一種制造執(zhí)行系統(tǒng)在壓力機(jī)中的應(yīng)用

唐 堅(jiān)，朱德寶，張加正

（江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

市場競爭的加劇、人力成本的上升以及人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的不斷追求，制造業(yè)對(duì)生產(chǎn)過程柔性的要求不斷增強(qiáng)，迫切需要嚴(yán)格按照既定工藝制造產(chǎn)品，減少操作人員對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，并要求實(shí)時(shí)對(duì)經(jīng)營和生產(chǎn)運(yùn)行信息進(jìn)行綜合管理與控制調(diào)度，優(yōu)化設(shè)備資源使用。因此，僅僅針對(duì)某臺(tái)設(shè)備的單一控制系統(tǒng)已無法滿足上述生產(chǎn)需要。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，探索一種能夠遠(yuǎn)距離（非現(xiàn)場）系統(tǒng)控制、管理某一范圍內(nèi)所有設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)成為重要的發(fā)展方向[1][2]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，近幾年制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System：MES）得到了快速發(fā)展[3]。制造執(zhí)行系統(tǒng)是美國AMR公司（Advanced Manufacturing Research，Inc.）在上世紀(jì)90年代初提出的，它側(cè)重于車間作業(yè)計(jì)劃的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)過程運(yùn)行的管理和企業(yè)級(jí)的信息系統(tǒng)與底層生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集成，是連接上層計(jì)劃與底層設(shè)備的橋梁，并且能夠充分利用上下層之間的數(shù)據(jù)，提高計(jì)劃的實(shí)時(shí)性和靈活性[4][5]。

鑒于此，本文提出一種用于壓力機(jī)的MES系統(tǒng)，將制造執(zhí)行系統(tǒng)與壓力機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合，提高車間管理的信息化程度，實(shí)時(shí)提供每臺(tái)設(shè)備的沖壓次數(shù)、生產(chǎn)計(jì)劃完成情況、設(shè)備運(yùn)行狀況、設(shè)備故障時(shí)間和設(shè)備故障原因等信息，并且可以通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程關(guān)注上述信息。綜上所述，本文中的MES系統(tǒng)將提供壓力機(jī)大量底層數(shù)據(jù)，特別對(duì)于壓力機(jī)生產(chǎn)線，將大大簡化生產(chǎn)線控制難度，方便使用者掌控設(shè)備的使用狀況和生產(chǎn)計(jì)劃實(shí)施情況。

1 制造執(zhí)行系統(tǒng)

本文MES系統(tǒng)主要針對(duì)于壓力機(jī)，將工廠車間和辦公區(qū)緊密連接起來。MES系統(tǒng)運(yùn)用工控機(jī)與壓力機(jī)的控制核心通信來實(shí)時(shí)采集相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)按照規(guī)定格式處理形成各種容易觀看的報(bào)表后同步到網(wǎng)絡(luò)上。用戶在任何地方都可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)掌控每臺(tái)設(shè)備的當(dāng)前數(shù)據(jù)，了解產(chǎn)品計(jì)劃進(jìn)度，面對(duì)一些突發(fā)情況可以快速響應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生的相關(guān)報(bào)表在季度或者年度的總結(jié)上提供數(shù)據(jù)支持，可以分析出制約效率提升的原因所在，方便進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 MES系統(tǒng)構(gòu)成圖

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，MES系統(tǒng)功能主要分為三部分：管理流程、業(yè)務(wù)流程和主數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 MES系統(tǒng)功能圖

其中主數(shù)據(jù)部分是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，它支撐整個(gè)MES系統(tǒng)的運(yùn)行、數(shù)據(jù)維護(hù)和數(shù)據(jù)整理。主數(shù)據(jù)模塊中的數(shù)據(jù)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，需要使用者提前維護(hù)進(jìn)系統(tǒng)。它包含生產(chǎn)建模和設(shè)備管理兩部分，設(shè)備管理是用來管理接入MES系統(tǒng)的壓力機(jī)數(shù)量，并給每臺(tái)壓力機(jī)一個(gè)唯一的編碼來標(biāo)示，以便后續(xù)的各類數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和整理。為靈活地增加或減少接入MES系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量，設(shè)備管理支持新建、編輯、刪除和查詢等功能。生產(chǎn)建模部分包括模具管理、物料主數(shù)據(jù)、設(shè)備故障原因、設(shè)備狀態(tài)和作業(yè)員信息等幾方面，主要針對(duì)單臺(tái)設(shè)備的使用情況。

業(yè)務(wù)流程為整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行和數(shù)據(jù)采集部分，該模塊涉及根據(jù)生產(chǎn)訂單安排生產(chǎn)任務(wù)，并監(jiān)控生產(chǎn)任務(wù)的完成情況，同時(shí)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集接入MES系統(tǒng)的壓力機(jī)數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)解析后就可以得到設(shè)備的狀態(tài)，為管理流程的各種報(bào)表提供數(shù)據(jù)支持。業(yè)務(wù)流程包含生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)采集兩方面，生產(chǎn)計(jì)劃包括計(jì)劃排產(chǎn)、計(jì)劃排產(chǎn)執(zhí)行情況和計(jì)劃完工三部分，涉及了管理者在接到訂單后安排生產(chǎn)計(jì)劃、監(jiān)控生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行情況與生產(chǎn)計(jì)劃完成的整個(gè)過程，整個(gè)流程如圖3所示。

管理流程的任務(wù)是將所有收集來的數(shù)據(jù)整理成報(bào)表的形式，呈現(xiàn)給管理者分析。管理者一方面可以依靠規(guī)定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)整理出來的報(bào)表，發(fā)現(xiàn)一些生產(chǎn)薄弱環(huán)節(jié)，及時(shí)加以改進(jìn)，提高生產(chǎn)效率；另一方面根據(jù)實(shí)時(shí)更新的報(bào)表，可以加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場的管理，快速發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中發(fā)生的問題，以便及時(shí)處理。

圖3 生產(chǎn)計(jì)劃流程圖

2 MES系統(tǒng)通信

MES系統(tǒng)中除了人為輸入的系統(tǒng)配置、生產(chǎn)計(jì)劃等數(shù)據(jù)外，及時(shí)采集生產(chǎn)現(xiàn)場中的各種必要的實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)信息非常重要，如設(shè)備故障信息、設(shè)備狀態(tài)和沖

壓次數(shù)等，通過對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析才能實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場的生產(chǎn)情況。本文中，壓力機(jī)的控制核心為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller：PLC），因此MES系統(tǒng)與PLC的實(shí)時(shí)通訊就十分重要了。隨著工業(yè)控制需求的不斷變化，近年來可編程邏輯控制器與計(jì)算機(jī)之間的通訊發(fā)展很快，在PLC與計(jì)算機(jī)連接構(gòu)成的控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)主要完成數(shù)據(jù)處理、修改參數(shù)、圖像顯示、打印報(bào)表、文字處理、系統(tǒng)管理和工作狀態(tài)監(jiān)控等任務(wù)[6]，可編程邏輯控制器仍然直接面向現(xiàn)場、面向設(shè)備，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。兩者的連接，可以更有效地發(fā)揮各自的優(yōu)勢，互補(bǔ)應(yīng)用上的不足[7]。

為了方便MES系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，結(jié)合PLC自身的硬件條件，本文主要通過以太網(wǎng)口和RS-485口這兩種串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。需要注意的是由于壓力機(jī)使用的PLC類型比較廣泛，MES系統(tǒng)與不同品牌的PLC之間的通訊方式各不相同，下面將給出MES系統(tǒng)與當(dāng)前常用的幾種PLC的通訊方法。

2.1 三菱PLC通訊

本文中主要涉及FX3GA-60M型號(hào)的三菱PLC，該款PLC與之前一些型號(hào)相比，其特長在于其充實(shí)的網(wǎng)絡(luò)通訊功能，只需要擴(kuò)展一些接口與相關(guān)設(shè)備連接，就可通過當(dāng)前流行的通用協(xié)議與該設(shè)備通訊。綜合成本問題，本文為該P(yáng)LC擴(kuò)展了FX3G-485BD接口模塊與工控機(jī)連接，通過三菱PLC常用的專用協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，PLC內(nèi)部不需要編寫任何通訊程序，只要把需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)放在約定好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)即可。

專用協(xié)議是通訊雙方約定好一種相同的串口參數(shù)，然后按照專用協(xié)議的特殊格式發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，來讀取或?qū)懭胂嚓P(guān)信息的方式。本文中三菱PLC一側(cè)參數(shù)設(shè)置如圖4所示。

圖4 三菱PLC參數(shù)設(shè)置

計(jì)算機(jī)側(cè)按照專用協(xié)議格式傳送數(shù)據(jù)即可，專用協(xié)議的基本格式如圖5所示，和效驗(yàn)碼和控制碼CR.LF可以通過參數(shù)設(shè)置選擇是否附加。

圖5 專用協(xié)議基本格式

在通訊過程中，傳輸字符和命令字以ASCⅡ碼為準(zhǔn)，其中控制代碼如表1所示，當(dāng)可編程邏輯控制器接收到ENQ、ACK其中一個(gè)時(shí)，對(duì)傳送序列進(jìn)行初始化然后開始接收；一旦接收到EOT、CL代碼時(shí)，可編程邏輯控制器就對(duì)傳送序列進(jìn)行初始化，此時(shí)可編程邏輯控制器不會(huì)給出任何響應(yīng)。

表1 專用協(xié)議控制代碼

在整個(gè)MES系統(tǒng)中有多個(gè)PLC，站號(hào)用于決定計(jì)算機(jī)與哪個(gè)可編程邏輯控制器進(jìn)行存取的編號(hào)。必須注意，在站號(hào)的設(shè)定中，不可對(duì)多個(gè)站點(diǎn)設(shè)定相同的編號(hào)，否則傳送數(shù)據(jù)會(huì)被破壞，不能正常通訊。PC號(hào)是三菱A系列PLC在與計(jì)算機(jī)連接混合使用時(shí)，用于識(shí)別與哪個(gè)PLC之間進(jìn)行存取的編號(hào)，本文中可以忽略；指令是用來指定工控機(jī)對(duì)相應(yīng)可編程邏輯控制器執(zhí)行寫入或讀取命令；由于使用計(jì)算機(jī)發(fā)送信息后到變?yōu)榻邮諣顟B(tài)為止需要一定時(shí)間，報(bào)文等待就是用來規(guī)定這個(gè)時(shí)間的；字符區(qū)用來指定讀取或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)長度和起始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)；和效驗(yàn)碼就是將作為和效驗(yàn)對(duì)象的數(shù)據(jù)按16進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行加法計(jì)算，并將得出的結(jié)果的低位1字節(jié)轉(zhuǎn)換成2位數(shù)的ASCⅡ碼。本文中以工控機(jī)為主，由工控機(jī)主動(dòng)詢問可編程邏輯控制器，而可編程邏輯控制器被動(dòng)應(yīng)答并傳送MES系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)，因此控制順序如圖6所示。

2.2 歐姆龍PLC通訊

與三菱PLC類似，歐姆龍PLC唯一公開的協(xié)議為HostLink協(xié)議，通過HostLink協(xié)議使用計(jì)算機(jī)的串行口可與歐姆龍PLC設(shè)備通訊。在上位機(jī)與歐姆龍PLC通訊的系統(tǒng)中，使用HostLink協(xié)議進(jìn)行通訊是一種既優(yōu)化又經(jīng)濟(jì)的通訊方式，它適用于一臺(tái)上位機(jī)與多臺(tái)PLC進(jìn)行鏈接，上位機(jī)可對(duì)PLC傳送程序并監(jiān)控PLC的數(shù)據(jù)區(qū)，以及控制PLC的工作情況。本文中使用基于HostLink封裝格式的FINSMode Hostlink命令來讀取歐姆龍PLC存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)。根據(jù)PLC型號(hào)不同，參數(shù)設(shè)置如圖7所示，左側(cè)為串口參數(shù)設(shè)置，右側(cè)為以太網(wǎng)參數(shù)設(shè)置。

圖6 控制順序圖

在計(jì)算機(jī)直連PLC的情況下，計(jì)算機(jī)主動(dòng)訪問PLC存儲(chǔ)區(qū)的命令格式如圖8所示。

其中，F(xiàn)ins命令以@開頭，以*回車換行結(jié)尾；Unit No為單元號(hào)，對(duì)應(yīng)PLC內(nèi)置串口或串行通訊單元設(shè)置的HostLink單元號(hào)；在計(jì)算機(jī)直接PLC時(shí)，Header code值為 FA，ICF、DA2 與 SA2 的值固定為00；響應(yīng)等待時(shí)間值設(shè)置范圍為0～F，單位為10ms，例如設(shè)置該值為2時(shí)，則響應(yīng)等待時(shí)間為20ms；SID 值通常設(shè)置為 00；Fins command code為Fins命令的操作碼，0101表示讀命令，0102表示寫命令；Text部分寫入具體操作內(nèi)容，如讀寫區(qū)域、讀取起始地址、數(shù)據(jù)長度等內(nèi)容；FCK為效驗(yàn)，與PLC內(nèi)部設(shè)置效驗(yàn)方式一致即可。

圖7 歐姆龍PLC參數(shù)設(shè)置

圖8 HostLink-Fins命令格式

2.3 西門子PLC通訊

圖9 西門子PLC參數(shù)設(shè)置

本文中所涉及的西門子PLC為300系列CPU 315-2PN/DP，該型號(hào)PLC包含一個(gè)集成的PROFINET接口，該接口除了具有PROFINET功能外還具有TCP/IP通信功能。使用這種方式的通訊，不需要添加任何硬件，只需要根據(jù)自己的需求運(yùn)用Open Communication Wizard向?qū)渲孟到y(tǒng)即可，具體配置如圖9所示。通過該集成以太網(wǎng)接口組態(tài) TCP/IP通訊時(shí)，在PLC程序中需要調(diào)用系統(tǒng)自帶的通訊功能塊FB65 “TCON”、FB66“TDISCON”、 FB63“TSEND” 與 FB64“TRCV”進(jìn)行通信，其中FB65“TCON”用于通訊雙方的連接建立；FB66“TDISCON”用于通訊故障記錄；FB63“TSEND”用于發(fā)送數(shù)據(jù)；FB64“TRCV”用于接受數(shù)據(jù)。

2.4 工控機(jī)通訊

本文中工控機(jī)側(cè)通訊程序主要采用Java編寫，運(yùn)用jssc框架訪問串口，程序封裝了對(duì)Fins命令和三菱專用協(xié)議的通信，部分通信代碼如下。

3 系統(tǒng)調(diào)試與試驗(yàn)

綜合相關(guān)硬件要求和軟件運(yùn)行環(huán)境，配置了運(yùn)用Linux操作系統(tǒng)的服務(wù)器、相關(guān)工控機(jī)以及接口，結(jié)合本公司生產(chǎn)的壓力機(jī)生產(chǎn)線，搭建了MES系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場測試。MES系統(tǒng)經(jīng)過初始化設(shè)置后，能夠準(zhǔn)確收集壓力機(jī)當(dāng)前狀態(tài)、故障原因和當(dāng)前工作次數(shù)等相關(guān)信息，并生成各類報(bào)表，通過網(wǎng)絡(luò)可以在任意地點(diǎn)的計(jì)算機(jī)和移動(dòng)設(shè)備上查看到上述信息和發(fā)布生產(chǎn)計(jì)劃，大大簡化車間的管理難度，縮短了對(duì)壓力機(jī)故障的排除時(shí)間，有效提高了企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃的實(shí)時(shí)性和靈活性。MES系統(tǒng)部分界面如圖10所示，整個(gè)現(xiàn)場測試有力地驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性、及時(shí)性和有效性。

圖10 MES系統(tǒng)計(jì)劃排產(chǎn)界面

4 結(jié)論

本文運(yùn)用MES系統(tǒng)的車間作業(yè)計(jì)劃和底層生產(chǎn)數(shù)據(jù)的集成等理念搭建適用于壓力機(jī)的制造執(zhí)行系統(tǒng)，利用工控機(jī)現(xiàn)場采集壓力機(jī)的當(dāng)前數(shù)據(jù)判斷壓力機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及故障原因等信息，以實(shí)時(shí)監(jiān)控工廠設(shè)備運(yùn)行情況，并用該信息生成各類報(bào)表供后續(xù)分析，并且管理者可以通過該系統(tǒng)發(fā)布生產(chǎn)計(jì)劃、監(jiān)控生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行情況等，以便于及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)任務(wù)，提高生產(chǎn)效率。同時(shí)將該系統(tǒng)與當(dāng)前發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)資源相結(jié)合，管理者可以通過網(wǎng)絡(luò)在任何地方實(shí)時(shí)觀看或修改上述各類信息。最后通過現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性、有效性和實(shí)時(shí)性。

[1] 張書亭，楊建軍，鄒學(xué)禮.面向敏捷制造車間的制造執(zhí)行系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2000，12：2-4.

[2] 饒運(yùn)清，劉世平，李淑霞，等.敏捷化車間制造執(zhí)行系統(tǒng)研究[J].中國機(jī)械工程，2002 ，13（8）：654-657.

[3] 彭 瑜，孟 力.信息技術(shù)正在推動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)的革命[J].自動(dòng)化儀表，2001，22（12）：1-5.

[4] 曹江輝，王寧生，朱建江，等.基于CORBA的制造執(zhí)行系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，4.

[5] 于海斌，朱云龍.可集成的制造執(zhí)行系統(tǒng) [J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)-CIMS，2000，6（6）：1-6.

[6]沈世斌.基于PLC自由口通信的應(yīng)用 [J].儀表技術(shù)與傳感器，2004，（12）.

[7] 廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：149-165.