汽車零部件裝配車間MES數(shù)據(jù)采集功能開發(fā)研究

摘要：MES系統(tǒng)是專門針對車間信息管理的系統(tǒng)，它涵蓋從原料購進直至成品入庫的整個生產(chǎn)流程，并實施動態(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)控等多項管理需要。針對汽車零部件裝配生產(chǎn)中MES數(shù)據(jù)采集功能的開發(fā)實現(xiàn)進行研究，并對零部件裝配作業(yè)進行了概述，進一步探討了車間內(nèi)數(shù)據(jù)采集類型與MES功能模塊，同時重點分析了此項功能的開發(fā)過程。

關(guān)鍵詞：汽車零部件；裝配車間；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：U468.4 ?收稿日期：2023-03-21

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.019

1 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（見圖1），物料流動在多個工位上，通過加工與組裝，得到最終的產(chǎn)品。實際生產(chǎn)中，在確認零部件種類的前提下，選擇相應(yīng)的物料清單。

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[1]。

c.自動化操作。汽車零部件生產(chǎn)中，因為存在人工配料的行為，所以很難達到全自動的水平。每個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)移至下一個工位，加工基本上均借助PLC智能裝置進行控制?？偟膩砜矗悴考b配的自動化程度還不足，基本上都要有人為輔助。

d.生產(chǎn)車間。在加工制作中，涉及到上料與下料的環(huán)節(jié)，這會引起諸多原料、半成品與成品放置堆積，致使車間內(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)。整體上來講，MES系統(tǒng)主要分成三個層次：一是數(shù)據(jù)采集層。裝配車間運行中，需對采集到的數(shù)據(jù)加以識別，通常配置條形碼、讀寫器等功能模塊；與PLC連接，對寄存裝置信息進行動態(tài)監(jiān)控，當成分析裝配制造與機組狀態(tài)的依據(jù)。二是數(shù)據(jù)層，負責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。三是應(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、及時的前提下加以分析，并支持查詢、設(shè)置、可視化等。

2 裝配車間的數(shù)據(jù)采集類型及MES功能模塊

2.1 數(shù)據(jù)采集類型

車間運行中，需要關(guān)注工人、物料與機組等若干生產(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?，由于不能個體標識，所以直接保存箱號信息。工人與物料都屬于可識別的數(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固定的，可以長時間存儲。

機組設(shè)備狀態(tài)就是對裝配車間生產(chǎn)線狀態(tài)的采集與記錄。整個過程重點是采集及保存各個類型產(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[2]。零部件制作中，數(shù)據(jù)來源是機組運行參數(shù)，需要長時間積累。另外，各類工件加工中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)會有不同，結(jié)合加工及裝配期間采集到的動態(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)當包括物料、工人等多項數(shù)據(jù)，相關(guān)人員能按照工件ID，查找到有關(guān)資料。

2.2 MES功能模塊

MES選擇模塊化的設(shè)計模式，結(jié)合具體使用需要，開發(fā)若干個功能模塊，各部分獨立運行，操作人員能直接挑選相應(yīng)模塊，進入所需的界面。數(shù)據(jù)采集包含標簽識別與信息采集，對其的開發(fā)應(yīng)當配備合適硬件，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.識別標簽。基于選擇的標識形式，在對象設(shè)置相應(yīng)標簽的情況下，零部件裝配全過程均能對其進行識別，采集對象信息。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)入識別出的標簽，這樣能節(jié)省人工錄入的時間，并保障查詢的準確度。b.員工資料錄入。擁有高權(quán)限的管理員能通過系統(tǒng)對員工資料進行更改、新增等操作，保存好后，可調(diào)用形成的標簽。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，還有機器采集點、信息查詢與復(fù)檢等。

3 裝配車間MES的數(shù)據(jù)采集功能開發(fā)剖析

3.1 歐姆龍PLC

借助FINS協(xié)議，能完成歐姆龍PLC信息作業(yè)?；贗P、端口以及其他連接參數(shù)的設(shè)定，把PLC當成TCP Server，由上位機發(fā)出連接申請。在該過程中，信息傳輸是利用TCP協(xié)議實現(xiàn)。根據(jù)基本編程思路，PLC通信期間主要涉及到以下幾個對象：a.TCP Client，其能和PLC連接、收發(fā)報文；b.發(fā)出報文，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)的報文，主要用在通信傳輸上；c.操作參數(shù)，涉及到報警碼、指令代碼與點位數(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；d.響應(yīng)報文，由PLC側(cè)發(fā)出的報文，內(nèi)容有：報警、讀取返回的信息[3]。

系統(tǒng)運行中，讀取與改動PLC信息，需要和PLC連接，把讀寫指令、改動信息、地址等當作生成報文的依據(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)報文部分，其報警碼是“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”，之后生成的報文應(yīng)將讀取內(nèi)容包括在內(nèi)。通過分析響應(yīng)報文的各個部分，就能了解到操作情況。

3.2 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現(xiàn)通信。該協(xié)議和FINS存在相似之處，PLC都是當成TCP服務(wù)器，通過報文傳輸，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。在上位機訪問CPU期間，僅可以在收到PLC響應(yīng)報文后，才能下達其他指令。但和FINS相比，MC省略連接的步驟，能提升通信運行效率。

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

3.3 西門子PLC

西門子PLC和上位機之間的信息傳送，借助多項協(xié)議，但相應(yīng)內(nèi)容是加密的。運用西門子中的OPC服務(wù)，包含若干對象，涉及到狀態(tài)及版本等數(shù)據(jù)，并帶有管理群對象的方式函數(shù)。在一個服務(wù)對象內(nèi)，存有數(shù)個群對象，而在群對象中則有組屬性與管理Item方式。后者在OPC里是最小模塊，實質(zhì)上不屬于數(shù)據(jù)項，應(yīng)當是具體點位的映射形式，可視為系統(tǒng)程序內(nèi)的指針地址。其共有三個重要屬性，即質(zhì)量、時間戳與值。常規(guī)客戶端能讀寫Item值?？蛻舳撕蚈PC服務(wù)間的通信，有三類形式可選。a.同步通信，相當于“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間，均是在等待中。b.異步通信，客戶端將會訪問的內(nèi)容傳送到服務(wù)器后快速退出，此時客戶端能繼續(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，這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)器會自動對其中的信息實施動態(tài)監(jiān)視，在數(shù)值有變化時，相當于觸發(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)下載至計算機本地；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]。

3.4 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)當進行接口整合。對于連接與點位讀取參數(shù)有區(qū)別的情況，可通過把全部寫入?yún)?shù)均設(shè)置成同一字符型實現(xiàn)。實踐中，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)議對應(yīng)實現(xiàn)類，需在解析報文格式的前提下，把TCP Client當成收發(fā)報文的媒介；報警碼說明和數(shù)據(jù)信息對應(yīng)碼當成配置內(nèi)容，支持操作人員查詢。OPC相應(yīng)的實現(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)器名稱與對應(yīng)安裝工控機的IP。

實現(xiàn)接口整合的前提下，將通信期間涉及到的各項操作，統(tǒng)一函數(shù)名稱與參數(shù)。針對各類通信方式，做好接口繼承與封裝。基于該調(diào)整思路，僅需調(diào)取具體接口方法，就能進行相應(yīng)的通信操作。系統(tǒng)運行過程中，按照PLC類型與通信方法，挑選適宜的類方法支持操作，借此達到統(tǒng)一接口的目的。

3.5 采集功能實現(xiàn)

汽車零部件的生產(chǎn)線上，有不同類型的設(shè)備，通過實現(xiàn)統(tǒng)一接口，就能選擇更為高效的通信方式。但在進一步對比分析中，連接與點位參數(shù)對應(yīng)的個數(shù)模式也有區(qū)別。比如說，在FINS協(xié)議中，應(yīng)結(jié)合軟元件存儲內(nèi)容與數(shù)據(jù)種類，轉(zhuǎn)化成報文碼，但Item地址則會形成字符串。假設(shè)對各種PLC的不同點位參數(shù)，均單獨設(shè)置屬性段，難免會引發(fā)屬性段偏多的運行缺陷，而且在系統(tǒng)運行后期，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。對于該問題，可把數(shù)據(jù)庫內(nèi)的表結(jié)構(gòu)進行集約化設(shè)置，把分析及處理參數(shù)全部交由軟件進行。比如點位地址，其字符長度可設(shè)置成50個，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)程序側(cè)選擇字符分離的方法，各字符串之間，借助“-”、“_”以及空格進行簡單分隔，例如，“275 Word 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實例對應(yīng)的通信類運行。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)形成事實統(tǒng)一處理。在形成其他連接形式以及點位后，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)機械的工作。

4 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，可基于多個傳輸協(xié)議與OPC技術(shù)，進行接口集約化處理。并根據(jù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)點位表，實現(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展度，能夠適應(yīng)裝配車間的信息管理訴求，達到動態(tài)化監(jiān)控的目的。

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[4]于泓聿.基于MES的F汽車零部件公司生產(chǎn)管理改進研究[D].長春：吉林大學(xué)，2020.

作者簡介：

楊雪飛，男，1976年生，研究方向為非標自動化設(shè)備開發(fā)、上位機、下位機程序編寫與調(diào)試。