顏一多，李志杰

（博世汽車部件長沙有限公司，長沙 410010）

0 引言

當今，產品與生產的復雜性要求高效的信息管理。一方面在于計劃與控制，另一方面在于分析與召回。需要解決的問題包括如何發(fā)揮生產設備最大功能，生產多少產品，每天出現(xiàn)故障的頻率，上個月發(fā)生過的故障，生產透明度與安全性如何大幅提高等，制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution Sys?tem，MES）正好可以解決這些問題，并優(yōu)化企業(yè)在質量、交付和成本之間的平衡關系。智能制造將是未來制造業(yè)智能化的核心源泉，并且?guī)赢a業(yè)升級，智能裝備等新興產業(yè)的不斷崛起[1]。

現(xiàn)有的車間，大多數(shù)設備與MES 系統(tǒng)之間存在著特定的通訊協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據交互，MES 缺少與不同類型PLC設備實現(xiàn)的通訊數(shù)據的底層協(xié)議。針對MES系統(tǒng)數(shù)據采集缺少靈活性的問題，本文提出了MES系統(tǒng)與自動裝配產線設備通過工業(yè)標準的OPC 協(xié)議實現(xiàn)互聯(lián)，保證了不同設備廠商能夠通過統(tǒng)一的接口實現(xiàn)生產數(shù)據信息化、透明化，從而實現(xiàn)智能工廠。

1 企業(yè)MES系統(tǒng)

MES系統(tǒng)[2]，用于總結分析生產功能，通常存在于生產設備和企業(yè)資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）系統(tǒng)之間。MES 系統(tǒng)包含信息管理，質量管理，人員及效益管理，產品數(shù)據追溯，材料管理等主要功能，通過這些特性，可以完成整個工廠的生產價值流創(chuàng)造鏈，減少生產成本，優(yōu)化工廠資源，并且通過物流端的中間接口將歷史數(shù)據追溯直到終端客戶。全球市場競爭的加劇對制造企業(yè)在縮短研發(fā)周期、提高產品品質、提升服務質量、減少資源消耗等方面提出了更高的要求[3]。數(shù)據采集功能是各類MES 眾多功能模塊中最基礎也是最重要的功能，它作為底層功能，是整個系統(tǒng)健康運作的前提[4]，如圖1 所示，另外，通過各地生產數(shù)據的收集，數(shù)據通過網絡可以在全世界范圍內進行對比和處理，“世界工廠”可以得以實現(xiàn)。

圖1 工廠數(shù)據結構

2 設備硬件與工業(yè)服務器

目前大多數(shù)自動裝配產線設備都采用了可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制或者工控機控制工藝，本裝配產線現(xiàn)場包括貼片裝載，馬達裝配，繞線機，包裝站這4 個工位，PLC控制器為西門子S7-315和S7-1215，并配合安全模塊CP343-1和CP1243-1，如圖2所示。

圖2 PLC硬件組態(tài)

人機界面采用西門子KTP700，用于管理工站的配方數(shù)據。設備端基于工業(yè)以太網TCP/IP協(xié)議與服務器互聯(lián)，配置的信息有CI-用戶名，IP地址，路由器地址以及Mask地址，為了實現(xiàn)數(shù)據報文的時間同步，工廠網絡系統(tǒng)還提供了網絡時間協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）服務器，確保了設備的數(shù)據和服務器采集的數(shù)據產生相同的時間戳。在互聯(lián)網環(huán)境中，各個網絡節(jié)點設備的時間一致性是非常重要的指標[5]。

服務器端采用了惠普DL388G9，CPU2.1G 至強E5-2620v4/8 核，內存128G，硬盤HP 146 GB SAS 10K，OS 操作系統(tǒng)為Window Server2016，數(shù)據庫選擇Microsoft SQL Server2012企業(yè)版，是一種關系型數(shù)據庫系統(tǒng)，安全性高，伸縮性強，具備處理海量數(shù)據能力，結合NET平臺使用具有很大的便利性[6]。

3 數(shù)據通訊與交互

3.1 MES數(shù)據采集

用于過程控制的OLE（OLE for Process Control，OPC）是一種利用微軟的COM/DCOM 技術來達成自動化控制的協(xié)定。它為現(xiàn)場設備、自動控制應用、企業(yè)管理應用軟件之間提供了開放、統(tǒng)一的標準接口[7]。PLC 與MES 服務器之間的通訊采用開放的OPC協(xié)議交互數(shù)據，Client/Server（客戶端/服務器端）模式，OPC server 軟件通過主動查詢的方式讀取OPC變量值，實現(xiàn)智能工廠數(shù)據自動采集和無縫交互集成[8]。本系統(tǒng)將每個工站定義了一個位置信息，除了會分配一個特定的IP 地址之外，還有配置功能數(shù)據，其組成主要有產線號、工站號、功能單元號、工位號等信息；如數(shù)據變量塊DB中定義的位置數(shù)據為12.20.1.1.4，代表了“12 號線，20 工站，串行工站，PLC 功能，4 號工位”，服務器在收到這些位置數(shù)據之后會在MES 系統(tǒng)中的配置進行匹配，確保每個數(shù)據交互信息的正確性。

對于產品而言，每個產品對應一個ID 身份（惟一識別碼），產品加工前，通過手持掃描槍讀取ID，如圖3所示。

圖3 產品ID掃描

產品加工完成后，工件處理的功能會被激活，程序塊中發(fā)送請求信號會被觸發(fā)，此時PLC 將產品ID 和型號，工藝參數(shù)，結果狀態(tài)等信息傳輸至MES服務器進行存儲，如圖4所示。

圖4 PLC通訊程序設計流程

3.2 生產數(shù)據追溯

MES 端的處理方面，當監(jiān)控到了時間戳，事件，位置信息同時得到了激活，服務器追溯模塊的功能會把上述PLC 端的數(shù)據將產品惟一ID 進行綁定，存儲至數(shù)據庫。在本系統(tǒng)中，MES 系統(tǒng)支持基于OIS.net的方式將報表及數(shù)據事件進行呈現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 產品工藝數(shù)據

3.3 設備故障監(jiān)控

設備故障的頻率直接影響生產的效率，設備的報警生成可以通過人機界面HMI 進行歷史報警記錄，在這個系統(tǒng)中，設備報警時通過MES 服務器監(jiān)控PLC 在DB 數(shù)據塊的定義來實現(xiàn)數(shù)據采集。不同的報警類型在DB 數(shù)據塊進行讀寫，在OPC client端配置換型參數(shù)、成產模式轉換和設備報警等變量。當設備監(jiān)控到變量產生變化時，OPC server 將在MES 系統(tǒng)中產生一個報文并記錄。因此，報警的地址及注釋需要定義精確。20 工站參數(shù)配置如圖6所示。

圖6 OPC client端參數(shù)圖

當20 工站的設備發(fā)生了報錯，對應錯誤bit1 值由0 變?yōu)?，OPC Client 端生成報文，MES 系統(tǒng)存儲至數(shù)據庫，利用數(shù)據分析工具生成圖表從而對數(shù)據進行分析和呈現(xiàn)。

3.4 設備綜合效率分析

故障性停機及計劃性停機是影響產線生產效率的重要參數(shù)，PLC 利用數(shù)據塊的功能定義，通過OPC Client端生成的報文，發(fā)送到MES進行設備綜合效率（Overall Equipment Effectiveness,OEE）分析。OEE計算如下所示：

式中：t總為合格產品的理論加工總時間；t負為負荷時間。

MES 系統(tǒng)提供可視化OEE 分析報表，如圖7 所示。通過OEE 模型的分析，可以直觀地看出OEE 的實際值和設定值的對比，準確得出在哪些環(huán)節(jié)需要進行改進，并可以同時進行產線的預防性維護，從而提升產能。

圖7 OEE數(shù)據

4 結束語

伴隨智能制造在中國的快速發(fā)展，大量的不同類型的企業(yè)MES 系統(tǒng)、設備PLC 或工控機等智能化系統(tǒng)將會產生，對系統(tǒng)互聯(lián)的需求也成為了工業(yè)信息化的新方向。

通過車間生產的關鍵數(shù)據參數(shù)進行配置和PLC 的數(shù)據采集，對比以前的同一條產線出現(xiàn)多樣系統(tǒng)接口的問題，本文的系統(tǒng)互聯(lián)設計從MES與裝配產線設備基于標準的OPC 協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據的交互，保證了數(shù)據的準確率和實用性。在數(shù)據分析利用層面，工廠通過MES 對產品質量的追溯、產線效率的分析及設備缺陷的統(tǒng)計和分析等，明顯地提高了工廠效益以及生產過程中的透明度，對產能提升、降低庫存，節(jié)能降耗有明顯的指導意義。