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1 前言

MES 系統(tǒng)是專門針對(duì)車間信息管理的，其從原料購進(jìn)直至成品入庫的整個(gè)生產(chǎn)流程中實(shí)施動(dòng)態(tài)化的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，由此滿足產(chǎn)品追溯、裝配狀態(tài)監(jiān)控等多項(xiàng)管理需要。

2 汽車零部件裝配

a.制造形式。零部件裝配通常是“離散型”加工模式(圖 1)，物料流動(dòng)在多個(gè)工位上，通過加工與組裝，得到最終的產(chǎn)品。實(shí)際生產(chǎn)中，在確認(rèn)零部件種類的前提下，選擇相應(yīng)的物料清單。

圖 1“離散型”制造模式

b. 生產(chǎn)程序。汽車行業(yè)的零部件裝配通常是“訂單式”生產(chǎn)形式，加工環(huán)節(jié)包括物料上線、制作組裝與質(zhì)檢等，而裝配操作一般是交給自動(dòng)化系統(tǒng)。在訂單要求調(diào)整后，生產(chǎn)線能利用調(diào)整模具與技術(shù)參數(shù)，達(dá)到柔性制造的效果。但如果調(diào)整前后的產(chǎn)品有明顯差異，就要通過改變工序滿足訂單要求。

c. 自動(dòng)化操作。汽車零部件生產(chǎn)中，因?yàn)榇嬖谌斯づ淞系男袨?，所以很難達(dá)到全自動(dòng)的水平。每個(gè)工位都選擇人工加料的方法，在某處工位任務(wù)結(jié)束，半成品轉(zhuǎn)移至下一個(gè)工位，加工基本上均借助 PLC 智能裝置進(jìn)行控制。總的來看，零部件裝配的自動(dòng)化程度還不足，基本上都要有人為輔助。

d. 生產(chǎn)車間。在加工制作中，涉及上料與下料的環(huán)節(jié)，這會(huì)引起諸多原料、半成品與成品放置堆積。車間內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，管理難度大?？紤]到“離散型”的裝配作業(yè)，數(shù)據(jù)采集應(yīng)當(dāng)面向工人、物料與技術(shù)參數(shù)等，把車間生產(chǎn)全過程采集到的數(shù)據(jù)，用作 MES 系統(tǒng)基礎(chǔ)。

對(duì)于MES 系統(tǒng)的整體來說，主要分成三個(gè)層次：

第一層，數(shù)據(jù)采集。裝配車間運(yùn)行中，需對(duì)采集到的數(shù)據(jù)加以識(shí)別，通常配置條形碼、讀寫器等功能模塊。與 PLC 連接，對(duì)寄存裝置信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，當(dāng)成分析裝配制造與機(jī)組狀態(tài)的依據(jù)。

第二層，數(shù)據(jù)層，負(fù)責(zé)保存由采集層傳來的信息，內(nèi)容呈現(xiàn)形式有視圖及表，主要包含工人資料與權(quán)限、技術(shù)信息等。

第三層，應(yīng)用層。在 MES 系統(tǒng)中，該層屬于外在表現(xiàn)。在保障數(shù)據(jù)真實(shí)、及時(shí)的前提下加以分析，并支持查詢、設(shè)置、可視化等。

3 裝配車間的數(shù)據(jù)采集類型及MES 功能模塊

3.1 數(shù)據(jù)采集類型

車間運(yùn)行中，包含工人、物料與機(jī)組等若干生產(chǎn)要素。其中，工人信息主要有基本資料、功能權(quán)限;物料數(shù)據(jù)則由前期采購環(huán)節(jié)開始記錄，包含供應(yīng)商資料、物料可用項(xiàng)目范圍、出入庫信息等。而零部件裝配中用到的彈簧及螺釘?shù)任锪希捎诓荒軅€(gè)體標(biāo)識(shí)，所以直接保存箱號(hào)信息。工人與物料都屬于可識(shí)別的數(shù)據(jù)，能選擇掃碼槍以及讀寫器獲取，并且此類信息是相對(duì)固定的，可以長時(shí)間存儲(chǔ)。

機(jī)組設(shè)備狀態(tài)就是對(duì)裝配車間生產(chǎn)線狀態(tài)的采集與記錄。整個(gè)過程重點(diǎn)是采集及保存各個(gè)類型產(chǎn)品在加工中的工序，所謂的加工狀態(tài)就是在常規(guī)生產(chǎn)中，生產(chǎn)工件、數(shù)目及模具等資料。零部件制作中，數(shù)據(jù)來源是機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，需要長時(shí)間積累。另外，各類工件加工中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會(huì)有不同，結(jié)合加工及裝配期間采集到的動(dòng)態(tài)信息，把工件狀態(tài)設(shè)置成完工、制作中、返工等。而成品工件連帶的信息，應(yīng)當(dāng)包括物料、工人等多項(xiàng)數(shù)據(jù)，相關(guān)人員能按照工件 ID，查找到有關(guān)資料。

3.2 MES 功能模塊

MES 選擇模塊化的設(shè)計(jì)模式，結(jié)合具體使用需要，開發(fā)若干個(gè)功能模塊，各部分獨(dú)立運(yùn)行，操作人員能直接挑選相應(yīng)模塊，進(jìn)入所需的界面。數(shù)據(jù)采集包含標(biāo)簽識(shí)別與信息采集，對(duì)其的開發(fā)應(yīng)當(dāng)配備合適硬件，并把采集信息傳送到數(shù)據(jù)庫內(nèi)。關(guān)于該功能的子模塊設(shè)定如下：

a.識(shí)別標(biāo)簽?；谶x擇的標(biāo)識(shí)形式，在對(duì)象設(shè)置相應(yīng)標(biāo)簽的情況下，零部件裝配全過程均能對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，采集對(duì)象信息。此模塊能與其他功能組合應(yīng)用，比如查找工件中，能直接在查詢單元中導(dǎo)入識(shí)別出的標(biāo)簽，這樣能節(jié)省人工錄入的時(shí)間，并保障查詢的準(zhǔn)確度。

b. 員工資料錄入。擁有高權(quán)限的管理員能通過系統(tǒng)對(duì)員工資料進(jìn)行更改、新增等操作，并保存好后，可調(diào)用形成的標(biāo)簽。

c. 員工權(quán)限。在完成資料錄入后，就可由高權(quán)限管理者賦予下層職工操作權(quán)限。

d. 物料入庫及出庫。

e. 生產(chǎn)流程，相同類型的零部件制造、裝配，設(shè)置固定的工序流程。除上述功能模塊外，還有機(jī)器采集點(diǎn)、信息查詢與復(fù)檢等。

4 裝配車間MES 的數(shù)據(jù)采集功能開發(fā)剖析

4.1 歐姆龍 PLC

借助 FINS 協(xié)議，能完成歐姆龍 PLC 信息作業(yè)?；?于 IP、端口以及其他連接參數(shù)的設(shè)定，把 PLC 當(dāng)成 TCP Server，由上位機(jī)發(fā)出連接申請。在該過程中，信息傳輸是利用 TCP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)。根據(jù)基本編程思路，PLC 通信期間主要涉及以下幾個(gè)對(duì)象：

a.TCP Client，其能和 PLC 連接、收發(fā)報(bào)文;b. 發(fā)出報(bào)文，根據(jù) FINS 協(xié)議要求的格式，生成包含地質(zhì)、保存位置、操作類別在內(nèi)的報(bào)文，主要用在通信傳輸上;c. 操作參數(shù)，涉及到報(bào)警碼、指令代碼與點(diǎn)位數(shù)據(jù)，其中前兩種涵蓋內(nèi)容多，不適合保存于系統(tǒng)程序內(nèi)，應(yīng)放置本地文件里，方便增加與管理;c. 響應(yīng)報(bào)文，由 PLC 側(cè)發(fā)出的報(bào)文，內(nèi)容有報(bào)警、讀取返回的信息。系統(tǒng)運(yùn)行中，讀取與改動(dòng) PLC 信息，需要和 PLC 連 接，把讀寫指令、改動(dòng)信息、地址等當(dāng)作生成報(bào)文的依據(jù)。其中，讀取與寫入環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)格式?jīng)]有變化，后者僅需在 TXT 段增添新內(nèi)容。系統(tǒng)中的響應(yīng)報(bào)文部分，其的報(bào)警碼是“00”，說明操作完成。而讀取環(huán)節(jié)中，響應(yīng)代碼中 cmd 段是“0101”，之后生成的報(bào)文應(yīng)將讀取內(nèi)容包括在內(nèi)。通過分析響應(yīng)報(bào)文的各個(gè)部分，就能了解到操作情況。

4.2 三菱 Q 系列 PLC

MELSEC 協(xié)議(后文簡稱“MC”)可用在外端設(shè)備通過可編程的控制器實(shí)現(xiàn)通信。該協(xié)議和 FINS 存在相似之處，PLC 都是當(dāng)成 TCP 服務(wù)器，通過報(bào)文傳輸，滿足通信的需要。在 MC 協(xié)議下，通過半雙工通信形式，完成數(shù)據(jù)交互。在上位機(jī)訪問 CPU 期間，僅可以在收到PLC 響應(yīng)報(bào)文后，才能下達(dá)其他指令。但和 FINS 相比，MC 省略連接的步驟，能提升通信運(yùn)行效率。

MC 協(xié)議支持 ASCII 以及二進(jìn)制的報(bào)文格式，此處重點(diǎn)討論前者。指令報(bào)文的頭部為 TCP/IP 與 UDP/IP，實(shí)際傳送中，能自動(dòng)增加;副頭部，根據(jù)報(bào)文類型有不同的參數(shù)，其中指令報(bào)文是“5000”、響應(yīng)報(bào)文是“D000”;可編程控制器與網(wǎng)絡(luò)編號(hào)，在本站訪問中，前者編號(hào)是“FF”、后者編號(hào)是“00”;請求目標(biāo)的 I/O 編號(hào)默認(rèn)值是“03FF”，站號(hào)默認(rèn)參數(shù)是“00”;請求數(shù)據(jù)的長度是指報(bào)文數(shù)量之和，是十六進(jìn)制;協(xié)議內(nèi)涉及諸多指令代碼，能進(jìn)行讀寫等多項(xiàng)操作。在 MC 協(xié)議下，請求數(shù)據(jù)主要有點(diǎn)位參數(shù)，如軟元件代碼與數(shù)量、地址等。在進(jìn)行讀取作業(yè)中，響應(yīng)代碼包括數(shù)據(jù)信息;寫入環(huán)節(jié)中，指令報(bào)文內(nèi)添加相應(yīng)數(shù)值。鑒于選擇 ASCII 碼支持通信，生成報(bào)文中，軟元件能通過字符信息，在報(bào)文上呈現(xiàn)出存儲(chǔ)位置，不用改成設(shè)定對(duì)應(yīng)碼。

4.3 西門子 PLC

西門子 PLC 和上位機(jī)之間的信息傳送，借助多項(xiàng)協(xié)議，但相應(yīng)內(nèi)容是加密的。運(yùn)用西門子中的 OPC 服務(wù)，包含若干對(duì)象，涉及狀態(tài)及版本等數(shù)據(jù)，并帶有管理群對(duì)象的方式函數(shù)。在一個(gè)服務(wù)對(duì)象內(nèi)，存有數(shù)個(gè)群對(duì)象，而在群對(duì)象中則有組屬性與管理 Item 方式。后者在 OPC 里是最小模塊，實(shí)質(zhì)上不屬于數(shù)據(jù)項(xiàng)，應(yīng)當(dāng)是具體點(diǎn)位的映射形式，可視為系統(tǒng)程序內(nèi)的指針地址。其共有三個(gè)重要屬性，即質(zhì)量、時(shí)間戳與值。常規(guī)客戶端能讀寫 Item 值?？蛻舳撕?OPC 服務(wù)間的通信，有三類形式可選。

a. 同步通信，相當(dāng)于“等待問答”的過程，客戶端把需要訪問的內(nèi)容傳送至服務(wù)器，后者收到請求信息后，把訪問結(jié)果反饋給客戶端。而客戶端從發(fā)送請求到接收信息這段時(shí)間，均是在等待中。

b.異步通信，客戶端將會(huì)訪問的內(nèi)容傳送到服務(wù)器后快速退出，此時(shí)客戶端能繼續(xù)開展其他操作，無需等待服務(wù)器的反饋。在服務(wù)器整理好訪問信息后，把結(jié)果反饋給客戶端。

c. 訂閱，其和前兩類的明顯差別是，客戶端不用發(fā)出訪問申請，直接把需監(jiān)控訪問的信息歸納到Group 內(nèi)。服務(wù)器會(huì)自動(dòng)對(duì)其中的信息實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)視，在數(shù)值有變化時(shí)，相當(dāng)于觸發(fā)事件，隨即把相應(yīng)信息發(fā)送給客戶端。利用 OPC 技術(shù)達(dá)到 PLC 通信的目的，先要考慮的是服務(wù)器配置。

此處選擇借助以太網(wǎng)構(gòu)建服務(wù)器。相應(yīng)的配置流程為：

a. 安裝編程與服務(wù)軟件，操作界面上形成快捷鍵;

b. 啟動(dòng) TIA 軟件，設(shè)置有待監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集的 PLC 程序，并把以太網(wǎng) IP 換成本地 IP;

c. 開啟“空間站布局”，更改名稱，而且在組態(tài)相應(yīng)插槽內(nèi)設(shè)置服務(wù)器與 IE general;

d. 組態(tài)下載至計(jì)算機(jī)本地;控制界面上，把通信參數(shù)設(shè)置中關(guān)于安全性的模塊，開啟遠(yuǎn)程基本通信與 OPC 通信，并設(shè)置需要采集數(shù)據(jù)的變量。

4.4 統(tǒng)一接口

零部件裝配車間中可用的 PLC 形式較多，而且通信形式不盡相同，實(shí)際提供的功能集中在服務(wù)器、讀取信息、更改信息、連接等。結(jié)合裝配車間的數(shù)據(jù)采集需要，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行接口整合。對(duì)于連接與點(diǎn)位讀取參數(shù)有區(qū)別的情況，可通過把全部寫入?yún)?shù)均設(shè)置成同一字符型實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐中，可加入字符串解析器，利用分割處理，把字符串分成若干子字符，轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的參數(shù)形式。MC 與FINS 協(xié)議對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)類，需在解析報(bào)文格式的前提下，把TCP Client 當(dāng)成收發(fā)報(bào)文的媒介;報(bào)警碼說明和數(shù)據(jù)信息對(duì)應(yīng)碼當(dāng)成配置內(nèi)容，支持操作人員查詢。OPC 相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)類，要加入引用 OPC 關(guān)聯(lián)的 DLL 內(nèi)容。接口的同步讀取與寫入操作形式不變，額外設(shè)置訂閱采集數(shù)據(jù)的方式函數(shù)。而參數(shù)字符串的連接，則可作為服務(wù)器名稱與對(duì)應(yīng)安裝工控機(jī)的 IP。

實(shí)現(xiàn)接口整合的前提下，將通信期間涉及的各項(xiàng)操作，統(tǒng)一函數(shù)名稱與參數(shù)。針對(duì)各類通信方式，做好接口繼承與封裝?；谠撜{(diào)整思路，僅需調(diào)取具體接口方法，就能進(jìn)行相應(yīng)的通信操作。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，按照PLC 類型與通信方法，挑選適宜的類方法支持操作，借此達(dá)到統(tǒng)一接口的目的。

4.5 采集功能實(shí)現(xiàn)

汽車零部件的生產(chǎn)線上，有不同類型的設(shè)備，通過實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一接口，就能選擇更為高效的通信方式。但在進(jìn)一步對(duì)比分析中，連接與點(diǎn)位參數(shù)對(duì)應(yīng)的個(gè)數(shù)模式也有區(qū)別。比如說，在 FINS 協(xié)議中，應(yīng)結(jié)合軟元件存儲(chǔ)內(nèi)容與數(shù)據(jù)種類，轉(zhuǎn)化成報(bào)文碼，但 Item 地址則會(huì)形成字符串。假設(shè)對(duì)各種 PLC 的不同點(diǎn)位參數(shù)，均單獨(dú)設(shè)置屬性段，難免會(huì)引發(fā)屬性段偏多的運(yùn)行缺陷，而且在系統(tǒng)運(yùn)行后期，如果產(chǎn)生新參數(shù)，同樣需增設(shè)屬性段，這種顯然不利于生產(chǎn)線管理。

對(duì)于該問題，可把數(shù)據(jù)庫內(nèi)的表結(jié)構(gòu)進(jìn)行集約化設(shè)置，把分析及處理參數(shù)全部交由軟件進(jìn)行。比如點(diǎn)位地址，其字符長度可設(shè)置成 50 個(gè)，把全部參數(shù)匯集成一行數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集期間，僅需分析提取出來的參數(shù)。系統(tǒng)程序則選擇字符分離的方法，各字符串之間，借助“-”、“_”以及空格進(jìn)行簡單分隔，例如，“275Word M 2”是指加工數(shù)量。

在接口、寫入?yún)?shù)得以統(tǒng)一后，根據(jù) PLC 類型，選擇通信方法。該種數(shù)據(jù)采集功能的開發(fā)方式，突出優(yōu)勢體現(xiàn)在：

a. 不同的 PLC 通信，能夠通過統(tǒng)一接口完成信息傳輸，根據(jù) PLC 實(shí)例對(duì)應(yīng)的通訊類運(yùn)行。借此可有效消除軟件程序中的冗雜問題，在保障基本功能的前提下，簡化程序結(jié)構(gòu)。

b. 終端連接參數(shù)與監(jiān)控點(diǎn)位內(nèi)容都集中在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)，還把呈現(xiàn)形成事實(shí)統(tǒng)一處理。在形成其他連接形式以及點(diǎn)位后，不用重復(fù)調(diào)整表結(jié)構(gòu)，僅需在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，額外設(shè)置參數(shù)解釋器就能正常調(diào)用運(yùn)行。

c. 數(shù)據(jù)采集功能下，無論是采集環(huán)節(jié)或是設(shè)備連接，均支持管理操作。在車間生產(chǎn)線上安裝一臺(tái)新裝置后，直接在數(shù)據(jù)表上新增設(shè)備信息，并設(shè)置通信與參數(shù)處理方法，就能完成添加生產(chǎn)機(jī)械的工作。

5 結(jié)語

在汽車零部件的裝配車間中，開發(fā)數(shù)據(jù)采集功能，可基于多個(gè)傳輸協(xié)議與 OPC 技術(shù)，進(jìn)行接口集約化處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)點(diǎn)位表，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一參數(shù)格式。如此可提高數(shù)據(jù)采集操作的靈活度與可擴(kuò)展度，能夠適應(yīng)裝配車間的信息管理訴求，達(dá)到動(dòng)態(tài)化監(jiān)控的目的。