西门子模块6ES7315-2EH14-0AB0
传统发动机装配线大多采用手工方式记录装配过程重要参数。目前，多数国内发动机制造厂使用一种纸质跟踪卡片，每一台发动机上装配线前根据不同型号选择不同的纸质跟踪卡片，或用一种通用的纸质跟踪卡片以菜单形式由操作者记录不同型号发动机的控制要点，跟踪卡片固定在发动机上或装配托盘上。这种方法往往由于工艺流程长并且每个记录由不同的操作人员负责，导致发动机装配记录准确率低，并不易保管和统计。随着汽车召回法规的实施，汽车厂和发动机厂实施装配信息采集技术更加迫切。据我们了解，国内的设备制造商和软件公司完成整个装配线的信息采集系统经验不多。本文结合道依茨（一汽）大连柴油机有限公司规划设计的装配线，重点介绍生产线数据采集系统在装配线的现场实际应用。
装配信息采集技术规划
在装配线规划前，我们考察德国一家工厂装配线信息系统，这个工厂产品主要销售欧美市场，为满足美国及欧盟召回法规规定，装配线上采用了完善的计算机数据采集系统和信息管理软件，建立每台发动机终生质量信息档案。点击该发动机的终生质量信息档案可以清楚地看到：发动机的零件清单、零件的供应商、每次质量改进零件状态、发动机维修图、工序操作者代码、装配线工位测量记录以及售后维修记录等，全部信息都集中在该公司的ERP系统上。我们在该公司看到有两条流水线，一个是发动机装配流水线；另一个是通过ERP将销售、产品、标准、生产、工艺、质量和服务联系起来的管理流水线。
在国外工厂方案的启发下，我们在装配线规划时提出了使用装配信息采集技术来保证装配质量。规划方案包括PLC总线网路、数据采集系统、生产线信息系统和ECU数据管理系统（见图1）。
图1 企业信息系统规划
1．PLC总线网络应用
PLC总线网络是装配信息采集系统的基础，全部的基础数据来源于该系统。我们的PLC总线网络采用现场总线区域控制方式，通过现场分布I/O统一控制装配线的运行及完成各工位间的通信。为实现自动数据采集，装配线每个托盘带有一个数据码块，在需要有自动记录数据的工位装有无线读写头，托盘的数据码块和无线读写头只要在一定区域即可以实现无线通信，数据码块信息定义在发动机上线时，定义的内容来源我公司ERP系统开发的标题文件，托盘码块定义数据格式如表1所示。
表1 托盘码块定义数据格式 
在自动工位通过读取托盘码块发动机类型代码（表1中第1项），设备自动调用针对该型号发动机操作子程序完成发动机自动装配。对于需要上传质量数据工位也是通过数据码块将发动机流水号（表1中第4项）与对应的质量数据进行关联并上传。专用的测量工位我们一般使用光栅尺传感器或扭矩传感器，先将测量数据传给上位计算机，上位计算机通过专用软件处理后以标准通信协议发给PLC。发动机装配生产线电气系统由13台Siemens PLC300组成，这13台PLC组成PLC控制网络（见图2）。
图2 PLC及其网络
PLC采集发动机参数值储存在DB模块上，通过DB模块传给数据采集系统服务器，两个系统通过ISO3964通信协议进行信息交换。
2．数据采集系统应用
数据采集系统是实现对装配生产线13个PLC进行监控的计算机服务器。系统用以太网方式与13个PLC连接，完成装配线上的信息采集、工位监控等功能。编程软件是在西门子公司WINCC基础上二次开发的，整线监控画面（见图3）是对整个生产流水线的图例，可以了解所有工位的当前状况。
图3 监控画面
该系统可以随时以发动机流水号或生产日期等不同方式检索发动机的质量记录，也可以对系统采集的任意一组质量数据进行统计和分析。每天质量记录定时用数据库文件形式上传给我公司的售后服务器，对于有权限的用户可以使用远程网络进行数据查询。
3．生产线信息系统应用
发动机生产线信息系统是生产线信息处理和控制的软件系统，系统不但具有对数据采集系统的数据进行处理的功能，还实现了生产订单的管理，发布电子工艺卡功能。系统主要实现了基于B/S结构的信息发布和管理功能，所有数据处理、任务控制等都在生产线信息系统服务器上实现。在生产线的两侧，有20个可以发布生产线信息的终端PC机，每个终端PC通过获取生产线信息服务器上的信息，显示本地工位上的电子工艺卡和安装部件信息。
图4 电子工艺卡
系统通过企业ERP网络接收生产订单、对应机型电子装配工艺卡，信息的发布过程是由生产线PLC传递的机型为索引进行对应发布，图4所示为一个工位的电子工艺卡。操作者从电子工艺卡上可以了解到发动机的订单号，装配的零件数量、名称和技术要求等信息。数据采集系统服务器、发动机生产线信息系统服务器及每个工位PC之间在装配过程中都需要按设计的步骤进行信息交换。图5所示为两个系统和工位PC的网络拓扑关系。为保证控制数据传输的稳定性，数据采集系统服务器与发动机生产线信息系统服务器之间通过网络对接线反线连接，从而使发动机生产线信息系统服务器与数据采集系统服务器及PLC系统的数据具备交互功能。
图5 两个系统和工位PC的网络拓扑关系
4．ECU数据管理系统应用
ECU数据管理系统是服务于电控发动机生产的重要系统，硬件是ECU数据管理服务器及ECU编程电脑。ECU（Electric Control Unit）是发动机中央控制的核心部件，需要装配过程中采集部分装配数据来补偿ECU的相关参数。我们的ECU有3个型号满足不同需求的发动机，每个系统都有不同的补偿方法，补偿数据写入ECU可以使发动机达到性能的**状态。发动机上装配线时进行ECU类型定义并写入托盘数据码块中。表2是ECU类型定义表和数据补偿信息的分类。
数据补偿信息来源于生产线上的数据采集系统和PLC交互的数据，同时在系统中保存对应机型的生产文件列表和生产文件，生产文件是一种写入发动机ECU专用程序，一旦发动机进入监控工位，系统自动从数据库中取出已经采集完成的补偿参数据，并结合发动机流水号、ECU生产文件名生成ECU所需格式文件。不同系统的ECU格式文件后缀不同，系统根据文件后缀差异将格式文件分配不同文件夹内。我们生产线设有5台ECU编程电脑，不同型号ECU使用不同的编程电脑。ECU服务器和ECU编程电脑采用微软平台映射技术，操作工人可以在ECU编程电脑获得服务器上映射生产文件和格式文件，并用ECU写入软件将补偿信息和生产文件写入ECU电控单元内。数据写入成功后，与该数据对应的补偿文件自动上传到企业的售后服务器
系统解决方案与实施
1. 系统结构
系统设中央级、车站级和本地级三级监控方式, BAS自身不组建独立的专用网络，车站级的BAS信息通过地铁通信系统的全线双冗余的骨干网传输至OCC中央控制室，实现中央级功能。全线网络系统由18个车站及相应区间、控制中心等组成。具体由设置在OCC中央控制室BAS设备、各车站综控室的BAS设备、配电室、变电所等地的BAS设备、现场BAS设备组成。
2. 中央级全线管理
采用冗余的Proficy HMI/SCADA–CIMPLICITY实时数据服务器作为数据采集的接口软件，通过其内置的桥连接驱动程序建立与各车站控制系统运行的Proficy HMI/SCADA–CIMPLICITY之间的连接，通过其丰富的驱动程序建立与中心各控制系统及PLC之间的连接, 采集第一手的运行数据，其实时过程数据库将提供给实时监控画面提供数据，同时将作为中心级历史数据库的数据源。采用Cimplicity SQL作为历史数据库平台，将实时数据服务器的数据方便的集中管理。
3. 车站级设备监控
采用PACSystems RX3i简单冗余控制器通过Genius现场总线配置VersaMax远程I/O, 单独设置通信控制器PLC和IBP控制PLC。
对于直接接线的数字或模拟量, 通过远程IO模块和现场总线交由PLC控制, 这一类数据的信息量相对极少, 每个节点通常为几十字节, 按10个节点每个节点100字节计算, 76.8Kbps 的总线速率可以实现输入输出 30ms左右的刷新率。采用使用调频信号方式抗干扰能力极强的Genius总线, Genius 总线为对等网络逻辑结构, 具无扰切换的冗余功能，该系统采用单总线方式。使用LD语言应用程序实现应用需求, 扫描时间约在30ms左右。
对于以RS485通信方式实现的VRV空调, 变频器, 冷水机组等的控制, 每个节点有几十至几百个字节的数据量, 目前这些设备的接口通常不支持PLC厂家用于控制远程IO的现场总线方式例如GENIUS, ConTROL NET, DP, ETHERNET,MB PLUS等等, 但支持点对点的通信方式, 例如标准的MODBUS RTU或设备厂家定义的软件协议, PLC侧提供标准的MODBUS RTU接口, 也提供可自由编程的通信口实现对设备的数据采集和控制。PLC侧发送通信请求和控制到RTU从站或不提供标准RTU从站模式的设备,实现数据采集和控制。该工程统一定义通讯物理接口为RS485, 协议采用标准的MODBUS RTU协议。为保证数据刷新的实时, BAS提供单独的设备通道, 数据传输的方式不采用以太网转串口网关的方式, 避免串口本身波特率的限制造成上位机或PLC在以太网物理接口内运行多个串口通信造成阻塞, 这种以太网转串口网关的方式很难保证通信控制的实时性。我们选择通信控制器PLC先控制所有串口接口设备, 映射至CPU的内存后再使用100M以太网, 发送至主控PLC或直接交由上位机处理. 通信控制器PLC和A端B端PLC以及IBP PLC之间的以太网平台, 软件协议上使用基于广播模式的 UDP方式的EGD(以太网全局数据),在EGD的通讯过程中，网上的主站 (叫做生产者)周期性的同其它的一个或更多的从站（叫做消费者）共享其内存。各站间每次数据共享的过程就是一个数据交换的过程。这种分组的广播方式充分使用了以太网的带宽, 避免了TCP握手方式造成的数据实时性的缺失, 另一个优点是可以使得任意PLC, IBP控制器, 通讯控制器均可作为车站或中心级平台访问的节点, 因为任意节点都已经通过EGD(以太网全局数据共享)技术获得了所有节点的数据。