數(shù)字化車間DNC/MDC與MES集成技術研究與系統(tǒng)設計

饒納新 欒京東,2 郭明儒 馬 琪 李海兵,2 鐘正虎

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數(shù)字化車間DNC/MDC與MES集成技術研究與系統(tǒng)設計

饒納新1欒京東1,2郭明儒1馬 琪1李海兵1,2鐘正虎1

（1.北京航天控制儀器研究所，北京 100039；2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室，青島 266237）

研究了數(shù)字化加工車間中多系統(tǒng)集成技術，提出了一種DNC/MDC與MES的集成模型，構(gòu)建了系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡，在此基礎上設計了智能加工綜合管控平臺。以局域網(wǎng)為信息流通渠道，融合數(shù)字化制造技術、數(shù)據(jù)采集技術、分布式數(shù)字控制技術，建立的一套實時管理和控制系統(tǒng)，提高了車間的生產(chǎn)效率和管理效率，證明了該集成模型和網(wǎng)絡架構(gòu)的有效性。

數(shù)字化車間；系統(tǒng)集成；MES；數(shù)據(jù)采集

1 引言

制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System, MES）作為面向車間的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，為制造企業(yè)提供了一個數(shù)字化、柔性化、精細化的生產(chǎn)環(huán)境，能夠幫助企業(yè)降低成本、縮短交貨期、提高產(chǎn)品質(zhì)量[1，2]，目前已廣泛地應用于國內(nèi)外制造企業(yè)之中。分布式數(shù)字控制（Distributed Numerical Control, DNC）以數(shù)控技術和通訊技術為基礎，把與制造過程有關的設備集成起來，實現(xiàn)生產(chǎn)車間制造單元的數(shù)控程序管理和工藝管理[3～5]。生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集（Manufacturing Data Collection, MDC）是實現(xiàn)數(shù)字化制造系統(tǒng)的基本技術，通過與數(shù)控系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)以及機床PMC系統(tǒng)集成，實現(xiàn)對機床數(shù)據(jù)采集部分的自動化執(zhí)行[6～8]。隨著DNC/MDC技術的成熟和數(shù)字化生產(chǎn)線的完善，以MES系統(tǒng)為主體，融合分布式通訊、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)控程序管理諸多功能于一體的綜合管控平臺是數(shù)字化制造軟件發(fā)展的新趨勢[9]。

目前各制造企業(yè)中過程控制、數(shù)字化工藝、數(shù)據(jù)采集等工業(yè)軟件復雜多樣，功能界限混亂，在實際生產(chǎn)過程中造成功能冗余、操作不便等諸多問題，影響生產(chǎn)效率。展開研究數(shù)字化車間DNC/MDC與MES集成技術，建立了一個囊括生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)采集等多功能的綜合管控平臺，將基于不同方案建立的工業(yè)軟件有機集成于易于管理、方便操控的單一系統(tǒng)中[10，11]，處理業(yè)務和共享信息。該平臺涵蓋數(shù)控機械加工全過程的工業(yè)控制與過程管理，設計合理，操作方便，在實際生產(chǎn)中達到提高生產(chǎn)效率的目的。

2 總體設計

某車間石英表零件的加工線上擁有精密車加工中心和銑加工中心，具備數(shù)字化生產(chǎn)的條件，卻嚴重依賴手工作業(yè)，工人操作重復，產(chǎn)品可追溯性差。經(jīng)反復研究設計，在加工車間中引入多系統(tǒng)集成技術，建立智能加工綜合管控平臺，通過自動上下料、自動裝卡、自動物流等，實現(xiàn)零件進入加工線后，自動按工藝流程加工，完成生產(chǎn)任務，使整個生產(chǎn)線具備小批量精密機加生產(chǎn)功能。

數(shù)字化加工車間的生產(chǎn)設備包括車床3臺、銑床2臺，其它設備有三坐標測量機1臺、上下料機器人3臺、 AGV移動機器人車輛1輛、AGV泊位4個，車間布局如圖1所示。智能加工綜合管控平臺系統(tǒng)的硬件設備包括MES服務器1臺、MDC服務器1臺、DNC服務器1臺、數(shù)據(jù)庫服務器1臺、主控計算機1臺，路由器1臺、交換機1臺。

圖1 車間布局圖

圖2 綜合管控平臺的系統(tǒng)架構(gòu)

綜合管控平臺的軟件架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)劃分為用戶界面層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)接口層三個部分，依據(jù)柔性化的生產(chǎn)需求和數(shù)字化的管理需求，完成軟件的模塊化設計。

根據(jù)車間的生產(chǎn)模式，智能加工綜合管控平臺綜合MES、DNC、MDC的相關功能。MES功能主要包括訂單管理、系統(tǒng)管理、計劃排產(chǎn)、指令下達、完工情況等；MDC功能主要包括設備數(shù)據(jù)采集和設備監(jiān)控；DNC功能主要包括設備通信、數(shù)據(jù)采集、代碼管理、刀具管理等管理功能。

接口層包括通訊接口和數(shù)據(jù)庫接口。通訊接口主要用于接收設備上傳的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)化為具有明確物理含義的生產(chǎn)參數(shù)，同時將下發(fā)設備動作指令；通訊接口硬件方面采用工業(yè)以太網(wǎng)接口，軟件方面設計基于Socket接口的通訊數(shù)據(jù)解析模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。數(shù)據(jù)庫接口主要用于實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的高效操作。該接口主要通過編程方式將查詢、添加和刪除等常用SQL操作語句封裝為通用函數(shù)，實現(xiàn)模塊化編程。

3 系統(tǒng)集成

在智能加工綜合管控平臺的設計過程中對數(shù)字化車間DNC/MDC與MES集成技術進行研究，根據(jù)車間實際生產(chǎn)情況設計DNC/MDC與MES的多系統(tǒng)集成模型，分析并構(gòu)建車間網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)?；赟ocket的模塊通訊技術和基于SQL Server的數(shù)據(jù)庫技術，完成了軟件設計與開發(fā)。

3.1 多系統(tǒng)集成模型

圖3 多系統(tǒng)集成模型

數(shù)字化加工車間中各系統(tǒng)集成實現(xiàn)管理層、設備層、數(shù)據(jù)層的信息傳遞，劃分工業(yè)軟件的功能界限，明確各系統(tǒng)的信息流動關系。MES負責訂單、工藝、物料、質(zhì)量、生產(chǎn)計劃的集中管理，DNC負責生產(chǎn)任務和NC程序的下發(fā)，MDC負責實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控，如圖3所示。MES向DNC下發(fā)NC代碼和工藝信息，MDC向MES傳輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)采集、設備監(jiān)控和故障警報。集成模型實現(xiàn)了MES與MDC、DNC等系統(tǒng)間的集成關聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和共享，并建立完整的數(shù)據(jù)庫，打破各系統(tǒng)的信息孤島狀態(tài)，消除生產(chǎn)數(shù)據(jù)的矛盾和沖突，提高生產(chǎn)效率和管理效率。

3.2 車間網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

車間網(wǎng)絡須滿足傳輸迅速、可靠性高的實際生產(chǎn)要求，網(wǎng)絡架構(gòu)采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，采取集中式通信控制策略，實現(xiàn)中央節(jié)點的全部控制；有線與無線混搭，以保證若干條并行數(shù)據(jù)的同步傳遞。

圖4 車間網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

集成系統(tǒng)使用交換機作為整個網(wǎng)絡的中央節(jié)點，系統(tǒng)中的每一個設備通過網(wǎng)卡連接到中央節(jié)點，計算機、機床、機器人之間通過中央節(jié)點通訊，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)呈星狀分布，如圖4所示。同時網(wǎng)絡通過路由器發(fā)出覆蓋整個車間的無線Wi-Fi信號，使運輸車無論位于哪個位置，都可以通過無線網(wǎng)卡接入，保持通訊狀態(tài)。

3.3 基于Socket的模塊通訊技術

Socket是網(wǎng)絡抽象層中定義的一組接口，把復雜的TCP/IP協(xié)議族封裝于其內(nèi)部。用戶通過調(diào)用接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程如下：服務器端分配一個網(wǎng)絡端口，在初始化的Socket與端口綁定（bind），監(jiān)聽端口（listen），調(diào)用accept阻塞線程，等待客戶端連接。當有客戶端發(fā)出連接服務器（connect）的請求時，服務器端響應并建立連接?？蛻舳税l(fā)送數(shù)據(jù)請求，服務器端接收并處理請求，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，客戶端讀取數(shù)據(jù)，最后關閉連接，一次交互結(jié)束，通訊流程如圖5所示。

圖5 Socket通訊流程

在TCP協(xié)議中，MES作為智能加工綜合管控平臺核心部分，分別與其他各個模塊通訊，因此作為TCP協(xié)議中的Server，請求監(jiān)聽所有連接，驗證身份后開啟一個新的Socket，正式建立與其他系統(tǒng)通訊。

3.4 基于SQL Server的數(shù)據(jù)庫設計

在智能制造模式中，產(chǎn)品全生命周期的各個環(huán)節(jié)中都存在大量的數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)訂單、計劃排產(chǎn)、工藝工裝、制造、庫存管理、售后服務等。工業(yè)數(shù)據(jù)種類多，數(shù)據(jù)量大，傳統(tǒng)模式下的各系統(tǒng)分管各自數(shù)據(jù)的做法制約了生產(chǎn)效率。為了實現(xiàn)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，打破信息孤島，多系統(tǒng)集成模型對數(shù)據(jù)庫進行重新設計，通過高集成度的平臺管理MES、DNC、MDC的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)庫是綜合管控平臺的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)核心，因此數(shù)據(jù)庫的合理設計是綜合管控平臺的可靠行和運行效率的重要保障。設計中利用應用數(shù)據(jù)庫設計的三范式，在盡可能避免數(shù)據(jù)冗余的同時，提高查詢效率。由于SQL Server具有可伸縮性好，與Windows軟件集成程度高的特點，項目中采用SQL Server 2014數(shù)據(jù)庫軟件建立數(shù)據(jù)服務器，根據(jù)數(shù)字化加工車間的實際生產(chǎn)需求設計數(shù)據(jù)庫表格和數(shù)據(jù)關系，實現(xiàn)人員、產(chǎn)品、設備及生產(chǎn)過程中的重要信息的數(shù)據(jù)庫管理。

如圖6所示，MES、DNC、MDC等工業(yè)現(xiàn)場軟件所關心的設備信息、生產(chǎn)計劃信息、任務信息、工藝信息、產(chǎn)品信息、用戶信息、刀具信息等數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中作統(tǒng)一管理。在生產(chǎn)過程中，DNC/MDC通過各自數(shù)據(jù)接口與生產(chǎn)設備建立通訊連接，但不直接操作數(shù)據(jù)庫。所有數(shù)據(jù)都通過接口與MES之間傳遞，在MES中完成訪問和修改數(shù)據(jù)庫的操作。

圖6 數(shù)據(jù)庫表格

4 工程應用

通過多系統(tǒng)集成技術，DNC/MDC系統(tǒng)與MES系統(tǒng)深入集成，綜合管控平臺負責生產(chǎn)管理和調(diào)度執(zhí)行，實現(xiàn)數(shù)字化車間的生產(chǎn)調(diào)度、工藝管理和過程控制，同時采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控生產(chǎn)過程，實現(xiàn)質(zhì)量監(jiān)控和實時跟蹤，提高生產(chǎn)效率和管理效率。項目實施以來，不僅使車間生產(chǎn)的運作流程得到優(yōu)化，還使生產(chǎn)效率大規(guī)模提高。

接到新的生產(chǎn)訂單后，單擊任務管理開始生產(chǎn)準備工作。任務管理模塊負責對生產(chǎn)任務的添加、排產(chǎn)及相應的查詢等功能。排產(chǎn)管理模塊可以結(jié)合目前車間的生產(chǎn)狀況合理安排加工作業(yè)的順序，并完成生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)監(jiān)督等功能，而且設備異常等突發(fā)時間做處理，從而保證車間的生產(chǎn)，使得車間的生產(chǎn)能按期有效地具體執(zhí)行。

在排產(chǎn)之前，通過設置確定生產(chǎn)項目、生產(chǎn)批次、零件類型、生產(chǎn)數(shù)量、使用工藝（包括加工步驟、機加工藝和使用夾具），操作員手動選擇項目、批次、加工步驟和數(shù)量信息，系統(tǒng)自動根據(jù)數(shù)據(jù)信息確定機加工藝、夾具和空閑設備，形成了生產(chǎn)任務信息傳遞給相應的設備，實現(xiàn)了自動生產(chǎn)。

在生產(chǎn)過程中，MES分別對機床、機器人和AGV進行設備管理，統(tǒng)計各個生產(chǎn)設備的基本屬性、工作狀態(tài)、維修狀態(tài)，并實時查詢。當設備出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠第一時間發(fā)布報警信息，保證了生產(chǎn)安全。同時，系統(tǒng)自動存儲生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括時間、設備、人員和產(chǎn)品等多種信息，形成數(shù)據(jù)記錄。

MDC模塊主要用于實現(xiàn)生產(chǎn)設備的集散管理及相關信息采集和處理，不僅涵蓋數(shù)控機床的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還包括上下料機器人、AGV小車和測量機等的狀態(tài)監(jiān)控，實現(xiàn)了功能較為全面的MDC系統(tǒng)。

在生產(chǎn)過程中對局域網(wǎng)內(nèi)設備的遠程監(jiān)控，通過數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊，可以實時監(jiān)控車床的絕對位置、轉(zhuǎn)速、進給及功率等主軸參數(shù)，以及主程序、當前程序等工藝參數(shù)。同時，對機床狀態(tài)和報警信息等全面監(jiān)控，并可以對運行時間、加工時間等參數(shù)進行檢測和統(tǒng)計。系統(tǒng)還實現(xiàn)了對設備啟動和暫?？刂?、冷卻液開啟等點開關的控制功能，基本實現(xiàn)了遠程控制和狀態(tài)監(jiān)控功能。

除了數(shù)控機床的數(shù)據(jù)，操作人員可以實時查詢物流設備的數(shù)據(jù)，包括上下料機器人和AGV。操作人員在生產(chǎn)時可隨時查詢上下料機器人當前工作，檢查設備是否處于正常工作狀態(tài)，即按流程完成上料和下料工作。對于AGV，系統(tǒng)實時監(jiān)控小車的當前位置和目標位置，確保小車按生產(chǎn)需要轉(zhuǎn)移工件。數(shù)據(jù)采集模塊還監(jiān)控AGV的當前電量，當電量低于正常工作電量時及時通知操作人員。

智能加工綜合管控平臺在實際生產(chǎn)中對數(shù)控機床的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，也對上下料機器人、AGV小車等設備的工作狀態(tài)實時監(jiān)控，并對故障報警，實現(xiàn)了對數(shù)控生產(chǎn)過程的監(jiān)控與管理，提高了數(shù)字化加工生產(chǎn)線的可靠性。

該智能加工綜合管控平臺中，DNC模塊接收MES提供的NC程序和工藝信息，完成NC程序的上傳和下載，MDC負責數(shù)控機床和物流設備的信息采集和統(tǒng)計，并將數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫，MES系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中實時獲取加工信息，實時監(jiān)控設備狀態(tài)，根據(jù)實際生產(chǎn)需求和車間狀況執(zhí)行添加工單、暫停生產(chǎn)等操作，可靠性高，操作簡便，不僅實現(xiàn)對數(shù)字化生產(chǎn)流程的整體管控，也有效提高了車間的生產(chǎn)效率。

5 結(jié)束語

本文對數(shù)字化車間中DNC/MDC與MES集成技術展開研究，研究并設計了針對數(shù)字化車間的多系統(tǒng)集成模型，搭建了數(shù)字化車間網(wǎng)絡，將傳統(tǒng)DNC、MDC集成于MES系統(tǒng)中，研究設計了一套智能加工綜合管控平臺，擁有生產(chǎn)管理、排產(chǎn)管理、設備管理、程序管理、數(shù)據(jù)采集等功能，實現(xiàn)了對生產(chǎn)線的全周期管控，減輕了工人的工作量，提高了生產(chǎn)和管理效率。

在計算機軟件、網(wǎng)絡通訊和數(shù)字化加工技術等領域的理論發(fā)展和技術革新，數(shù)字化車間生產(chǎn)信息深度融合的趨勢下，應用于不同目的的各類工業(yè)軟件將不再局限于原有的功能范疇，將逐步集成、相互融合，形成統(tǒng)一的整體。這其中不僅包括本文提到的與生產(chǎn)過程息息相關的DNC、MDC和MES系統(tǒng)，還包括企業(yè)信息系統(tǒng)ERP、數(shù)字化工藝CAM、CAPP等等。在工業(yè)數(shù)字化軟件的系統(tǒng)集成技術的影響下，車間設備利用率得到大幅度提高，產(chǎn)品質(zhì)量得到有效控制和深度追溯。這也為將來企業(yè)云制造發(fā)展打下堅實基礎，是提高制造企業(yè)競爭力的重要手段。

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Research and Design of DNC/MDC and MES Integration System in Digital Workshop

Rao Naxin1Luan Jingdong1，2Guo Mingru1Ma Qi1Li Haibing1，2Zhong Zhenghu1

(1. Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing 100039; 2.Qingdao Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237)

An integrated model of DNC/MDC and MES is proposed based on the research of multi-system integration technology in the digital workshop. With digital network model constructed, integrated management and control platform for intelligent machining is designed. The real-time system was established by using local area network as information flow channel, integrating digital manufacturing technology, data acquisition technology and distributed digital control technology. The efficiency of workshop production and management is improved, which proved the effectiveness of the integrated model and network architecture.

digital workshop；system integration；MES；data acquisition

饒納新（1994），碩士，儀器科學與技術專業(yè)；研究方向：智能制造生產(chǎn)線集成。

2019-01-07