区劲东（罗克韦尔自动化广州分公司全球工业解决方案项目工程师，510060）
摘要： NetLinx 技术的发展，使得跟踪系统发生了划时代的飞跃，在制造业上的应用更加广泛。本文以一间显像管厂为例，详细介绍了跟踪系统在制造业上的应用。
关键词： 制造业 跟踪系统 NetLinx 关系数据库 RSSql 设备网总线 条形码阅读器
一、引言
Thomson 佛山彩色显像管厂年产200万只显像管，为了提高产品的质量，在生产线上采用了Rockwell Automation自动化公司的跟踪系统解决方案。项目由罗克韦尔自动化中国全球工业解决方案部进行设计、系统集成、工程安装和调试投运。整个工程已于2002年12月竣工。实践运行证明，跟踪系统安全可靠，操作灵活，信息记录齐全，系统响应快速，全厂的质量合格率有显著提高，装备水平和技术经济指标也有明显改善。同时也为制造业的跟踪系统的解决方案提供了一个成功的例子, 以下是该方案的具体介绍。
二、系统概述和工艺要求
罗克韦尔自动化公司的制造业跟踪系统解决方案的设计思想集中体现了及时性，全面性等现代信息管理的先进理念，确保了数据在系统内有序而顺畅地流动，实现了系统各功能模块的高度集成，让企业的管理者对企业中所发生的业务能准确掌握和跟踪，对于关键数据能够及时获取，为实现企业的DSS（决策分析系统）提供基础数据。企业管理人员可以通过系统对企业中大量的、动态的、错综复杂的数据和信息进行及时、准确的分析和处理，对企业的各项生产经营活动进行事先计划、事中控制和事后反馈，从而达到合理利用企业资源、降低库存、减少资金占用、增强企业应变能力、提高企业市场竞争力和经济效益的目的。
Thomson 彩管厂基于产量不断提高，为了提高产品质量，加强质量管理，提出要在生产线上安装质量跟踪系统，要求跟踪系统在生产过程中，处理实时数据，把这些信息显示在操作界面上，储存在系统的数据库中用于分析整理，在需要时发出报警信息，产生报表。跟踪系统是在生产现场的底层数据和管理层之间建立平滑无缝的数据连接，并且很容易地和生产、设备、过程监控、故障处理、事故分析、产品追踪等功能连接起来。根据Thomson 彩管厂的实际工艺情况，提出以下要求。
1. 对每一个产品（显像管）都设立一个唯一的标识号ID，当显像管经过关键工序时，工业条形码阅读器会读取这个唯一的标识号，并记录产品的信息。
三、系统硬件拓扑结构
跟踪系统要实现以上所述，在生产过程中，处理实时数据，把这些信息显示在操作界面上，储存在系统的数据库中用于分析整理，在需要时发出报警信息，产生报表。根据现场设备状况，跟踪系统采用罗克韦尔自动化公司开发的NetLinx开放式网络架构，结合创新的生产者/消费者(Proceducer/Consumer)通讯模式，由EtherNet和Devicenet两层网络组成，结构如图一所示。
NetLinx开放式通讯架构结合了与介质无关的协议和开放式软件接口的优点，包含了连接制造系统和企业管理系统的所有必需的元素。这是一种从底层到顶层的无缝的连接，具有极大的灵活性，更好的性能和更高的产出能力，提供更大的网络吞吐量和更高的通讯效率，保证了用户控制数据的高效传输。
图一 系统结构图
3.1 工业以太网
上层以太网用于企业的管理层。通过TCP/IP协议连接位于机房的Oracle 8i数据库服务器和各个车间办公室的查询终端以及ControlLogix Gateway，授予权限的操作人员利用报表和查询软件取得质量信息。一台运行Oracle 8i的高性能服务器负责储存和处理全厂的数据，在车间级办公室的客户机通过定制的程序访问数据库，处理业务和报表，对生产运作进行指导。
3.2 现场设备总线
现场设备采用DeviceNet现场总线结构，用于现场信号控制和数据采集。由于生产现场环境复杂，采用了4段DeviceNet网络，每段电缆长度都超过200米，传输速率设置为250Kbps，网络上连接Panelview、Omron PLC、800E报警指示灯和工业用手持或固定条码阅读器等。采用RSNetworx 作为组态软件，可根据应用需求动态或静态分配标识符，在线增减节点。
DeviceNet总线协议是一种开放式现场总线协议，在世界范围内拥有400家以上供货商。基于成熟的CAN技术，通过一个开放的网络，将底层的设备直接和车间级控制器相连，而无需通过硬线将它们与I/O模块连接，为客户降低安装成本、缩短安装周期、减少停机时间。DeviceNet可以连接64个节点，可以铺设成树型、星型，菊花型、网型等多种拓扑结构，使用单根电缆连接设备接口，最大长度可达500米，最大通信速率可达500Kbps。同时，ADR(Automatic Device Replacement)自动设备更换技术可以非常方便地用相同的新设备更换故障的DeviceNet设备。系统扫描器将自动恢复原节点地址，并将原设备组态参数下载到新设备，系统自动恢复正常。而基于预测的故障提示就可以有效地帮助减少停机时间。
3.3 ControlLogix Gateway
罗克韦尔自动化功能强大的ControlLogix Gateway是个工业控制网关产品，用于以太网EtherNet和设备网DeviceNet的协议转换和数据交换。该设备位于车间的生产现场，无需任何人员参与操作，强大的处理器可以把数据库的数据下载到内存中，提高现场设备的反应速度。
ControlLogix Gateway 采用Logix5555处理器，是32位总线控制器，使用RSLogix5000作为组态软件。该产品是专门为工业现场复杂恶劣的环境设计的，具有极强的抗电磁干扰能力，处于在彩管厂现场的强磁场干扰情况下，仍然能够稳定工作。Logix5555比Logix5550有更快的处理速度，更大的程序内存，允许处理更复杂的程序，对于如此巨大的数据交换和处理工作，依然游刃有余。ControlLogix框架上的1756-ENBT 10/100M自适应以太网卡和1756-DNB设备网适配器分别连接以太网和设备网，做到设备网和管理网合二为一。
3.4 人机界面
人机界面包括PanelView和内置以太网卡的PC或工控机组成，做到管理级的数据共享。主要组态软件包括PanelBuilder 32和Visual Basic，PabelView和工控机位于生产现场，主要包括登录画面、操作画面、历史数据画面、报警画面等。办公室的PC还包括统计计算画面、分析画面、报表画面等。操作工通过登录画面登录必须通过权限审核。操作画面配有按钮确认减少误操作，并有历史数据显示，提高系统数据的准确性。报警画面是指当有违反工艺要求的显像管经过时，会有醒目的画面提示，并伴随声音报警。报表和分析画面是充分利用数据库和电脑的强大计算功能实时将产量、经济指标和分析结果计算出来。
整个跟踪系统包括两套通过以太网相连的ControlLogix Gateway，外加4条设备网网络，、大约150个设备网节点和超过20台通过以太网相连的办公室终端，涉及参数项在1500个左右。
四、软件实现和数据流向
从图一可以看出，跟踪系统采用了企业内部Ethernet为主干网，作为ControlLogix Gateway 和 RSSQL 以及各个车间操作员终端的高速数据通道。Panelview 、Barcode scanner、小型PLC 通过Devicenet 实现与ControlLogix Gateway的数据交换。Devicenet分布在各个现场，连接多种设备完成信号的采集和控制。系统简捷高效，考虑了彩管厂的复杂的环境。
4.1 数据连接工具RSSQL
在生产线上，有各种各样的设备，也包括各种各样的数据，有操作工在人机操作终端输入的信息，也有从各种分析设备采集的诊断信息，更有从各种条形码阅读器读取的各种条码信息。所有这些信息都必须作为历史数保存到Oracle 8i的数据库中。为了提高系统的响应速度，我们采用了罗克韦尔自动化的一个革命性的工具RSSql，通过这个功能强大的软件采集制造过程的数据,集成生产过程系统和企业级IT及其他应用,使之更有效地管理生产制造过程。
作为RSBizwareTM基础的一部分, RSSql为企业运作集成化解决方案提供了一个理想的平台。事务处理功能连接整个企业里的多个系统成为一个整体，工业化事务处理除了具有一般的事务处理功能,更主要在于紧密连接工厂控制系统和数据库系统。 RSSql 正是具有这种工业化的事务处理的强大功能.通过建立相互的连接方式, 对整个企业级各种系统的集成提供灵活和可靠的支持，保证了提供给制造过程信息的准确性。通过过滤和处理数据,增强提供给数据库的数据的准确性, 可以从中获取更多的价值。
图三 RSSQL 组态界面
RSSQL通过控制连接器用DDE、OPC、RSLinx、RSView32或FactoryTalk 方式和各种类型控制系统相连。再通过企业连接器以ODBC、OCI(Oracle Callable Interface)、OLE-DB、COM+等方式和各种不同类型的数据库系统相连，包括SQL Server, Access, Oracle, Sybase, DB2等，或和SAP系统或基于MTS/COM+的应用相连。在Thomson彩管厂跟踪系统中，采用高效率的Generic OPC协议和ControlLogix Gateway 连接，采用Oracle专用的OCI接口与Oracle 8i数据库进行数据交换。
图四 RSSQL数据流向图
RSSQL的组态非常简单，有两种数据传输方式。第一种是将控制系统的数据上传到数据库并插入到某个表中，如图四左所示。例如，当显像管进入打防爆带工序时，设备网采集了管子ID、机台号、防爆带批号、操作工号、时间等参数，通过RSSQL全部保存到DT_Banding_Table表中。第二种是将控制系统的数据上传到数据库的过程中，过程执行结束后返回结果到控制系统中，如图四右所示。例如，当显像管在RFSK分析站进行分析时，设备网采集了管子ID,送到数据库的过程RFSK_Analust中处理，这个过程就会把该管子的RFSK次数、SERP次数、防爆带的机台号和放爆带批号，如果该管子曾经做过缺陷处理或者是回流管，也会把缺陷结果或回流信息通过RSSQL返回到控制系统显示在现场的人机界面上。
由于项目的实施受到其他因素的影响，只能分步分阶段实施。所以RSSql必须具有分散的结构，允许基于RSSql的系统能随着系统的增长, 逐步扩展,以满足系统需求的增长。 随着系统的扩展,当系统运行在网络上的多个计算机时, RSSql 系统仍然对整个系统提供单一而直观的接口。因为RSSql 采用基于久经考验的事务处理技术, 能够更好地保证系统的可靠性, 甚至在分散处理的环境中。
4.2 ADO数据访问技术
ActiveX Data Objects (ADO) 是微软最新的数据访问技术。它被设计用来同新的数据访问层OLE DB Provider一起协同工作，以提供通用数据访问（Universal Data Access）。OLE DB是一个低层的数据访问接口，用它可以访问各种数据源，包括传统的关系型数据库，以及电子邮件系统及自定义的商业对象。
ADO提供了一个熟悉的，高层的对OLE DB的封装接口，不同的数据源要求它们自己的OLE DB提供者（OLE DB provider）。ADO易于使用，具有高速度以及较低的内存占用（已实现ADO2.0的Msado15.dll需要占用342K内存，比RDO的Msrdo20.dll的368K略小，大约是DAO3.5的Dao350.dll所占内存的60％）。
在办公室的PC机和工控机，采用Visual Basic编程软件利用最新的ADO数据访问技术访问数据库。
五、系统功能说明
在电子枪准备工序，系统会记录每一批外购的电子枪的详细信息，例如：厂家、型号、吊带号、生产日期、批号、数量等，在发放时，也会记录发放的数量。因此，现在管理人员在办公室可以实时得到电子枪消耗的准确报表。
在排气工序，一套固定条码阅读器自动读取排气小车的编号，操作工在现场的人机界面上输入电子枪的批号，系统就会自动产生一个唯一的标识号ID，条码打印机会自动将这个条码ID打印出来，贴在显像管上，所有的相关信息都已记录下来，大大减轻了操作工的劳动强度。
在老化工序，每一个显像管的起止时间和检测结果以及使用的吊架和老化次数都会被记录到数据库中。当每一个管子经过入口处的固定条码阅读器时，操作工都可以在机旁的人机界面上看到该管进行老化的次数。由于工艺规定每个管子只能老化3次，超过3次的管子必须下线检查。当检测到该管子老化已经3次时，马上会有声光报警通知操作工进行处理。这样，以前经常发生的多次老化不通过的管子在老化线上循环不停，致使报废的现象不复存在，而且出现故障的吊架会被记录下来，维修工在现场可以马上查出是哪一个吊架故障及其次数；大大方便了维修工作。
在打防爆带工序，每个防爆带机都配备一台固定条码阅读器和一台Panelview300，记录每个管子的防爆带批号和机台号。当防爆带批号和管型不符时，800E报警灯会及时闪烁通知操作工，大大减少了了打错防爆带批号的质量事故。
在Z点检测工序，显像管的防爆带耳环高度差是一个关键参数，直接影响显像管的质量。在系统运行前，自动运行的耳环高度检测装置检测到超标时，要等管子流到下一个工位才能从管子上面的标示上发现是哪台防爆带机台做的，等到去调整参数时，已经又有几十个废品出来了。如今，只要管子超标，系统会通过现场人机界面马上显示和报警，大大加快了事故处理的时间，减少了废品。
RFSK（射频打高压）工序，一对固定条码阅读器自动读取管号和吊架号，并记录检测结果和次数。凡是RFSK超过3次的管子或SERP超过1次的管子，系统都会报警，通知操作工处理，避免管子在不知情的情况下多次RFSK或SERP后报废。
在HVT和LVT工序，系统自动记录了每个管子的检测结果。在系统投运前，经常发生没有通过检测的管子进入包装区域，甚至被包装成品出厂。系统开始试运行后，只要管子没有通过LVT检测，在包装区域就会报警，通知操作工。
在包装工序，系统会为每一个管子打印Warranty标签，标签上有正确的批号信息。如果该管没有通过上游工序的测试，系统会拒绝打印。在包装时，同一个批号的管子才能打在一个大箱中。系统运行前，由于显像管型号复杂，如果外形相近，操作工不易鉴别，包装混批的现象就会经常时有发生；当系统运行以后，在现场的人机界面会对每一个显像管进行鉴别，不同批号的产品不允许打包，包装混批的现象大大较少，而产品的合格率大大提高。
在QA工序，按照国标和Thomson的标准，我们为系统设计了一套准则。QA人员按照不同的批次数量抽样检查，系统根据检查结果给出参考意见，供给QA人员决定该批次是通过还是返工。同时，快速详实的报表大大减少了QA人员的工作。
六、总结
1. RSSQL运行非常稳定可靠。RSSQL数据缓存机制保证网络或数据库出现故障时不丢失数据。在设计初期，为保证大容量的数据交换，罗克韦尔自动化建议Thomson佛山彩管厂用一台独立的服务器运行RSSQL软件，实践证明效果非常好。上千个参数每时每刻都会由现场设备采集过来并通过RSSQL上传数据库，同时数据库中的历史数据和参数由数据库中的过程调用下载到现场设备中。据现场测试，数据库性能正常的前提下，数据上传时，通过Devicenet上的设备采集的参数（如条码ID、分析数据、手工输入信息等）经过ControlLogix Gateway 上传到RSSQL再保存到Oracle 8i数据库中，平均不到耗时100ms。当数据下载时，数据库根据现场上传的数据通过过程调用返回相关数据到Devicenet上的设备，最大耗时不超过300ms。
基于罗克韦尔自动化公司的软、硬件架构的制造业跟踪系统解决方案, 利用其先进、成熟的网络技术和通信技术为管理者提供了有力的工具，并可以为企业的ERP系统和SCM系统提供及时、准确、详实的基础数据，使企业的管理手段和管理水平产生质的飞跃。
参考文献：
[1] Roger S. Pressman. Software Engineering, A Practitioner's Approach Fourth Edition,机械工业出版社
作者简介：
区劲东，拥有十多年的制造业和工业自动化行业经验，尤其在钢铁冶金、轻工制造等领域有独到的见解，精通大型关系数据库，熟悉跟踪系统在各行业的应用。
