通用电气发那科(GEFanuc)网络化的发动机厂生产监控与生产管理系统

随着国内汽车发动机厂的生产规模和柔性化生产水平的提高，越来越多的发动机厂希望实现生产设备的联网并建立生产监控系统，但是，以数控系统(CNC)为核心的发动机生产线对生产监控系统提出了不同于整车厂的软硬件接口要求。

越来越多的发动机厂希望实现生产设备的联网并建立生产监控系统，与此同时，在生产监控系统的基础上建立生产管理系统，记录发动机生产过程中的各种数据和事件、为每台发动机建立完整的产品谱系也成为了发动机厂新的目标，这将为今后产品质量问题的追溯和产品召回制度的实施提供了可靠依据。

系统概述
目前，国内许多整车厂在自动化生产线之上建立了“生产监控系统(PMC)”，该系统以网络通讯的方式连接了生产线上的可编程控制器(PLC)，实现了生产设备的状态监视和生产数据的采集。与整车厂相比，发动机厂的生产线控制系统有其明显的不同之处：除了可编程控制器之外，发动机生产线还包含了大量的数控(CNC)和运动控制器(Motion Controller)。
按工艺划分，发动机厂的生产设备基本可分为两大类：装配部分和机加工部分，其中，装配线上大量使用着PLC。整条装配线按工艺分成了3～4个区域，每个区域包含一台监控计算机，该计算机通过以太网与区域内所有PLC联网，并采集生产数据，低成本地监控子系统。运行在监控计算机上的软件可以是ProficyTM HMI/SCADA – CIMPLICITY® 监控软件包。
机加工部分通常包括缸体线、缸盖线、框架线、曲轴线、连杆线和凸轮轴线。每条机加工线的控制系统包含若干台CNC和PLC，为了建立机加工部分的生产监控系统，每台机床的CNC和PLC必须具有网络接口，每条机加工线的线端应该安装一台监控计算机，该计算机通过网络连接整条机加工线上的CNC和PLC，并采集机床设备的报警信息、刀具数据和零件程序，构成每条机加工线的监控子系统。运行在线端监控计算机上的软件可以是Proficy HMI/SCADA - CIMPLICITY监控软件包。
各装配区域和机加工线的监控计算机可以通过厂级以太网互联，建立厂级生产监控系统，向生产操作和管理人员提供动态的生产过程监控画面和生产线的柔性化设置界面。
现代化的发动机厂除了需要建立生产监控系统以使生产操作和管理人员更方便地监视生产过程和柔性化地控制生产过程之外，还应该在生产监控系统之上建立生产管理层。这一层应从生产过程采集大量的产品加工和装配数据，如：每台发动机的序列号、安装在发动机上的零部件的批次编号、发动机装配过程中的测试数据等。这些数据应该被存储在一个面向生产过程的数据库中，如Proficy Historian过程数据库。生产管理层还应该采集发动机生产过程中的事件，如：机床换刀、缸体上线、进入返修区等生产事件，这些事件应该被存储在一个SQL 2000关系型数据库中。最终，这些数据和事件被生产管理服务器归纳、整理成每台发动机的生产过程档案和一个完整的发动机产品谱系（产品谱系指的是该产品包含何种零部件及每种零部件的批次编号等信息）。这些信息还通过Web方式发布到全厂的客户端计算机，使得发动机厂的生产管理人员在客户端计算机上利用因特网浏览器就可以查询、检索发动机的生产过程档案和产品谱系。生产管理服务器上运行的软件可以是Proficy Production和Proficy Real-Time Information Portal软件包。
包含以上“生产监控”和“生产管理”两个层次的发动机厂网络架构如图1所示。

在图1所示的系统结构中，运行Proficy HMI/SCADA - CIMPLICITY软件的监控计算机构成了生产监控层，这一层负责从生产现场采集数据。处于生产管理层中的Proficy Historian数据库服务器接受来自生产监控层的数据，并存储这些数据，SQL服务器负责存储发动机生产过程中的各种事件，运行Proficy Production软件的生产管理服务器负责建立工厂模型、发动机生产过程档案和产品谱系，而运行Proficy Real – Time Information Portal的服务器负责将生产管理服务器中的信息以Web方式发布给全厂。

生产监控层与发动机生产线的软硬件接口
生产监控层中的计算机一般通过工业以太网与生产线上的PLC和CNC进行通信（见图2），这就要求PLC和CNC含有以太网接口，监控计算机通过基于以太网的通讯协议或者开放的OPC技术读取控制器中的数据。根据这一思路，GE Fanuc公司在国内某汽车发动机厂帮助用户建立了生产监控系统。该项目大量使用了GE Fanuc的16i/18i/21i系列的CNC系统，这些数控单元都直接配置以太网接口，并支持基于TCP/IP的FOCAS1应用层协议。运行在线端监控计算机上的Proficy SCADA/HMI - CIMPLICITY软件通过该协议与数控单元交换数据。

整车厂的生产监控系统通常采集各生产工位（生产区域）的设备报警、工作节拍和产量统计等数据，而机加工线的监控计算机必须考虑读取各台机床设备的报警故障状态、刀具寿命、零件程序和各种测量数据，这些数据与整车厂的生产过程数据相比，有着明显不同的数据类型和含义。下表列出了线端监控计算机从机床设备采集的典型数据：

除了以上来自机床设备的数据之外，生产监控层还需要采集装配线上的发动机条码或RFID等标签数据、测试数据、拧紧装置的力矩数据和发动机零部件的批次编号等数据。这些数据首先被条码扫描器、RF Tag读写器或者PLC所读取，然后再发送到监控计算机上，最终由生产管理层的服务器存储和管理这些数据记录。

生产监控层的功能
发动机厂的生产监控系统是由分布在各装配区域和各机加工线的监控计算机构成的，这些监控计算机提供动态的监控画面来反映生产设备的运转状态及其相关数据，操作员通过监控计算机可以完成如下监控操作：
·图形监控
·刀具管理
·零件程序管理

以Proficy Production软件为核心的生产管理层是建立在两个类型不同的数据库基础之上的——记录生产过程中各种数据的过程数据库Proficy Historian和记录生产过程中各种事件的关系型数据库SQL 2000。
这两种数据库所起的作用明显不同：
·过程数据管理(Historian)
记录每台发动机在机加工和装配过程中的各种数据，如：每台发动机的序列号、安装在发动机上的零部件的批次编号、发动机装配过程中的测试数据和拧紧装置的力矩数据等。这些数据在数据库中的存储特点是容量大、存访速度快，如：以毫秒级的间隔，保存10年以上的数据。通常的关系型数据库满足不了如此大容量、高速的数据存储要求，而非关系型的过程数据库采用平面式存储结构，却能实现这个存储要求。
·关系型数据库
关系型数据库SQL 2000被用来记录每台发动机生产过程中的各种事件，如：机床换刀、缸体上线、进入返修等生产事件。采用关系型数据库不但可以记录这些事件，还可建立这些事件之间以及这些事件与过程数据之间的关联，这为发动机生产过程档案和产品谱系的建立打下了基础。
与这两个数据库建立交互操作的是Proficy Production软件中的基础模块----“工厂模型”、“事件模型”和“产品模型”，这些模块定义了发动机的产品种类、发动机在生产过程中所经历的各种事件及其所对应的过程数据。
为了精确地记录每台发动机的生产过程，Proficy Production软件还应该记录发动机的关键零部件及其跟踪参数。考虑到很多单个的发动机零部件很难被条码和RFID来标识，通常采用给一批同样类型的零部件分配一个唯一的记录编号、将这批零部件放置在一个载具中，并在载具上贴上条码或安装RFID来代表零部件批次编号的方式，跟踪这批零部件在生产过程中的使用，而Proficy Production软件也是根据零部件的批次编号为每台发动机建立产品谱系的。

生产管理层的功能
在整个发动机厂的生产网络中，生产管理层实现了如下功能：
·生产设备效率分析
·产品质量统计及分析
·发动机生产过程档案及产品谱系的建立
其中，“发动机生产过程档案及产品谱系的建立”在发动机的生产过程中显得尤为重要。为了实现这个功能，Proficy Production软件将根据数据库中的发动机生产过程中的事件和各种工艺参数，建立每台发动机的生产档案，该档案将记录每台发动机的如下信息：发动机的唯一序列号、发动机加工生产过程中的事件及其时间戳、发动机各关键零部件的批次编号、发动机装配过程中的测试数据和拧紧力矩数据。
如此详细的产品生产过程的记录将为今后的查询和检索提供可靠的数据，同时也建立了每台发动机的生产过程及其零部件的追溯体系，为今后的查询和检索提供了基础。如果已出厂的发动机被发现存在质量问题，该质量问题是由生产过程中的某道工序或某批不合格的零部件造成的，则用户可以依据以上发动机生产过程的档案记录，很快地检索出含有同样质量问题的产品，迅速确定需要召回的产品范围，减少损失。
下面的例子是GE Fanuc公司在北美某汽车发动机厂采用Proficy Production软件建立发动机生产过程档案和产品谱系的工程实例。
图7是以Web界面显示的发动机生产过程档案，图8是发动机产品谱系的索引。在这个例子中我们可以看到，基于Proficy软件家族的生产监控与生产管理网络的解决方案采用流行的服务器/瘦客户端架构，用户与服务器之间的信息交互操作全部在Web平台得以实现。这样的系统架构使得生产信息在生产管理的各个层次得到了最大程度的共享，也为生产管理人员提供了丰富的决策数据。