汽车焊接车间设备故障自动诊断及焊机群控系统

荣获“2003年度工控及自动化领域优秀典型应用”有奖评选活动　　三等奖
	专家点评： 此文针对上海桑塔纳2000型轿车身的焊接车间，设计并实现了自动故障诊断和焊机群控系统。此车间原来存在着因在一条连续的生产线上出现故障就导致整条生产线瘫痪的难堪局面，以及由于采用多台焊机并行运行，共有两千多把焊枪同时工作，有时会因电压波动而严重影响焊接质量。作者采用了三层系统结构，论文介绍了系统的软、硬件结构，并详细地讨论了解决现场存在的两个问题。将专家经验加以总结，采用PLC控制器，实现了故障的自动诊断、分析与统计；对于电压波动问题，配置了PLC监控器，采用中断、顺序排队等策略提高了焊接质量。应该说这是一个优秀的应用案例。但从写应用论文的角度来看，应该在论文的最后介绍应用的具体效益，例如利用一些数字来加以说明。

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：

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。

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：
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。

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

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)

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)

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)


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)

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。

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
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。

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。

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。

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
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。


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
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。

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 P