我們針對上海大眾汽車(chē)二廠(chǎng)焊接車(chē)間，利用西門(mén)子公司的 SIMATIC產(chǎn)品，設計并實(shí)施完成一套設備故障自動(dòng)診斷及焊機群控系統。經(jīng)過(guò)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(chē)間現狀分析

    該焊接車(chē)間主要生產(chǎn)桑塔納2000型轎車(chē)的車(chē)身。車(chē)間進(jìn)料為沖壓車(chē)間的各種沖壓零件，經(jīng)過(guò)焊接生產(chǎn)流水線(xiàn)，先把這些各種零件焊接拼裝各種車(chē)身部件，如汽車(chē)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(chē)身，最后經(jīng)過(guò)補焊、打磨形成最終的白車(chē)身，輸出到油漆車(chē)間噴漆。該焊接車(chē)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(xiàn)，分別為前圍線(xiàn)、后圍線(xiàn)、前底板線(xiàn)、底板線(xiàn)、總拼線(xiàn)和補焊線(xiàn)。這六條生產(chǎn)流水線(xiàn)按照生產(chǎn)工藝相互剛性連接。在這些生產(chǎn)流水線(xiàn)上的各個(gè)工位主要配備的是焊接機械手、焊接機械人、多點(diǎn)焊機、拉桿傳輸和空中輸送車(chē)等自動(dòng)化設備組成。由44臺西門(mén)子公司的PLC分別控制這些生產(chǎn)流水線(xiàn)上的各種加工設備，使其相互協(xié)調地、連續地、自動(dòng)地運行，使車(chē)間達到每56秒鐘生產(chǎn)一部白車(chē)身的的生產(chǎn)節拍的能力。

    但是該車(chē)間生產(chǎn)流水線(xiàn)投入運行時(shí)，存在兩個(gè)主要的問(wèn)題：

    1.當設備上某處出現故障時(shí)，由于不能很快地排除，經(jīng)常造成整條生產(chǎn)線(xiàn)停機，或者整個(gè)車(chē)間停產(chǎn)，嚴重影響車(chē)間產(chǎn)量和生產(chǎn)節拍。

    2.會(huì )發(fā)生某些焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量不穩定，不能保證白車(chē)身質(zhì)量。

    經(jīng)過(guò)調查研究和具體分析，發(fā)生上述問(wèn)題的主要原因是：

    1.生產(chǎn)線(xiàn)上設備比較多，設備比較復雜，生產(chǎn)線(xiàn)之間又是剛性連接，如果某一部位發(fā)生機械、液壓或電氣故障會(huì )造成某條生產(chǎn)線(xiàn)停機，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，由于生產(chǎn)線(xiàn)之間無(wú)緩沖，前面的生產(chǎn)線(xiàn)立即停機，后面生產(chǎn)線(xiàn)造成空工位，這個(gè)時(shí)間過(guò)長(cháng)，還會(huì )造成后面生產(chǎn)線(xiàn)停機。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。

    2.該車(chē)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?chē)間建立這套設備故障自動(dòng)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(chē)間六條生產(chǎn)線(xiàn)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(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，我們的系統在車(chē)間建立了兩段現場(chǎng)工業(yè)總線(xiàn)Profibus 網(wǎng)，分別把這些PLC連接起來(lái)。使系統能夠通過(guò)現場(chǎng)PLC采集和匯總生產(chǎn)線(xiàn)上設備狀態(tài)信息，自動(dòng)分析診斷故障。設備并網(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場(chǎng)工業(yè)總線(xiàn)上。(參見(jiàn)附圖)

2.現場(chǎng)工程師站

    現場(chǎng)工程師站設置在車(chē)間現場(chǎng)，是由六臺工控機組成，分別對應著(zhù)車(chē)間現場(chǎng)六條生產(chǎn)線(xiàn)。這六臺工控機上都分別插有 Profibus 網(wǎng)卡CP5412，并通過(guò)該卡連接在 Profibus 的網(wǎng)上。通過(guò)現場(chǎng)工程師站可以監控對應的生產(chǎn)流水線(xiàn)。(參見(jiàn)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(chēng)為系統的主PLC。一方面通過(guò)車(chē)間現場(chǎng)工業(yè)總線(xiàn) Profibus 網(wǎng)，連接生產(chǎn)線(xiàn)上 44臺 PLC，采集匯總分析生產(chǎn)線(xiàn)上設備的故障信息；另一方面通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng) 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(shí)又通過(guò)車(chē)間現場(chǎng)工業(yè)總線(xiàn) Profibus 網(wǎng)把其分析診斷結果送回現場(chǎng)工程師站。(參見(jiàn)附圖) 

4.管理層

    系統的管理包括車(chē)間主任辦公室和維修辦公室的計算機，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果，并對此分類(lèi)歸檔，形成各種報表。(參見(jiàn)附圖)

5.焊機群控裝置

    設置一臺高靈敏的電壓監測儀， 實(shí)時(shí)監測車(chē)間電焊機工作時(shí)供電電壓的變化，并把結果送入信息交換中心，通過(guò)S5－155U的中斷程序處理焊機群控信息，經(jīng)過(guò)Prifibus-DP方式，把控制信號高速地傳送到生產(chǎn)線(xiàn)上 的PLC，使相應焊機的通電動(dòng)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(chǎng)工程師站的計算機上，是系統主要開(kāi)發(fā)平臺。COM5431 和COM143系統軟件是為了管理現場(chǎng)工業(yè)總線(xiàn) Profibus 和工業(yè)以太網(wǎng) H1。

三. 系統的主要目的

1.采集全車(chē)間六條生產(chǎn)線(xiàn)上的設備運行狀態(tài)信息

    由于 Profibus 網(wǎng)連接著(zhù)現場(chǎng)PLC，系統可以實(shí)時(shí)地監測并分辨當前各生產(chǎn)設備所處的正常運行、停機、故障等各種狀態(tài)，并在相應工控機的相應畫(huà)面上，通過(guò)以不同的符號、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(xiàn)上設備的故障狀態(tài)及具體部位

    由于 Profibus 網(wǎng)絡(luò )采集各生產(chǎn)設備上的信息，匯總到主 PLC S5－155U上集中進(jìn)行分析綜合，系統可以判斷出故障類(lèi)型和發(fā)生故障的所在生產(chǎn)線(xiàn)、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(lái)，以提示維修人員。

3.進(jìn)行有關(guān)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(yè)組態(tài)軟件 CorosLSB/Win 操作平臺下，可對從主 PLC 送來(lái)的故障信息，進(jìn)行分類(lèi)歸檔處理，同時(shí)在設備維修手冊數據庫中進(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備檔案數據庫中，并形成各種報表。

4.對全車(chē)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(chē)間電焊機供電電壓進(jìn)行監測，按照電焊機群控原理，對由 PLC 控制的電焊機進(jìn)行排隊通電控制。

四. 系統工作基本原理

1.自動(dòng)故障診斷一般方法

    焊接車(chē)間設備絕大部分是通過(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。初步統計該車(chē)間分布在各生產(chǎn)線(xiàn)上共 4 千個(gè)大大小小的油缸和氣缸，而設備故障主要發(fā)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(gè)油缸動(dòng)作情況，得出自動(dòng)故障診斷一般方法。設一個(gè)油缸向前運動(dòng) Q＝1，油缸經(jīng)過(guò)一定的運動(dòng)時(shí)間到達前端，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。我們系統中為這個(gè)油缸設置一個(gè)計時(shí)器T。當油缸動(dòng)作 Q 信號發(fā)出，該計時(shí)器開(kāi)始計時(shí)，在設定的該油缸運動(dòng)時(shí)間T_set范圍內，相應到位接近開(kāi)關(guān)得電，即系統認為該油缸工作正常。如果在該油缸運動(dòng)時(shí)間T_set范圍內，相應到位接近開(kāi)關(guān)未得電，則系統認為該油缸發(fā)生故障。系統自動(dòng)分析的結果列表如下：

根據上述方法，系統對車(chē)間設備上每個(gè)油缸和氣缸，在該設備PLC控制器都分配計時(shí)器T，并設置相應缸運動(dòng)時(shí)間T_set，以完成自動(dòng)故障診斷。

2.焊機群控的一般方法

    該車(chē)間有四個(gè)供電變壓器向焊機供電，由于焊機是使用的單相電。車(chē)間焊機基本是均勻地分別掛在車(chē)間里 12 條單相電線(xiàn)路上。高靈敏的電壓監測儀分別監視著(zhù)這 12 條單相電線(xiàn)路。當監測到其中一條線(xiàn)路電壓低于設定的值時(shí)，就向主PLC申請中斷。中斷程序首先檢查線(xiàn)路電壓低到什么程度，再分別處理：

    線(xiàn)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(xiàn)路的焊機排隊，通過(guò)現場(chǎng)工業(yè)總線(xiàn)，控制設備上PLC，讓該線(xiàn)路上的焊機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(xiàn)路電壓在停機范圍內，中斷程序通過(guò)現場(chǎng)工業(yè)總線(xiàn)的廣播形式通知設備PLC，將掛在該線(xiàn)路的所有焊機停止工作，直到線(xiàn)路電壓恢復正常范圍內。

五. 系統主要功能及實(shí)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(mén)子公司SIMATIC 工業(yè)型產(chǎn)品，就保證了系統全天24 小時(shí)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(chē)間現場(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(chǎn)線(xiàn)設備，連續采集設備信息和生產(chǎn)信息，保證系統數據處理的及時(shí)性、準確性和完整性。

2.生產(chǎn)設備當前運行的狀態(tài)信息

    由于生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)過(guò)程是由現場(chǎng)生產(chǎn)線(xiàn)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)采集現場(chǎng) PLC 的所有 I / O 的信號。信息交換中心對這些信號經(jīng)過(guò)匯總和分析，判斷出全車(chē)間各生產(chǎn)線(xiàn)各部分的當前運行狀態(tài)，并把這些運行狀態(tài)存入信息交換中心內的相應數據塊DB。同時(shí)這些運行狀態(tài)信息是隨著(zhù)信息交換中心(主PLC)運行周期而實(shí)時(shí)刷新的?，F場(chǎng)的工程師站和管理層的計算機分別通過(guò) Profibus 和 工業(yè)以太網(wǎng) H1 ，訪(fǎng)問(wèn)信息交換中心內的相應數據塊，而得到生產(chǎn)設備當前運行狀態(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)設備當前運行狀態(tài)。

3.設備故障自動(dòng)診斷、分析與統計

當生產(chǎn)線(xiàn)上設備發(fā)生故障時(shí)，信息交換中心通過(guò)Profibu網(wǎng)可以立即監測到。信息交換中心依據下面四個(gè)方面，判斷出故障發(fā)生的具體內容和位置，并在在現場(chǎng)工程師站和管理層的計算機 Coros LSB/Win 的動(dòng)態(tài)圖形畫(huà)面上詳細顯示：

    a. 現場(chǎng)維修人員提供的經(jīng)驗；
    b. 分析動(dòng)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(lèi)型：機械故障、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(fā)生故障特征和維修記錄提示出排故方法。在現場(chǎng)工程師站和管理層的計算機 Coros LSB/Win 的動(dòng)態(tài)圖形畫(huà)面上，故障類(lèi)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(jìn)行設備故障統計，其內容主要包括：

    a. 每臺設備每天的發(fā)生的故障信息記錄；
    b. 設備按照故障發(fā)生類(lèi)型進(jìn)行周、月、季和年統計；
    c. 每臺設備的故障率和開(kāi)通率；
    d. 各條生產(chǎn)線(xiàn)的故障率和開(kāi)通率；
    e. 全車(chē)間設備的故障率和開(kāi)通率；

4.車(chē)間生產(chǎn)信息自動(dòng)統計

    在 Profibus 絡(luò )的支持下，系統自動(dòng)采集各生產(chǎn)線(xiàn)的產(chǎn)量信息，并存入信息交換中心的數據塊中。通過(guò)管理層的計算機的 Coros LSB/Win 界面形成下例各種生產(chǎn)統計報表：
實(shí)時(shí)顯示各條生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)節拍及變化狀況；

  實(shí)時(shí)顯示各條生產(chǎn)線(xiàn)的生產(chǎn)產(chǎn)量及變化狀況，顯示當日 和近七日內每天的生產(chǎn)產(chǎn)量變化過(guò)程；
  車(chē)間在一年內每天的白班和夜班的生產(chǎn)產(chǎn)量記錄；
  車(chē)間生產(chǎn)產(chǎn)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(chē)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) 將接收到電壓監測裝置發(fā)出的信號，主 PLC 刻進(jìn)入執行中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序根據焊機群控原理，通過(guò) Profibus 網(wǎng)，向設備上的PLC發(fā)出工作指令，使各焊機按一定的順序工作。

六. 結論和意義

    1.該系統對對用戶(hù)的設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)驗診斷故障的工作方法。在計算機的幫助下，只要生產(chǎn)設備有故障發(fā)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(shí)間，保證了設備能夠盡可能短的時(shí)間內恢復正常。

    2.由于該系統能夠實(shí)現生產(chǎn)產(chǎn)量自動(dòng)統計，代替了過(guò)去需要很多時(shí)間的手工抄報統計工作，提高了車(chē)間生產(chǎn)管理的自動(dòng)化程度。同時(shí)該系統也給車(chē)間提供了生產(chǎn)動(dòng)態(tài)調度的手段，通過(guò)管理層計算機了解當前車(chē)間各生產(chǎn)線(xiàn)、各部分生產(chǎn)狀態(tài)，可以發(fā)現可能出現的生產(chǎn)瓶頸，使得車(chē)間管理者及時(shí)地進(jìn)行生產(chǎn)調整。

    3.焊機群控過(guò)去在國內還無(wú)法實(shí)現，現在系統利用西門(mén)子公司的 PLC 和 Profibus 技術(shù)實(shí)現了焊機群控。這對電焊機的焊接質(zhì)量的穩定和提高有了一定的保證。

    4.在該系統中成功地應用了西門(mén)子公司 SIMATIC 產(chǎn)品的技術(shù)，其中 Profibus 現場(chǎng)總線(xiàn)和 H1工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在該系統中起到關(guān)鍵的作用，它們把系統的各部分構成一個(gè)統一體； 主 PLC S5-155U以運行速度高、大存儲量技術(shù)保證系統信息的采集、綜合分析和傳送能夠可靠、準確地進(jìn)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。