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)
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。
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。
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??梢詫κ褂玫能浖c操作難易度進行矩陣評分,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行梳理,找出被監(jiān)控元素。2) 將元素進行離散處理;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、時間進度條及捕捉開關(guān)4個部分,保證現(xiàn)場監(jiān)控界面的準確性、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個標準節(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。
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。
筆者對上面問題進行整改,對單表進行簡化,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。
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中扳手擰緊數(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。
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??梢酝ㄟ^統(tǒng)計甄別出導(dǎo)致報警的IP號(設(shè)備名),進而有針對性地采取糾正措施。
網(wǎng)絡(luò)負載:為了穩(wěn)定系統(tǒng)運行,新系統(tǒng)的凈負荷不應(yīng)超過20%。這包括所有設(shè)備產(chǎn)生的負荷。這是以100 MBit/s的電纜最大可能負載為基礎(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。
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)嚴謹?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。
在標準時間內(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)架對后期有嚴重的節(jié)拍制約,設(shè)備有效性需要在設(shè)計之初就進行考察驗證。盡量規(guī)避不好的方案策略,推廣典型的標準的規(guī)范設(shè)計。
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)的標準,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。