浔之漫智控技术(上海)有限公司
西门子PLC模块 , CPU模块 , DP通讯电缆 , 6GK交换机
西门子交换机|授权总代理商

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,后经过补焊、打磨形成终的白车身,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系统。
二. 系统的硬件和软件结构

1 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)

2 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)

3 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)



4 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)

5 焊机装置
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。

6 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
1 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。

2 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。

3 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。

4 对全车间由 PLC 控制的焊接变压器的通电进行
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
1 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。


2 焊机的一般方法
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
1 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。

2 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 PLC 都挂在 Profibus 上,这样信息交换中心,即主 PLC 可以通过该网采集现场 PLC 的所有 I / O 的信号。信息交换中心对这些信号经过汇总和分析,判断出全车间各生产线各部分的当前运行状态,并把这些运行状态存入信息交换中心内的相应数据块DB。同时这些运行状态信息是随着信息交换中心(主PLC)运行周期而实时刷新的。现场的工程师站和管理层的计算机分别通过 Profibus 和 工业以太网 H1 ,访问信息交换中心内的相应数据块,而得到生产设备当前运行状态信息,再经过 Coros LSB/Win动态图形画面,生动、形象地显示出生产设备当前运行状态。

3 设备故障自动诊断、分析与统计
当生产线上设备发生故障时,信息交换中心通过Profibu网可以立即监测到。信息交换中心依据下面四个方面,判断出故障发生的具体内容和位置,并在在现场工程师站和管理层的计算机 Coros LSB/Win 的动态图形画面上详细显示:
a. 现场维修人员提供的经验;
b. 分析动作不到位信号;
c. 由故障历史记录而形成的发生几率;
d. 该设备 PLC 程序的逻辑分析。

信息交换中心按照发生故障性质确定出故障类型:机械故障、电器故障、液压故障、气动故障等。信息交换中心按照所发生故障对设备运行影响程度确定出故障等级:将要故障、次要故障和主要故障。信息交换中心按照发生故障特征和维修记录提示出排故方法。在现场工程师站和管理层的计算机 Coros LSB/Win 的动态图形画面上,故障类型和排故方法以文字形式显示,故障等级以不同颜色和闪烁程形式显示。

由管理层的计算机进行设备故障统计,其内容主要包括:
a. 每台设备每天的发生的故障信息记录;
b. 设备按照故障发生类型进行周、月、季和年统计;
c. 每台设备的故障率和开通率;
d. 各条生产线的故障率和开通率;
e. 全车间设备的故障率和开通率;
4 车间生产信息自动统计
在 Profibus 络的支持下,系统自动采集各生产线的产量信息,并存入信息交换中心的数据块中。通过管理层的计算机的 Coros LSB/Win 界面形成下例各种生产统计报表:
实时显示各条生产线的生产节拍及变化状况;

实时显示各条生产线的生产产量及变化状况,显示当日 和近七日内每天的生产产量变化过程;

车间在一年内每天的白班和夜班的生产产量记录;

车间生产产量的周报表、月报表和年报表。
5 焊机
当电压监测装置监测出车间供电电压低于正常供电电压时,主 PLC 上的中断输入模板 (6ES5 451-4UA13) 将接收到电压监测装置发出的信号,主 PLC 刻进入执行中断服务程序。中断服务程序根据焊机原理,通过 Profibus 网,向设备上的PLC发出工作指令,使各焊机按一定的顺序工作。
六. 结论和意义
1 该系统对对用户的设备排故维修提供了比较切实可行的便利手段,彻底改变了过去那种单凭经验诊断故障的工作方法。在计算机的帮助下,只要生产设备有故障发生,系统都能比较准确、迅速地确定故障具体位置或方位,并提供排故方法。这样极大地缩短了故障查找和排故时间,保证了设备能够尽可能短的时间内恢复正常。

2 由于该系统能够实现生产产量自动统计,代替了过去需要很多时间的手工抄报统计工作,提高了车间生产管理的自动化程度。同时该系统也给车间提供了生产动态调度的手段,通过管理层计算机了解当前车间各生产线、各部分生产状态,可以发现可能出现的生产瓶颈,使得车间管理者及时地进行生产调整。

3 焊机过去在国内还无法实现,现在系统利用西门子公司的 PLC 和 Profibus 技术实现了焊机。这对电焊机的焊接质量的稳定和提高有了一定的保证。

4 在该系统中成功地应用了西门子公司 SIMATIC 产品的技术,其中 Profibus 现场总线和 H1工业以太网技术在该系统中起到关键的作用,它们把系统的各部分构成一个统一体; 主 PLC S5-155U以运行速度高、大存储量技术保证系统信息的采集、综合分析和传送能够可靠、准确地进行;Coros LSB/Win制作的人机界面速度快、效率高,而且易操作、使用友好方便。

1功能介绍
S7-1500产品系列的CPU支持在运行期间扩展函数块的接口,或者增加全局数据块的变量。此过程无需将CPU设置为STOP模式,既可下载已修改的块,此时也不会影响已经加载变量的过程值。这是一种简单的程序更改实施方式,这一加载过程(无需重新初始化的加载)不会对受控对象造成影响。
原理:被激活为“优化块访问”(Optimized block access)属性的函数块或者数据块已经默认包含一个预留存储区间,该预留区间在初期并未使用,可用于后续的函数块接口的扩展或者数据块变量的增加。预留功能会占用更多的存储区。如果希望已经带有存储区预留的程序块用于下载无需重新初始化功能,那么新声明的所有变量都将保存到存储器预留的区域中,所以所有新增变量的大小必须小于预留的存储区的大小。执行无需重新初始化的下载不会影响任何已经加载的变量或对运行造成不利影响。
2功能实现

2.1要求
要实现下载函数块或者数据块无需重新初始化功能,需要满足以下条件:
1) 项目是博途V12版本创建的
2) 使用S7-1500产品系列的CPU
3) 函数块在LAD、FBD、STL、或SCL中创建
4) 块由用户创建,即这些块不能是博途 V12安装后自身带有的块
5)这些块设置为优化访问方式

2.2应用举例
下面以DB为例,来说明怎样实现下载无需重新初始化功能。

序号操作图示1.首先打开博途 V12 软件,切换至项目视图,添加一款S7-1500CPU。2.添加一个新的数据块,数据块名称和编号使用缺省值即可。3.默认情况下,数据块已经被设置为优化的块访问方式,如果不是,手动设置为优化的块访问方式。4.默认预留存储空间大小为100字节,可以修改这一存储预留区域以适应用户的需求,大可以设置为2M。这部分预留存储空间由装载存储器提供。保持存储区中默认情况下没有设置预留区域,这是因为保持型存储区由CPU提供,这一存储区是有限的(例如CPU1516为484000个字节)。如果增加的变量需要设置为保持属性,那么就需要设置预留可保持性存储器的大小。5.接下来在在数据块中建立变量,本例中建立以下三个变量“Variable1”、“Variable2”和“Variable3”,数据类型分别为Bool,Real和Int。6.在OB1中对这些变量赋值,此赋值过程为使用上升沿与跳转指令赋值,只持续一个周期7.在线监视赋值结果。8.点击下载无需初始化功能图标,弹出提示对话框,点击确定。9.注意:一旦激活了下载无需初始化按钮,则无法再删除现有变量。 除了“默认值”、“起始值”和“注释”属性之外,其它属性均不得再进行更改。同时,也不能再次修改步骤4中保留存储器的大小。10.可以在现有变量标签上选择“插入行”或者“添加行”来增加变量,本例增加了两个变量,分别是“Variable4”和“Variable5”,并且修改了“Variable3”的启动值。11.在编译期间,新声明的变量将插入到预留存储器中。 如果预留存储器过小,编译将终止,并显示一条错误消息,通知发生错误。点击下载,将数据块下载到CPU中,下载预览中的“消息”栏中,没有出现下载需要初始化选项,说明成功实现下载程数据块无需重新初始化功能。12.查看增加新变量后的块属性,可以观测到保留存储区的剩余资源。13.下载后监视数据块,原有变量的过程值保留原来的值,并没有被重新初始化为启动值,新增加的变量被初始化为启动值。


3其它注意事项

3.1修改缺省预留存储区大小
如果要在项目中为所有新创建的块设置预留存储器的大小,请按以下步骤操作:
1) 在“选项”(Options) 菜单中,选择“设置”(Settings) 命令。选择后将在工作区中显示“设置”(Settings) 窗口。
2) 在区域导航中选择“plc 编程 > 常规”(PLC programming > General) 组。
3) 在“无需重新初始化设置下载的预留存储器”(Reserved memory for download without reinitialization) 组中,在“存储器预留区域”(Memory reserve) 的输入框中输入为函数块或者数据块进行后续扩展而分配的预留存储区的字节数。
设置完成后,当新建一个优化的函数块或者数据块时,步骤4中缺省的预留存储空间变为新指定的大小。而已经存在的块不受此次更改的影响。
设置界面如图3-1所示。


图3-1修改系统缺省预留存储区大小

3.2取消下载无需初始化功能
如果取消下载无需初始化功能,可以将之前位于预留区域的所有变量都移动到常规区域。 因此,需要对块进行编译并再次加载。 CPU 中变量的值在加载期间重新初始化。预留存储器仍然存在,可供之后进行扩展时使用, 并再次具有块属性中所定义的空间大小。
3.3重至预留存储区
要重置一个或多个块的预留存储器,请按以下步骤操作:
1) 选择“程序块”(Program blocks) 文件夹,或该文件夹中的特定块。
2) 在快捷菜单中,选择“编译 > 软件(重置预留存储器)”(Compile > Software (Reset memory reserve))命令。
此操作的结果是,之前位于预留存储器中所选块的所有变量,都从此区域移动到常规区域中,并且块重新被编译。变量在下一次加载期间将重新初始化。块中所组态的预留存储器将保留,且继续保持活动状态。

注意:取消下载无需初始化功能和重置预留存储器时,在预留存储器中之前设置的所有变量都将在下次加载时重新初始化。这适用于保持性和非保持性变量。在工厂运行期间,更改变量值将导致严重的财产损失和人身伤害! 因此,在重置预留存储器后必须先在测试环境中进行全面彻底地检查之后,才能使用。


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