台设备的故障率和开通率；
     d. 各条生产线的故障率和开通率；
     e. 全车间设备的故障率和开通率；
4. 车间生产信息自动统计
   在 Profibus 络的支持下，系统自动采集各生产线的产量信息，并存入信息交换中心的数据块中。通过管理层的计算机的 Coros LSB/Win 界面形成下例各种生产统计报表：
   • 实时显示各条生产线的生产节拍及变化状况；
     
   • 实时显示各条生产线的生产产量及变化状况，显示当日 和近七日内每天的生产产量变化过程；
     
   • 车间在一年内每天的白班和夜班的生产产量记录；
     
   • 车间生产产量的周报表、月报表和年报表。
5. 焊机群控
   当电压监测装置监测出车间供电电压低于正常供电电压时，主 PLC 上的中断输入模板 (6ES5 451-4UA13) 将接收到电压监测装置发出的信号，主 PLC 刻进入执行中断服务程序。中断服务程序根据焊机群控原理，通过 Profibus 网，向设备上的PLC发出工作指令，使各焊机按一定的顺序工作。

六. 结论和意义

1. 该系统对对用户的设备排故维修提供了比较切实可行的便利手段，彻底改变了过去那种单凭经验诊断故障的工作方法。在计算机的帮助下，只要生产设备有故障发生，系统都能比较准确、迅速地确定故障具体位置或方位，并提供排故方法。这样极大地缩短了故障查找和排故时间，保证了设备能够尽可能短的时间内恢复正常。
   
2. 由于该系统能够实现生产产量自动统计，代替了过去需要很多时间的手工抄报统计工作，提高了车间生产管理的自动化程度。同时该系统也给车间提供了生产动态调度的手段，通过管理层计算机了解当前车间各生产线、各部分生产状态，可以发现可能出现的生产瓶颈，使得车间管理者及时地进行生产调整。
   
3. 焊机群控过去在国内还无法实现，现在系统利用西门子公司的 PLC 和 Profibus 技术实现了焊机群控。这对电焊机的焊接质量的稳定和提高有了一定的保证。
   
4. 在该系统中成功地应用了西门子公司 SIMATIC 产品的技术，其中 Profibus 现场总线和 H1工业以太网技术在该系统中起到关键的作用，它们把系统的各部分构成一个统一体； 主 PLC S5-155U以运行速度高、大存储量技术保证系统信息的采集、综合分析和传送能够可靠、准确地进行；Coros LSB/Win制作的人机界面速度快、效率高，而且易操作、使用友好方便。