故障自诊断和监控技术在机加工生产线上的应用 - 文章

故障自诊断和监控技术在机加工生产线上的应用

作者：陈坚敏张惠明刘铭汪王照

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[摘要] 文章通过对汽车变速器壳体加工线故障诊断技术的介绍着重阐述了故障监控、诊断技术的开发及应用，论述了设备故障诊断技术在工厂生产组织管理和提高设备综合功能方面所起的重要作用，并针对我国机加工行业的现状，分析了推广使用故障自诊断技术的必要性和可能性。
关键词：设备故障监控故障诊断

1 概述

设备故障诊断是设备管理学中的重要组成部分。可以定义为“在设备运行过程中或在停机状态基本不拆卸的情况下，了解和掌握设备的运行技术状态，确定其整体或局部正常与否，早期发现故障及其原因，判断故障的部位和程度，预测故障发展趋势和今后的技术状态变化”的一门技术。它伴随着现代工业的发展形成并完善，并由于计算机技术的发展，大量智能化元器件和控制装置的问世应用，赋予这门技术全新的内容。故障诊断可以分为两大内容，一是在设备出现异常和故障停机时，如何又快、又准地找到故障点，分析出故障原因，及时排除故障，恢复设备的正常运行。二是在设备运行中，对关键的工艺参数和零部件的状态进行在线的实时监控，根据这些参数在运行中的变化趋势，分析出可能出现的问题，为设备使用者提供制定预防措施的依据。

从现代设备管理的观点分析，能否应用故障自诊断技术到生产管理系统，对设备的运行状态进行实时监控，对工厂的正常生产组织、设备的开动率高低影响极大。现代化大生产是以产品的批量大、生产节拍快为显著特征，因此生产线上的设备运行状况直接影响到企业的经济效益。按照旧的设备维修管理模式，当设备出现故障造成非正常停机后，再派维修人员到现场，根据故障现象分析原因解决问题，根本无法适应快节奏的大批量生产要求。面对数量庞大的设备装置，不但要有一支人数可观的维修队伍，为设备的正常运行保驾护航，增加产品的生产成本，而且也因维修人员水平素质上的差异，无法保证故障的及时排除和控制故障停机时间的长短，制约着生产计划的完成。

如果把大量优秀维修人员的经验智慧都开发出来，通过先进的控制装置形成对设备故障的智能判断能力，构成先进完善的故障自诊断系统，加上友好的图形人机界面，就能在故障发生时，立即告诉操作人员，故障部位和可能的原因。既不要再请高级技术人员现场诊断，也省去了分析、判断故障原因所消耗的时间，使得许多问题操作工就能随手解决，大大缩短设备的故障停机时间，提高设备的开动率和生产效率。此外还可以根据在线监控的关键零部件的参数变化，有计划地利用正常停机保养设备的时间，更换使用寿命已到或者工作异常的零部件，减少非正常停机的次数，使设备的维护上一个新台阶。

目前工业发达国家在设备的监控和故障自诊断技术方面已进入到全面应用阶段，各种各样的工业控制软件和计算机网络技术的应用，已使这门技术趋于完善。从复杂的单机设备到成套的大型生产装置都配置了状态实时监控和故障自诊断的功能，不论生产装置任何部位出现问题，都能在远离现场的监控屏幕上得到相关信息。

我国的工矿企业现状是旧设备多，元器件老化问题突出，所以故障停机多，维护检修的工作量大。往往因为一个小故障，甚至非故障原因，由于维修人员的水平限制和对机床不熟悉造成设备长时间停机，或是由于优秀维修人才的流失，造成某些关键设备无法正常运转，使得企业生产效率低下。所以说推广应用设备故障自诊断技术对减少故障停机时间，降低对维修人员的依赖程度，提高生产效率是非常必要的。下面根据以往在设备故障分析方面的体会和已经开发的一套自动线故障自诊断系统，论述如何在工厂的生产线上实现设备故障的自诊断功能。

2 监控系统的构成

这套系统是应用于汽车变速器壳体加工生产线上的故障诊断和报警的监控系统。具有自动监控生产线的运行状态，诊断故障发生的部位和产生原因，自动停机提供报警的功能，并能通过友好的人机界面以图形画面和文本提示相结合的形式在屏幕上显示相关的信息。选择这条生产线配置开发故障诊断系统的主要原因：一是整条生产线包括了5 条机加工自动线和1 条自动装配线以及18 个上、下料机械手。全长100 多米，共有104 个加工工位， PLC 输入输出点就多达7000 多个，控制系统庞大而复杂。由于该设备使用年限较长，大多数发讯元件已经老化，因此故障发生频率较高，检修工作量极大。加上人员素质因素无法保证故障的及时排除，给正常生产带来极大困难。开发应用故障自诊断功能，可产生明显的效益;二是组成这条生产线的6 条自动线各自的主控系统PLC 控制器经过换型改造后全部采用了美国AB 公司的PLC-5型系列产品，从硬件上已具备和计算机联网通信功能，系统开发的投资费用较低。

整个系统由每条自动线的控制PLC 主机CPU 模块上的网络端口通过DH+（Data Highway plus）网络和装有RSView32 人机界面软件包的主监控计算机相连构成。每台PLC 的CPU 模块除对各自动线的正确动作和信号联锁的逻辑关系进行控制外，还可对采集的外部信号进行分析、判断、处理得到反映故障信息的综合信号。通过DH+网络传送到计算机，再由RSView32 监控软件进行加工处理，形成直观的图形画面和文本信息，显示在监控系统屏幕上。

系统网络图

整个监控系统由模拟显示自动线加工状态和故障自动判断两部分组成。模拟显示由全线显示、分段显示、局部显示三种状态，相互之间可方便切换，一旦发生故障则自动显示故障来自那一段自动线，并能显示出具体的故障部位，再根据菜单提示进行操作，能显示故障的原因、排除方法及相应I/O 的状态等。

3 监控诊断系统的工作原理和具体功能的实现

3.1 系统软件

系统软件主要由图形及报警文本显示、TAG 设定和监控程序等组成。

3.1.1 图形及报警文本显示

图形及报警文本显示包括加工自动线监控示意图、动力头系统示意图、夹具系统示意图、各种报警文本显示图、PLC 状态显示图等。

由于图形采用动态制作且涉及大量的TAG 采集，制作过程比较复杂且图形数量较多，这里不再叙述，此处只给出一幅57001 传动系统示意图。

3.1.2 TAG 的设定

（1）通道的设置

通道是RSVIEW32 监控软件和可编程控制器相连所必须的，用来进行数据交换。它在项目管理器的通道编辑器内设定，我们采用的网络类型是DH+，故通道设定为1。

（2）节点的设定

每个节点代表网络上的一个设备，通常是一台可编程控制器。它在项目管理器中节点编辑器内设定，包括数据源、站号及类型的设定。数据源用来确定标记数据来自哪里，我们设为直接驱动，即直接采集PLC的内容。站号从53～57 线分别设定为01～06。类型则根据53～57 线的PLC 类型设定为PLC5/20、PLC5/40两种。

（3）标记数据库的设定

标记数据库的设定即为具体的TAG 设定，它在标记数据库编辑器内创建并设定，包括标记名、标记类型、数据源地址等内容的设定。标记名和对应的报警名称设为一致，标记类型主要是开关量和字符串两种，数据源地址直接设为需采集的PLCI/O 地址。

3.1.3 监控程序的编制

由于两壳生产线十分复杂，我们对加工过程中可能出现的故障进行分析、归类，确定故障的类别，然后对相关的条件进行判断，编制PLC 程序，通过PLC 程序对标志位进行赋值，程序对标志位进行采集、判断，从而显示出故障信息（故障判断程序略）。

3.2 系统的工作原理

故障诊断监控系统流程图

系统的工作原理如下（详见故障诊断监控系统流程图），当系统上电后，PLC 控制器和上位机监控系统同时运行。其PLC 进入RUN 状态后执行机床的控制和诊断程序。而监控系统运行后，连通网络上的所有站点（即PLC 通道）显示要求的信息画面。

AB 公司PLC-5 型系列PLC 控制器采用的RSLogix 5 编程软件包也是一个32 位 Windows 95 或Windows NT 下的应用软件。它为用户提供了强大的编程和高级诊断功能、可靠的通信能力和方便的使用界面。整个系统的故障诊断就是靠PLC 完成的。PLC 控制器自身软件、硬件出现故障可以通过内存中的S状态文件相应位的信息进行表达。而机床设备的各类故障则通过用户编写的梯形图逻辑进行分析判断，并给出关于排错的阶梯编号，即内存中的标志位，再把这些反映故障状态和原因的各种信息传送到装有RSView32 软件包的上位机进行加工处理。PLC 系统的工作是相对独立的，它只是向上位机传送信息，不管上位机工作状态如何都不影响设备的正常运行。而在上位机我们利用RSView32 的强大功能，做了大量的图形画面和报警文本，分别用来显示和描述各种外围控制元器件，包括执行元件和发讯元件的名称和位置。而这些图形画面和报警信息何时显示，以何种方式显示完全靠PLC 诊断程序的判断结果来触发和控制。

监控系统的信息流程是RSView32 自动启动运行后，首先运行网络连接软件RSLinx 和PLC 的通信端口进行连接。如果系统硬件出现问题无法联网成功，自动弹出网络连接失败的信息图框，当系统正常连接到通信网络后，就开始扫描事先定义的标签（tag）状态。这里的tag 就是被监控的信息源，按类型tag 可分为数字量tag 和模拟量tag 甚至是字符串tag，根据扫描采集的采源，tag 分别取自device（这里是指网络上的PLC 内存中间位）和系统本身。系统自身的tag 是RSView 启动后就建立的，有其特殊意义，包含系统的基本信息，如当前时间等，可以根据需要进行选用。其它应用软件的tag 主要是为了形成资源共享，增加信息处理功能。

我们的系统主要是采集从PLC 来的tag 信息。从故障诊断监控系统流程图可以看出，来自PLC 的tag反映了两种信息，一是PLC 系统本身出现问题后引起系统S 文件的相关状态位发生变化，它在PLC 系统自检时发现，这种信息送到上位机后直接显示PLC 系统的故障报警和相关信息。另一种是通过PLC 梯形逻辑程序产生的tag 信号，反映了被控机床设备的各类故障现象，送到上位机进行显示、报警。上位机扫描这些tag 后，根据其状态调出对应的图形界面，如果没有异常现象和发生故障停机，屏幕就显示正常的自动线运行画面。一旦出现故障报警信号后，监控画面立即显示故障出现的初始画面，然后由操作人员按故障查询键，屏幕切换到相应的机床或具体的故障部位，同时显示报警的文字信息和故障可能产生的原因。

这时按故障确认键系统对故障信息进行相应处理，回到正常运行画面，但没有动画效果，而当故障排除后，再按确认键，画面恢复动态效应。以上的故障是PLC 控制机床停机产生的效果。对有些故障，虽属异常但不影响设备运行，所以只有报警信息而不停机，这时监控系统出现报警信号而不停止画面正常运行的动态效果。操作人员可以通过界面操作，了解详细的故障信息，提前采取预防措施。

4 应用故障自诊断技术产生的效益和推广使用的可能性

在大型复杂的成套生产设备和机加工生产线上开发应用高效、实用的故障诊断监控系统可以在两个方面产生明显的效益。

(1) 由于故障诊断程序和报警文本信息的编制开发都是由有经验的工程技术人员和高级维修人员，根据自己的实践经验和已经处理过的故障诊断实例完成的，而且可以通过时间的推移不断充实完善。因此基本上可以做到故障出现的同时，就能在屏幕上正确显示出故障的部位和故障原因以及涉及到的元器件。使维修人员可以直接确认故障，着手故障的排除工作，大大缩短了故障停机时间，提高设备的开动率。像壳体生产线这样庞大复杂的控制系统，出现故障停机后有时要分析查询很长时间，才能找到故障部位，分析出故障原因，使正常的生产计划无法完成。采用监控诊断系统后，故障停机时间可以减少70～80%以上，大大提高了设备的生产能力，直接产生可观的经济效益。

(2) 减少维修人员的编制，特别是对高级维修人员的需求矛盾可以得到解决。现代工业随着计算机技术的发展，机床设备的自动化程度也不断增高，设备维修内容的复杂程度也在增加，因此对维修人员的自身素质和技术水平的要求就变得愈来愈高。特别是对一些关键复杂的大型设备正常运转，过分依赖一些专业人才的维护，一旦人才流失，将会给企业带来很大损失。而采用故障自诊断技术后，就等于给设备增加了专家诊断系统。可以脱离对具体维修人员的依赖关系，减少设备维修的固定人员配置。使优秀的技术人才脱离具体繁杂的维修工作，从而在提高设备的开动率上发挥更大的作用。

当然先进的故障自诊断技术的推广应用对设备控制系统的硬件装置有一定的要求。比如常规的继电器控制系统就很难增加故障的自诊断功能。随着我国工控领域PLC 技术的普遍应用，众多的像RSView 32和FIX 之类的优秀人机界面工业控制软件的成功开发应用，可以认为在我国特别是大型企业推广采用先进实用的设备故障自诊断技术已成为可能。先进的故障自诊断技术的推广应用将会为我们设备维修工作开拓一个全新的领域。

5 今后发展的方向

目前我们对于故障自诊断技术的应用还处于第一步阶段。局限于在设备故障发生后，通过故障诊断系统的功能，显示故障位置和可能的原因，帮助维修人员尽快排除故障，恢复设备的正常运行。这种应用主要是在通用的工业控制软件基础上进行针对性开发、完善，再加上形象直观的图形人机界面，使故障的处理简单明了、目的性更强。这一阶段的应用相对投资费用较低，易于推广。但它还不能达到预测故障发展的趋势，无法减少故障停机次数，进行预防性的设备维护保养工作。故障诊断技术今后发展的方向是对生产过程中设备的状态和生产工艺中的关键参数进行实时监控，采用数学分析的方法，对故障发生的可能性、技术状态的变化的趋势以及关键零部件的使用寿命等进行判断，及时报警提供信息，防止机床、工具、刀具等的损坏。做到在停机故障发生前就发出要求更换元件，添加溶剂或进行必要维护保养的信息，使设备维修人员可以在正常的设备保养期内，解决设备存在的故障隐患，减少故障停机次数，同时也避免由于故障停机带来的一系列不良连锁反应。所以真正意义上的故障诊断是对设备在生产使用中的全过程进行状态监控和诊断。为达到这一目的，需要在重要部位和关键零部件上加装可以直接监测运行状态和工艺参数的各类装置和传感器。采集这些信号后再应用像振动音响法、电阻法、压力脉冲法、温差法等等各种诊断技术，来判断相应的机械传动轴系统，滑动和滚动轴承的运行状态和使用寿命等具体问题，作出趋势性的判断。在信息通信方面采用底层的设备网络Device Net 把单独的、分散的设备故障诊断系统连成整体，提高设备异常状况反映的真实性和故障诊断分析的精确性，同时减少维修人员配置。而且可以把设备故障诊断系统纳入生产管理系统，使生产管理组织者能更有效的安排生产计划的执行。继续开发更为友好的图形人机界面，使得故障信息的显示更加直观、形象、生动。

采用状态监测和故障自诊断技术是设备现代化管理的一种重要方法。是提高设备综合功能，确保设备发挥最大生产效能的有效手段。同时又是提高设备维修管理水平，实现高效维修的目标，实现预防性维修、体制的必然途径。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/8/2005)


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