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

在日常生產及維修過程中，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，現場維護過程主要存在以下問題：

（1）現場故障需及時快速反應，在最快的時間內保證生產工作的繼續；

（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）對于國際標準不統一的領域，需學習的內容更多，如PLC來講，可分為歐美系、日系兩大類；

（4）產線子供應商，具體技術種類繁多，產線往往集成上百家公司的產品；

（5）人員技術水平提升需求較大，工作內容自身屬于技術相關類，培養操作人員對相關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，在實際生產維修過程中，總結出以試驗臺為平臺，電氣PLC控制為主體，連接各個具體設備，線下配置，調整參數，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

目前國內制造業工廠中，大部分控制系統都以西門子PLC為主體，在此基礎上搭建相應的網絡通訊接口、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

工業相機是機器視覺系統中的一個關鍵組件，影響相機的主要參數有分辨率、曝光時間、增益程度、像素、網絡接口類型等，極大程度受到外部光源、程序控制、參數設置等因素影響，所以相機在工業領域屬于技術較為復雜的設備。

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

在實際生產過程中，除了對相機參數的調整外，維護日常生產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卡，一張實現與PLC的控制，另一張實現與相機的通訊，其中與相機通訊的網卡除具備通訊功能外，還擔任著為相機供電的責任。所以在生產線7天24h不停的運轉中，該網卡很容易由于供電被燒毀。所以在日常維護工作中，對于相機網卡的更換成為維修人員必備技能之一。而且，對于網卡的更換來講，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真空發生器故障分析

真空發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，真空發生器結構相對較為復雜，可能發生故障的問題點較多，所以通過線下試驗臺對真空發生器進行系統性的分析顯得尤為必要。本文以PIAB真空發生器為主體對真空發生器進行分析。

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生器故障點。拿最常出現的真空發生器無法正常制造負壓為例，分別拿損壞的發生器與正常全新的發生器分別進行測試，連續進行吹吸操作，損壞的發生器只可進行吹操作，無法進行吸操作；而對于新發生器來說，剛開始可以維持正常使用，在進行大約1000次的吹吸操作后，發現吸取功能同樣失敗，拆除檢查氣路，空氣濾芯等，一切正常，故排除機械問題。隨后取下發生器電控板，單獨通電后，發現電控板無法正常工作，于是將問題故障確定在發生器的電控單元。

2.2 基于歐姆龍PLC的試驗臺

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

與西門子控制系統相類似的地方在該系統同樣是需要供電系統與通訊系統的配合，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。現實中調試設備同樣通過外接工業電腦以ETHERCAT通訊協議與CPU通訊，從而實現對其功能進行控制、操作等。

圖3 歐姆龍試驗臺

以現場使用的vediojet品牌的噴碼機為例，基于歐姆龍PLC的控制研究生產過程中試驗臺對故障處理的作用。生產過程中，為了快速處理現場故障，在線下搭建了一個100%還原現場設備的噴碼機。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，改良了掃碼質量。

3 試驗臺對設備維護的影響

3.1 試驗臺對現場故障的影響

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，分別統計了從2020年3月~2021年3月，涉及文中技術的設備停機數量及TA值變化，如圖4所示，是該時間段內噴碼、掃碼設備的停機總時長變化。圖5所示是真空發生器相關設備的TA值變化情況，可見隨著試驗臺理論的實施，設備相關故障率顯著下降，運行效果顯著提高，極大節省了維修的時間。

圖4 停機數量變化

圖5 TA變化

3.2 試驗臺對生產成本的影響

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過程中成本的降低，首先，因為設備的穩定使得設備原因導致的產品不合格率下降，工件的生產制造成本直接下降；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百萬；最后，由于設備運行狀況的提升使得人員的需求數量直線下降，直接影響工廠運營成本。

4 結語

本文以北京奔馳電池工廠現有高頻故障率的設備為基礎，基于西門子PLC與歐姆龍PLC兩套控制系統框架，分別搭建了各品牌相機、真空發生器、噴碼機設備的線下試驗臺，以此為依據，對相關人員進行了設備的培訓，對現場故障進行后續的分析、優化，以現有的設備運行狀態評價標準衡量了試驗臺對于生產線的價值，發現試驗臺的存在正如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，在工廠日常生產過程中起到不可或缺的作用。