艾青龍 涂海寧 陸 遠(yuǎn)

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 江西 南昌 330031)

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柔性自動(dòng)線生產(chǎn)過(guò)程控制技術(shù)研究*

艾青龍 涂海寧 陸 遠(yuǎn)

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 江西 南昌 330031)

針對(duì)目前傳統(tǒng)自動(dòng)化生產(chǎn)線與企業(yè)計(jì)劃管理層ERP、CAPP等管理信息系統(tǒng)之間出現(xiàn)的信息斷層，無(wú)法快速、有效地連接企業(yè)上層系統(tǒng)和底層生產(chǎn)控制系統(tǒng),導(dǎo)致上層計(jì)劃管理層缺乏有效的實(shí)時(shí)的信息支持、下層生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)缺乏最優(yōu)的調(diào)度與協(xié)調(diào)，上層與下層無(wú)法進(jìn)行良好的雙向信息流交互，造成生產(chǎn)力低下的問(wèn)題，開發(fā)一套基于MES的生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)PMC，實(shí)現(xiàn)與上層系統(tǒng)的有效集成，保證企業(yè)計(jì)劃層系統(tǒng)和底層控制系統(tǒng)的無(wú)縫連接。介紹了該系統(tǒng)的整體構(gòu)架，以及該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的集成的關(guān)鍵技術(shù)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性和有效性。

MES；生產(chǎn)管理控制；無(wú)縫連接

隨著市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品多樣化、更新快需求的增加，企業(yè)由原來(lái)的大批量生產(chǎn)模式逐漸轉(zhuǎn)為多品種、小批量的生產(chǎn)模式。柔性制造系統(tǒng)具有產(chǎn)品轉(zhuǎn)型快的特點(diǎn)，贏得了當(dāng)今制造商的青睞，并且發(fā)展非常迅速。在現(xiàn)代化信息技術(shù)不斷提高與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的背景下，簡(jiǎn)單的柔性制造系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足企業(yè)提高生產(chǎn)效率，降低成本的愿望。傳統(tǒng)意義上的柔性制造系統(tǒng)無(wú)法有效地同企業(yè)計(jì)劃管理等軟件結(jié)合，產(chǎn)生信息斷層，從而影響柔性制造系統(tǒng)的性能。

傳統(tǒng)的MES系統(tǒng)如設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，生產(chǎn)進(jìn)度跟蹤，生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)等功能的生產(chǎn)管理系統(tǒng)都是解決了個(gè)別問(wèn)題的單一功能的MES系統(tǒng)。ERP層和DCS層的工作都是各自進(jìn)行的，因此產(chǎn)生了許多問(wèn)題，比如橫向系統(tǒng)之間的信息孤島，MRP和DCS兩層之間形成缺損環(huán)。因此，各個(gè)信息系統(tǒng)之間的整合是必須的，從而使得MES支持現(xiàn)場(chǎng)工人的技能和智慧，充分發(fā)揮制造資源效率。

在國(guó)外，對(duì)柔性自動(dòng)化生產(chǎn)線方面的研究比較成熟并且已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用，已經(jīng)形成一些MES軟件產(chǎn)品和解決方案，并且企業(yè)信息技術(shù)的應(yīng)用焦點(diǎn)由ERP轉(zhuǎn)向MES。Rockwell Automation公司推出的RSBizware生產(chǎn)軟件解決方案專門針對(duì)離散制造業(yè)和批量生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控和管理。

在國(guó)內(nèi)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)車間層，單元層的研究主要在控制模型，很少站在MES的角度從實(shí)際應(yīng)用層面出發(fā)來(lái)研究并開發(fā)面向制造過(guò)程的集成化管理和控制軟件。

本文設(shè)計(jì)了一種基于MES的生產(chǎn)管理控制技術(shù)，將MES融入到柔性制造生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，建立上層ERP系統(tǒng)與底層自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信的橋梁，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)排程、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)過(guò)程、質(zhì)量管理、產(chǎn)品追溯、生產(chǎn)監(jiān)控、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的整體構(gòu)架

本文通過(guò)將MES技術(shù)充分融入到自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)PMC的設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。從圖中可以看出，MES層從企業(yè)計(jì)劃層中的ERP、CAPP、PDM等系統(tǒng)軟件實(shí)時(shí)的接收到生產(chǎn)計(jì)劃信息、工件的工藝設(shè)計(jì)信息和工藝資源等信息。若企業(yè)沒(méi)有相關(guān)系統(tǒng)，在自動(dòng)化生產(chǎn)線MES系統(tǒng)中也可以獨(dú)立維護(hù)上層數(shù)據(jù)，減小系統(tǒng)的耦合性。在生產(chǎn)計(jì)劃維護(hù)之前，要把工藝任務(wù)分配到各個(gè)工藝人員進(jìn)行工藝編制，然后經(jīng)過(guò)工藝審核人員的審核，只有審核通過(guò)的工藝路線才是可用的。其中工件的工藝路線是精確到工序級(jí)。最后，通過(guò)內(nèi)部接口將生成的信息傳遞給生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)PMC，PMC根據(jù)接收到的信息對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制。與此同時(shí)，PMC會(huì)通過(guò)檢測(cè)設(shè)備獲取相關(guān)計(jì)劃的完成情況、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和工件的加工情況及資源的使用信息，通過(guò)大屏幕顯示出來(lái)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 MES融合PMC的技術(shù)架構(gòu)

以某數(shù)控技術(shù)有限公司的MES系統(tǒng)為例，為了有效地解決傳統(tǒng)意義上的柔性制造系統(tǒng)與企業(yè)上層管理信息系統(tǒng)的通信斷層問(wèn)題，建立實(shí)時(shí)的信息通道，以便于能夠準(zhǔn)確快速地制定適應(yīng)市場(chǎng)的生產(chǎn)策略，完成對(duì)車間柔性自動(dòng)線的及時(shí)精準(zhǔn)控制與監(jiān)視，將MES技術(shù)融入其中，開發(fā)了如前文所述的基于MES的生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)，完成與ERP、CAPP和工裝系統(tǒng)無(wú)縫集成。本節(jié)要介紹的是MES融合PMC的技術(shù)架構(gòu)，如圖2所示。

從圖中可以看出，有4個(gè)應(yīng)用程序分別是MES應(yīng)用程序、TVShow應(yīng)用程序、PDA應(yīng)用程序和PMC應(yīng)用程序，有2個(gè)服務(wù)分別是WebService服務(wù)和WCF服務(wù)，其中MES應(yīng)用程序、WebService服務(wù)和生產(chǎn)管理控制PMC應(yīng)用程序共用一個(gè)oracle數(shù)據(jù)庫(kù)。以上的應(yīng)用程序或者服務(wù)圍繞著WCF服務(wù)為核心，進(jìn)行各個(gè)系統(tǒng)之間的聯(lián)系，其中TVShow、WebService、MES、PMC都是WCF服務(wù)的客戶端。生產(chǎn)計(jì)劃員下達(dá)生產(chǎn)計(jì)劃，按照生產(chǎn)序列順序排產(chǎn)，MES連接WCF服務(wù)并且發(fā)送消息，PMC接收消息解析工件工藝信息，轉(zhuǎn)換成工件生產(chǎn)線動(dòng)作，通過(guò)OPCServer服務(wù)器對(duì)PLC的變量進(jìn)行讀寫進(jìn)而控制機(jī)器人、加工中心對(duì)工件按步驟生產(chǎn)。TVShow應(yīng)用程序主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)計(jì)劃的實(shí)際執(zhí)行進(jìn)度，記錄產(chǎn)品當(dāng)前執(zhí)行工位以及操作日志，反映在制品和產(chǎn)品的當(dāng)前進(jìn)度情況。生產(chǎn)監(jiān)控信息實(shí)時(shí)顯示在PCB看板上。PDA(Personal Digital Assistant)數(shù)據(jù)采集器，主要用于采集工件編號(hào)和工裝編號(hào)等信息。因此MES系統(tǒng)融合PMC生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是WCF雙工通訊技術(shù)。

2.2 WCF雙工通訊技術(shù)

在上文已經(jīng)講到本系統(tǒng)是以WCF(Window Communication Foundation)雙工通訊技術(shù)為核心開發(fā)的分布式系統(tǒng)。其中MES系統(tǒng)的架構(gòu)是B/S架構(gòu)，而PMC系統(tǒng)的架構(gòu)則是C/S架構(gòu)。WCF服務(wù)采用基于WinForm的應(yīng)用程序中自承載的方式，各個(gè)應(yīng)用程序?qū)ζ湓L問(wèn)時(shí)是通過(guò)net.tcp協(xié)議進(jìn)行傳輸?shù)?，與此同時(shí)WCF是通過(guò)消息來(lái)進(jìn)行通信的，采用雙向模式的消息傳送。MES系統(tǒng)將生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)時(shí)連接WCF服務(wù)并且發(fā)送相關(guān)訂單信息的消息給其他WCF客戶端如PMC生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)，PMC系統(tǒng)接收到訂單信息按照相關(guān)工件的工藝路線進(jìn)行運(yùn)輸，加工等。LED顯示屏中的TVShow應(yīng)用程序也會(huì)接收信息自動(dòng)顯示對(duì)應(yīng)的工件信息，包括上線的產(chǎn)品型號(hào)、訂單號(hào)、工位號(hào)等信息。當(dāng)顯示屏提示PDA掃描時(shí)，則啟動(dòng)PDA應(yīng)用程序掃描工件號(hào)、工位號(hào)等，掃描完成發(fā)送消息給WCF服務(wù)端，然后服務(wù)端通知客戶端PMC進(jìn)行下一步操作。由WCF雙工通訊技術(shù)將以上所有應(yīng)用程序串聯(lián)在一起，并且實(shí)現(xiàn)了各個(gè)程序之間實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的相互通訊，保證了各個(gè)系統(tǒng)通訊通道的暢通。

2.3 數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)技術(shù)

面向MES的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示，該模型分為3層分別為監(jiān)控層，控制層和設(shè)備層。

該條自動(dòng)線的制造執(zhí)行系統(tǒng)包含上層的MES系統(tǒng)和底層的PCS系統(tǒng)，PCS系統(tǒng)采用Profibus總線技術(shù)提供的Profibus-DP通信協(xié)議連接通訊，西門子S7-1500系列PLC做主站連接現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備并采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，多臺(tái)數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人做從站，充分滿足了系統(tǒng)控制、信息采集的需要。

S7-1500與上位機(jī)的通訊方式有多種，如串口通信：PC/PPI協(xié)議、Modbus協(xié)議，網(wǎng)口通信：以太網(wǎng)口，多主站通信：MPI協(xié)議。本系統(tǒng)采用MPI電纜對(duì)PC與PLC進(jìn)行通訊。但是解決通訊有以下2種方式：自定義串行通信協(xié)議，這種通訊方法傳輸距離比較短，抗干擾能力比較差；還有一種利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)通訊，OPC采用的是客戶/服務(wù)器模式，硬件廠商為自己的設(shè)備開發(fā)通用的數(shù)據(jù)接口即OPC服務(wù)器，而只要符合OPC規(guī)范的接口的客戶端應(yīng)用軟件就可以讀寫硬件設(shè)備的信息。OPC技術(shù)解決了軟件與硬件之間的不兼容問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的開放性和可集成性。所以本系統(tǒng)采用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)PC與PLC之間的通訊。中心計(jì)算機(jī)通過(guò)使用Simatic Net采集S7-1500的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地監(jiān)視各個(gè)設(shè)備及工件的生產(chǎn)運(yùn)行情況，并且提供OPC Server接口。

PMC系統(tǒng)安裝在生產(chǎn)控制中心計(jì)算機(jī)上，其中包含OPC客戶端模塊，與Simatic Net所提供的OPC Server通信，一方面采集生產(chǎn)線上的數(shù)據(jù)，傳遞給各個(gè)從站，再經(jīng)過(guò)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)送給主站，S7-1500將獲得的數(shù)據(jù)信息反饋到監(jiān)控層，即讀取信息；另一方面，上層系統(tǒng)對(duì)下層系統(tǒng)傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，判斷是否有異常情況，并對(duì)PLC發(fā)出相應(yīng)的指令，最終實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備做出相應(yīng)的操作控制，即寫入信息。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文所設(shè)計(jì)的基于MES的生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)已經(jīng)在某數(shù)控技術(shù)有限公司的自動(dòng)化生產(chǎn)線上運(yùn)行。該條生產(chǎn)線硬件設(shè)備有7臺(tái)加工中心，1臺(tái)安川機(jī)器人和導(dǎo)軌，立體倉(cāng)庫(kù)，中轉(zhuǎn)臺(tái)，操作臺(tái)，如圖4所示為生產(chǎn)線立體圖。

該套系統(tǒng)主要包括MES和PMC系統(tǒng)，其中MES系統(tǒng)的主要功能模塊有生產(chǎn)計(jì)劃，生產(chǎn)排程，工藝資源，生產(chǎn)準(zhǔn)備等。企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃人員在MES系統(tǒng)中下達(dá)生產(chǎn)計(jì)劃生成生產(chǎn)序列，PMC系統(tǒng)接收消息，檢測(cè)工藝數(shù)據(jù)的完整性，然后按照工藝路線對(duì)機(jī)器人、加工中心發(fā)出指令。

PMC系統(tǒng)主要有生產(chǎn)線控制，可視化監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集等功能模塊。如圖5所示生產(chǎn)線監(jiān)控，生產(chǎn)線實(shí)時(shí)監(jiān)控可以獲得工件的加工狀況和現(xiàn)場(chǎng)資源的使用狀況，從而反饋給排產(chǎn)管理、資源管理等模塊，進(jìn)而優(yōu)化排產(chǎn)，提高企業(yè)生產(chǎn)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從柔性化制造生產(chǎn)角度出發(fā)，以某數(shù)控技術(shù)有限公司的自動(dòng)化生產(chǎn)線為研究對(duì)象，主要研究并開發(fā)了該條生產(chǎn)線制造執(zhí)行系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)、功能模型以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的WCF技術(shù)、數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)技術(shù)，創(chuàng)新點(diǎn)是基于MES無(wú)縫集成柔性制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了柔性化制造與生產(chǎn)的數(shù)字化集成管理和動(dòng)態(tài)監(jiān)控，車間現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理的柔性化、數(shù)字化、智能化，具有智能制造的基本特征，符合工業(yè)4.0的理念。系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，控制精準(zhǔn)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定，結(jié)果可靠，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。當(dāng)然，系統(tǒng)中還存在一些不足之處，會(huì)在后續(xù)的研究當(dāng)中繼續(xù)完善。

[1]嚴(yán)曉光.基于活動(dòng)履歷表的制造執(zhí)行系統(tǒng)質(zhì)量信息傳遞過(guò)程研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2011,33(8):70-73.

[2]郭瓊,姚曉宇.機(jī)加工自動(dòng)生產(chǎn)線控制系統(tǒng)集成[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化,2014,36(8):16-18.

[3]彭剛,陳長(zhǎng).MES在電纜行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)視系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2015,43(3):497-500.

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[5]梁延德,趙率.現(xiàn)場(chǎng)總線在柔性制造系統(tǒng)的應(yīng)用[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2009(9):259-262.

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Research of production process control technology in flexible automation line

AI Qinglong, TU Haining, LU Yuan

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, CHN)

The information gap between the traditional automation production line and the enterprise planning management information system ERP, CAPP as well as other management information systems cannot be quickly and effectively connected with the enterprise upper system and the bottom production control system. It leads to lacking of effective and real-time information for upper plan management, best scheduling and coordination for lower production control, two-way information flow interaction and resulting in low productivity. Developing a set of production management and control system PMC based on MES, realizes the effective integration, and ensures the seamless connection between the enterprise planning layer system and the bottom layer control system. The paper introduces the overall framework and the key technology of the integration of the system, which verify the feasibility and effectiveness of the system.

MES; production management control; seamless connection

TP278

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.024

艾青龍，男，1988年生，碩士，研究方向?yàn)橹圃鞓I(yè)信息化與管理。

(編輯 孫德茂)

2016-08-01)

161131

* 輕型機(jī)械臂物理性人機(jī)交互碰撞行為及安全反應(yīng)策略研究( 61263045)