信息技術(shù)在發(fā)動機裝配線中的應(yīng)用

周華英 朱葛明 李健殊 王金磊

（1.浙江鋒銳發(fā)動機有限公司，浙江 義烏 322003；2.寧波吉利羅佑發(fā)動機零部件有限公司，浙江 寧波 315336）

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，以太網(wǎng)技術(shù)從實驗室，走向大眾，從辦公共享，走向信息咨訊，也走進(jìn)了工業(yè)制造領(lǐng)域。在智能制造的各個環(huán)節(jié)，都有與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)密不可分的信息科技的產(chǎn)物，比起以往的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如CANBUS、MODBUS、PROFIBUS等協(xié)議網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)代工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)越來越成熟，優(yōu)勢越來越明顯，不再受限于某項任務(wù)，而是滲透到AI、智能制造、云物流等各個領(lǐng)域，使生產(chǎn)管理更加便捷。

1 信息化裝配線AMS系統(tǒng)

目前，比較普遍的發(fā)動機裝配線管理系統(tǒng)都是網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)發(fā)揮主導(dǎo)作用，主要實現(xiàn)發(fā)動機裝配生產(chǎn)線數(shù)據(jù)交互，是PLC（Programmable Logic Controller設(shè)備層）與MES（Manufacturing Execution System生產(chǎn)信息管理層）溝通的橋梁，為生產(chǎn)管理和安東大屏幕看板系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。該系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機和網(wǎng)絡(luò)連接，通過以太網(wǎng)協(xié)議建立PLC與MES數(shù)據(jù)庫的連接，工業(yè)PC作為AMS客戶端，上位機作為AMS服務(wù)器，向上連接MES服務(wù)器。服務(wù)器與監(jiān)控工控機采用 C/S 架構(gòu)完成數(shù)據(jù)同步和管理，管理和查詢終端使用B/S 架構(gòu)的方式進(jìn)行訪問[1]。

AMS（Assembly Management System）即裝配管理控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)中心AMS服務(wù)器、多臺AMS客戶端、監(jiān)控計算機 、LED看板管理計算機 、物料管理計算機、返修管理計算機等組成，計算機之間通過以太網(wǎng)，利用光纖或超五類屏蔽雙絞線作為通信介質(zhì)。

AMS服務(wù)器配置：HP E5-2609雙CPU，4 核，內(nèi)存32G，帶2個千兆光纖口， 2個千兆網(wǎng)口，自遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控軟件，6 *1T 10K 3.5 inch SAS，雙機熱備； 磁盤陣列：HP MSA2040控制器；軟件環(huán)境：操作系統(tǒng)WINDOWS SERVER 2012R2； 數(shù)據(jù)庫軟件Microsoft SQL Server 2008R2等。

AMS客戶端配置：研華IPC610/I7/8G/1T/Win7；AMS軟件環(huán)境：操作系統(tǒng) Windows 7 Pro； SP1/NET.Framwork 4.5/SQL Server 2012等。

2 AMS系統(tǒng)應(yīng)用和維護(hù)改善

2.1 設(shè)備層與AMS交互信息無法在HMI上監(jiān)控

某發(fā)動機裝配線工序如下。多種機型混流生產(chǎn)，缸蓋從TAG讀碼后，數(shù)據(jù)經(jīng)后臺匹配，缸蓋類型與訂單比對，BOM允許才生產(chǎn)，實現(xiàn)缸蓋、缸體合箱移栽。但每月有1～2次移栽機不工作的問題。是設(shè)備問題，還是AMS系統(tǒng)問題一直無法查找，只能斷電重啟或強制移栽人工匹配。

筆者直觀地利用豐田質(zhì)量改善矩陣數(shù)據(jù)分析法，如表 1。可以對使用的軟件與操作難易度進(jìn)行矩陣評分，結(jié)果在HMI操作界面上增加信號追蹤功能是操作者最容易實現(xiàn)的實時偵測故障源的手段。

表1 操作難易度改善矩陣數(shù)據(jù)表

使用Winplc Analyzer信號記錄被偵測信號波形，再結(jié)合PLC程序在HMI的二次開發(fā)，實現(xiàn)了監(jiān)控抓捕故障源，擴展了HMI上偵測網(wǎng)絡(luò)交互信號的功能。具體方法如下。1） 將機床PLC與AMS接口程序的交互信號時序進(jìn)行梳理，找出被監(jiān)控元素。2） 將元素進(jìn)行離散處理；脈沖信號轉(zhuǎn)成置位信號。如將發(fā)動機、缸蓋類型讀碼數(shù)據(jù)雙字節(jié)（字符）信號轉(zhuǎn)化為離散量置位信號，便于HMI采集顯示。置位機制也解決了PLC處理中信號脈沖毫秒級在HMI上無法正常顯示的問題，HMI傳輸信號大于100ms，而脈沖信號在6ms以內(nèi)僅讀取PLC的一個掃描信號。3） 對被測元素編程，處理置、復(fù)位，啟停掃描，進(jìn)度顯示等在FC212塊做編程處理，在OB1中調(diào)用。4） 利用WINPLC ANALYZER軟件，在機床正常運行時進(jìn)行信號采樣波形記錄，制作波形模板，給HMI界面對照使用。5） 在設(shè)備HMI上添加頁面，注明元素和采集模板、時間進(jìn)度條及捕捉開關(guān)4個部分，保證現(xiàn)場監(jiān)控界面的準(zhǔn)確性、實時性。最終成功實現(xiàn)了設(shè)備PLC與AMS（PC）交互信息的監(jiān)控，并隨時可以暫停，具有信號捕捉功能，精度為PLC掃描周期（約為6ms），在1個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍30s內(nèi)，完全能夠滿足精度要求。解決了PLC與PC信號交互時，HMI上無法監(jiān)控的顯示方法和工具軟件的缺少問題。

3.2 網(wǎng)絡(luò)堵塞問題

某裝配線手動螺栓擰緊工序，正常時操作者擰緊完成后即可大約1s～2s發(fā)行帶托盤的發(fā)動機，但偶發(fā)擰緊后不放行，須等待3s～10s，有時超10s仍然不放行，該工位擰緊數(shù)據(jù)采集信息流如下。

1：AMS客戶端軟件打開，系統(tǒng)就緒，AMS給PLC發(fā)出心跳信號。

2：PLC給AMS發(fā)出設(shè)備在線信號。

3：托盤到位后，PLC給AMS發(fā)出工件到位信號。

4：AMS收到托盤到位信號后，根據(jù)MES中的關(guān)重件表，判斷該工位是否需要掃描物料，如不需要，AMS給PLC發(fā)出允許啟動信號。

5：PLC收到允許啟動后，設(shè)備開始運行，操作者手動擰緊螺栓完成后，操作者按手邊放行按鈕，給AMS發(fā)出合格完成信號。

6：AMS收到合格完成信號后，從PLC采集數(shù)據(jù)并保存數(shù)據(jù)到AMS數(shù)據(jù)庫，給MES傳過點數(shù)據(jù)，保存成功后給PLC發(fā)出放行信號，PLC輸出阻擋器縮回放行。

為什么延時放行？解決這個問題筆者做了如下措施。

3.2.1 硬件方面

將線邊客戶端機由原來5臺增至10臺，讓每臺客戶端（手動擰緊單元）負(fù)荷減半，現(xiàn)場跟蹤網(wǎng)絡(luò)堵塞次數(shù)減少，時延秒數(shù)縮短至5s以內(nèi)，超長的網(wǎng)絡(luò)堵塞未再出現(xiàn)。

3.2.2 軟件方面

通過查看數(shù)據(jù)庫發(fā)現(xiàn)：1）數(shù)據(jù)表超大，記錄量巨大，單表超千萬行，占有空間超過 10G。 2）由于生產(chǎn)物料異常造成前臺多條物料錄入異常報警，無法連接數(shù)據(jù)庫，多次傳輸緩存失效的任務(wù)長期重復(fù)占用網(wǎng)絡(luò)資源。

筆者對上面問題進(jìn)行整改，對單表進(jìn)行簡化，優(yōu)化數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和SQL語句。數(shù)據(jù)庫中關(guān)重件數(shù)據(jù)表在發(fā)動機入庫時必須查詢，該表由年度改為3個月轉(zhuǎn)存歸檔，并作為定期作業(yè)任務(wù)。減少了單條數(shù)據(jù)寫入時查詢工作量，提高了語句執(zhí)行速度，也提高了“保存成功后給PLC發(fā)出放行”信號返回速度，有效地避免了網(wǎng)絡(luò)堵塞。對在AMS服務(wù)器前端失聯(lián)的分組包數(shù)據(jù)，增加IT運維人員定期點檢人工維護(hù)及時處理保持網(wǎng)絡(luò)暢通。

可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)可以提供無差錯、按適時順序的交付數(shù)據(jù)，但偶爾有數(shù)據(jù)丟失和重復(fù)，堵塞也時常會發(fā)生，擁堵時排隊時延增多，增加網(wǎng)絡(luò)鏈路緩存，多窗口分組排隊，并且優(yōu)化了數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，解決了網(wǎng)絡(luò)堵塞延時問題。

3.3 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性

某裝配線一工序經(jīng)常出現(xiàn)擰緊數(shù)據(jù)丟失，在MES數(shù)據(jù)庫中查找時，該發(fā)動機擰緊第2組值數(shù)據(jù)顯示為0。

將該設(shè)備的PLC程序處理邏輯與扳手控制器，與PC（AMS客戶端）通信信號流整理如圖1所示。

圖1 PLC中扳手?jǐn)Q緊數(shù)據(jù)流信號圖

使用WinPLC-Analyzer監(jiān)控PLC，采集18s，30ms/小格。按照S7 PLC程序處理流程監(jiān)控如下信息，圖2中的①②③④意義如下。

①為M302.1為第二組扳手力矩、角度數(shù)據(jù)出現(xiàn)后由PLC OB1 PI采集至DB塊。（DB1191.DBD162為第一組扭力值長度4字節(jié)，DB1191.DBD166為第二組角度值）。

②為PLC收到扳手發(fā)出的扭矩合格信號M31.7，來自扳手控制器實時通信。

③為M301.2在PLC上梯形圖中處理邏輯關(guān)系，擰緊合格發(fā)出通知，PC可保存共享數(shù)據(jù)即擰緊數(shù)值。

④為PC（AMS系統(tǒng)）數(shù)據(jù)庫中只有1組擰緊數(shù)據(jù)。

通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境：扳手控制器在S7 Industrial Ethernet網(wǎng)絡(luò)中組態(tài)為硬件固定掃描時間為2ms，RT（實時）通信；PLC程序處理時間設(shè)置為6ms。

圖2時序中，第二組扳手完成擰緊信號->PLC->PC，PC保存DB共享區(qū)的第二組數(shù)據(jù)，保存的卻是“0”。

圖2 改善前擰緊值為“0”時時序圖

初步分析為AMS 取共享DB中擰緊數(shù)據(jù)時，PLC收到擰緊完成離散信號約為6mS，而AMS獲得共享DB數(shù)據(jù)，此時還沒有更新落地，卻被讀取保存。

AMS獲得擰緊數(shù)據(jù)理論上在20ms～37ms，而實際上分組傳送無固定時間，受網(wǎng)絡(luò)擁堵情況和瞬時數(shù)據(jù)負(fù)荷量的影響。

改善方法：將圖1中② PLC收扳手發(fā)出的扭矩合格信號M31.7，PLC處理延時1s再發(fā)，③通知PC（AMS客戶端），來取共享DB的擰緊數(shù)據(jù)，確保取數(shù)據(jù)信號可靠落地，如圖3中，PC能夠保存到第二組擰緊數(shù)據(jù)，并且都是非“0”數(shù)值。

圖3 改善后加延時保存數(shù)據(jù)時序圖

擰緊數(shù)據(jù)失真，②-③的PLC信號延時1S解決大問題。

3.4 網(wǎng)絡(luò)診斷工具的應(yīng)用

Ping工具是集成Windows系統(tǒng)下，最普遍最實用的工具之一。桌面Win窗口+R，運行窗口，輸入CMD，輸入ping ip回車，如果有TTL有返回值，說明該PC與被IP機通信正常，最適合測試TCP/IP通信協(xié)議工作是否正常。也可以帶參數(shù)測試如ping ip -t；ping ip -n 100； ping -a ip等。

Wireshark抓包工具是開源共享的軟件，可以深入地分析影響網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性傳輸?shù)母黝悊栴}。支持多種協(xié)議，能夠結(jié)合7層網(wǎng)絡(luò)ISO模型，做分層解析。常用的TCP、HTTP、DNS協(xié)議報文簡單易懂。最強大的是可使用篩選器采集映射端口數(shù)據(jù)，能夠分類過濾，進(jìn)行數(shù)據(jù)流追蹤，根據(jù)分析/專家信息對錯誤、報警、注意給出專業(yè)診斷。

Indu-Sol GmbH德國公司提供了一款工業(yè)以太網(wǎng)診斷儀PROFINET-INspektor?NT，接入時串聯(lián)在設(shè)備層與上位機中間，使用 Web 界面登陸，可以在線導(dǎo)出網(wǎng)絡(luò)診斷數(shù)據(jù)報告。

網(wǎng)絡(luò)測試人員通過報告驗證，通信質(zhì)量，故障排除，EMC/等電位連接等方面的穩(wěn)定性，可作為信息化項目的驗收依據(jù)。

Web的電腦連接儀器的被動接口可以監(jiān)控以下質(zhì)量參數(shù)：刷新時間、錯誤報文（發(fā)送/接收）、報警（低優(yōu)先級和高優(yōu)先級）、報文缺口、報文趕超、設(shè)備故障、抖動、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載（發(fā)送/接收）等。

刷新時間：PROFINETE/thernet通信基于維持每個設(shè)備與控制器通信的刷新速率。

抖動：來自該組態(tài)更新時間的上偏差和下偏差在網(wǎng)絡(luò)中稱為“抖動”，也是報文傳輸速率的變化幅度。如果報告“抖動”大于50%的抖動值，那么表明網(wǎng)絡(luò)性能存在問題、設(shè)備存在問題或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)布局不利。可以通過統(tǒng)計甄別出導(dǎo)致報警的IP號（設(shè)備名），進(jìn)而有針對性地采取糾正措施。

網(wǎng)絡(luò)負(fù)載：為了穩(wěn)定系統(tǒng)運行，新系統(tǒng)的凈負(fù)荷不應(yīng)超過20%。這包括所有設(shè)備產(chǎn)生的負(fù)荷。這是以100 MBit/s的電纜最大可能負(fù)載為基礎(chǔ)的百分比[5]。

該網(wǎng)絡(luò)診斷儀可以長期不受任何時間限制地保留在總線系統(tǒng)中。不僅分析和評估相關(guān)的報文流量，還可以檢測與正常情況的偏差并觸發(fā)警報。

裝配某手動擰緊工序，頻繁報警：擰緊后不放行或者擰緊扳手不執(zhí)行操作，AMS客戶端軟件宕機等故障。使用診斷儀在線監(jiān)控，導(dǎo)出報告，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題明顯，端口指向明確，故障原因主要是抖動，掉線和重啟。筆者對硬件排查：更換交換機接口和重做水晶頭，故障依舊，最后檢查擰緊扳手控制器網(wǎng)絡(luò)虛接，處理后故障消除。

3.5 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架對節(jié)拍的影響

裝配線信息化包括硬件構(gòu)成、防錯技術(shù)和質(zhì)量分析、設(shè)備狀況以及物料追溯等，需要科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓に嚰夹g(shù)方案，需要相當(dāng)設(shè)備層裝備技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)方面的籌劃水平。

AMS系統(tǒng)集成MES部分與AMS服務(wù)器進(jìn)行接口集成，部分與OEM PLC通過OPC直接實時獲取PLC設(shè)備層數(shù)據(jù)，對現(xiàn)場生產(chǎn)節(jié)拍會產(chǎn)生影響，存在高風(fēng)險，對網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性要求高。網(wǎng)絡(luò)的不通暢可能會導(dǎo)致生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)握手信號延時出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)傳輸對整線設(shè)備有效性會產(chǎn)生影響。

在標(biāo)準(zhǔn)時間內(nèi)需要采集傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增多，網(wǎng)絡(luò)堵塞、數(shù)據(jù)包排隊重發(fā)的概率更大，等待數(shù)據(jù)傳輸時延[2]會頻發(fā)，筆者需要利用排隊理論建立數(shù)學(xué)模型，帶入計算[4]仿真網(wǎng)絡(luò)延時和信道吞吐量，評估擁堵情況對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，也可從實際出發(fā)利用抓包軟件分析解決具體問題[3]。

帶有多工序擰緊、試漏、掃描關(guān)重件數(shù)據(jù)，生產(chǎn)過點信息上傳服務(wù)器的生產(chǎn)線，該AMS系統(tǒng)構(gòu)架對后期有嚴(yán)重的節(jié)拍制約，設(shè)備有效性需要在設(shè)計之初就進(jìn)行考察驗證。盡量規(guī)避不好的方案策略，推廣典型的標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范設(shè)計。

4 結(jié)語

影響AMS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題多種多樣，包括電子元器件性能、足夠冗余的帶寬、網(wǎng)絡(luò)物理聯(lián)接質(zhì)量、延遲和抖動的設(shè)計策略、網(wǎng)絡(luò)綜合測試以及第三方軟件檢測評估等，這些要素在設(shè)計之初，要充分考慮，規(guī)避設(shè)計風(fēng)險，落實網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，會為后期信息化AMS在現(xiàn)場應(yīng)用的穩(wěn)定性、可靠性提供保證。