PDP生产线设备故障分析及故障诊断对策研究

2014-04-29 15:24:13张涛李晓华顾尚林王立林

中国机械 2014年22期

张涛李晓华顾尚林王立林

摘要：设备安全、可靠、高效、低耗运行是企业安全生产，提高经济效益的重要保障，我国首条拥有自主知识产权的等离子显示屏生产线，经过5年多的量产运行，设备状态开始出现明显老化、劣化倾向，各种设备故障频发。本文对PDP生产线进行了简要介绍，详细分析了PDP生产线故障情况，并提出了具体故障诊断对策。

关键词：PDP生产线;设备;故障诊断

1.故障诊断技术发展现状

科学技术的迅猛发展带动了现代工业及其生产设备的快速发展，各种生产线及设备日趋大型化、集成化、高速化、自动化和智能化，如果发生故障停机，给其造成的损失也将会十分巨大。不管是设备综合工程学、设备寿命周期费用（LCC）、以可靠性为中心的维修（RCM）、由生产部门主导更强调全员化的全员生产维护（TotalProductiveManagement简称TMP）或全员规范化生产维护（Total Normalized Productive Maintenance简称TnMP），还是由设备部门主导更注重专业化的装备保障管理体系（CMP），各种设备管理方式都非常重视设备的安全性、可靠性和维修性，近年来已将故障诊断技术、修复技术和润滑技术列为设备管理和维护工作的三项基础技术，尤其是故障诊断技术已成为推进设备管理现代化，保证设备安全可靠运行的重要手段。

我国第一条拥有自主知识产权的高度自动化等离子屏（Plasma Display Panel 简称PDP）生产线，投资较大生产节拍快，工艺设备多达数百台，某台设备若出现非正常工作状态，将会导致废损品增多、良品率下降、停产和维修费用增高，给企业造成巨大损失。因此PDP生产线上的设备运行状况直接影响到企业的经济效益，监测PDP生产线设备故障并采取科学合理的预防措施，对设备的稼动率及良品率影响极大，由此可知在PDP生产线上积极开展故障分析及故障诊断对策研究显得尤其重要和急迫。

2.PDP生产线简介

设备安全、可靠、高效、低耗运行是企业安全生产，提高经济效益的重要保障。PDP生产线上设备投入量产已经五年多，设备每天24小时的连续运转，各种运动部件、动力机构、电线电缆出现明显磨损和老化，各种控制板卡元器件失效增加，控制系统运行趋缓，由此带来的未知各种故障及安全隐患逐渐加大，设备状态已逐渐进入浴盆曲线的第三阶段—耗损故障期，设备整体上已经开始出现明显老化、劣化倾向。

全自动PDP生产线涉及高性能PLC及PC控制系统、设备远程监控管理、复杂高精度运动控制、现场网络通信、自动光学检查、高真空镀膜、非接触式检测、激光修复、高温烧结、热压、印刷、洁净、QAQC、智能立体仓储及自动机器人等多种技术，其技术特点有：

（1）大型化（设备种类及技术门类众多、多产品同时加工：42”和50”屏）。

（2）高度自动化（洁净室无人化管理、全自动流水不间断作业）。

（3）高精尖（微纳米级加工）。

3.PDP生产线故障情况分析

大量的实践经验证明，大多数机械系统其故障率是时间的函数，对于机械方面，包括其总成、零部件，其磨损、腐蚀、变形、断裂、应力微裂纹显现，最后导致设备配合间隙过大，松动、振动、精度劣化、机体开裂等，将导致设备功能的丧失——机械故障的产生。对于电子电气方面，包括其总成、部件乃至元器件，由于长期的外电冲击、冷热变形交替、灰尘的覆盖，散热不良，甚至小昆虫进入的局部短路，导致系统内电气元器件电参数特性发生变化，如电阻、电容、电感变化，甚至芯片中的数字程序发生变化——电气故障的产生。在两年满负荷生产周期内，根据MES（制造执行系统）和维修工程师记录的故障情况，仅就设备本身原因造成的故障进行了统计和分析。

3.1各故障类别故障数据分析

故障原因类型大致可分为：传感器、控制器件、 PLC相关、机械损坏、机械调整、伺服相关等，根据实际发生的故障情况按不同的故障类型，故障停机时间与故障停机次数分别统计如下。

各故障类型月平均故障停机时间占比前八位分别是：传感器13.2%，控制器件9.8%，机械损坏8.8%，机械调整8.2%，PLC相关7.5%，程序软件7.1%，参数调整7.0%，伺服相关6.0%，如图1所示：

图1 故障类别故障停机时间占比图

各故障类型月平均故障停机次数占比前五位分别是：传感器20.6%， PLC相关8.9%，机械调整8.6，伺服相关6.8%，PC相关6.0%，如图2所示：

图2 故障类别故障停机次数占比图

3.2各工艺设备故障数据分析

根据两年观察期内生产线故障情况记录，故障主要集中发生在Wet Equipment（湿设备）、Assembler（对合机）、Assembler（装配线）Conveyor（传输线）、AOI & Reviewer（AOI光学检查机）等设备上，详细情况如下所示。

各设备月平均故障停机时间占比前七位分别是：Wet Equipment（湿设备）13.1%，Assembler（对合机）10.7%，O/S Tester（通断测试机）8.5%，Conveyor（前物流线）8.5%，Bonding（绑定机）7.1%，Dual MgO（二次MgO喷涂）6.8%，AOI & Reviewer（AOI光学检查机）6.8%，如图3所示：

图3 工艺设备故障停机时间占比图

月平均故障停机次数占比前六位分别是：Wet Equipment（湿设备）15.9%，Assembler（装配线）10.7%，Conveyor（传输线）9.4%，AOI & Reviewer（AOI光学检查机） 6.7%，Bonding（绑定机）6.3%，如图4所示：

图4 工艺设备故障停机次数占比图

3.3引发故障的其它原因

根据多年来的实际运行维护经验，设备性能、点检巡视、操作维护、工艺品质、物料检验、生产环境和动力供给这七大因素也会直接或间接造成设备故障，引起生产效率、产能、质量水平及良品率发生波动，带来维修工作量和维修成本的极大上升。

4.PDP生产线故障诊断对策研究

设备越复杂，故障率就越高，随机性也更多，采用以时间为基础的维修方式难以解决问题，科学地管理和使用好设备，保证生产设备安全、平稳、长周期、连续运行，延长设备使用寿命，降低设备运行成本，加快从事后被动处理向事前主动预防模式转换，是当前设备管理人员的主要任务。首先，我们应该围绕设备运行的全员、全要素、全过程来充分开展此项工作，主要包括设备的操作使用、现场监控、维护保养、故障诊断及维修;其次，做好故障诊断和预测也是一项重要的基础课题，本文主要对故障诊断和预测做了一点基本研究。

4.1针对不同故障类别采取不同的应对措施

根据前面的数据分析发现，引发PDP生产线故障发生的主要原因有：传感器、控制器件、机械损坏、机械调整、PLC相关、程序软件、参数调整、伺服相关、PC相关。为了降低故障发生率保证状态设备完好，首先要完善点检内容做好日常点检，另外还应根据各种诊断技术的特点，采取有针对性的诊断措施。

4.1.1人工诊断检查

做好设备管理工作，离不开最基本的人工诊断检查，一些简单的故障、缺陷和目前尚无手段能检测的故障信息仍需通过人工感官和经验去完成。直观检查包括一些影响设备运行和产品质量等的重点风险项目，如ITO刻蚀润滑液喷淋不到位、烧结工序产品背面钛环粘附、物流防尘帘干扰、产品表面附带大尺寸异物等现象。针对振动、碰撞、松动等引起的机械部件、传感器等位置变动，可采用广泛应用的I-Mark划线标记法，易于操作，便于查看和判断，方便快捷。做好以上人工检查工作，能有效解决传感器误动作、机械损坏、机械调整等问题。

4.1.2设备参数监测

PDP生产线涉及数量和种类繁多的精密运动控制机构，包括伺服、变频、步进等多种形式，当电机、气缸等执行机构在长时间使用中因磨损、损坏、松动等出现劣化时，一般驱动电流、负载率等参数会发生变化，甚至出现过载报警。该参数可通过相应的驱动器面板进行查看和记录，也可通过通信接口和专业软件进行读取和监控。对于此类异常现象，在排除执行机构本身的问题后，可直接考虑和处理负载系统方面的原因。如在ITO曝光机的UV Shutter故障检测中，可通过检测软件看到丝杆导轨因镜面残渣未全面彻底清理时，其伺服负载电流出现明显的上升。以上方法有利于尽快确定控制器件、机械损坏、伺服相关等故障原因。

4.1.3温度监测

机电一体化设备的机构或器件出现异常或劣化时，较多的会表现为局部温度升高，红外测温仪可以远距离，非接触式测温，具有信息处理、运算和判断功能，可精确地确定仪器工作环境温度状态与变化情况。目前已使用专业的高性能红外热像仪（如Fluke公司的TI32），通过高热灵敏度传感器完成被测对象的红外图像和可见光图像的同时采集与融合，测量数据存取使用方便，设置通用接口可与计算机通信，便于实现系统监控和报警参数设定，还可以通过配套应用软件对采集的图像数据进行后期统计、分析和判断，对线缆接线端子松动、线缆磨损、负载过大等故障原因的诊断与排除非常有效。

4.1.4振动监测

振动是机械设备工作过程中的常见现象，特别是在设备使用多轴高速运动的控制机构时问题更加突出，它是机械故障的外在反映，是分析识别机械故障、评价机械运行状态、安全性和稳定性的重要标准，据统计60%以上的机械故障都与振动有关。由于振动的广泛性、参数多维性，测振方法的无损性、在线性，决定了人们将机械设备振动监测诊断作为机械设备故障诊断的常用方法。通过专业的机械振动分析仪，检测设备振动的频率、速度、加速度、位移量、相位等参数，能实时、直观、精确地表征机械动态特征及其变化过程，从中可以找出产生振动变化的原因。

目前，振动测量仅在离心分离机的转子在线监测中使用到，对于轴承松动和对中不良、转轴变形和磨损、机械松动和损坏、电机损坏及旋转机械平衡不良等此方法十分有效，此领域有待进一步研究和推广应用。

4.1.5油液监测

从设备润滑系统或液压系统中抽取油样，检测油品品质、污染水平以及金属磨损颗粒的状况，通过粘度、酸度、水分、闪点测试得知其物理、化学指标。机械摩擦幅的金属表面间不同磨损方式和磨损速度造成油液中微粒总量、形态和尺寸分布的差异，根据金属微粒的总量可以判断磨损所处阶段;根据尺寸分布来判断磨损的程度;根据微粒形态来判断磨损类型;根据化学成分可以判断磨损部位。主要监测对象：发动机、压缩机、液压系统、传动系统，针对故障率高发的湿设备采用这种诊断技术非常有效。次方法运用于湿设备上，可预防S/M清洗机、BR剥膜机、ITO刻蚀机以及BR刻蚀机返回泵时常发生堵塞，对于数量众多的湿设备的药液系统的药液质量的监测也非常有效。

4.1.6工控PC及PLC监测

工控PC及PLC在现在自动化生产线中的使用已经非常普遍，如自动光学检查、精密测量、激光加工、高真空镀膜、介质涂敷、喷涂设备等。PC的日常管理和监测，主要重点为做好磁盘空间清理、CPU占用率、内存占用、病毒查杀等，也包括机箱散热、系统报警等。任何PLC都具有自诊断功能，当PLC异常时应该充分利用其自诊断功能以分析故障原因。目前，在各种设备上开展的自诊断工作内容：故障报警内容准确化、信息代码化、显示图示化以及指导明确化，主要措施如下：

（1）故障报警内容准确化

增加报警的逻辑判断，做到异常时有报警，如干燥炉内传送异常、动作指定时间不到位、各类驱动器报警时传送到主控PLC等;报警内容描述清楚异常的来源与关联影响，指出具体的报警位置、器件、节点、线路等;

（2）异常报警信息代码化

以代码的形式体现常见的异常，便于后期统计、分析和查阅;

（3）异常报警显示图示化

使用布局图、示意图、动画等方式显示故障发生位置，便于故障查找与处理;

（4）报警异常处理指导明确化

在报警信息中增加故障处理指导内容，如处理方法、流程、备件信息、参数设置等;

4.1.7设备精度监测

随着生产线长时间连续运行，设备的定位精度和重复精度会逐渐下降，对产品生产的质量和效率造成影响，特别是主要生产设备，如测量精度、平台的平面度、轨道和丝杆的平行度、定位机构的对中精度等，需要专职检查人员或维修人员依据设备精度标准定期进行停机检测、确认和校准，确保设备应有性能和精度等级。

4.1.8 MES系统功能开发

MES系统为设备管理建立了完善的基础数据库，在企业信息化架构中起着承上启下的作用。MES系统中设备管理的主要任务是分析设备运行状态，合理制定日常维护计划，科学控制在线设备的寿命，经过进一步开发，其中的诊断模块能够对设备控制系统进行故障诊断，并以报警监控系统终端显示方式，提示给维修人员，使之快速分析出故障原因，并尽快排除故障恢复设备的正常运行。

5.结束语

设备故障诊断技术来自于生产实践中，各种先进技术、理论的最终使用效果必须接受实践检验，我们在生产中应该接受最新研究成果的指导，遵照理论联系实际的原则，更好地服务于我们的现代化大生产。从经济角度和可行性方面考虑，根据设备状况有针对性的安排检查和检修任务，这种基于状态的维修方法大大提高了工作效率和设备使用效率，降低了维修成本，是一种更经济的维修管理方式。做好生产线设备故障分析，充分掌握设备的状态，设备故障诊断在此显得十分重要和关键，实现预知维修的基础和可靠保证。针对生产线上关键设备、重点设备以及频繁出现的故障现象开展故障诊断工作，从易于着手的可操作性比较强的技术路线入手，随着维修经验和设备相关数据的逐步积累，将有利于其它较为复杂和高级诊断技术在PDP生产线的有序推进和应用。

参考文献：

[1]屈梁生，张西宁，沈玉娣.机械故障诊断理论与方法[M].西安：西安交通大学出版社，2009

[2]敖志刚.人工智能及专家系统[M].北京：机械工业出版社，2010

[3]刘志斌，姜涛.设备预知性维修技术简介[J].航天制造技术，2009年12月第6期 52-54

[4]周斌.设备管理在MES