宋昊鵬，劉巖，邵崇杰，彭勛，曲春雨，李進

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

1 前言

設備故障記錄與分析在自動化工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要的角色，在自動化生產(chǎn)線中常用于生成故障日志，并用于重點設備分析，能夠明確設備維護的重難點，輔助預防性維修策略，推進解決重點問題等。

MRAI噴漆車間成立于2005年，車間在電氣控制系統(tǒng)上使用羅克韋爾品牌PLC，車間級中控視圖使用Factory Talk軟件（如圖1）。此軟件能夠與羅克韋爾品牌PLC良好通信，除用于設備視圖編輯與監(jiān)控外，還能用于數(shù)據(jù)的配置與記錄。通過對記錄的文件轉(zhuǎn)換、處理，以及通過Tableau軟件制成可視化圖表（如圖2），有能力對設備故障的記錄進行分析。

圖1 Factory Talk軟件的車間設備視圖

圖2 Tableau軟件工作表視圖

設備故障的記錄文檔，通常來源于專人專項的工作，數(shù)據(jù)分析的結(jié)果也常伴隨主觀色彩，記錄的數(shù)據(jù)以及分析的結(jié)果往往與實際的設備狀況有所差距。人工進行數(shù)據(jù)記錄，除需要專人投入此項工作外，還需要操作工或維修工參與此工作中，無形中增加了設備維護團隊的工作量，也難以確保數(shù)據(jù)記錄的精準性。

為避免造成人工工時的浪費，確保故障記錄數(shù)據(jù)的準確性，能夠長期保留故障記錄文檔，建立一個能夠在長期自動記錄故障數(shù)據(jù)并生成數(shù)據(jù)庫文件的策略提供了一種選擇。相較人工進行數(shù)據(jù)記錄與分析，此策略具備占用時間少、自動化程度高、運營成本低、數(shù)據(jù)準確性高、數(shù)據(jù)易于保存、數(shù)據(jù)易于處理與分析、數(shù)據(jù)可視化程度高等優(yōu)勢。

此數(shù)據(jù)采集與分析的策略自應用以來，有效分析出了車間級的多發(fā)問題以及重大問題。為提高設備運轉(zhuǎn)率提出了明確的優(yōu)化項，優(yōu)化了解決故障的響應策略。同時，通過降低不必要的人工成本，減少企業(yè)的損失。

2 可行性分析

Factory Talk軟件（以下稱為FT）能夠與羅克韋爾品牌PLC建立連接，能夠訪問PLC內(nèi)標簽地址。故通過添加PLC標簽及報警的方式，可以實現(xiàn)監(jiān)控車間內(nèi)各設備PLC的故障報警標簽的狀態(tài)，從而實現(xiàn)實時的故障狀態(tài)監(jiān)控。

通過使用FT的附件“HMI標簽報警記錄設置”能夠?qū)崟r的報警、時間戳、報警狀態(tài)及其描述信息記錄至監(jiān)控設備的服務器，也可以實現(xiàn)將實時的故障信息記錄至本地文件，通過周期性地創(chuàng)建新文件，再次在新文件內(nèi)進行寫入操作，便可實現(xiàn)周期性的故障記錄日志的自動生成。

使用FT的附件“Factory Talk View文件查看器”，可以打開故障記錄日志并查閱，并能夠轉(zhuǎn)換為“.csv”格式的Excel文件。Excel文件可以通過數(shù)據(jù)篩選、排序、批量添加函數(shù)等的方式，處理可用的數(shù)據(jù)。例如，通過報警起始點與結(jié)束點的時間戳進行求差運算，可以批量運算各故障的持續(xù)時間。

使用Excel軟件將完成數(shù)據(jù)處理的電子表格轉(zhuǎn)換為“.xlsx”格式，此格式可作為Tableau軟件的數(shù)據(jù)源。通過Tableau軟件對數(shù)據(jù)后處理，制作可視化的圖表，即可完成對故障報警數(shù)據(jù)的匯總與分析。

經(jīng)過上述的分析，通過應用FT與Tableau軟件，實現(xiàn)車間級故障數(shù)據(jù)采集與分析的可行性很高。

3 軟件選擇及其功能

3.1 鏈接軟件的選擇及其功能

在邏輯控制器上的選擇上，MRA1噴漆車間廣泛使用了羅克韋爾品牌1756-L7x系列的PLC，此類PLC使用CIP通信方式。MRA1噴漆車間使用1756-ENBT模塊為PLC接入設備中控網(wǎng)絡，通信協(xié)議為EtherNet/IP，通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡即可實現(xiàn)PLC與設備中控系統(tǒng)的連接。

FT是羅克韋爾公司發(fā)布的人機交互工程軟件，在安裝此軟件的同時安裝FactoryTalk Linx軟件（此后簡稱FT Linx），并配置各PLC通信模塊的型號及地址，通過此軟件的掃描到遠程PLC，即可實現(xiàn)FT軟件與遠程PLC的鏈接，以數(shù)據(jù)通信作為基礎（如圖3）。

圖3 FT Linx軟件鏈接編輯視圖

3.2 人機交互工程軟件的選擇及其功能

FT軟件內(nèi)部集成了FT Linx插件，能夠訪問PLC內(nèi)標簽地址，故通過添加標簽報警的方式，可以實現(xiàn)監(jiān)控車間內(nèi)各設備的故障報警標簽的狀態(tài)。此外，此軟件能夠繪制各設備的視圖、記錄并存儲數(shù)據(jù)模型、建立與觸發(fā)事件、監(jiān)視或更改PLC內(nèi)的設備參數(shù)標簽數(shù)據(jù)、發(fā)布客戶端視圖界面至Web端實現(xiàn)等。

FactoryTalk View Studio軟件的安裝包可安裝視圖編輯軟件、視圖監(jiān)視軟件以及其他相關(guān)的附件，使用FactoryTalk View Studio編輯軟件能夠?qū)④囬g內(nèi)的PLC報警標簽、描述信息、報警觸發(fā)邏輯等內(nèi)容逐一添加至FT項目，也可以導入至標簽與報警的“.csv”文件，并使用“標簽導入和導出向?qū)А睂?shù)據(jù)導入FT項目，都能夠?qū)崿F(xiàn)配置報警數(shù)據(jù)。

通過附件“HMI標簽報警記錄設置”配置實時報警信息記錄的策略，可以將記錄的數(shù)據(jù)寫入本地文件，通過周期性地創(chuàng)建新文件，再次在新文件內(nèi)進行寫入操作，便可實現(xiàn)周期性的故障記錄日志的自動生成。FT軟件的附件“Factory Talk View文件查看器”或“AlarmlogView”能夠查閱實時的故障日志（如圖4），其中“Factory Talk View文件查看器”能夠?qū)⑼瓿蓪懭氩僮鞯娜罩巨D(zhuǎn)換為“.csv”格式的Excel文件。

圖4 使用“AlarmlogView”查閱設備故障日志

3.3 圖表繪制軟件的選擇及其功能

在圖表繪制軟件上的選擇上，使用了Tableau軟件。Tableau Desktop 是基于斯坦福大學突破性技術(shù)的軟件應用程序。它能生動地分析實際存在的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以在幾分鐘內(nèi)生成美觀的圖表、坐標圖、儀表盤與報告。利用 Tableau簡便的拖放式界面，可以自定義視圖、布局、形狀、顏色，等等，展現(xiàn)自己的數(shù)據(jù)視角。

在數(shù)據(jù)處理能力、圖表模型數(shù)量上，Tableau是具備一定優(yōu)勢的軟件，能夠很方便地關(guān)聯(lián)多種數(shù)據(jù)庫文件、表格、文檔等，因此，在繪制圖表上是一個理想的選擇（如圖5）。

圖5 使用Tableau關(guān)聯(lián)Excel文件

Tableau軟件實現(xiàn)了數(shù)據(jù)從文本轉(zhuǎn)換為圖表的過程，不同于傳統(tǒng)的Excel表格制圖，Tableau能夠較智能地主動選擇圖表類型、格式、標題內(nèi)容，較方便地進行數(shù)據(jù)類型選擇，極大地縮短了繪制圖表的時間。

4 配置流程及其參數(shù)

4.1 PLC路徑鏈接參數(shù)配置

在使用Factory Talk View Studio軟件創(chuàng)建了一個FT項目后，首先，需要確定關(guān)聯(lián)哪些PLC。為此，配置PLC路徑的鏈接必不可少。配置PLC路徑鏈接使用FT Linx軟件，在軟件的主視圖內(nèi)創(chuàng)建一個EtherNet鏈接，并選擇Configure Shortcut，為此EtherNet鏈接配置與之關(guān)聯(lián)的PLC通信模塊。隨之進入“Factory Talk Administration Console”附件界面，選擇已創(chuàng)建的FT項目樹的FTLinx子項目中的Communication Setup，在此處添加與設備中控在物理層相連的PLC通訊模塊。

在Device Shortcut視圖內(nèi)，新增路徑鏈接并為此鏈接賦予一個對應目標PLC的名稱。在Primary視圖內(nèi)，在此FT項目的EtherNet鏈接處，右鍵選擇Add Device，選擇目標PLC與設備中控通信模塊的型號（如圖6）。配置此模塊的命名、實際IP地址及其在PLC背板機架上的槽號（如圖7）。打開生成的通信模塊的鏈接，直至掃描到PLC模塊，分別選擇并點擊此PLC模塊與Device Shortcut內(nèi)相應的路徑鏈接后，點擊Apply完成確認，即完成此FT項目內(nèi)的一條PLC路徑鏈接的添加。將PLC路徑鏈接添加完成后的效果如上文中的圖3。

圖6 使用FT Linx選擇目標PLC通信模塊型號

圖7 使用FT Linx配置PLC通訊模塊路徑參數(shù)

4.2 設備的PLC標簽及其報警配置

在Factory Talk View Studio軟件創(chuàng)建的項目內(nèi)，進入標簽功能中，此界面用于配置創(chuàng)建HMI標簽及其報警。

為用于作為報警信息的HMI標簽創(chuàng)建一個文件夾，例如，Alert，在此文件夾內(nèi)創(chuàng)建的標簽名可按照實際需求進行數(shù)字編碼。在新建標簽時，需要填寫此數(shù)字編碼，定義為開關(guān)量標簽以備報警信息使用；將PLC標簽按照“[PLC路徑鏈接名]PLC標簽”的格式填寫至“地址”處，并為此標簽填寫描述信息；關(guān)與開的標記為0與1時，與此標簽實際的低電平、高電平對應，反之則相反；勾選報警一欄后，可配置此標簽的報警規(guī)則（如圖8）。

圖8 創(chuàng)建FT項目內(nèi)HMI標簽

為HMI標簽配置報警時，需要選擇“開”或“關(guān)”報警，與標簽的數(shù)值有關(guān)，觸發(fā)報警的標記為1，解除報警的標記為0，報警中、解除報警、確認報警的信息處填寫“100s”時，在報警中、解除報警、確認報警時，分別會顯示出最長為100個字符長度的標簽描述信息（如圖9）。

圖9 配置HMI標簽的報警規(guī)則

4.3 報警記錄文件的配置

使用FT的“HMI標簽報警記錄設置”附件，能夠配置數(shù)據(jù)記錄文件的路徑，以及更新數(shù)據(jù)記錄文件的周期。在數(shù)據(jù)記錄的過程中，文件可以被讀寫，但是，因為此文件資源被獨占的原因，無法實現(xiàn)記錄文件的格式轉(zhuǎn)換。通常設置每天進行一次數(shù)據(jù)文件的周期性創(chuàng)建。數(shù)據(jù)記錄的文檔，無論是否正在被寫入，均可以使用上文提到的FT軟件的附件“Factory Talk View文件查看器”或“AlarmlogView”進行查閱，其中“Factory Talk View文件查看器”能夠?qū)⒁淹瓿蓪懭氲奈臋n另存為可用Office軟件編輯的“.csv”格式。如需要將數(shù)據(jù)記錄至遠程服務器，可以選擇“中心記錄”進行配置，可以配置數(shù)據(jù)上傳周期、事件同步、選擇目標ODBC數(shù)據(jù)庫文件等參數(shù)（圖10）。

圖10 配置報警記錄文件規(guī)則

5 處理數(shù)據(jù)與圖表構(gòu)建

5.1 處理報警信息記錄文件

已完成寫入操作的文件可轉(zhuǎn)換為電子表格，其中表格中“;TimeStmp”為事件起始點的時間戳，“TransType”為事件類型（報警開始、報警結(jié)束、確認報警），“TagName”為報警的HMI標簽，“Dscrptn”為HMI標簽的描述，僅保留此四列數(shù)據(jù)。

將剩余的數(shù)據(jù)自定義排序，主要關(guān)鍵字為“Dscrptn”，可設置次要關(guān)鍵字為“;TimeStmp”。單次報警累計時間可用函數(shù)進行計算，例如，在E列E1創(chuàng)建關(guān)鍵字“Flttm”，E2內(nèi)輸入以下函數(shù)：

=IF(C2=C1,IF(B2=”O(jiān)utAl”,IF(B1=”InAlm “,(A2-A1)×1440,0),0),0)

雙擊E2右下角實心十字標志，即可自動運算每一報警的累計時間，將E列數(shù)據(jù)格式更改為常規(guī)，（數(shù)據(jù)默認為保留10位數(shù)字的浮點數(shù)）單位為分鐘（圖11）。

圖11 計算單次故障報警時長的函數(shù)式

在完成數(shù)據(jù)處理后，將文件另存為“.xlsx”格式，以備Tableau軟件使用。

5.2 使用Tableau為報警信息按計數(shù)排序

打開Tableau軟件，將Excel文件連接至Tableau數(shù)據(jù)區(qū)。如果需要將多個報警日志連接至數(shù)據(jù)區(qū)，需要在Tableau的數(shù)據(jù)界面創(chuàng)建一個包含所需日志的并集數(shù)據(jù)源（圖12）。

圖12 創(chuàng)建包含所需日志的并集數(shù)據(jù)源

根據(jù)日志（或多個日志的并集）數(shù)據(jù)源建立工作表。將“Trans Type”和“計數(shù)”拖入“列”中，并將“Dsciptn”拖入“行”中，將生成的圖表的“InAlm”設置為“只保留”，并在工具欄中選擇降序排序，實際顯示的圖表即為日志（或多個日志的并集）的故障報警的降序排序（圖13）S。

圖13 報警信息按計數(shù)排序

5.3 使用Tableau為報警信息按計時排序

打開Tableau軟件，將Excel文件連接至Tableau數(shù)據(jù)區(qū)。如果需要將多個報警日志連接至數(shù)據(jù)區(qū)，需要在Tableau的數(shù)據(jù)界面創(chuàng)建一個包含所需日志的并集數(shù)據(jù)源。

根據(jù)日志（或多個日志的并集）數(shù)據(jù)源建立工作表。將“Flttm”更改數(shù)據(jù)類型為“數(shù)字（小數(shù)）”，并“轉(zhuǎn)換為量度”，將“Trans Type”和“Flttm”拖入“列”中，并將“Dsciptn”拖入“行”中，將生成的圖表的“OutAl”設置為“只保留”，并在工具欄中選擇降序排序，實際顯示的圖表即為日志（或多個日志的并集）的故障報警的降序排序（圖14）。

圖14 報警信息按計時排序

6 結(jié)語

此設備故障報警數(shù)據(jù)采集與分析的應用，使用近半年以來，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、人機交互性強、智能化程度高。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換正確率達到了100%，數(shù)據(jù)丟失率低于0.01%，起到了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)記錄與導向重點問題分析的作用。同時，在搭建此系統(tǒng)的過程中，提高了搭建數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)、使用數(shù)據(jù)分析工具的能力，在增強企業(yè)設備自動化、智能化的程度上起到了積極的效果。此系統(tǒng)的成功應用可為同行提供一定參考。