基于線下試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)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(shè)備維修，屬于工業(yè)制造領(lǐng)域維護(hù)、正常生產(chǎn)中必不可少的一環(huán)，維修時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響生產(chǎn)線產(chǎn)量的多少，所以時(shí)間對(duì)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(zhǔn)確地解決現(xiàn)場(chǎng)故障成為擺在設(shè)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(duì)于設(shè)備維護(hù)來講，提高設(shè)備維修操作工的技能水平，處理故障的反應(yīng)能力尤為重要?？傮w而言，對(duì)于設(shè)備維護(hù)來說，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)過程主要存在以下問題：

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

（2）設(shè)備維護(hù)條目繁瑣，在機(jī)械電氣兩大類下又可分為多個(gè)小項(xiàng)目；

（3）對(duì)于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的領(lǐng)域，需學(xué)習(xí)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(yīng)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(duì)相關(guān)設(shè)備的興趣顯得尤為重要。

為了應(yīng)對(duì)以上設(shè)備維護(hù)過程存在的種種困難，在實(shí)際生產(chǎn)維修過程中，總結(jié)出以試驗(yàn)臺(tái)為平臺(tái)，電氣PLC控制為主體，連接各個(gè)具體設(shè)備，線下配置，調(diào)整參數(shù)，學(xué)習(xí)培訓(xùn)，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(yàn)臺(tái)搭建思路

2.1 基于西門子PLC的試驗(yàn)臺(tái)

目前國(guó)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(chǔ)上搭建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)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(shè)備，以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的目的。實(shí)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(shè)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(shè)備。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)主體實(shí)物圖

2.1.1 基于西門子試驗(yàn)臺(tái)的相機(jī)故障分析

工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件，影響相機(jī)的主要參數(shù)有分辨率、曝光時(shí)間、增益程度、像素、網(wǎng)絡(luò)接口類型等，極大程度受到外部光源、程序控制、參數(shù)設(shè)置等因素影響，所以相機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域?qū)儆诩夹g(shù)較為復(fù)雜的設(shè)備。

Neurocheck相機(jī)作為德國(guó)一個(gè)小眾的廠家，屬于相機(jī)領(lǐng)域中技術(shù)難點(diǎn)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(duì)軟件的編輯，添加不同的函數(shù)，以此對(duì)不同的物體進(jìn)行想要的計(jì)算。而且就硬件系統(tǒng)來說，Neurocheck相機(jī)系統(tǒng)自帶主機(jī)，操作軟件建立在Windows系統(tǒng)上，以兩張通訊卡分別連接相機(jī)與PLC系統(tǒng)，構(gòu)成一整套復(fù)雜的生態(tài)。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，除了對(duì)相機(jī)參數(shù)的調(diào)整外，維護(hù)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(duì)Neurocheck相機(jī)來說，因其控制主機(jī)具有兩張通訊網(wǎng)卡，一張實(shí)現(xiàn)與PLC的控制，另一張實(shí)現(xiàn)與相機(jī)的通訊，其中與相機(jī)通訊的網(wǎng)卡除具備通訊功能外，還擔(dān)任著為相機(jī)供電的責(zé)任。所以在生產(chǎn)線7天24h不停的運(yùn)轉(zhuǎn)中，該網(wǎng)卡很容易由于供電被燒毀。所以在日常維護(hù)工作中，對(duì)于相機(jī)網(wǎng)卡的更換成為維修人員必備技能之一。而且，對(duì)于網(wǎng)卡的更換來講，因?yàn)樗恢故莻€(gè)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(dòng)。

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

圖2 Neurocheck相機(jī)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(dòng)而形成一定真空度的氣動(dòng)元件，相比普通氣動(dòng)元件，真空發(fā)生器結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，可能發(fā)生故障的問題點(diǎn)較多，所以通過線下試驗(yàn)臺(tái)對(duì)真空發(fā)生器進(jìn)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(duì)真空發(fā)生器進(jìn)行分析。

通過外部氣源供應(yīng)，連同西門子試驗(yàn)臺(tái)，可以在保持壓縮空氣供應(yīng)的條件下，利用試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試真空發(fā)生器故障點(diǎn)。拿最常出現(xiàn)的真空發(fā)生器無法正常制造負(fù)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(jìn)行測(cè)試，連續(xù)進(jìn)行吹吸操作，損壞的發(fā)生器只可進(jìn)行吹操作，無法進(jìn)行吸操作；而對(duì)于新發(fā)生器來說，剛開始可以維持正常使用，在進(jìn)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(jī)械問題。隨后取下發(fā)生器電控板，單獨(dú)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(yàn)臺(tái)

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(guó)內(nèi)較為小眾的品牌。現(xiàn)場(chǎng)歐姆龍PLC為NX1P2系列，相應(yīng)軟件為Sysmac Studio V1.30，可通過該軟件對(duì)PLC實(shí)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(yàn)臺(tái)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(shí)中調(diào)試設(shè)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(shí)現(xiàn)對(duì)其功能進(jìn)行控制、操作等。

圖3 歐姆龍?jiān)囼?yàn)臺(tái)

以現(xiàn)場(chǎng)使用的vediojet品牌的噴碼機(jī)為例，基于歐姆龍PLC的控制研究生產(chǎn)過程中試驗(yàn)臺(tái)對(duì)故障處理的作用。生產(chǎn)過程中，為了快速處理現(xiàn)場(chǎng)故障，在線下搭建了一個(gè)100%還原現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的噴碼機(jī)。通過線下熟悉歐姆龍PLC的操作，修改了原有噴碼機(jī)的控制邏輯，掃碼機(jī)隨著噴碼機(jī)運(yùn)動(dòng)，在移動(dòng)過程中進(jìn)行掃碼操作，掃碼效果時(shí)好時(shí)壞，所以通過線下對(duì)程序的修改、試驗(yàn)，最終搬到線上實(shí)行，改良了掃碼質(zhì)量。

3 試驗(yàn)臺(tái)對(duì)設(shè)備維護(hù)的影響

3.1 試驗(yàn)臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障的影響

在設(shè)備維修過程中，有兩個(gè)最基本的KPI指標(biāo)，一是停機(jī)數(shù)量，一般各工廠有自身對(duì)于大停機(jī)的定義，一般而言，30min對(duì)加工產(chǎn)線算是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)門檻；二是TA，也就是Technical Avalibility，TA=（運(yùn)行時(shí)間-故障時(shí)間）/運(yùn)行時(shí)間，所以TA越高意味著設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)越好，設(shè)備故障率也就越低。本文所介紹的以試驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ)的維修策略從2020年10月份開始運(yùn)行，分別統(tǒng)計(jì)了從2020年3月~2021年3月，涉及文中技術(shù)的設(shè)備停機(jī)數(shù)量及TA值變化，如圖4所示，是該時(shí)間段內(nèi)噴碼、掃碼設(shè)備的停機(jī)總時(shí)長(zhǎng)變化。圖5所示是真空發(fā)生器相關(guān)設(shè)備的TA值變化情況，可見隨著試驗(yàn)臺(tái)理論的實(shí)施，設(shè)備相關(guān)故障率顯著下降，運(yùn)行效果顯著提高，極大節(jié)省了維修的時(shí)間。

圖4 停機(jī)數(shù)量變化

圖5 TA變化

3.2 試驗(yàn)臺(tái)對(duì)生產(chǎn)成本的影響

正因試驗(yàn)臺(tái)的存在，降低了故障率，進(jìn)而帶來一系列的連鎖反應(yīng)。直接反應(yīng)在工廠生產(chǎn)過程中成本的降低，首先，因?yàn)樵O(shè)備的穩(wěn)定使得設(shè)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(yàn)臺(tái)的存在，省去很大一部分用于提升人員技能的費(fèi)用，而設(shè)備維護(hù)部門每年花在培訓(xùn)上的費(fèi)用高達(dá)數(shù)百萬；最后，由于設(shè)備運(yùn)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(yùn)營(yíng)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(shè)備為基礎(chǔ)，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(jī)、真空發(fā)生器、噴碼機(jī)設(shè)備的線下試驗(yàn)臺(tái)，以此為依據(jù)，對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行了設(shè)備的培訓(xùn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障進(jìn)行后續(xù)的分析、優(yōu)化，以現(xiàn)有的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)衡量了試驗(yàn)臺(tái)對(duì)于生產(chǎn)線的價(jià)值，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)的存在正如F1賽場(chǎng)上的后勤保障團(tuán)隊(duì)，可以為維修爭(zhēng)分奪秒，顯著提升維修的時(shí)效，在工廠日常生產(chǎn)過程中起到不可或缺的作用。