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

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

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)都是網絡與信息技術發(fā)揮主導作用，主要實現發(fā)動機裝配生產線數據交互，是PLC（Programmable Logic Controller設備層）與MES（Manufacturing Execution System生產信息管理層）溝通的橋梁，為生產管理和安東大屏幕看板系統(tǒng)提供基礎數據來源。該系統(tǒng)采用工業(yè)以太網交換機和網絡連接，通過以太網協(xié)議建立PLC與MES數據庫的連接，工業(yè)PC作為AMS客戶端，上位機作為AMS服務器，向上連接MES服務器。服務器與監(jiān)控工控機采用 C/S 架構完成數據同步和管理，管理和查詢終端使用B/S 架構的方式進行訪問[1]。

AMS（Assembly Management System）即裝配管理控制系統(tǒng)由數據中心AMS服務器、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，利用光纖或超五類屏蔽雙絞線作為通信介質。

AMS服務器配置：HP E5-2609雙CPU，4 核，內存32G，帶2個千兆光纖口， 2個千兆網口，自遠程設備監(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； 數據庫軟件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)應用和維護改善

2.1 設備層與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，缸蓋從TAG讀碼后，數據經后臺匹配，缸蓋類型與訂單比對，BOM允許才生產，實現缸蓋、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量改善矩陣數據分析法，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的實時偵測故障源的手段。

表1 操作難易度改善矩陣數據表

使用Winplc Analyzer信號記錄被偵測信號波形，再結合PLC程序在HMI的二次開發(fā)，實現了監(jiān)控抓捕故障源，擴展了HMI上偵測網絡交互信號的功能。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；脈沖信號轉成置位信號。如將發(fā)動機、缸蓋類型讀碼數據雙字節(jié)（字符）信號轉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以內僅讀取PLC的一個掃描信號。3） 對被測元素編程，處理置、復位，啟停掃描，進度顯示等在FC212塊做編程處理，在OB1中調用。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4個部分，保證現場監(jiān)控界面的準確性、實時性。最終成功實現了設備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，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 網絡堵塞問題

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，該工位擰緊數據采集信息流如下。

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MES中的關重件表，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采集數據并保存數據到AMS數據庫，給MES傳過點數據，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，現場跟蹤網絡堵塞次數減少，時延秒數縮短至5s以內，超長的網絡堵塞未再出現。

3.2.2 軟件方面

通過查看數據庫發(fā)現：1）數據表超大，記錄量巨大，單表超千萬行，占有空間超過 10G。 2）由于生產物料異常造成前臺多條物料錄入異常報警，無法連接數據庫，多次傳輸緩存失效的任務長期重復占用網絡資源。

筆者對上面問題進行整改，對單表進行簡化，優(yōu)化數據庫結構和SQL語句。數據庫中關重件數據表在發(fā)動機入庫時必須查詢，該表由年度改為3個月轉存歸檔，并作為定期作業(yè)任務。減少了單條數據寫入時查詢工作量，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，有效地避免了網絡堵塞。對在AMS服務器前端失聯的分組包數據，增加IT運維人員定期點檢人工維護及時處理保持網絡暢通。

可靠的網絡傳輸服務可以提供無差錯、按適時順序的交付數據，但偶爾有數據丟失和重復，堵塞也時常會發(fā)生，擁堵時排隊時延增多，增加網絡鏈路緩存，多窗口分組排隊，并且優(yōu)化了數據表結構，解決了網絡堵塞延時問題。

3.3 網絡數據準確性

某裝配線一工序經常出現擰緊數據丟失，在MES數據庫中查找時，該發(fā)動機擰緊第2組值數據顯示為0。

將該設備的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中扳手擰緊數據流信號圖

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、角度數據出現后由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系，擰緊合格發(fā)出通知，PC可保存共享數據即擰緊數值。

④為PC（AMS系統(tǒng)）數據庫中只有1組擰緊數據。

通信網絡環(huán)境：扳手控制器在S7 Industrial Ethernet網絡中組態(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)的第二組數據，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中擰緊數據時，PLC收到擰緊完成離散信號約為6mS，而AMS獲得共享DB數據，此時還沒有更新落地，卻被讀取保存。

AMS獲得擰緊數據理論上在20ms～37ms，而實際上分組傳送無固定時間，受網絡擁堵情況和瞬時數據負荷量的影響。

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的擰緊數據，確保取數據信號可靠落地，如圖3中，PC能夠保存到第二組擰緊數據，并且都是非“0”數值。

圖3 改善后加延時保存數據時序圖

擰緊數據失真，②-③的PLC信號延時1S解決大問題。

3.4 網絡診斷工具的應用

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絡穩(wěn)定性傳輸的各類問題。支持多種協(xié)議，能夠結合7層網絡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據，能夠分類過濾，進行數據流追蹤，根據分析/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)以太網診斷儀PROFINET-INspektor?NT，接入時串聯在設備層與上位機中間，使用 Web 界面登陸，可以在線導出網絡診斷數據報告。

網絡測試人員通過報告驗證，通信質量，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。

Web的電腦連接儀器的被動接口可以監(jiān)控以下質量參數：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、設備故障、抖動、網絡負載（發(fā)送/接收）等。

刷新時間：PROFINETE/thernet通信基于維持每個設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絡中稱為“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，那么表明網絡性能存在問題、設備存在問題或網絡結構布局不利?？梢酝ㄟ^統(tǒng)計甄別出導致報警的IP號（設備名），進而有針對性地采取糾正措施。

網絡負載：為了穩(wěn)定系統(tǒng)運行，新系統(tǒng)的凈負荷不應超過20%。這包括所有設備產生的負荷。這是以100 MBit/s的電纜最大可能負載為基礎的百分比[5]。

該網絡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，導出報告，發(fā)現網絡問題明顯，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絡虛接，處理后故障消除。

3.5 網絡構架對節(jié)拍的影響

裝配線信息化包括硬件構成、防錯技術和質量分析、設備狀況以及物料追溯等，需要科學嚴謹的工藝技術方案，需要相當設備層裝備技術與網絡方面的籌劃水平。

AMS系統(tǒng)集成MES部分與AMS服務器進行接口集成，部分與OEM PLC通過OPC直接實時獲取PLC設備層數據，對現場生產節(jié)拍會產生影響，存在高風險，對網絡穩(wěn)定性要求高。網絡的不通暢可能會導致生產線網絡握手信號延時出現，網絡傳輸對整線設備有效性會產生影響。

在標準時間內需要采集傳輸的數據量增多，網絡堵塞、數據包排隊重發(fā)的概率更大，等待數據傳輸時延[2]會頻發(fā)，筆者需要利用排隊理論建立數學模型，帶入計算[4]仿真網絡延時和信道吞吐量，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、掃描關重件數據，生產過點信息上傳服務器的生產線，該AMS系統(tǒng)構架對后期有嚴重的節(jié)拍制約，設備有效性需要在設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)范設計。

4 結語

影響AMS網絡系統(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、網絡物理聯接質量、延遲和抖動的設計策略、網絡綜合測試以及第三方軟件檢測評估等，這些要素在設計之初，要充分考慮，規(guī)避設計風險，落實網絡技術的標準，會為后期信息化AMS在現場應用的穩(wěn)定性、可靠性提供保證。