中小型制造企業(yè)MES通用控制器的研究

鄒　兵，王志平，張立平

（1.廣東省自動化研究所，廣州 510070；2.廣東省現(xiàn)代控制技術重點實驗室，廣州 510070；3.廣東省現(xiàn)代控制與光機電技術公共實驗室，廣州 510070）

中小型制造企業(yè)MES通用控制器的研究

鄒兵1，2，3，王志平1，2，3，張立平1，2，3

（1.廣東省自動化研究所，廣州 510070；2.廣東省現(xiàn)代控制技術重點實驗室，廣州 510070；3.廣東省現(xiàn)代控制與光機電技術公共實驗室，廣州 510070）

針對中小型制造企業(yè)MES的現(xiàn)狀和通用控制器的研究遇到的困難，提出中小型制造企業(yè)MES通用控制器的研究方案，包括整體架構設計、監(jiān)測數(shù)據(jù)設計、信息化通訊設計、主CPU設計，為中小型制造企業(yè)信息化打下堅實的基礎，輔助生產(chǎn)管理，為企業(yè)決策層制定企業(yè)政策、把握企業(yè)生產(chǎn)提供有效的幫助。

MES；通用控制器；企業(yè)

為解決中小型制造企業(yè)及其信息化實施中的“信息斷層”與“信息孤島”的瓶頸，國際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會對MES的定義是：制造執(zhí)行系統(tǒng)），是一些能夠完成車間生產(chǎn)活動管理及優(yōu)化的硬件和軟件的集合，這些生產(chǎn)活動覆蓋從訂單發(fā)放到出產(chǎn)產(chǎn)品的全過程，其通過維護和利用實時準確的制造信息來指導、傳授、響應并報告車間發(fā)生的各項活動，同時向企業(yè)決策支持過程提供有關生產(chǎn)活動的任務評價信息。目前，中小型制造企業(yè)MES通用控制器的研究有很多問題和困難，主要有兩點：一是中小型制造企業(yè)的產(chǎn)品種類多，導致數(shù)據(jù)采集量大。當前中小型制造企業(yè)（尤其是離散制造企業(yè)）的生產(chǎn)，正呈現(xiàn)出規(guī)格多批量小的生產(chǎn)現(xiàn)象，生產(chǎn)執(zhí)行過程中涉及多條生產(chǎn)線，由不同工人不同工序組成，需要采集的數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)設備、工人、生產(chǎn)時間、生產(chǎn)產(chǎn)品規(guī)格、生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)量、生產(chǎn)狀態(tài)等等，采集任務相當繁重。二是中小型制造企業(yè)的生產(chǎn)設備種類繁雜，數(shù)量眾多導致數(shù)據(jù)采集復雜度高。現(xiàn)有的中小型制造企業(yè)擁有大量的設備，這些設備品牌雜種類多新老并存，各種設備的數(shù)據(jù)接口與通信協(xié)議差別很大，主要原因在于沒有行業(yè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口和通訊協(xié)議，各個生產(chǎn)設備廠家自己有一套內(nèi)部的通訊要求。所以，中小型制造企業(yè)MES通用控制器的研究需要研究專業(yè)的數(shù)據(jù)通訊模塊，來面對數(shù)據(jù)通信各不相同的設備，最好是兼容性強的通訊模塊。

1　MES通用控制器的整體架構設計

針對性地解決目前中小型制造企業(yè)MES通用控制器的數(shù)據(jù)監(jiān)測和傳輸遇到很多問題和困難，提出中小型制造企業(yè)MES通用控制器的整體架構設計。采用智能模塊化分體式結(jié)構設計，各種插槽式功能模塊可拔插，可靠性高，能適應工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境如高溫、潮濕、振動、沖擊、粉層和電磁干擾，安裝簡單，維修方便，容易升級，接口模塊豐富，功能強大，系統(tǒng)設計與調(diào)試周期短，移植性和擴展性強。各個中小型制造企業(yè)的現(xiàn)場環(huán)境不同，需要考慮兼容性，更要注意工業(yè)現(xiàn)場各種設備的異同性。主要設計整體主基板、電源功能模塊、CPU功能模塊、串口通訊功能模塊、以太網(wǎng)通訊功能模塊、SPI通訊功能模塊、USB通訊功能模塊、CAN通訊功能模塊、觸摸屏功能模塊、開關量輸入功能模塊，開關量輸出功能模塊，模擬量輸入功能模塊，模擬量輸出功能模塊，擴展CPU/FLASH功能模塊、擴展CPU/RAM功能模塊、備用擴展模塊，控制器追求軟硬件標準化。

2　MES通用控制器的監(jiān)測數(shù)據(jù)設計

各種設備的加工數(shù)據(jù)如生產(chǎn)設備數(shù)據(jù)和狀態(tài)、操作人員數(shù)據(jù)、生產(chǎn)時間、生產(chǎn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)和狀態(tài)等；現(xiàn)場設備的各種傳感器的檢測數(shù)據(jù)如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、張力傳感器等；各種設備的輸入輸出開關量等。

3　MES通用控制器的信息化通訊設計

通訊設計包括控制器與后臺服務器通過無線或有線以太網(wǎng)通訊，可以根據(jù)項目需求，自己根據(jù)TCP/IP協(xié)議自定義通訊規(guī)約、通訊內(nèi)容定制?？刂破髋c觸摸屏通過串口或以太網(wǎng)通訊、控制器與現(xiàn)場操作人員以操作員工卡通過串口或USB通訊，控制器與各種加工設備的模具以RFID技術通過串口或以太網(wǎng)通訊，RFID技術是目前中小制造企業(yè)模具生產(chǎn)使用到的技術，是模具唯一的標識碼。控制器與各種設備的生產(chǎn)通過CAN或串口或以太網(wǎng)通訊，控制器與各種設備的用電量通過串口或以太網(wǎng)通訊，還可根據(jù)不同工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的需要擴展各種通訊接口。通訊設計是本控制器的核心所在，可以為客戶傳輸數(shù)據(jù)保密且為定制，專業(yè)性針對客戶的各種需求，全新定義各種通訊協(xié)議和規(guī)約。

4　MES通用控制器的主CPU設計

采用ST公司的STM32F4系列，其內(nèi)核為ARM Cortex-M4，高達168MHz的主頻，擴展性好，兼容性強，各種外設資源豐富，超低功耗，縮短開發(fā)周期，高性能浮點運算能力，增強的DSP處理指令，整合微控制器和數(shù)字信號處理器兩大功能，數(shù)據(jù)加密，零等待程序運行，超大容量的閃存和RAM，易開發(fā)，高性能實時自適應“ART加速器”、多重AHB總線矩陣和多通道DMA充分發(fā)揮智能型嵌入式功能。

5　結(jié)　語

研究數(shù)據(jù)采集和實時監(jiān)測為核心的中小型制造企業(yè)MES通用控制器，從技術層面上為實現(xiàn)中小型制造企業(yè)信息化打下堅實的基礎，為中小型制造企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供積極的技術支持與解決方案。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)通過對生產(chǎn)相關的關鍵信息，如設備狀態(tài)、生產(chǎn)狀態(tài)、電量狀態(tài)、現(xiàn)場各種傳感器等等進行采集，并以直觀和數(shù)據(jù)庫的形式表現(xiàn)出來，供生產(chǎn)員工、生產(chǎn)管理者，尤其為生產(chǎn)調(diào)度人員實時了解當前生產(chǎn)情況提供幫助，以便其做出正確的生產(chǎn)計劃與規(guī)劃，同時，實時生產(chǎn)情況可為企業(yè)管理人員制定企業(yè)的長遠發(fā)展和宏觀政策提供非常強有力的指導和幫助。

主要參考文獻

［1］付林云. MES中數(shù)控車間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究和應用［D］.杭州：浙江大學，2008.

［2］王志新，金壽松.制造執(zhí)行系統(tǒng)MES及其應用［M］.北京：中國電力出版社，2006.

10.3969/j.issn.1673-0194.2015.02.085

F270.7

A

1673-0194（2015）02-0113-01

2014-12-23

廣州市科技計劃項目（2014J4500021）；廣東省科學院青年科學研究基金項目（qnjj201408）；廣東省自動化研究所所長基金項目（A201404）。