要強壯，談 洋，陳 瑤，黃 麟，黃青簿

（上汽通用汽車有限公司武漢分公司，武漢 430208）

汽車制造行業(yè)車身車間高節(jié)拍的底板線和主線的傳輸通常采用Pallet傳輸系統(tǒng)[1]，為解決多車型共線生產(chǎn)的問題，車身機運大量采用柔性化焊接技術及工裝夾具快速切換技術[2-3]。以國內(nèi)某車身車間為例，各類機運設備體量大，總量超過600臺，隨行Pallet、工裝等設備在多車型切換時故障頻次較高。機運設備存在報錯頻次高，單班累計停機時間長的問題，制約車間設備開動率的提升。丁煥等[4]對機運系統(tǒng)自動化改造進行了研究，朱正德等[5]研究了適應汽車柔性化生產(chǎn)方式的檢測技術。為響應業(yè)務數(shù)字化轉型的需求，本文自主研究設計，實現(xiàn)機運設備關鍵數(shù)據(jù)的智能追蹤，并用于機運設備故障分析及改進，達到降本增效創(chuàng)新。

1 車身機運設備問題

1.1 機運設備故障頻次高

汽車制造行業(yè)車身車間各類機運設備體量大，尤其是多車型切換混線生產(chǎn)車間，不同車型、不同參數(shù)配置的組合將產(chǎn)生不同的故障點，導致隨行Pallet、工裝等設備在多車型切換時故障頻次高，綜合效率指數(shù)偏低，是車間運營的痛點問題。傳統(tǒng)的方法采用人工統(tǒng)計機運設備報錯信息，效率低且工作量大，目前缺乏有效的手段快速鎖定高頻故障機運設備及問題點，問題跟蹤較困難、解決見效慢。對機運設備故障統(tǒng)計及分析缺乏有效的數(shù)據(jù)支撐，制約設備開動率的提升。

1.2 機運設備保養(yǎng)工時長

對于多車型混線生產(chǎn)的車間，因車型配比、車間生產(chǎn)節(jié)拍和排產(chǎn)模式變化等因素，機運設備實際運行時間存在較大變動。傳統(tǒng)的機運設備保養(yǎng)方式按照固定周期進行保養(yǎng)，存在一定缺陷。當雙班排產(chǎn)較多，停產(chǎn)時間減少，設備未能及時按周期保養(yǎng)，影響使用壽命，易導致欠缺保養(yǎng)的問題。設備臨近保養(yǎng)周期時，往往伴隨先兆性預警，例如滾床皮帶磨損易導致進車掉高速，電流波動較大，若不及時檢查會導致皮帶斷裂造成長時間停機。當單班排產(chǎn)較多，設備實際運行時間減少，按傳統(tǒng)固定周期進行保養(yǎng)，存在備件及人工成本浪費，易導致過度保養(yǎng)的問題。因此，車間對精益化保養(yǎng)方法的需求越來越強烈。

2 機運智能追蹤系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構

針對機運設備運營過程的痛點問題，開發(fā)機運設備智能追蹤系統(tǒng)，進行數(shù)據(jù)提取及分析改進工作。系統(tǒng)架構分為3層：設備采集層，數(shù)據(jù)集成層和應用層。設備采集層和數(shù)據(jù)集成層通過現(xiàn)有PLC實現(xiàn)采集傳輸，主要包含機運設備相關氣缸、傳感器、電機和變頻器等設備運行信息，同時匹配報錯信息、設備編號，可實現(xiàn)機運設備過程參數(shù)及故障信息的精確追蹤。

數(shù)據(jù)采集層采用OPC通信協(xié)議，提供單一來源的工業(yè)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，數(shù)據(jù)集成層采用SQL Server關系數(shù)據(jù)庫管理，實現(xiàn)機運設備關鍵數(shù)據(jù)存儲。應用層設置人機交互界面，實現(xiàn)設置和查詢功能，并能引入智能算法和專家資源庫，實現(xiàn)在線診斷和趨勢分析。系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構圖

2.2 系統(tǒng)功能框架

車身機運智能追蹤系統(tǒng)功能框架如圖2所示，主要包含4大模塊，故障信息追蹤模塊、保養(yǎng)任務跟蹤模塊、過程參數(shù)追蹤模塊和系統(tǒng)設置模塊，并預留接口可根據(jù)需求進行擴展新增。各模塊功能集成應用，實時監(jiān)控機運設備運行信息。通過自主編程實現(xiàn)機運設備參數(shù)信息后臺采集統(tǒng)計，精確匹配報警代碼、保養(yǎng)信息、過程參數(shù)等，滿足現(xiàn)場智能追蹤的需求。

圖2 功能框架圖

2.3 故障信息追蹤功能

針對機運設備故障頻次高，故障鎖定手段缺乏的問題，開發(fā)故障追蹤功能，實現(xiàn)自動記錄報錯信息。故障追蹤功能主要包括報警信息匹配和報警記錄查詢模塊。

報警記錄查詢模塊匹配設備編號和報錯代碼，現(xiàn)場人員可快速鎖定機運故障，針對性調(diào)整，并能存儲歷史報錯信息，方便人員根據(jù)數(shù)據(jù)庫記錄進行故障追蹤。故障追蹤模塊同時能輸出頻次最高設備車型、故障點等關鍵數(shù)據(jù)，用以指導維修PM工作。

信息監(jiān)控收集采用KEPServerEX軟件，利用OPC（自動化產(chǎn)業(yè)的互操作性標準）和以IT為中心的通信協(xié)議實現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)的實時采集，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和唯一性，并通過交互的操作界面實現(xiàn)連接和監(jiān)測機運設備功能，KEPServerEX主要承擔數(shù)據(jù)采集功能。首先與PLC建立通信連接，選擇采集數(shù)據(jù)，確定PLC數(shù)據(jù)路徑，建立數(shù)采Tag與PLC數(shù)據(jù)連接，創(chuàng)建數(shù)據(jù)源配置，將采集數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫配置，最后對數(shù)據(jù)庫查詢代碼進行調(diào)試。通過以太網(wǎng)通信的EtherNet/IP通信模塊實現(xiàn)交互通訊和數(shù)據(jù)收集。

2.4 過程參數(shù)追蹤功能

過程參數(shù)追蹤模塊實現(xiàn)機運設備運行參數(shù)的記錄和查詢。實時記錄機運設備過程參數(shù)，設置接口實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢和趨勢分析。采集過程參數(shù)包括車號、氣缸號、編碼尺位置、碳刷厚度、電機電流值和進出車時間等參數(shù)，精確匹配設備運行和造車信息。

基于機運設備的過程參數(shù)追蹤功能，現(xiàn)場維修人員可以根據(jù)查詢報表，對歷史數(shù)據(jù)進行趨勢分析，指導維修作業(yè)的開展和預測性維修。過程參數(shù)追蹤模塊也可引入專家系統(tǒng)，設置程序邏輯接口，設備運行數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常進行報警并提示檢查，實現(xiàn)在線專家診斷。

2.5 保養(yǎng)任務全周期跟蹤功能

開發(fā)設備保養(yǎng)任務全周期跟蹤功能，針對關鍵設備常見故障原因分類，建立關鍵設備PM智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對機運設備PM任務監(jiān)控。通過PLC檢測設備運行信號，自動記錄設備運行時間，由固定周期保養(yǎng)模式改進為設備運行時長保養(yǎng)模式，實現(xiàn)精細化保養(yǎng)。設置人機交互界面設定保養(yǎng)周期，實時顯示保養(yǎng)任務剩余時長，并實現(xiàn)提前預警，按設備實際運行時長提示責任人執(zhí)行保養(yǎng)任務。

3 智能追蹤系統(tǒng)應用

3.1 故障分析改進

車身機運智能追蹤系統(tǒng)開發(fā)以后，針對機運故障頻次和人工處理工時進行測量，從數(shù)據(jù)追蹤系統(tǒng)獲取采樣結果，對測量系統(tǒng)進行分析，運用正態(tài)分布圖及均值-極差控制圖Xbar-R對測量系統(tǒng)過程能力分析，確認了過程穩(wěn)定且可控。該系統(tǒng)可以為后續(xù)機運故障研究和人工工時優(yōu)化提供有效支撐。下面將該系統(tǒng)用于車間機運設備的故障分析和改進實踐。

從故障追蹤模塊中拉取生產(chǎn)期間機運故障數(shù)據(jù)，根據(jù)報警信息劃分故障類型，進行數(shù)據(jù)分析。機運設備共計6類故障，包括機械報錯、傳感器檢測報錯、驅動電氣報錯、輸送設備報錯、尺寸監(jiān)控報錯和其他報錯等。

針對機運故障頻次高的問題，將歷史故障數(shù)據(jù)自動生成帕累托圖進行數(shù)據(jù)分析，識別影響機運故障原因。機運故障帕累托圖中數(shù)據(jù)顯示機械報錯和傳感器檢測報錯占比達到78%，需要聚焦資源優(yōu)先解決。運用因果圖，從人機料法環(huán)測6個維度進行原因分析，通過因果關系矩陣篩選，對造成機械報錯頻次和傳感器報錯頻次的原因統(tǒng)計，進行評分分析，鎖定主要問題。

問題一為Pallet機械故障頻次高，進一步分析根本原因，Pallet結構設計缺陷，Pallet防護不到位，導致勾銷缸動作時易發(fā)生卡滯故障；機運設備現(xiàn)有保養(yǎng)方法不合理，Pallet及對應勾銷缸數(shù)量眾多導致保養(yǎng)不到位。問題二為傳感器檢測報錯頻次高，原因為機運設備故障鎖定手段缺乏，傳感器故障鎖定困難導致配調(diào)不到位。

匯總3個根本原因包括：Pallet結構設計缺陷，保養(yǎng)方法不合理，故障鎖定手段缺乏，需針對性的改進攻關。

3.2 創(chuàng)新改進

3.2.1 Pallet結構改進

針對Pallet機械結構問題，采用普氏矩陣生成多個方案，基準方案為對Pallet上勾銷缸選型更改，采用推力更大的氣缸，整體替換；方案1，Pallet勾銷缸更換為電缸增加驅動力；方案2，Pallet勾銷缸增加外置防飛濺擋板；方案3，Pallet勾銷缸增大氣管管徑。與基準方案進行打分對比，方案2增加外置防飛濺擋板較優(yōu)，設置為二次基準方案，進行矩陣更新，新增方案4，勾銷缸內(nèi)部改造增加防飛濺卡片；方案5，增加自動吹掃裝置。

從造車質量，造車CT，降低故障率，改造成本，改造風險維度進行方案對比迭代，最終留下3個方案。從成本，施工風險，實施時間3個維度對比，采用數(shù)據(jù)量化，最終選定了Pallet內(nèi)部結構改造，增加防飛濺裝置這個方案。

選取改進后的Pallet進行樣件測試，采集Pallet勾銷缸改進前后飛濺數(shù)量，驗證改進效果。采用配對t檢驗方法，驗證方案的有效性，假設改進后飛濺減低80%認為有效，基于95%的置信度進行配對檢驗，根據(jù)數(shù)據(jù)分析得出結論勾銷缸改進方案效果良好。

3.2.2 機運故障處理流程改進

基于機運設備的故障追蹤功能，設備維修人員的故障處理及設備調(diào)試流程對應進行了變化。改進前根據(jù)經(jīng)驗逐個配調(diào)機運設備，效果不理想，改進后可根據(jù)報錯信息表鎖定報錯信息，針對性調(diào)整，提高檢測穩(wěn)定性，機運設備故障處理流程改進如圖3所示。3.2.3 機運保養(yǎng)流程改進

圖3 機運設備故障處理流程圖

基于保養(yǎng)任務全周期跟蹤功能，機運設備保養(yǎng)流程進行相應改進更新，改進前Pallet保養(yǎng)按照固定保養(yǎng)周期模式，改進后增加后臺運行數(shù)據(jù)跟蹤和過程參數(shù)監(jiān)控，根據(jù)設備運行時長科學保養(yǎng)。TPM/PM任務監(jiān)控功能通過按設備實際運行時間監(jiān)控保養(yǎng)周期，在高產(chǎn)時設備提前達到使用壽命，能及時預警發(fā)現(xiàn)隱患，減少停機發(fā)生；低產(chǎn)時，延后設備保養(yǎng)日期，避免設備過度保養(yǎng)造成的維修成本浪費問題。結合趨勢預測模型，利用大數(shù)據(jù)問題分析思維方式，采集設備關鍵運行數(shù)據(jù)，提前發(fā)現(xiàn)設備故障隱患，助力高頻問題解決，實現(xiàn)精準維修。系統(tǒng)已實現(xiàn)對滾床皮帶檢查、軸承座加油和電機檢查等PM任務監(jiān)控。關鍵運行數(shù)據(jù)監(jiān)控預警實現(xiàn)對滾床電機運行電流轉速監(jiān)控，摩擦線進出車聯(lián)動信號監(jiān)控，高頻故障數(shù)據(jù)采集分析實現(xiàn)對移載叉設備、勾銷缸切換報錯數(shù)據(jù)采集分析。改進后的機運設備保養(yǎng)流程如圖4所示。

圖4 機運設備保養(yǎng)流程圖

3.2.4 Pallet自動下線功能

從機運數(shù)據(jù)系統(tǒng)中拉取生產(chǎn)期間機運故障數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析，Pallet機械報錯故障人工處理工時存在異常點，調(diào)查原因為Pallet機械故障無法在線修復，需人工下線Pallet修復，導致人工處理工時異常增加，該問題需要研究攻關。分析Pallet下線流程，現(xiàn)有Pallet故障無法在線修復時，由人工手動操作Pallet動作，跟蹤故障Pallet直至下線工位，手動操作下線。傳統(tǒng)的手動下線全程跟蹤的方式，時間過長，存在浪費點。通過開發(fā)自動下線功能，編寫自動控制程序，人員輸入設備編號，一鍵操作，實現(xiàn)自動上下線，縮短處理工時及停機時間。自動下線機運設備流程如圖5所示。

圖5 自動下線流程圖

3.3 改進效果

通過自主編程開發(fā)，實現(xiàn)對設備編號、故障信息、故障時長、進出車電流、保養(yǎng)記錄的精確追蹤，基于該智能追蹤系統(tǒng)，對機運系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行分析和優(yōu)化，達到綜合效率提升的目標。通過改進勾銷缸防飛濺卡片，開發(fā)設備保養(yǎng)任務全周期跟蹤系統(tǒng)，設置機運報錯自動記錄功能，達成機運設備故障頻次降低?；谥悄茏粉櫹到y(tǒng)進行機運故障研究和人工工時優(yōu)化分析。從系統(tǒng)中拉取2021年6月及10月生產(chǎn)期間機運故障數(shù)據(jù)，分別比較改進前后機運故障頻次，改進前NP=11，降到改進后NP=2.1。

4 結束語

汽車制造行業(yè)車身車間機運設備體量大，監(jiān)控數(shù)據(jù)多，精確匹配設備編號、報警代碼和過程參數(shù)等信息，復雜程度高。結合數(shù)據(jù)提取及趨勢分析算法，實現(xiàn)機運設備運行及保養(yǎng)方式的優(yōu)化改進，可以實現(xiàn)故障率的有效降低。通過項目推進及方案推廣，實現(xiàn)降本增效的目的，基于故障數(shù)據(jù)分析結果，合理部署設備維修保養(yǎng)工作開展，可有效降低維修人員的工作負荷。本文提出的車身機運追蹤系統(tǒng)基于現(xiàn)有硬件條件開發(fā)實施，投入成本低，系統(tǒng)開發(fā)完成后適用性強，可以為同行業(yè)應用場景提供借鑒。