我們針對(duì)上海大眾汽車二廠焊接車間,，利用西門(mén)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(guò)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(guò)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(guò)總拼把這些部件拼焊成整體車身,，最后經(jīng)過(guò)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(guò)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(mén)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(wèn)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(guò)調(diào)查研究和具體分析,，發(fā)生上述問(wèn)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(guò)一定時(shí)間的分析查找過(guò)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(wú)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(guò)長(zhǎng),，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(wèn)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(wú)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(chǎng)工業(yè)總線Profibus 網(wǎng)，分別把這些PLC 連接起來(lái),。使系統(tǒng)能夠通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)工業(yè)總線上,。(參見(jiàn)附圖)

　　
　　2 現(xiàn)場(chǎng)工程師站
　　現(xiàn)場(chǎng)工程師站設(shè)置在車間現(xiàn)場(chǎng)，是由六臺(tái)工控機(jī)組成,，分別對(duì)應(yīng)著車間現(xiàn)場(chǎng)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(guò)該卡連接在 Profibus 的網(wǎng)上,。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工程師站可以監(jiān)控對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)流水線,。(參見(jiàn)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(guò)車間現(xiàn)場(chǎng)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(guò)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(guò)車間現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)總線 Profibus 網(wǎng)把其分析診斷結(jié)果送回現(xiàn)場(chǎng)工程師站,。(參見(jiàn)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(guò)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(duì)此分類歸檔,，形成各種報(bào)表。(參見(jiàn)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(cè)儀,， 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(guò)S5－155U的中斷程序處理焊機(jī)群控信息,，經(jīng)過(guò)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(chǎng)工程師站的計(jì)算機(jī)上，是系統(tǒng)主要開(kāi)發(fā)平臺(tái),。COM5431 和COM143系統(tǒng)軟件是為了管理現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)PLC，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)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(huà)面上,，通過(guò)以不同的符號(hào),、圖形和顏色變化等形式顯示出來(lái),。
　　
　　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(lái),，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(duì)從主 PLC 送來(lái)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(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)中,，并形成各種報(bào)表,。
　　
　　4 對(duì)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(duì)全車間電焊機(jī)供電電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè),，按照電焊機(jī)群控原理,，對(duì)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(guò)油缸和氣缸來(lái)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(guò)一定的運(yùn)動(dòng)時(shí)間到達(dá)前端,，則前端接近開(kāi)關(guān) 得電 I_1＝1,，后端接近開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)未得電,，則系統(tǒng)認(rèn)為該油缸發(fā)生故障,。
根據(jù)上述方法，系統(tǒng)對(duì)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(cè)儀分別監(jiān)視著這 12 條單相電線路,。當(dāng)監(jiān)測(cè)到其中一條線路電壓低于設(shè)定的值時(shí)，就向主PLC申請(qǐng)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(mén)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(chǎng)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(cè)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(guò)程是由現(xiàn)場(chǎng)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(guò)該網(wǎng)采集現(xiàn)場(chǎng) PLC 的所有 I / O 的信號(hào)。信息交換中心對(duì)這些信號(hào)經(jīng)過(guò)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(chǎng)的工程師站和管理層的計(jì)算機(jī)分別通過(guò) Profibus 和 工業(yè)以太網(wǎng) H1 ,，訪問(wèn)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(guò) Coros LSB/Win動(dòng)態(tài)圖形畫(huà)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(guò)Profibu網(wǎng)可以立即監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(huà)面上詳細(xì)顯示：
　　a. 現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(huà)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(kāi)通率；
　　d. 各條生產(chǎn)線的故障率和開(kāi)通率,；
　　e. 全車間設(shè)備的故障率和開(kāi)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(guò)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(guò)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(cè)裝置監(jiān)測(cè)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(cè)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(guò) 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(duì)對(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)去在國(guó)內(nèi)還無(wú)法實(shí)現(xiàn),，現(xiàn)在系統(tǒng)利用西門(mén)子公司的 PLC 和 Profibus 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了焊機(jī)群控。這對(duì)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(mén)子公司 SIMATIC 產(chǎn)品的技術(shù),，其中 Profibus 現(xiàn)場(chǎng)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,。