基于線下試驗臺的設備快速維修分析

馮煒，楊明川，余興武，王博，涂文平，劉帥

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100000）

1 問題分析

設備維修，屬于工業(yè)制造領域維護、正常生產(chǎn)中必不可少的一環(huán)，維修時間的長短直接影響生產(chǎn)線產(chǎn)量的多少，所以時間對于生產(chǎn)及維修部門來講都是最為關(guān)鍵的一環(huán)。如何快速準確地解決現(xiàn)場故障成為擺在設備維修人員面前的難題。

在日常生產(chǎn)及維修過程中，由于維修過程的主體是維修操作工，所以對于設備維護來講，提高設備維修操作工的技能水平，處理故障的反應能力尤為重要。總體而言，對于設備維護來說，現(xiàn)場維護過程主要存在以下問題：

（1）現(xiàn)場故障需及時快速反應，在最快的時間內(nèi)保證生產(chǎn)工作的繼續(xù)；

（2）設備維護條目繁瑣，在機械電氣兩大類下又可分為多個小項目；

（3）對于國際標準不統(tǒng)一的領域，需學習的內(nèi)容更多，如PLC來講，可分為歐美系、日系兩大類；

（4）產(chǎn)線子供應商，具體技術(shù)種類繁多，產(chǎn)線往往集成上百家公司的產(chǎn)品；

（5）人員技術(shù)水平提升需求較大，工作內(nèi)容自身屬于技術(shù)相關(guān)類，培養(yǎng)操作人員對相關(guān)設備的興趣顯得尤為重要。

為了應對以上設備維護過程存在的種種困難，在實際生產(chǎn)維修過程中，總結(jié)出以試驗臺為平臺，電氣PLC控制為主體，連接各個具體設備，線下配置，調(diào)整參數(shù)，學習培訓，以此提高人員技能并且提高故障解決速率的方法。

2 線下試驗臺搭建思路

2.1 基于西門子PLC的試驗臺

目前國內(nèi)制造業(yè)工廠中，大部分控制系統(tǒng)都以西門子PLC為主體，在此基礎上搭建相應的網(wǎng)絡通訊接口、I/O端口、外部供電接口等。然后通過以上接口連接外部設備，以此實現(xiàn)自動化控制的目的。實物連接如圖1所示，通過源模塊將外部220V的直流電轉(zhuǎn)換成供設備使用的24V直流電，再通過CPU與I/O模塊之間的通訊控制外接設備。

圖1 試驗臺主體實物圖

2.1.1 基于西門子試驗臺的相機故障分析

工業(yè)相機是機器視覺系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵組件，影響相機的主要參數(shù)有分辨率、曝光時間、增益程度、像素、網(wǎng)絡接口類型等，極大程度受到外部光源、程序控制、參數(shù)設置等因素影響，所以相機在工業(yè)領域?qū)儆诩夹g(shù)較為復雜的設備。

Neurocheck相機作為德國一個小眾的廠家，屬于相機領域中技術(shù)難點較大的產(chǎn)品。原因在于該產(chǎn)品保留了一定的開發(fā)功能，使用者可以通過對軟件的編輯，添加不同的函數(shù)，以此對不同的物體進行想要的計算。而且就硬件系統(tǒng)來說，Neurocheck相機系統(tǒng)自帶主機，操作軟件建立在Windows系統(tǒng)上，以兩張通訊卡分別連接相機與PLC系統(tǒng)，構(gòu)成一整套復雜的生態(tài)。

在實際生產(chǎn)過程中，除了對相機參數(shù)的調(diào)整外，維護日常生產(chǎn)最重要的部分就是硬件的更換與故障排查。而對Neurocheck相機來說，因其控制主機具有兩張通訊網(wǎng)卡，一張實現(xiàn)與PLC的控制，另一張實現(xiàn)與相機的通訊，其中與相機通訊的網(wǎng)卡除具備通訊功能外，還擔任著為相機供電的責任。所以在生產(chǎn)線7天24h不停的運轉(zhuǎn)中，該網(wǎng)卡很容易由于供電被燒毀。所以在日常維護工作中，對于相機網(wǎng)卡的更換成為維修人員必備技能之一。而且，對于網(wǎng)卡的更換來講，因為它不止是個普通硬件，還起到通訊的作用，在硬件更換后，硬件IP地址等通訊參數(shù)也需要隨之一起變動。

如圖2顯示了相機的通訊回路及工作原理，增加了維修人員對設備的熟悉程度，提升了其硬件更換的速度。

圖2 Neurocheck相機工作原理

2.1.2 PIAB真空發(fā)生器故障分析

真空發(fā)生器是利用壓縮空氣的流動而形成一定真空度的氣動元件，相比普通氣動元件，真空發(fā)生器結(jié)構(gòu)相對較為復雜，可能發(fā)生故障的問題點較多，所以通過線下試驗臺對真空發(fā)生器進行系統(tǒng)性的分析顯得尤為必要。本文以PIAB真空發(fā)生器為主體對真空發(fā)生器進行分析。

通過外部氣源供應，連同西門子試驗臺，可以在保持壓縮空氣供應的條件下，利用試驗臺測試真空發(fā)生器故障點。拿最常出現(xiàn)的真空發(fā)生器無法正常制造負壓為例，分別拿損壞的發(fā)生器與正常全新的發(fā)生器分別進行測試，連續(xù)進行吹吸操作，損壞的發(fā)生器只可進行吹操作，無法進行吸操作；而對于新發(fā)生器來說，剛開始可以維持正常使用，在進行大約1000次的吹吸操作后，發(fā)現(xiàn)吸取功能同樣失敗，拆除檢查氣路，空氣濾芯等，一切正常，故排除機械問題。隨后取下發(fā)生器電控板，單獨通電后，發(fā)現(xiàn)電控板無法正常工作，于是將問題故障確定在發(fā)生器的電控單元。

2.2 基于歐姆龍PLC的試驗臺

歐姆龍屬于日本開發(fā)的PLC控制系統(tǒng)，相較西門子而言屬于國內(nèi)較為小眾的品牌。現(xiàn)場歐姆龍PLC為NX1P2系列，相應軟件為Sysmac Studio V1.30，可通過該軟件對PLC實現(xiàn)控制。

與西門子控制系統(tǒng)相類似的地方在該系統(tǒng)同樣是需要供電系統(tǒng)與通訊系統(tǒng)的配合，如圖3所示，該試驗臺的主題是歐姆龍CPU，起到通訊作用的ETHERCAT模塊、伺服控制模塊、24V直流電源模塊等?，F(xiàn)實中調(diào)試設備同樣通過外接工業(yè)電腦以ETHERCAT通訊協(xié)議與CPU通訊，從而實現(xiàn)對其功能進行控制、操作等。

圖3 歐姆龍試驗臺

以現(xiàn)場使用的vediojet品牌的噴碼機為例，基于歐姆龍PLC的控制研究生產(chǎn)過程中試驗臺對故障處理的作用。生產(chǎn)過程中，為了快速處理現(xiàn)場故障，在線下搭建了一個100%還原現(xiàn)場設備的噴碼機。通過線下熟悉歐姆龍PLC的操作，修改了原有噴碼機的控制邏輯，掃碼機隨著噴碼機運動，在移動過程中進行掃碼操作，掃碼效果時好時壞，所以通過線下對程序的修改、試驗，最終搬到線上實行，改良了掃碼質(zhì)量。

3 試驗臺對設備維護的影響

3.1 試驗臺對現(xiàn)場故障的影響

在設備維修過程中，有兩個最基本的KPI指標，一是停機數(shù)量，一般各工廠有自身對于大停機的定義，一般而言，30min對加工產(chǎn)線算是一個標準門檻；二是TA，也就是Technical Avalibility，TA=（運行時間-故障時間）/運行時間，所以TA越高意味著設備運行狀態(tài)越好，設備故障率也就越低。本文所介紹的以試驗臺為基礎的維修策略從2020年10月份開始運行，分別統(tǒng)計了從2020年3月~2021年3月，涉及文中技術(shù)的設備停機數(shù)量及TA值變化，如圖4所示，是該時間段內(nèi)噴碼、掃碼設備的停機總時長變化。圖5所示是真空發(fā)生器相關(guān)設備的TA值變化情況，可見隨著試驗臺理論的實施，設備相關(guān)故障率顯著下降，運行效果顯著提高，極大節(jié)省了維修的時間。

圖4 停機數(shù)量變化

圖5 TA變化

3.2 試驗臺對生產(chǎn)成本的影響

正因試驗臺的存在，降低了故障率，進而帶來一系列的連鎖反應。直接反應在工廠生產(chǎn)過程中成本的降低，首先，因為設備的穩(wěn)定使得設備原因?qū)е碌漠a(chǎn)品不合格率下降，工件的生產(chǎn)制造成本直接下降；其次，因試驗臺的存在，省去很大一部分用于提升人員技能的費用，而設備維護部門每年花在培訓上的費用高達數(shù)百萬；最后，由于設備運行狀況的提升使得人員的需求數(shù)量直線下降，直接影響工廠運營成本。

4 結(jié)語

本文以北京奔馳電池工廠現(xiàn)有高頻故障率的設備為基礎，基于西門子PLC與歐姆龍PLC兩套控制系統(tǒng)框架，分別搭建了各品牌相機、真空發(fā)生器、噴碼機設備的線下試驗臺，以此為依據(jù)，對相關(guān)人員進行了設備的培訓，對現(xiàn)場故障進行后續(xù)的分析、優(yōu)化，以現(xiàn)有的設備運行狀態(tài)評價標準衡量了試驗臺對于生產(chǎn)線的價值，發(fā)現(xiàn)試驗臺的存在正如F1賽場上的后勤保障團隊，可以為維修爭分奪秒，顯著提升維修的時效，在工廠日常生產(chǎn)過程中起到不可或缺的作用。