西航：CAXA 網(wǎng)絡DNC與PDM、MES的集成

公司背景

中國一航西安航空發(fā)動機(集團)有限公司(簡稱“西航集團公司”)始建于1958年，是中國大型航空發(fā)動機制造基地和國家1000家大型企業(yè)集團之一。公司現(xiàn)有工程技術人員2500多名，擁有各種國內外先進的冷、熱加工設備和計量測試設備4000余臺（套），先后取得了150多項省、部級以上科研成果獎。研制生產(chǎn)了渦輪噴氣發(fā)動機、渦輪發(fā)電裝置、渦輪風扇發(fā)動機、燃氣輪機。公司的質量體系通過了ISO9000系列標準認證。公司被列為國家863計劃CIMS工程應用示范企業(yè)。

公司還分別與英國羅羅公司、美國普惠公司和以色列葉片技術公司、德國巴克杜爾公司建立了三家合資公司；與眾多國際著名的航空企業(yè)建立了穩(wěn)固的合作關系，外貿創(chuàng)匯連續(xù)多年位居國內同行首位。公司產(chǎn)品開發(fā)形成了以劍桿織機、高速線材精軋機組、燃氣輪機、風力發(fā)電機組、石化設備、鋁型材等為主導、涉及眾多行業(yè)的高技術、高附加值、多元化的產(chǎn)品群。公司的質量體系通過了ISO9000系列標準認證。公司被列為國家863計劃CIMS工程應用示范企業(yè)。

西航集團公司在信息化建設上，已完成企業(yè)專用園區(qū)網(wǎng)絡建設，接入計算機3000多臺；CAD/CAM/CAPP/CAE數(shù)字化制造技術已經(jīng)得到深入應用；已搭建公司OA系統(tǒng)、車間管理系統(tǒng)等企業(yè)管理信息系統(tǒng)；公司的ERP系統(tǒng)正在分步實施；PDM系統(tǒng)正在建設中；AMRO系統(tǒng)一期已經(jīng)實施完成，目前正在進行第二期的實施工作。DNC系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)已超過300多臺設備，目前仍在進一步擴展。

企業(yè)需求

在實施DNC系統(tǒng)之前，企業(yè)內部設備加工數(shù)據(jù)傳輸/管理存在如下問題：

1．傳輸方式落后、傳輸效率低下：1）采用筆記本一對一的傳輸方式；2）采用臺式計算機一對一傳輸方式；3) 傳輸軟件和傳輸介質不統(tǒng)一

2.數(shù)控程序管理混亂，沒有可追溯性

3.無法實現(xiàn)信息系統(tǒng)間的有效集成

4.不安全因素多

04年公司啟動車間DNC系統(tǒng)選型，在經(jīng)過了對多家國內外供應商比較后，最終與CAXA>簽署了第一個54節(jié)點車間網(wǎng)絡DNC合同。其后CAXA DNC系統(tǒng)在公司內陸續(xù)擴點，到07年底系統(tǒng)集團設備接入DNC系統(tǒng)數(shù)量已經(jīng)超過了300多臺。

考慮到公司各部門需求的不同及公司整體信息化的需求，歸納總結出公司對網(wǎng)絡DNC的需求：

1.加工代碼/設備參數(shù)等網(wǎng)絡化傳輸

2.實現(xiàn)一對多的網(wǎng)絡化傳輸

3.實現(xiàn)數(shù)控程序傳輸24小時響應

4.實現(xiàn)對葉片的不間斷在線加工

5.實現(xiàn)分布式遠距離傳輸

6.提高數(shù)控的傳輸效率和準確性

7.代碼等文檔的流程化管理

8.基于權限和角色對數(shù)控程序的編制過程進行流程化管理

9.對數(shù)控程序進行版本化管理

10.設備加工信息采集

11.對機床運行時的加工信息進行反饋和采集，以便反映出機床的利用率、加工工時等關鍵信息

12.網(wǎng)絡DNC需要支持西航集團今后達到1000臺數(shù)控設備網(wǎng)絡

13.DNC系統(tǒng)與PDM（UGS Teamcenter Engineering）、MES（西工大MES）系統(tǒng)的集成

本文重點介紹最后一項：DNC系統(tǒng)與PDM、MES系統(tǒng)的集成。

DNC系統(tǒng)與PDM、MES集成架構

 
圖表 2 DNC與PDM、MES集成框圖

上圖中，DNC管理模塊、DNC通信模塊、DNC采集模塊、MES系統(tǒng)都屬于服務器/客戶端的系統(tǒng)。

系統(tǒng)集成關鍵技術

方案實施

普通PDM服務器可支持的并行登陸客戶端理論數(shù)量為數(shù)百人，但在大文檔并行文件傳輸能力上要弱很多。因為通常情況下，一個企業(yè)中不可能發(fā)生數(shù)百名設計員和工藝員同時上傳或下載大文檔的現(xiàn)象。對于數(shù)控加工來說，這種現(xiàn)象則很常見，如上班的頭1小時中，所有的數(shù)控機床操作工同時從服務器下載當天需要加工程序，這很容易造成網(wǎng)絡擁堵。CAXA就此問題采用虛擬技術進行過測試，以500點并發(fā)3兆文檔，發(fā)現(xiàn)目前沒有哪種PDM單服務器系統(tǒng)能夠支撐，多服務器系統(tǒng)要做到實時雙向數(shù)據(jù)同步也是非常困難。

鑒于西航集團企業(yè)規(guī)模和數(shù)控機床未來數(shù)量考量（目前近600臺，未來肯定超過千臺的量級），必須要求PDM服務器與下屬DNC管理服務器、DNC通信服務器中的文檔必須實現(xiàn)單向實時傳遞。這是一種超大規(guī)模的實施文件同步技術。屬于目前信息化技術中的難點！

標準DNC、PDM代碼文檔傳遞流程：

圖表 3 標準DNC與PDM之間文檔傳遞流程

代碼文檔集中存儲在PDM文檔服務器。

l.工藝員——登陸PDM服務器，在PDM管理下作代碼編程，代碼文檔上傳機制只有兩步（PDM客戶端到PDM服務器端），按企業(yè)工藝人員總數(shù)推算，同時登陸的人員約30%，如果企業(yè)工藝員500人，30%即150同時在線，其中按有可能發(fā)生同時上傳代碼人員最大幾率50%計算，約75個并發(fā)上傳任務。這對PDM服務器來說負擔絕對沒有問題。

2.操作工——登陸機床界面，從PDM服務器獲取代碼。按千臺數(shù)控設備，操作工1000人計算，每天上班第一件事就是調用加工代碼，因此同時從PDM調用代碼的幾率約90%以上，按90%計算為900個點并發(fā)下載任務。如果每個操作工任務平均代碼量為5兆（如果葉片精加工，代碼可達40兆以上），PDM服務器將在短時間內將有4.5G的文檔要下載。

3.主干網(wǎng)負擔——操作工的下載任務負擔+工藝員上傳負擔+企業(yè)OA任務負擔+管理人員使用ERP的負擔，這樣企業(yè)在上班后的一個小事內主干網(wǎng)堵塞的可能性巨大！這對于靠PDM提供程序加工的大量機床來說，是非常嚴重的事情。

看來要解決西航集團公司主干堵塞的問題，最主要是解決操作工并行下載問題。

從工藝人員和機床操作工數(shù)量比值看，如果將工藝員上傳代碼文檔的路徑延長，如當工藝員向PDM服務器上傳文檔時，同時由PDM服務器自動向下級分廠DNC管理服務器下發(fā)，DNC管理服務器繼續(xù)向下級車間DNC通信服務器下發(fā)。這樣當操作工需要數(shù)據(jù)時，直接從距離其最近的車間服務器下載，這時數(shù)據(jù)的傳遞已經(jīng)不走企業(yè)主干網(wǎng)，而是車間內的局域網(wǎng)。如此可將原來每天上班后1小時內，主干網(wǎng)負擔解決。

改進后DNC、PDM文檔傳遞框圖：

圖表 4 改進的DNC與PDM之間文檔傳遞流程

從上圖看，由于工藝人員上傳文檔時，路經(jīng)延伸，似乎對主干網(wǎng)負擔加重，但由于工藝員的數(shù)量比操作工少很多、工藝員同時上傳文檔的幾率比操作工同時下載的幾率小很多，因此這樣改進比較合理。

多服務器架構數(shù)據(jù)同步問題的解決

西航集團DNC網(wǎng)絡三級服務器架構，如果要實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，以現(xiàn)有的PDM文檔管理技術解決并不難，困難的是各服務器數(shù)據(jù)實時同步。

由于前述并行問題的解決，改變了文檔傳遞流程。當PDM服務器上的代碼文檔發(fā)生變化時，應導致下屬兩級服務器發(fā)生鏈式反應變化，最終讓數(shù)千臺數(shù)控設備在需要數(shù)據(jù)時，從就近服務器上獲得數(shù)據(jù)，這樣才能就保證了數(shù)據(jù)的單向實時同步，操作工下載的永遠是最新的加工代碼。

如果在產(chǎn)品試制階段，需要從機床回傳代碼到服務器。機床回傳的代碼首先到達DNC通信服務器，再由DNC通信服務器自動回傳給DNC管理服務器。由于DNC管理服務器和DNC通信服務器的發(fā)送和接收文件夾是分開的，因此機床回傳的代碼文件不會覆蓋發(fā)送文件。當工藝員核準回傳的文件無誤，才可以將機床回傳的文件手動上傳PDM服務器。故從應用模式看，回傳文檔沒有同步問題。

服務器架構的數(shù)據(jù)集中與分散機制（分布式數(shù)據(jù)冗余保證）

標準的分布式文檔管理，是將文檔在PDM總服務器上進行虛擬的管理，讓用戶看到的是一個整體庫，實際上文檔按區(qū)分布到各個文檔服務器上。這種方式總服務器上只有部分文檔或完全沒有文檔，文檔都分散存儲在各個服務器，數(shù)據(jù)不具備冗余性。如果需要冗余，往往只能采用定時同步以保證數(shù)據(jù)的唯一性。

西航集團由于其加工零部件的重要性，要求數(shù)據(jù)必須具有冗余，因此在系統(tǒng)集成中，集團PDM服務器上應具有全部的數(shù)據(jù)、同時分廠的DNC管理服務器上具有集團PDM服務器中該分廠區(qū)塊下的所有數(shù)據(jù)，車間DNC通信服務器上具有該分廠DNC管理服務器中該車間區(qū)塊下的數(shù)據(jù)，以此保證整個企業(yè)三級架構中的數(shù)據(jù)冗余。任何一個節(jié)點出現(xiàn)丟失，其上下節(jié)點層都還保存有它的完整數(shù)據(jù)。

上述多服務器架構原理，已經(jīng)能保證這種數(shù)據(jù)冗余特點。

DNC服務器與PDM服務器上的文檔結構樹一致性機制

為保證DNC服務器與PDM服務器上文檔的一致，必須在DNC服務器上建立與PDM服務器一致的文檔結構樹。一般DNC系統(tǒng)不提供產(chǎn)品結構樹（大多數(shù)屬于文件夾管理模式），而PDM的結構很復雜，因此在DNC和PDM集成中，需要改造DNC的產(chǎn)品結構樹。

CAXA網(wǎng)絡DNC管理系統(tǒng)提供產(chǎn)品結構樹，且具備批量導入設計/工藝文件（DWG、EXB等）并根據(jù)文件屬性自動創(chuàng)建產(chǎn)品結構樹的功能。但原始產(chǎn)品結構樹的最小節(jié)點為“零件”，這樣必須根據(jù)西航集團公司的情況對其進行改造。

改造結果：

在DNC的文件中增加工藝規(guī)程版本號、工序號、機床號屬性。

DNC可根據(jù)PDM提供的產(chǎn)品型號、零部件號、工藝規(guī)程版本號、工序號、機床型號、代碼名稱自動創(chuàng)建產(chǎn)品結構樹的節(jié)點和文件屬性。

接口文件更新覆蓋機制

PDM文檔向DNC傳遞時，DNC需要在DNC接口中開發(fā)兩個機制：文件寫入和刪除。

文件寫入機制：

l.檢索——需要按型號、部件、零件、代碼文件名稱、工藝規(guī)程版本號、工序號、機床型號檢索代碼。

2.判斷——文檔是否已經(jīng)存在，如不存在需要新建該文檔，并將文檔載入，同時將將PDM傳遞的文檔路徑、工藝規(guī)程號、工序號、機床型號作為文檔屬性寫入。

3.覆蓋——文檔已經(jīng)存在，按覆蓋載入，同時將將PDM傳遞的文檔路徑、工藝規(guī)程號、工序號、機床型號作為文檔屬性寫入。并更新文檔寫入時間、版本號。

刪除機制：

l.檢索——需要按型號、部件、零件、代碼文件名稱、工藝規(guī)程版本號、工序號、機床型號檢索代碼。

2.刪除——刪除文件，同時在DNC日志中記錄該刪除操作，包含刪除時間、刪除人。

接口網(wǎng)路傳遞過程保護及告警機制

PDM文檔修改后，系統(tǒng)將PDM中變化的文檔，向DNC文檔傳輸過程中有多個問題存在：

l.傳輸起始，網(wǎng)絡故障處理——針對網(wǎng)路臨時阻塞或長時中斷的處理

2.傳輸起始，對方接口服務不存在的處理

3.傳輸起始，對方接口權限不足情況處理

4.傳輸過程中，網(wǎng)絡故障處理——針對臨時中斷或長時間中斷的處理

5.傳輸起始，對方接口服務不存在的處理

針對上述種問題，必須建立一套文檔傳輸保護及報警機制。

傳遞過程中，由DNC接口函數(shù)處理網(wǎng)絡狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡故障，返回給PDM網(wǎng)絡錯誤信息。如果網(wǎng)絡正常，進入傳輸，傳輸過程中發(fā)生網(wǎng)絡故障，需要在公共中間表中加入未完成信息。

DNC接口需要否有未傳輸文檔及傳輸不完全文檔存在，如果有則實時監(jiān)測與PDM服務器網(wǎng)絡連接狀況，當網(wǎng)絡連接正常，需要重新觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。

同時需要的功能還有：當發(fā)現(xiàn)服務不存在，還需要重新啟動對方接口服務的機制以及對方接口權限不足需要告警的機制。

同理在DNC系統(tǒng)和MES之間也要建立類似的數(shù)據(jù)傳保護及告警機制：當DNC管理模塊向DNC通信模塊下發(fā)代碼時，如果網(wǎng)絡出現(xiàn)故障，需向MES發(fā)送告警信息，同時啟用斷點續(xù)傳等功能支持進行處理。

DNC傳輸系統(tǒng)與MES系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換

數(shù)據(jù)交換機理：MES負責工序的派工計劃，當車間生產(chǎn)調度人員將某道工序派往某臺機床時，需要向DNC系統(tǒng)傳送一個信息：該工序的零件號、工藝規(guī)程編號、工序號、設備號。DNC接收了該信息后，需要根據(jù)零件號、工藝規(guī)程編號、工序號三個條件，在產(chǎn)品結構樹下檢索到該零件節(jié)點，并在該節(jié)點下根據(jù)工藝規(guī)程編號、工序號、設備號檢索加工代碼（按代碼屬性檢索），檢索到后將這些代碼傳送到DNC通信服務器相應的設備節(jié)點下。

DNC系統(tǒng)與MES接口設計：

圖表 7 DNC與MES接口框圖

DNC數(shù)據(jù)采集模塊與MES的數(shù)據(jù)交換

在實施西航集團DNC與PDM、MES集成項目前，CAXA DNC標準數(shù)據(jù)采集模塊為單機模式，數(shù)據(jù)庫架構如下圖：

為適合西航集團的大規(guī)模多級分布式架構，重新為西航集團設計采集架構：

圖表 9 DNC采集模塊與MES系統(tǒng)結構改進圖

采用上述結構后，無論采用網(wǎng)卡采集的機床、通過加裝硬件傳感器進行采集的機床還是直接使用串口代碼反饋的機床，都可以將采集到的數(shù)據(jù)寫入統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫并在計算后提供給MES使用。

方案實施效果

l.實現(xiàn)了PDM中的加工數(shù)據(jù)與DNC中加工數(shù)據(jù)的實時單向同步；

2.在大規(guī)模數(shù)控加工中實現(xiàn)實際并行300臺以上，理論并行可達千臺。

3.在大規(guī)模數(shù)控加工中降低了企業(yè)主干網(wǎng)絡的負擔，并保證了數(shù)控機床能夠及時獲得加工所需數(shù)據(jù)；消除了網(wǎng)絡擁堵造成的機床下載遲滯問題以及企業(yè)主干網(wǎng)突發(fā)中斷造成的加工中斷問題！

4.獲得了生產(chǎn)加工數(shù)據(jù)的多級冗余，保證了企業(yè)數(shù)據(jù)安全。

5.DNC與MES的集成實現(xiàn)了車間計劃指令與機床的物理關聯(lián)，同時機床的生產(chǎn)狀態(tài)能及時反饋給MES，為MES的工序加工計劃提供可靠的依據(jù)。