西航：CAXA 網絡DNC與PDM、MES的集成

公司背景

中國一航西安航空發動機(集團)有限公司(簡稱“西航集團公司”)始建于1958年，是中國大型航空發動機制造基地和國家1000家大型企業集團之一。公司現有工程技術人員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。研制生產了渦輪噴氣發動機、渦輪發電裝置、渦輪風扇發動機、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。

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建立了穩固的合作關系，外貿創匯連續多年位居國內同行首位。公司產品開發形成了以劍桿織機、高速線材精軋機組、燃氣輪機、風力發電機組、石化設備、鋁型材等為主導、涉及眾多行業的高技術、高附加值、多元化的產品群。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。

西航集團公司在信息化建設上，已完成企業專用園區網絡建設，接入計算機3000多臺；CAD/CAM/CAPP/CAE數字化制造技術已經得到深入應用；已搭建公司OA系統、車間管理系統等企業管理信息系統；公司的ERP系統正在分步實施；PDM系統正在建設中；AMRO系統一期已經實施完成，目前正在進行第二期的實施工作。DNC系統聯網已超過300多臺設備，目前仍在進一步擴展。

企業需求

在實施DNC系統之前，企業內部設備加工數據傳輸/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一

2.數控程序管理混亂，沒有可追溯性

3.無法實現信息系統間的有效集成

4.不安全因素多

04年公司啟動車間DNC系統選型，在經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節點車間網絡DNC合同。其后CAXA DNC系統在公司內陸續擴點，到07年底系統集團設備接入DNC系統數量已經超過了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絡DNC的需求：

1.加工代碼/設備參數等網絡化傳輸

2.實現一對多的網絡化傳輸

3.實現數控程序傳輸24小時響應

4.實現對葉片的不間斷在線加工

5.實現分布式遠距離傳輸

6.提高數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控程序的編制過程進行流程化管理

9.對數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.網絡DNC需要支持西航集團今后達到1000臺數控設備網絡

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

本文重點介紹最后一項：DNC系統與PDM、MES系統的集成。

DNC系統與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系統都屬于服務器/客戶端的系統。

系統集成關鍵技術

方案實施

普通PDM服務器可支持的并行登陸客戶端理論數量為數百人，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，一個企業中不可能發生數百名設計員和工藝員同時上傳或下載大文檔的現象。對于數控加工來說，這種現象則很常見，如上班的頭1小時中，所有的數控機床操作工同時從服務器下載當天需要加工程序，這很容易造成網絡擁堵。CAXA就此問題采用虛擬技術進行過測試，以500點并發3兆文檔，發現目前沒有哪種PDM單服務器系統能夠支撐，多服務器系統要做到實時雙向數據同步也是非常困難。

鑒于西航集團企業規模和數控機床未來數量考量（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單向實時傳遞。這是一種超大規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），按企業工藝人員總數推算，同時登陸的人員約30%，如果企業工藝員500人，30%即150同時在線，其中按有可能發生同時上傳代碼人員最大幾率50%計算，約75個并發上傳任務。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.主干網負擔——操作工的下載任務負擔+工藝員上傳負擔+企業OA任務負擔+管理人員使用ERP的負擔，這樣企業在上班后的一個小事內主干網堵塞的可能性巨大！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，DNC管理服務器繼續向下級車間DNC通信服務器下發。這樣當操作工需要數據時，直接從距離其最近的車間服務器下載，這時數據的傳遞已經不走企業主干網，而是車間內的局域網。如此可將原來每天上班后1小時內，主干網負擔解決。

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，路經延伸，似乎對主干網負擔加重，但由于工藝員的數量比操作工少很多、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。

多服務器架構數據同步問題的解決

西航集團DNC網絡三級服務器架構，如果要實現數據同步，以現有的PDM文檔管理技術解決并不難，困難的是各服務器數據實時同步。

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生變化時，應導致下屬兩級服務器發生鏈式反應變化，最終讓數千臺數控設備在需要數據時，從就近服務器上獲得數據，這樣才能就保證了數據的單向實時同步，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。

服務器架構的數據集中與分散機制（分布式數據冗余保證）

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，數據不具備冗余性。如果需要冗余，往往只能采用定時同步以保證數據的唯一性。

西航集團由于其加工零部件的重要性，要求數據必須具有冗余，因此在系統集成中，集團PDM服務器上應具有全部的數據、同時分廠的DNC管理服務器上具有集團PDM服務器中該分廠區塊下的所有數據，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塊下的數據，以此保證整個企業三級架構中的數據冗余。任何一個節點出現丟失，其上下節點層都還保存有它的完整數據。

上述多服務器架構原理，已經能保證這種數據冗余特點。

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系統不提供產品結構樹（大多數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的產品結構樹。

CAXA網絡DNC管理系統提供產品結構樹，且具備批量導入設計/工藝文件（DWG、EXB等）并根據文件屬性自動創建產品結構樹的功能。但原始產品結構樹的最小節點為“零件”，這樣必須根據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程版本號、工序號、機床號屬性。

DNC可根據PDM提供的產品型號、零部件號、工藝規程版本號、工序號、機床型號、代碼名稱自動創建產品結構樹的節點和文件屬性。

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、工藝規程版本號、工序號、機床型號檢索代碼。

2.判斷——文檔是否已經存在，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、工藝規程號、工序號、機床型號作為文檔屬性寫入。

3.覆蓋——文檔已經存在，按覆蓋載入，同時將將PDM傳遞的文檔路徑、工藝規程號、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。

接口網路傳遞過程保護及告警機制

PDM文檔修改后，系統將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，網絡故障處理——針對網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接口函數處理網絡狀態，如果發現網絡故障，返回給PDM網絡錯誤信息。如果網絡正常，進入傳輸，傳輸過程中發生網絡故障，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，如果有則實時監測與PDM服務器網絡連接狀況，當網絡連接正常，需要重新觸發數據傳輸。

同時需要的功能還有：當發現服務不存在，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系統和MES之間也要建立類似的數據傳保護及告警機制：當DNC管理模塊向DNC通信模塊下發代碼時，如果網絡出現故障，需向MES發送告警信息，同時啟用斷點續傳等功能支持進行處理。

DNC傳輸系統與MES系統的數據交換

數據交換機理：MES負責工序的派工計劃，當車間生產調度人員將某道工序派往某臺機床時，需要向DNC系統傳送一個信息：該工序的零件號、工藝規程編號、工序號、設備號。DNC接收了該信息后，需要根據零件號、工藝規程編號、工序號三個條件，在產品結構樹下檢索到該零件節點，并在該節點下根據工藝規程編號、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點下。

DNC系統與MES接口設計：

圖表 7 DNC與MES接口框圖

DNC數據采集模塊與MES的數據交換

在實施西航集團DNC與PDM、MES集成項目前，CAXA DNC標準數據采集模塊為單機模式，數據庫架構如下圖：

為適合西航集團的大規模多級分布式架構，重新為西航集團設計采集架構：

圖表 9 DNC采集模塊與MES系統結構改進圖

采用上述結構后，無論采用網卡采集的機床、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據寫入統一數據庫并在計算后提供給MES使用。

方案實施效果

l.實現了PDM中的加工數據與DNC中加工數據的實時單向同步；

2.在大規模數控加工中實現實際并行300臺以上，理論并行可達千臺。

3.在大規模數控加工中降低了企業主干網絡的負擔，并保證了數控機床能夠及時獲得加工所需數據；消除了網絡擁堵造成的機床下載遲滯問題以及企業主干網突發中斷造成的加工中斷問題！

4.獲得了生產加工數據的多級冗余，保證了企業數據安全。

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