摘要：NetLinx 技術的發展，使得跟蹤系統發生了劃時代的飛躍，在制造業上的應用更加廣泛。本文以一間顯像管廠為例，詳細介紹了跟蹤系統在制造業上的應用。 關鍵詞：制造業 跟蹤系統 NetLinx 關系數據庫 RSSql 設備網總線 條形碼閱讀器 一、引言 Thomson 佛山彩色顯像管廠年產200萬只顯像管，為了提高產品的質量，在生產線上采用了Rockwell Automation自動化公司的跟蹤系統解決方案。項目由羅克韋爾自動化中國全球工業解決方案部進行設計、系統集成、工程安裝和調試投運。整個工程已于2002年12月竣工。實踐運行證明，跟蹤系統安全可靠，操作靈活，信息記錄齊全，系統響應快速，全廠的質量合格率有顯著提高，裝備水平和技術經濟指標也有明顯改善。同時也為制造業的跟蹤系統的解決方案提供了一個成功的例子, 以下是該方案的具體介紹。 二、系統概述和工藝要求 羅克韋爾自動化公司的制造業跟蹤系統解決方案的設計思想集中體現了及時性，全面性等現代信息管理的先進理念，確保了數據在系統內有序而順暢地流動，實現了系統各功能模塊的高度集成，讓企業的管理者對企業中所發生的業務能準確掌握和跟蹤，對于關鍵數據能夠及時獲取，為實現企業的DSS（決策分析系統）提供基礎數據。企業管理人員可以通過系統對企業中大量的、動態的、錯綜復雜的數據和信息進行及時、準確的分析和處理，對企業的各項生產經營活動進行事先計劃、事中控制和事后反饋，從而達到合理利用企業資源、降低庫存、減少資金占用、增強企業應變能力、提高企業市場競爭力和經濟效益的目的。 Thomson 彩管廠基于產量不斷提高，為了提高產品質量，加強質量管理，提出要在生產線上安裝質量跟蹤系統，要求跟蹤系統在生產過程中，處理實時數據，把這些信息顯示在操作界面上，儲存在系統的數據庫中用于分析整理，在需要時發出報警信息，產生報表。跟蹤系統是在生產現場的底層數據和管理層之間建立平滑無縫的數據連接，并且很容易地和生產、設備、過程監控、故障處理、事故分析、產品追蹤等功能連接起來。根據Thomson 彩管廠的實際工藝情況，提出以下要求。 1. 對每一個產品（顯像管）都設立一個唯一的標識號ID，當顯像管經過關鍵工序時，工業條形碼閱讀器會讀取這個唯一的標識號，并記錄產品的信息。 2. 下游工序會根據上游工序的信息決定產品的流向，如果發生型號不對時要馬上報警和停機，減少廢品量。 3. 在顯像管成品包裝工序，每個顯像管都要通過手持的無線條碼閱讀器讀取條碼，及時匹配批號，批號不符要立即報警，禁止打包，徹底杜絕混包現象。 4. 對工廠測試的顯像管進行跟蹤記錄，提高測試的成功率和效果。 5. 記錄設備的起停時間，得出設備和生產線的OEE（整體設備效率）報表。 6. 采集顯像管的缺陷信息，供質量分析時調用。 三、系統硬件拓撲結構 跟蹤系統要實現以上所述，在生產過程中，處理實時數據，把這些信息顯示在操作界面上，儲存在系統的數據庫中用于分析整理，在需要時發出報警信息，產生報表。根據現場設備狀況，跟蹤系統采用羅克韋爾自動化公司開發的NetLinx開放式網絡架構，結合創新的生產者/消費者（Proceducer/Consumer）通訊模式，由EtherNet和Devicenet兩層網絡組成，結構如圖一所示。 NetLinx開放式通訊架構結合了與介質無關的協議和開放式軟件接口的優點，包含了連接制造系統和企業管理系統的所有必需的元素。這是一種從底層到頂層的無縫的連接，具有極大的靈活性，更好的性能和更高的產出能力，提供更大的網絡吞吐量和更高的通訊效率，保證了用戶控制數據的高效傳輸。 3.1 工業以太網 上層以太網用于企業的管理層。通過TCP/IP協議連接位于機房的Oracle 8i數據庫服務器和各個車間辦公室的查詢終端以及ControlLogix Gateway，授予權限的操作人員利用報表和查詢軟件取得質量信息。一臺運行Oracle 8i的高性能服務器負責儲存和處理全廠的數據，在車間級辦公室的客戶機通過定制的程序訪問數據庫，處理業務和報表，對生產運作進行指導。 3.2 現場設備總線 現場設備采用DeviceNet現場總線結構，用于現場信號控制和數據采集。由于生產現場環境復雜，采用了4段DeviceNet網絡，每段電纜長度都超過200米，傳輸速率設置為250Kbps，網絡上連接Panelview、Omron PLC、800E報警指示燈和工業用手持或固定條碼閱讀器等。采用RSNetworx 作為組態軟件，可根據應用需求動態或靜態分配標識符，在線增減節點。 DeviceNet總線協議是一種開放式現場總線協議，在世界范圍內擁有400家以上供貨商。基于成熟的CAN技術，通過一個開放的網絡，將底層的設備直接和車間級控制器相連，而無需通過硬線將它們與I/O模塊連接，為客戶降低安裝成本、縮短安裝周期、減少停機時間。DeviceNet可以連接64個節點，可以鋪設成樹型、星型，菊花型、網型等多種拓撲結構，使用單根電纜連接設備接口，最大長度可達500米，最大通信速率可達500Kbps。同時，ADR（Automatic Device Replacement）自動設備更換技術可以非常方便地用相同的新設備更換故障的DeviceNet設備。系統掃描器將自動恢復原節點地址，并將原設備組態參數下載到新設備，系統自動恢復正常。而基于預測的故障提示就可以有效地幫助減少停機時間。 3.3 ControlLogix Gateway 羅克韋爾自動化功能強大的ControlLogix Gateway是個工業控制網關產品，用于以太網EtherNet和設備網DeviceNet的協議轉換和數據交換。該設備位于車間的生產現場，無需任何人員參與操作，強大的處理器可以把數據庫的數據下載到內存中，提高現場設備的反應速度。 ControlLogix Gateway 采用Logix5555處理器，是32位總線控制器，使用RSLogix5000作為組態軟件。該產品是專門為工業現場復雜惡劣的環境設計的，具有極強的抗電磁干擾能力，處于在彩管廠現場的強磁場干擾情況下，仍然能夠穩定工作。Logix5555比Logix5550有更快的處理速度，更大的程序內存，允許處理更復雜的程序，對于如此巨大的數據交換和處理工作，依然游刃有余。ControlLogix框架上的1756-ENBT 10/100M自適應以太網卡和1756-DNB設備網適配器分別連接以太網和設備網，做到設備網和管理網合二為一。 3.4 人機界面 人機界面包括PanelView和內置以太網卡的PC或工控機組成，做到管理級的數據共享。主要組態軟件包括PanelBuilder 32和Visual Basic，PabelView和工控機位于生產現場，主要包括登錄畫面、操作畫面、歷史數據畫面、報警畫面等。辦公室的PC還包括統計計算畫面、分析畫面、報表畫面等。操作工通過登錄畫面登錄必須通過權限審核。操作畫面配有按鈕確認減少誤操作，并有歷史數據顯示，提高系統數據的準確性。報警畫面是指當有違反工藝要求的顯像管經過時，會有醒目的畫面提示，并伴隨聲音報警。報表和分析畫面是充分利用數據庫和電腦的強大計算功能實時將產量、經濟指標和分析結果計算出來。 整個跟蹤系統包括兩套通過以太網相連的ControlLogix Gateway，外加4條設備網網絡，、大約150個設備網節點和超過20臺通過以太網相連的辦公室終端，涉及參數項在1500個左右。 四、軟件實現和數據流向 從圖一可以看出，跟蹤系統采用了企業內部Ethernet為主干網，作為ControlLogix Gateway 和 RSSQL 以及各個車間操作員終端的高速數據通道。Panelview 、Barcode scanner、小型PLC 通過Devicenet 實現與ControlLogix Gateway的數據交換。Devicenet分布在各個現場，連接多種設備完成信號的采集和控制。系統簡捷高效，考慮了彩管廠的復雜的環境。 4.1 數據連接工具RSSQL 在生產線上，有各種各樣的設備，也包括各種各樣的數據，有操作工在人機操作終端輸入的信息，也有從各種分析設備采集的診斷信息，更有從各種條形碼閱讀器讀取的各種條碼信息。所有這些信息都必須作為歷史數保存到Oracle 8i的數據庫中。為了提高系統的響應速度，我們采用了羅克韋爾自動化的一個革命性的工具RSSql，通過這個功能強大的軟件采集制造過程的數據,集成生產過程系統和企業級IT及其他應用,使之更有效地管理生產制造過程。 作為RSBizwareTM基礎的一部分, RSSql為企業運作集成化解決方案提供了一個理想的平臺。事務處理功能連接整個企業里的多個系統成為一個整體，工業化事務處理除了具有一般的事務處理功能,更主要在于緊密連接工廠控制系統和數據庫系統。 RSSql 正是具有這種工業化的事務處理的強大功能.通過建立相互的連接方式, 對整個企業級各種系統的集成提供靈活和可靠的支持，保證了提供給制造過程信息的準確性。通過過濾和處理數據,增強提供給數據庫的數據的準確性, 可以從中獲取更多的價值。 [align=center] 圖三 RSSQL 組態界面[/align] RSSQL通過控制連接器用DDE、OPC、RSLinx、RSView32或FactoryTalk 方式和各種類型控制系統相連。再通過企業連接器以ODBC、OCI（Oracle Callable Interface）、OLE-DB、COM+等方式和各種不同類型的數據庫系統相連，包括SQL Server, Access, Oracle, Sybase, DB2等，或和SAP系統或基于MTS/COM+的應用相連。在Thomson彩管廠跟蹤系統中，采用高效率的Generic OPC協議和ControlLogix Gateway 連接，采用Oracle專用的OCI接口與Oracle 8i數據庫進行數據交換。 [align=center] 圖四 RSSQL數據流向圖[/align] RSSQL的組態非常簡單，有兩種數據傳輸方式。第一種是將控制系統的數據上傳到數據庫并插入到某個表中，如圖四左所示。例如，當顯像管進入打防爆帶工序時，設備網采集了管子ID、機臺號、防爆帶批號、操作工號、時間等參數，通過RSSQL全部保存到DT_Banding_Table表中。第二種是將控制系統的數據上傳到數據庫的過程中，過程執行結束后返回結果到控制系統中，如圖四右所示。例如，當顯像管在RFSK分析站進行分析時，設備網采集了管子ID,送到數據庫的過程RFSK_Analust中處理，這個過程就會把該管子的RFSK次數、SERP次數、防爆帶的機臺號和放爆帶批號，如果該管子曾經做過缺陷處理或者是回流管，也會把缺陷結果或回流信息通過RSSQL返回到控制系統顯示在現場的人機界面上。 由于項目的實施受到其他因素的影響，只能分步分階段實施。所以RSSql必須具有分散的結構，允許基于RSSql的系統能隨著系統的增長, 逐步擴展,以滿足系統需求的增長。 隨著系統的擴展,當系統運行在網絡上的多個計算機時, RSSql 系統仍然對整個系統提供單一而直觀的接口。因為RSSql 采用基于久經考驗的事務處理技術, 能夠更好地保證系統的可靠性, 甚至在分散處理的環境中。 4.2 ADO數據訪問技術 ActiveX Data Objects （ADO） 是微軟最新的數據訪問技術。它被設計用來同新的數據訪問層OLE DB Provider一起協同工作，以提供通用數據訪問（Universal Data Access）。OLE DB是一個低層的數據訪問接口，用它可以訪問各種數據源，包括傳統的關系型數據庫，以及電子郵件系統及自定義的商業對象。 ADO提供了一個熟悉的，高層的對OLE DB的封裝接口，不同的數據源要求它們自己的OLE DB提供者（OLE DB provider）。ADO易于使用，具有高速度以及較低的內存占用（已實現ADO2.0的Msado15.dll需要占用342K內存，比RDO的Msrdo20.dll的368K略小，大約是DAO3.5的Dao350.dll所占內存的60％）。 在辦公室的PC機和工控機，采用Visual Basic編程軟件利用最新的ADO數據訪問技術訪問數據庫。 五、系統功能說明 在電子槍準備工序，系統會記錄每一批外購的電子槍的詳細信息，例如：廠家、型號、吊帶號、生產日期、批號、數量等，在發放時，也會記錄發放的數量。因此，現在管理人員在辦公室可以實時得到電子槍消耗的準確報表。 在排氣工序，一套固定條碼閱讀器自動讀取排氣小車的編號，操作工在現場的人機界面上輸入電子槍的批號，系統就會自動產生一個唯一的標識號ID，條碼打印機會自動將這個條碼ID打印出來，貼在顯像管上，所有的相關信息都已記錄下來，大大減輕了操作工的勞動強度。 在老化工序，每一個顯像管的起止時間和檢測結果以及使用的吊架和老化次數都會被記錄到數據庫中。當每一個管子經過入口處的固定條碼閱讀器時，操作工都可以在機旁的人機界面上看到該管進行老化的次數。由于工藝規定每個管子只能老化3次，超過3次的管子必須下線檢查。當檢測到該管子老化已經3次時，馬上會有聲光報警通知操作工進行處理。這樣，以前經常發生的多次老化不通過的管子在老化線上循環不停，致使報廢的現象不復存在，而且出現故障的吊架會被記錄下來，維修工在現場可以馬上查出是哪一個吊架故障及其次數；大大方便了維修工作。 在打防爆帶工序，每個防爆帶機都配備一臺固定條碼閱讀器和一臺Panelview300，記錄每個管子的防爆帶批號和機臺號。當防爆帶批號和管型不符時，800E報警燈會及時閃爍通知操作工，大大減少了了打錯防爆帶批號的質量事故。 在Z點檢測工序，顯像管的防爆帶耳環高度差是一個關鍵參數，直接影響顯像管的質量。在系統運行前，自動運行的耳環高度檢測裝置檢測到超標時，要等管子流到下一個工位才能從管子上面的標示上發現是哪臺防爆帶機臺做的，等到去調整參數時，已經又有幾十個廢品出來了。如今，只要管子超標，系統會通過現場人機界面馬上顯示和報警，大大加快了事故處理的時間，減少了廢品。 RFSK（射頻打高壓）工序，一對固定條碼閱讀器自動讀取管號和吊架號，并記錄檢測結果和次數。凡是RFSK超過3次的管子或SERP超過1次的管子，系統都會報警，通知操作工處理，避免管子在不知情的情況下多次RFSK或SERP后報廢。 在HVT和LVT工序，系統自動記錄了每個管子的檢測結果。在系統投運前，經常發生沒有通過檢測的管子進入包裝區域，甚至被包裝成品出廠。系統開始試運行后，只要管子沒有通過LVT檢測，在包裝區域就會報警，通知操作工。 在包裝工序，系統會為每一個管子打印Warranty標簽，標簽上有正確的批號信息。如果該管沒有通過上游工序的測試，系統會拒絕打印。在包裝時，同一個批號的管子才能打在一個大箱中。系統運行前，由于顯像管型號復雜，如果外形相近，操作工不易鑒別，包裝混批的現象就會經常時有發生；當系統運行以后，在現場的人機界面會對每一個顯像管進行鑒別，不同批號的產品不允許打包，包裝混批的現象大大較少，而產品的合格率大大提高。 在QA工序，按照國標和Thomson的標準，我們為系統設計了一套準則。QA人員按照不同的批次數量抽樣檢查，系統根據檢查結果給出參考意見，供給QA人員決定該批次是通過還是返工。同時，快速詳實的報表大大減少了QA人員的工作。 六、總結 1. RSSQL運行非常穩定可靠。RSSQL數據緩存機制保證網絡或數據庫出現故障時不丟失數據。在設計初期，為保證大容量的數據交換，羅克韋爾自動化建議Thomson佛山彩管廠用一臺獨立的服務器運行RSSQL軟件，實踐證明效果非常好。上千個參數每時每刻都會由現場設備采集過來并通過RSSQL上傳數據庫，同時數據庫中的歷史數據和參數由數據庫中的過程調用下載到現場設備中。據現場測試，數據庫性能正常的前提下，數據上傳時，通過Devicenet上的設備采集的參數（如條碼ID、分析數據、手工輸入信息等）經過ControlLogix Gateway 上傳到RSSQL再保存到Oracle 8i數據庫中，平均不到耗時100ms。當數據下載時，數據庫根據現場上傳的數據通過過程調用返回相關數據到Devicenet上的設備，最大耗時不超過300ms。 2. ControlLogix Gateway 運行穩定，具有很強的抗干擾能力。整個機柜放在生產現場，采用無人職守機制，無需維護，在車間的強磁場干擾下仍然保證系統的運行安全。 3. DeviceNet 網絡維護簡單，可以帶電插拔，支持即插即用，在線增減硬件，擴展方便快捷，并具有快速故障診斷功能。當某個節點的設備損壞時，并不會影響網絡上的其他設備，保證了網絡的穩定性。同時DeviceNet的ADR技術使得節點設備的更換變得非常簡單。 4. 對產品的質量改進起到了非常關鍵的作用。彩管廠發現一些發到客戶的管子的石墨非常容易脫落，但是很久都查不到原因；后來將這些管子的ID號全部輸入系統后，發現這些問題管都是由一臺防爆帶機做的，進而發現原來是這個機臺纏繞繃帶的動作是由人工操作的，而其他機臺都是自動的，由于操作的不規范，導致打防爆帶的應力不平衡而造成的。 5. 使得新品種的實驗數據更加可信和科學。跟蹤系統包含了測試批號和測試管的流程，當測試管流過工序時，系統會詳細記錄，供技術人員分析決策。 基于羅克韋爾自動化公司的軟、硬件架構的制造業跟蹤系統解決方案, 利用其先進、成熟的網絡技術和通信技術為管理者提供了有力的工具，并可以為企業的ERP系統和SCM系統提供及時、準確、詳實的基礎數據，使企業的管理手段和管理水平產生質的飛躍。 參考文獻： [1] Roger S. Pressman. Software Engineering, A Practitioner’s Approach Fourth Edition,機械工業出版社 [2] 張金城、呂新民、王學榮. 管理信息系統，北京大學出版社 [3] 蔣宗禮. 彩色顯像管制造技術，電子工業出版社 作者簡介： 區勁東，擁有十多年的制造業和工業自動化行業經驗，尤其在鋼鐵冶金、輕工制造等領域有獨到的見解，精通大型關系數據庫，熟悉跟蹤系統在各行業的應用。