基于线下试验台的设备快速维修分析

冯炜，杨明川，余兴武，王博，涂文平，刘帅

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100000）

1 问题分析

设备维修，属于工业制造领域维护、正常生产中必不可少的一环，维修时间的长短直接影响生产线产量的多少，所以时间对于生产及维修部门来讲都是最为关键的一环。如何快速准确地解决现场故障成为摆在设备维修人员面前的难题。

在日常生产及维修过程中，由于维修过程的主体是维修操作工，所以对于设备维护来讲，提高设备维修操作工的技能水平，处理故障的反应能力尤为重要。总体而言，对于设备维护来说，现场维护过程主要存在以下问题：

（1）现场故障需及时快速反应，在最快的时间内保证生产工作的继续；

（2）设备维护条目繁琐，在机械电气两大类下又可分为多个小项目；

（3）对于国际标准不统一的领域，需学习的内容更多，如PLC来讲，可分为欧美系、日系两大类；

（4）产线子供应商，具体技术种类繁多，产线往往集成上百家公司的产品；

（5）人员技术水平提升需求较大，工作内容自身属于技术相关类，培养操作人员对相关设备的兴趣显得尤为重要。

为了应对以上设备维护过程存在的种种困难，在实际生产维修过程中，总结出以试验台为平台，电气PLC控制为主体，连接各个具体设备，线下配置，调整参数，学习培训，以此提高人员技能并且提高故障解决速率的方法。

2 线下试验台搭建思路

2.1 基于西门子PLC的试验台

目前国内制造业工厂中，大部分控制系统都以西门子PLC为主体，在此基础上搭建相应的网络通讯接口、I/O端口、外部供电接口等。然后通过以上接口连接外部设备，以此实现自动化控制的目的。实物连接如图1所示，通过源模块将外部220V的直流电转换成供设备使用的24V直流电，再通过CPU与I/O模块之间的通讯控制外接设备。

图1 试验台主体实物图

2.1.1 基于西门子试验台的相机故障分析

工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，影响相机的主要参数有分辨率、曝光时间、增益程度、像素、网络接口类型等，极大程度受到外部光源、程序控制、参数设置等因素影响，所以相机在工业领域属于技术较为复杂的设备。

Neurocheck相机作为德国一个小众的厂家，属于相机领域中技术难点较大的产品。原因在于该产品保留了一定的开发功能，使用者可以通过对软件的编辑，添加不同的函数，以此对不同的物体进行想要的计算。而且就硬件系统来说，Neurocheck相机系统自带主机，操作软件建立在Windows系统上，以两张通讯卡分别连接相机与PLC系统，构成一整套复杂的生态。

在实际生产过程中，除了对相机参数的调整外，维护日常生产最重要的部分就是硬件的更换与故障排查。而对Neurocheck相机来说，因其控制主机具有两张通讯网卡，一张实现与PLC的控制，另一张实现与相机的通讯，其中与相机通讯的网卡除具备通讯功能外，还担任着为相机供电的责任。所以在生产线7天24h不停的运转中，该网卡很容易由于供电被烧毁。所以在日常维护工作中，对于相机网卡的更换成为维修人员必备技能之一。而且，对于网卡的更换来讲，因为它不止是个普通硬件，还起到通讯的作用，在硬件更换后，硬件IP地址等通讯参数也需要随之一起变动。

如图2显示了相机的通讯回路及工作原理，增加了维修人员对设备的熟悉程度，提升了其硬件更换的速度。

图2 Neurocheck相机工作原理

2.1.2 PIAB真空发生器故障分析

真空发生器是利用压缩空气的流动而形成一定真空度的气动元件，相比普通气动元件，真空发生器结构相对较为复杂，可能发生故障的问题点较多，所以通过线下试验台对真空发生器进行系统性的分析显得尤为必要。本文以PIAB真空发生器为主体对真空发生器进行分析。

通过外部气源供应，连同西门子试验台，可以在保持压缩空气供应的条件下，利用试验台测试真空发生器故障点。拿最常出现的真空发生器无法正常制造负压为例，分别拿损坏的发生器与正常全新的发生器分别进行测试，连续进行吹吸操作，损坏的发生器只可进行吹操作，无法进行吸操作；而对于新发生器来说，刚开始可以维持正常使用，在进行大约1000次的吹吸操作后，发现吸取功能同样失败，拆除检查气路，空气滤芯等，一切正常，故排除机械问题。随后取下发生器电控板，单独通电后，发现电控板无法正常工作，于是将问题故障确定在发生器的电控单元。

2.2 基于欧姆龙PLC的试验台

欧姆龙属于日本开发的PLC控制系统，相较西门子而言属于国内较为小众的品牌。现场欧姆龙PLC为NX1P2系列，相应软件为Sysmac Studio V1.30，可通过该软件对PLC实现控制。

与西门子控制系统相类似的地方在该系统同样是需要供电系统与通讯系统的配合，如图3所示，该试验台的主题是欧姆龙CPU，起到通讯作用的ETHERCAT模块、伺服控制模块、24V直流电源模块等。现实中调试设备同样通过外接工业电脑以ETHERCAT通讯协议与CPU通讯，从而实现对其功能进行控制、操作等。

图3 欧姆龙试验台

以现场使用的vediojet品牌的喷码机为例，基于欧姆龙PLC的控制研究生产过程中试验台对故障处理的作用。生产过程中，为了快速处理现场故障，在线下搭建了一个100%还原现场设备的喷码机。通过线下熟悉欧姆龙PLC的操作，修改了原有喷码机的控制逻辑，扫码机随着喷码机运动，在移动过程中进行扫码操作，扫码效果时好时坏，所以通过线下对程序的修改、试验，最终搬到线上实行，改良了扫码质量。

3 试验台对设备维护的影响

3.1 试验台对现场故障的影响

在设备维修过程中，有两个最基本的KPI指标，一是停机数量，一般各工厂有自身对于大停机的定义，一般而言，30min对加工产线算是一个标准门槛；二是TA，也就是Technical Avalibility，TA=（运行时间-故障时间）/运行时间，所以TA越高意味着设备运行状态越好，设备故障率也就越低。本文所介绍的以试验台为基础的维修策略从2020年10月份开始运行，分别统计了从2020年3月~2021年3月，涉及文中技术的设备停机数量及TA值变化，如图4所示，是该时间段内喷码、扫码设备的停机总时长变化。图5所示是真空发生器相关设备的TA值变化情况，可见随着试验台理论的实施，设备相关故障率显著下降，运行效果显著提高，极大节省了维修的时间。

图4 停机数量变化

图5 TA变化

3.2 试验台对生产成本的影响

正因试验台的存在，降低了故障率，进而带来一系列的连锁反应。直接反应在工厂生产过程中成本的降低，首先，因为设备的稳定使得设备原因导致的产品不合格率下降，工件的生产制造成本直接下降；其次，因试验台的存在，省去很大一部分用于提升人员技能的费用，而设备维护部门每年花在培训上的费用高达数百万；最后，由于设备运行状况的提升使得人员的需求数量直线下降，直接影响工厂运营成本。

4 结语

本文以北京奔驰电池工厂现有高频故障率的设备为基础，基于西门子PLC与欧姆龙PLC两套控制系统框架，分别搭建了各品牌相机、真空发生器、喷码机设备的线下试验台，以此为依据，对相关人员进行了设备的培训，对现场故障进行后续的分析、优化，以现有的设备运行状态评价标准衡量了试验台对于生产线的价值，发现试验台的存在正如F1赛场上的后勤保障团队，可以为维修争分夺秒，显著提升维修的时效，在工厂日常生产过程中起到不可或缺的作用。