大型企业数字化车间系统集成技术

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——CAXA 网络DNC与PDM、MES的集成

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1.      西安航空发动机集团有限公司简介

: @: R) H0 z8 t% j   中国一航西安航空发动机(集团)有限公司(简称“西航集团公司”)始建于1958年，是中国大型航空发动机制造基地和国家1000家大型企业集团之一。公司现有工程技术人员2500多名，拥有各种国内外先进的冷、热加工设备和计量测试设备4000余台（套），先后取得了150多项省、部级以上科研成果奖。研制生产了涡轮喷气发动机、涡轮发电装置、涡轮风扇发动机、燃气轮机。公司的质量体系通过了ISO9000系列标准认证。公司被列为国家863计划CIMS工程应用示范企业。  
   公司还分别与英国罗罗公司、美国普惠公司和以色列叶片技术公司、德国巴克杜尔公司建立了三家合资公司；与众多国际著名的航空企业建立了稳固的合作关系，外贸创汇连续多年位居国内同行首位。公司产品开发形成了以剑杆织机、高速线材精轧机组、燃气轮机、风力发电机组、石化设备、铝型材等为主导、涉及众多行业的高技术、高附加值、多元化的产品群。公司的质量体系通过了ISO9000系列标准认证。公司被列为国家863计划CIMS工程应用示范企业。
   西航集团公司在信息化建设上，已完成企业专用园区网络建设，接入计算机3000多台；CAD/CAM/CAPP/CAE数字化制造技术已经得到深入应用；已搭建公司OA系统、车间管理系统等企业管理信息系统；公司的ERP系统正在分步实施；PDM系统正在建设中；AMRO系统一期已经实施完成，目前正在进行第二期的实施工作。DNC系统联网已超过300多台设备，目前仍在进一步扩展。


2.      西航集团公司网络DNC系统背景

  在实施DNC系统之前，企业内部设备加工数据传输/管理存在如下问题：
/ M! s3 j- _+ C1．传输方式落后、传输效率低下：1）采用笔记本一对一的传输方式；2）采用台式计算机一对一传输方式；3) 传输软件和传输介质不统一
2.数控程序管理混乱，没有可追溯性
  \8 s. b0 i2 w- ]3 h; U3.无法实现信息系统间的有效集成
4.不安全因素多


   04年公司启动车间DNC系统选型，在经过了对多家国内外供应商比较后，最终与CAXA签署了第一个54节点车间网络DNC合同。其后CAXA- DNC系统在公司内陆续扩点，到07年底系统集团设备接入DNC系统数量已经超过了300多台。


3.      西航集团公司对网络DNC系统的需求
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   考虑到公司各部门需求的不同及公司整体信息化的需求，归纳总结出公司对网络DNC的需求：

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加工代码/设备参数等网络化传输

• 实现一对多的网络化传输
• 
  实现数控程序传输24小时响应
• 
    @2 p# e6 I' j7 l5 S  i实现对叶片的不间断在线加工
• 
  . J0 Y( ~, a9 P/ z实现分布式远距离传输
• 
  1 p7 g% X% Y7 y0 ]; u  R% l提高数控的传输效率和准确性
  

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代码等文档的流程化管理

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• 基于权限和角色对数控程序的编制过程进行流程化管理
• 对数控程序进行版本化管理
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设备加工信息采集

• 对机床运行时的加工信息进行反馈和采集，以便反映出机床的利用率、加工工时等关键信息
  

网络DNC需要支持西航集团今后达到1000台数控设备网络
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DNC系统与PDM（UGS Teamcenter Engineering）、MES（西工大MES）系统的集成

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本文重点介绍最后一项：DNC系统与PDM、MES系统的集成。
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) h+ l. w5 F6 `, j5 H4.      DNC系统与PDM、MES集成架构
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6 d, x5 a1 v" C. v$ q# q" n. p6 `9 |                                     图表 2 DNC与PDM、MES集成框图


* S4 K6 Y$ j1 l- A- S上图中，DNC管理模块、DNC通信模块、DNC采集模块、MES系统都属于服务器/客户端的系统。

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5.      系统集成关键技术


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5.1  大规模并行下载问题的解决

   普通PDM服务器可支持的并行登陆客户端理论数量为数百人，但在大文档并行文件传输能力上要弱很多。因为通常情况下，一个企业中不可能发生数百名设计员和工艺员同时上传或下载大文档的现象。对于数控加工来说，这种现象则很常见，如上班的头1小时中，所有的数控机床操作工同时从服务器下载当天需要加工程序，这很容易造成网络拥堵。CAXA就此问题采用虚拟技术进行过测试，以500点并发3兆文档，发现目前没有哪种PDM单服务器系统能够支撑，多服务器系统要做到实时双向数据同步也是非常困难。
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   鉴于西航集团企业规模和数控机床未来数量考量（目前近600台，未来肯定超过千台的量级），必须要求PDM服务器与下属DNC管理服务器、DNC通信服务器中的文档必须实现单向实时传递。这是一种超大规模的实施文件同步技术。属于目前信息化技术中的难点！
% W& o/ J$ R# h' V7 d标准DNC、PDM代码文档传递流程：
http://m109.mail.qq.com//data//750/603162380/ZL0104gcOJb5_QR0qNdqQFFlCbtw87_Attach/1241483082611847603/doc_1241483082811847257.files/image5.jpg
' V$ S  u, B3 A; [2 E: o+ K6 Q. g7 d                                                     图表 3 标准DNC与PDM之间文档传递流程
代码文档集中存储在PDM文档服务器。

• 工艺员——登陆PDM服务器，在PDM管理下作代码编程，代码文档上传机制只有两步（PDM客户端到PDM服务器端），按企业工艺人员总数推算，同时登陆的人员约30%，如果企业工艺员500人，30%即150同时在线，其中按有可能发生同时上传代码人员最大几率50%计算，约75个并发上传任务。这对PDM服务器来说负担绝对没有问题。
• 操作工——登陆机床界面，从PDM服务器获取代码。按千台数控设备，操作工1000人计算，每天上班第一件事就是调用加工代码，因此同时从PDM调用代码的几率约90%以上，按90%计算为900个点并发下载任务。如果每个操作工任务平均代码量为5兆（如果叶片精加工，代码可达40兆以上），PDM服务器将在短时间内将有4.5G的文档要下载。
• 主干网负担——操作工的下载任务负担+工艺员上传负担+企业OA任务负担+管理人员使用ERP的负担，这样企业在上班后的一个小事内主干网堵塞的可能性巨大！这对于靠PDM提供程序加工的大量机床来说，是非常严重的事情。
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) e2 b& N4 g1 ]看来要解决西航集团公司主干堵塞的问题，最主要是解决操作工并行下载问题。
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   从工艺人员和机床操作工数量比值看，如果将工艺员上传代码文档的路径延长，如当工艺员向PDM服务器上传文档时，同时由PDM服务器自动向下级分厂DNC管理服务器下发，DNC管理服务器继续向下级车间DNC通信服务器下发。这样当操作工需要数据时，直接从距离其最近的车间服务器下载，这时数据的传递已经不走企业主干网，而是车间内的局域网。如此可将原来每天上班后1小时内，主干网负担解决。
( E- d7 i8 \  S改进后DNC、PDM文档传递框图：
http://m109.mail.qq.com//data//750/603162380/ZL0104gcOJb5_QR0qNdqQFFlCbtw87_Attach/1241483082611847603/doc_1241483082811847257.files/image6.jpg
9 m& l5 z( q! B* w" [                                        图表 4 改进的DNC与PDM之间文档传递流程


% `3 ?. K+ a: r从上图看，由于工艺人员上传文档时，路经延伸，似乎对主干网负担加重，但由于工艺员的数量比操作工少很多、工艺员同时上传文档的几率比操作工同时下载的几率小很多，因此这样改进比较合理。
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5.2  多服务器架构数据同步问题的解决
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西航集团DNC网络三级服务器架构，如果要实现数据同步，以现有的PDM文档管理技术解决并不难，困难的是各服务器数据实时同步。
                             http://m109.mail.qq.com//data//750/603162380/ZL0104gcOJb5_QR0qNdqQFFlCbtw87_Attach/1241483082611847603/doc_1241483082811847257.files/image7.jpg
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西航集团数控加工中，大多数操作工只需要下载加工代码，不需要上传。因此各服务器的数据同步可以看作单向同步，即工艺员修改了PDM服务器上的文档后，从PDM服务器向下各服务器的单向传递同步。
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由于前述并行问题的解决，改变了文档传递流程。当PDM服务器上的代码文档发生变化时，应导致下属两级服务器发生链式反应变化，最终让数千台数控设备在需要数据时，从就近服务器上获得数据，这样才能就保证了数据的单向实时同步，操作工下载的永远是最新的加工代码。
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如果在产品试制阶段，需要从机床回传代码到服务器。机床回传的代码首先到达DNC通信服务器，再由DNC通信服务器自动回传给DNC管理服务器。由于DNC管理服务器和DNC通信服务器的发送和接收文件夹是分开的，因此机床回传的代码文件不会覆盖发送文件。当工艺员核准回传的文件无误，才可以将机床回传的文件手动上传PDM服务器。故从应用模式看，回传文档没有同步问题。
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0 q4 u# P8 [& |1 Q/ c7 k5.3  服务器架构的数据集中与分散机制（分布式数据冗余保证）
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   标准的分布式文档管理，是将文档在PDM总服务器上进行虚拟的管理，让用户看到的是一个整体库，实际上文档按区分布到各个文档服务器上。这种方式总服务器上只有部分文档或完全没有文档，文档都分散存储在各个服务器，数据不具备冗余性。如果需要冗余，往往只能采用定时同步以保证数据的唯一性。
) l$ q/ ^7 Y! S, D* W3 B
( x0 B! u. t4 }( ~9 h* |. j( P
+ B) b9 P7 ^( I$ B9 c$ ?& x   西航集团由于其加工零部件的重要性，要求数据必须具有冗余，因此在系统集成中，集团PDM服务器上应具有全部的数据、同时分厂的DNC管理服务器上具有集团PDM服务器中该分厂区块下的所有数据，车间DNC通信服务器上具有该分厂DNC管理服务器中该车间区块下的数据，以此保证整个企业三级架构中的数据冗余。任何一个节点出现丢失，其上下节点层都还保存有它的完整数据。
, q+ N$ j4 Y; K7 l6 U上述多服务器架构原理，已经能保证这种数据冗余特点。

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: K+ {+ R: M" S/ V' `& C5.4  DNC服务器与PDM服务器上的文档结构树一致性机制


$ P# L; G0 S5 V: [. X   为保证DNC服务器与PDM服务器上文档的一致，必须在DNC服务器上建立与PDM服务器一致的文档结构树。一般DNC系统不提供产品结构树（大多数属于文件夹管理模式），而PDM的结构很复杂，因此在DNC和PDM集成中，需要改造DNC的产品结构树。

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) O* a$ @! n; y) w$ i2 `; j2 l   CAXA网络DNC管理系统提供产品结构树，且具备批量导入设计/工艺文件（DWG、EXB等）并根据文件属性自动创建产品结构树的功能。但原始产品结构树的最小节点为“零件”，这样必须根据西航集团公司的情况对其进行改造。


7 h" B  U% I% p2 I4 |, i6 hhttp://m109.mail.qq.com//data//750/603162380/ZL0104gcOJb5_QR0qNdqQFFlCbtw87_Attach/1241483082611847603/doc_1241483082811847257.files/image8.jpg
                                                         图表 6 PDM与DNC产品结构

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改造结果：
在DNC的文件中增加工艺规程版本号、工序号、机床号属性。
8 x1 L1 }( B4 v* P6 M6 h   DNC可根据PDM提供的产品型号、零部件号、工艺规程版本号、工序号、机床型号、代码名称自动创建产品结构树的节点和文件属性。


4 d2 b( H# l; ?- v# B5.5  接口文件更新覆盖机制

PDM文档向DNC传递时，DNC需要在DNC接口中开发两个机制：文件写入和删除。
/ E. y" A! l# P. `' R( N* {; ^0 A: I文件写入机制：
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• 检索——需要按型号、部件、零件、代码文件名称、工艺规程版本号、工序号、机床型号检索代码。
• 判断——文档是否已经存在，如不存在需要新建该文档，并将文档载入，同时将将PDM传递的文档路径、工艺规程号、工序号、机床型号作为文档属性写入。
• 覆盖——文档已经存在，按覆盖载入，同时将将PDM传递的文档路径、工艺规程号、工序号、机床型号作为文档属性写入。并更新文档写入时间、版本号。
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删除机制：
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• 检索——需要按型号、部件、零件、代码文件名称、工艺规程版本号、工序号、机床型号检索代码。
• 删除——删除文件，同时在DNC日志中记录该删除操作，包含删除时间、删除人。
  

, V5 q1 C5 ?3 R: \( R$ X: Q5.6  接口网路传递过程保护及告警机制

" Y* ]8 l6 u% ?5 ~" T' pPDM文档修改后，系统将PDM中变化的文档，向DNC文档传输过程中有多个问题存在：
5 @! W0 t3 R# x; w9 K0 p

• 传输起始，网络故障处理——针对网路临时阻塞或长时中断的处理
• 传输起始，对方接口服务不存在的处理
• 传输起始，对方接口权限不足情况处理
• 传输过程中，网络故障处理——针对临时中断或长时间中断的处理
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