顏一多，李志杰

（博世汽車(chē)部件長(zhǎng)沙有限公司，長(zhǎng)沙 410010）

0 引言

當(dāng)今，產(chǎn)品與生產(chǎn)的復(fù)雜性要求高效的信息管理。一方面在于計(jì)劃與控制，另一方面在于分析與召回。需要解決的問(wèn)題包括如何發(fā)揮生產(chǎn)設(shè)備最大功能，生產(chǎn)多少產(chǎn)品，每天出現(xiàn)故障的頻率，上個(gè)月發(fā)生過(guò)的故障，生產(chǎn)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(wèn)題，并優(yōu)化企業(yè)在質(zhì)量、交付和成本之間的平衡關(guān)系。智能制造將是未來(lái)制造業(yè)智能化的核心源泉，并且?guī)?dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，智能裝備等新興產(chǎn)業(yè)的不斷崛起[1]。

現(xiàn)有的車(chē)間，大多數(shù)設(shè)備與MES 系統(tǒng)之間存在著特定的通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，MES 缺少與不同類(lèi)型PLC設(shè)備實(shí)現(xiàn)的通訊數(shù)據(jù)的底層協(xié)議。針對(duì)MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集缺少靈活性的問(wèn)題，本文提出了MES系統(tǒng)與自動(dòng)裝配產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備通過(guò)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的OPC 協(xié)議實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，保證了不同設(shè)備廠(chǎng)商能夠通過(guò)統(tǒng)一的接口實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息化、透明化，從而實(shí)現(xiàn)智能工廠(chǎng)。

1 企業(yè)MES系統(tǒng)

MES系統(tǒng)[2]，用于總結(jié)分析生產(chǎn)功能，通常存在于生產(chǎn)設(shè)備和企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise Resource Planning，ERP）系統(tǒng)之間。MES 系統(tǒng)包含信息管理，質(zhì)量管理，人員及效益管理，產(chǎn)品數(shù)據(jù)追溯，材料管理等主要功能，通過(guò)這些特性，可以完成整個(gè)工廠(chǎng)的生產(chǎn)價(jià)值流創(chuàng)造鏈，減少生產(chǎn)成本，優(yōu)化工廠(chǎng)資源，并且通過(guò)物流端的中間接口將歷史數(shù)據(jù)追溯直到終端客戶(hù)。全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇對(duì)制造企業(yè)在縮短研發(fā)周期、提高產(chǎn)品品質(zhì)、提升服務(wù)質(zhì)量、減少資源消耗等方面提出了更高的要求[3]。數(shù)據(jù)采集功能是各類(lèi)MES 眾多功能模塊中最基礎(chǔ)也是最重要的功能，它作為底層功能，是整個(gè)系統(tǒng)健康運(yùn)作的前提[4]，如圖1 所示，另外，通過(guò)各地生產(chǎn)數(shù)據(jù)的收集，數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以在全世界范圍內(nèi)進(jìn)行對(duì)比和處理，“世界工廠(chǎng)”可以得以實(shí)現(xiàn)。

圖1 工廠(chǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2 設(shè)備硬件與工業(yè)服務(wù)器

目前大多數(shù)自動(dòng)裝配產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備都采用了可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制或者工控機(jī)控制工藝，本裝配產(chǎn)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)包括貼片裝載，馬達(dá)裝配，繞線(xiàn)機(jī)，包裝站這4 個(gè)工位，PLC控制器為西門(mén)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(jī)界面采用西門(mén)子KTP700，用于管理工站的配方數(shù)據(jù)。設(shè)備端基于工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議與服務(wù)器互聯(lián)，配置的信息有CI-用戶(hù)名，IP地址，路由器地址以及Mask地址，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)文的時(shí)間同步，工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)還提供了網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（Network Time Protocol，NTP）服務(wù)器，確保了設(shè)備的數(shù)據(jù)和服務(wù)器采集的數(shù)據(jù)產(chǎn)生相同的時(shí)間戳。在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的時(shí)間一致性是非常重要的指標(biāo)[5]。

服務(wù)器端采用了惠普DL388G9，CPU2.1G 至強(qiáng)E5-2620v4/8 核，內(nèi)存128G，硬盤(pán)HP 146 GB SAS 10K，OS 操作系統(tǒng)為Window Server2016，數(shù)據(jù)庫(kù)選擇Microsoft SQL Server2012企業(yè)版，是一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，安全性高，伸縮性強(qiáng)，具備處理海量數(shù)據(jù)能力，結(jié)合NET平臺(tái)使用具有很大的便利性[6]。

3 數(shù)據(jù)通訊與交互

3.1 MES數(shù)據(jù)采集

用于過(guò)程控制的OLE（OLE for Process Control，OPC）是一種利用微軟的COM/DCOM 技術(shù)來(lái)達(dá)成自動(dòng)化控制的協(xié)定。它為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、自動(dòng)控制應(yīng)用、企業(yè)管理應(yīng)用軟件之間提供了開(kāi)放、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口[7]。PLC 與MES 服務(wù)器之間的通訊采用開(kāi)放的OPC協(xié)議交互數(shù)據(jù)，Client/Server（客戶(hù)端/服務(wù)器端）模式，OPC server 軟件通過(guò)主動(dòng)查詢(xún)的方式讀取OPC變量值，實(shí)現(xiàn)智能工廠(chǎng)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和無(wú)縫交互集成[8]。本系統(tǒng)將每個(gè)工站定義了一個(gè)位置信息，除了會(huì)分配一個(gè)特定的IP 地址之外，還有配置功能數(shù)據(jù)，其組成主要有產(chǎn)線(xiàn)號(hào)、工站號(hào)、功能單元號(hào)、工位號(hào)等信息；如數(shù)據(jù)變量塊DB中定義的位置數(shù)據(jù)為12.20.1.1.4，代表了“12 號(hào)線(xiàn)，20 工站，串行工站，PLC 功能，4 號(hào)工位”，服務(wù)器在收到這些位置數(shù)據(jù)之后會(huì)在MES 系統(tǒng)中的配置進(jìn)行匹配，確保每個(gè)數(shù)據(jù)交互信息的正確性。

對(duì)于產(chǎn)品而言，每個(gè)產(chǎn)品對(duì)應(yīng)一個(gè)ID 身份（惟一識(shí)別碼），產(chǎn)品加工前，通過(guò)手持掃描槍讀取ID，如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品ID掃描

產(chǎn)品加工完成后，工件處理的功能會(huì)被激活，程序塊中發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)會(huì)被觸發(fā)，此時(shí)PLC 將產(chǎn)品ID 和型號(hào)，工藝參數(shù)，結(jié)果狀態(tài)等信息傳輸至MES服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)，如圖4所示。

圖4 PLC通訊程序設(shè)計(jì)流程

3.2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)追溯

MES 端的處理方面，當(dāng)監(jiān)控到了時(shí)間戳，事件，位置信息同時(shí)得到了激活，服務(wù)器追溯模塊的功能會(huì)把上述PLC 端的數(shù)據(jù)將產(chǎn)品惟一ID 進(jìn)行綁定，存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)。在本系統(tǒng)中，MES 系統(tǒng)支持基于OIS.net的方式將報(bào)表及數(shù)據(jù)事件進(jìn)行呈現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)

3.3 設(shè)備故障監(jiān)控

設(shè)備故障的頻率直接影響生產(chǎn)的效率，設(shè)備的報(bào)警生成可以通過(guò)人機(jī)界面HMI 進(jìn)行歷史報(bào)警記錄，在這個(gè)系統(tǒng)中，設(shè)備報(bào)警時(shí)通過(guò)MES 服務(wù)器監(jiān)控PLC 在DB 數(shù)據(jù)塊的定義來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。不同的報(bào)警類(lèi)型在DB 數(shù)據(jù)塊進(jìn)行讀寫(xiě)，在OPC client端配置換型參數(shù)、成產(chǎn)模式轉(zhuǎn)換和設(shè)備報(bào)警等變量。當(dāng)設(shè)備監(jiān)控到變量產(chǎn)生變化時(shí)，OPC server 將在MES 系統(tǒng)中產(chǎn)生一個(gè)報(bào)文并記錄。因此，報(bào)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(dāng)20 工站的設(shè)備發(fā)生了報(bào)錯(cuò)，對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤bit1 值由0 變?yōu)?，OPC Client 端生成報(bào)文，MES 系統(tǒng)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)，利用數(shù)據(jù)分析工具生成圖表從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和呈現(xiàn)。

3.4 設(shè)備綜合效率分析

故障性停機(jī)及計(jì)劃性停機(jī)是影響產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)效率的重要參數(shù)，PLC 利用數(shù)據(jù)塊的功能定義，通過(guò)OPC Client端生成的報(bào)文，發(fā)送到MES進(jìn)行設(shè)備綜合效率（Overall Equipment Effectiveness,OEE）分析。OEE計(jì)算如下所示：

式中：t總為合格產(chǎn)品的理論加工總時(shí)間；t負(fù)為負(fù)荷時(shí)間。

MES 系統(tǒng)提供可視化OEE 分析報(bào)表，如圖7 所示。通過(guò)OEE 模型的分析，可以直觀地看出OEE 的實(shí)際值和設(shè)定值的對(duì)比，準(zhǔn)確得出在哪些環(huán)節(jié)需要進(jìn)行改進(jìn)，并可以同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)線(xiàn)的預(yù)防性維護(hù)，從而提升產(chǎn)能。

圖7 OEE數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

伴隨智能制造在中國(guó)的快速發(fā)展，大量的不同類(lèi)型的企業(yè)MES 系統(tǒng)、設(shè)備PLC 或工控機(jī)等智能化系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生，對(duì)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(guò)車(chē)間生產(chǎn)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行配置和PLC 的數(shù)據(jù)采集，對(duì)比以前的同一條產(chǎn)線(xiàn)出現(xiàn)多樣系統(tǒng)接口的問(wèn)題，本文的系統(tǒng)互聯(lián)設(shè)計(jì)從MES與裝配產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備基于標(biāo)準(zhǔn)的OPC 協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率和實(shí)用性。在數(shù)據(jù)分析利用層面，工廠(chǎng)通過(guò)MES 對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的追溯、產(chǎn)線(xiàn)效率的分析及設(shè)備缺陷的統(tǒng)計(jì)和分析等，明顯地提高了工廠(chǎng)效益以及生產(chǎn)過(guò)程中的透明度，對(duì)產(chǎn)能提升、降低庫(kù)存，節(jié)能降耗有明顯的指導(dǎo)意義。