汽車焊接車間設(shè)備故障自動診斷及焊機(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)計并實(shí)施完成一套設(shè)備故障自動診斷及焊機(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化設(shè)備組成。由44臺西門子公司的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,存在兩個主要的問題:
1. 當(dāng)設(shè)備上某處出現(xiàn)故障時,由于不能很快地排除,經(jīng)常造成整條生產(chǎn)線停機(jī),或者整個車間停產(chǎn),嚴(yán)重影響車間產(chǎn)量和生產(chǎn)節(jié)拍。
2. 會發(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:
1. 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、液壓或電氣故障會造成某條生產(chǎn)線停機(jī),維修人員要經(jīng)過一定時間的分析查找過程,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,這個時間過長,還會造成后面生產(chǎn)線停機(jī)。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(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=決上述兩個問題,我們?yōu)檐囬g建立這套設(shè)備故障自動診斷及焊機(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,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,自動分析診斷故障。設(shè)備并網(wǎng)的具體做法是,每臺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 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 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)果送到辦公室計算機(jī)上,同時又通過車間現(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,形成各種報表。(參見附圖)
5. 焊機(jī)群控裝置
設(shè)置一臺高靈敏的電壓監(jiān)測儀, 實(shí)時監(jiān)測車間電焊機(jī)工作時供電電壓的變化,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,把控制信號高速地傳送到生產(chǎn)線上 的PLC,使相應(yīng)焊機(jī)的通電動作得以控制。
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)場工程師站的計算機(jī)上,是系統(tǒng)主要開發(fā)平臺。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、圖形和顏色變化等形式顯示出來。
2. 實(shí)時分析發(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
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 操作平臺下,可對從主 PLC 送來的故障信息,進(jìn)行分類歸檔處理,同時在設(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)行排隊通電控制。
四. 系統(tǒng)工作基本原理
1. 自動故障診斷一般方法
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、下料和輸送等動作。初步統(tǒng)計該車間分布在各生產(chǎn)線上共 4 千個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。下面分析一個油缸動作情況,得出自動故障診斷一般方法。設(shè)一個油缸向前運(yùn)動 Q=1,油缸經(jīng)過一定的運(yùn)動時間到達(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)中為這個油缸設(shè)置一個計時器T。當(dāng)油缸動作 Q 信號發(fā)出,該計時器開始計時,在設(shè)定的該油缸運(yùn)動時間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)動時間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)備上每個油缸和氣缸,在該設(shè)備PLC控制器都分配計時器T,并設(shè)置相應(yīng)缸運(yùn)動時間T_set,以完成自動故障診斷。
2. 焊機(jī)群控的一般方法
該車間有四個供電變壓器向焊機(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,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(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,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。信息交換中心對這些信號經(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)時刷新的?,F(xiàn)場的工程師站和管理層的計算機(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動態(tài)圖形畫面,生動、形象地顯示出生產(chǎn)設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。
3. 設(shè)備故障自動診斷、分析與統(tǒng)計
·當(dāng)生產(chǎn)線上設(shè)備發(fā)生故障時,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算機(jī) Coros LSB/Win 的動態(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. 分析動作不到位信號;
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: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算機(jī) Coros LSB/Win 的動態(tài)圖形畫面上,故障類型和排故方法以文字形式顯示,故障等級以不同顏色和閃爍程形式顯示。
·由管理層的計算機(jī)進(jìn)行設(shè)備故障統(tǒng)計,其內(nèi)容主要包括:
a. 每臺設(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;
c. 每臺設(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)信息自動統(tǒng)計
在 Profibus 絡(luò)的支持下,系統(tǒng)自動采集各生產(chǎn)線的產(chǎn)量信息,并存入信息交換中心的數(shù)據(jù)塊中。通過管理層的計算機(jī)的 Coros LSB/Win 界面形成下例各種生產(chǎn)統(tǒng)計報表:
·實(shí)時顯示各條生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍及變化狀況;
·實(shí)時顯示各條生產(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)量的周報表、月報表和年報表。
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,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,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
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間,保證了設(shè)備能夠盡可能短的時間內(nèi)恢復(fù)正常。
由于該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)量自動統(tǒng)計,代替了過去需要很多時間的手工抄報統(tǒng)計工作,提高了車間生產(chǎn)管理的自動化程度。同時該系統(tǒng)也給車間提供了生產(chǎn)動態(tài)調(diào)度的手段,通過管理層計算機(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地進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)整。
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。
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)成一個統(tǒng)一體; 主 PLC S5-155U以運(yùn)行速度高、大存儲量技術(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。
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