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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柔性自動線生產(chǎn)過程控制技術(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)

針對目前傳統(tǒng)自動化生產(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)，上層與下層無法進(jìn)行良好的雙向信息流交互，造成生產(chǎn)力低下的問題，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；無縫連接

隨著市場對產(chǎn)品多樣化、更新快需求的增加，企業(yè)由原來的大批量生產(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)不斷提高與市場競爭日益激烈的背景下，簡單的柔性制造系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足企業(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)都是解決了個別問題的單一功能的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，各個信息系統(tǒng)之間的整合是必須的，從而使得MES支持現(xiàn)場工人的技能和智慧，充分發(fā)揮制造資源效率。

在國外，對柔性自動化生產(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離散制造業(yè)和批量生產(chǎn)過程監(jiān)控和管理。

在國內(nèi)，對現(xiàn)場車間層，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)來研究并開發(fā)面向制造過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)與底層自動化系統(tǒng)實(shí)時通信的橋梁，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

本文通過將MES技術(shù)充分融入到自動化生產(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)沒有相關(guān)系統(tǒng)，在自動化生產(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)分配到各個工藝人員進(jìn)行工藝編制，然后經(jīng)過工藝審核人員的審核，只有審核通過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。最后，通過內(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)接收到的信息對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行實(shí)時的控制。與此同時，PMC會通過檢測設(shè)備獲取相關(guān)計(jì)劃的完成情況、現(xiàn)場設(shè)備和工件的加工情況及資源的使用信息，通過大屏幕顯示出來。

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)的通信斷層問題，建立實(shí)時的信息通道，以便于能夠準(zhǔn)確快速地制定適應(yīng)市場的生產(chǎn)策略，完成對車間柔性自動線的及時精準(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oracle數(shù)據(jù)庫。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)線動作，通過OPCServer服務(wù)器對PLC的變量進(jìn)行讀寫進(jìn)而控制機(jī)器人、加工中心對工件按步驟生產(chǎn)。TVShow應(yīng)用程序主要用于實(shí)時監(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和工裝編號等信息。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，各個應(yīng)用程序?qū)ζ湓L問時是通過net.tcp協(xié)議進(jìn)行傳輸?shù)?，與此同時WCF是通過消息來進(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)用程序也會接收信息自動顯示對應(yīng)的工件信息，包括上線的產(chǎn)品型號、訂單號、工位號等信息。當(dāng)顯示屏提示PDA掃描時，則啟動PDA應(yīng)用程序掃描工件號、工位號等，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)了各個程序之間實(shí)時、準(zhǔn)確的相互通訊，保證了各個系統(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)場生產(chǎn)設(shè)備并采集實(shí)時數(shù)據(jù)，多臺數(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)通過使用Simatic Net采集S7-1500的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)時地監(jiān)視各個設(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)，傳遞給各個從站，再經(jīng)過Profibus現(xiàn)場總線發(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)對下層系統(tǒng)傳遞過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，判斷是否有異常情況，并對PLC發(fā)出相應(yīng)的指令，最終實(shí)現(xiàn)PLC對現(xiàn)場設(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)有限公司的自動化生產(chǎn)線上運(yùn)行。該條生產(chǎn)線硬件設(shè)備有7臺加工中心，1臺安川機(jī)器人和導(dǎo)軌，立體倉庫，中轉(zhuǎn)臺，操作臺，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，檢測工藝數(shù)據(jù)的完整性，然后按照工藝路線對機(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)時監(jiān)控可以獲得工件的加工狀況和現(xiàn)場資源的使用狀況，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

本文從柔性化制造生產(chǎn)角度出發(fā)，以某數(shù)控技術(shù)有限公司的自動化生產(chǎn)線為研究對象，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)字化集成管理和動態(tài)監(jiān)控，車間現(xiàn)場生產(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)行過程中，控制精準(zhǔn)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、運(yùn)行過程穩(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，會在后續(xù)的研究當(dāng)中繼續(xù)完善。

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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)