數(shù)字工廠管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換方法的設(shè)計(jì)

摘 要：數(shù)字工廠是一種新興的制造模式，其靈活的生產(chǎn)方式及高自動(dòng)化水平，為世界各大制造企業(yè)所認(rèn)可。而傳統(tǒng)制造業(yè)管理信息系統(tǒng)往往與制造設(shè)備不能良好的對接，造成計(jì)劃不能準(zhǔn)確的下達(dá)和監(jiān)控。文章介紹的數(shù)字工廠信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換方法是將數(shù)據(jù)按照指定的格式編制成數(shù)據(jù)交換代碼存入數(shù)據(jù)表中，再由下一層組態(tài)軟件讀取并解析，按照解析后得到的信息驅(qū)動(dòng)各設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，并將生產(chǎn)狀態(tài)通過數(shù)據(jù)表反饋給數(shù)字工廠信息管理系統(tǒng)，從而使生產(chǎn)計(jì)劃準(zhǔn)確的下達(dá)給了設(shè)備。

關(guān)鍵詞：數(shù)字工廠 管理信息系統(tǒng) 數(shù)據(jù)交換 數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（a）-0002-02

信息化在如今的許多大制造企業(yè)中已經(jīng)有一定的基礎(chǔ)。在生產(chǎn)上已經(jīng)基本上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，先進(jìn)的管理系統(tǒng)與生產(chǎn)車間的高自動(dòng)化設(shè)備卻沒有有效的結(jié)合，在生產(chǎn)計(jì)劃的組織實(shí)施方式上相脫節(jié)，所形成的短板效應(yīng)嚴(yán)重的制約了制造企業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)與數(shù)字化控制優(yōu)勢的發(fā)揮，使制造企業(yè)不能發(fā)揮其應(yīng)具有高效率，形成了信息化鏈條中最弱的一個(gè)環(huán)節(jié)[1]。具備可直接將生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)到生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字工廠管理信息系統(tǒng)將是一座連通企業(yè)所有信息孤島的一座橋梁，使孤立的數(shù)據(jù)信息匯集成一個(gè)有機(jī)的信息整體。要實(shí)現(xiàn)上層管理軟件與下層生產(chǎn)設(shè)備的互動(dòng)，就必須實(shí)現(xiàn)上層管理信息系統(tǒng)與控制設(shè)備的組態(tài)軟件之間的數(shù)據(jù)交換[2]。

1 數(shù)字工廠的三層結(jié)構(gòu)模型

為了解決生產(chǎn)計(jì)劃的適應(yīng)性以及增加底層生產(chǎn)過程的信息流動(dòng)，提高計(jì)劃的實(shí)時(shí)性和靈活性。制造企業(yè)的數(shù)字工廠建成如圖1的三層集成模型，這種模型符合CIMS的遞階控制思想。

計(jì)劃層：強(qiáng)調(diào)企業(yè)的計(jì)劃性。充分利用企業(yè)內(nèi)的各種資源，進(jìn)行全理調(diào)配，可以根據(jù)訂單進(jìn)行物料需求運(yùn)算，安排生產(chǎn)計(jì)劃。數(shù)字工廠管理信息系統(tǒng)從生產(chǎn)管理的角度來看，屬于企業(yè)的計(jì)劃層。

控制層：控制層強(qiáng)調(diào)計(jì)劃的執(zhí)行和控制。數(shù)字工廠的控制系統(tǒng)通過組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備層進(jìn)行控制。

執(zhí)行層：是指由生產(chǎn)計(jì)劃的最終執(zhí)行者，即由工廠內(nèi)所有的生產(chǎn)設(shè)備所組成，這些生產(chǎn)設(shè)備都通過線纜與控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件相連接。

2 數(shù)據(jù)交換接口

數(shù)字工廠在使用組態(tài)軟件來開發(fā)生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)的集成和信息共享，必須進(jìn)行基于兩系統(tǒng)功能的對接，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)接口的設(shè)計(jì)開發(fā)，使數(shù)字工廠管理信息系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相對獨(dú)立，提高系統(tǒng)的靈活性，減少數(shù)字工廠管理信息系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的內(nèi)部耦合度。根據(jù)企業(yè)自己的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和目標(biāo)需求確定解決方案[3]。選擇數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)交換的媒介，而數(shù)字工廠管理信息系統(tǒng)與控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互接口的具體功能則是管理信息系統(tǒng)與控制系統(tǒng)同時(shí)維護(hù)著一個(gè)數(shù)據(jù)表。

數(shù)字工廠管理信息系統(tǒng)中接口模塊的設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

位于最上層-計(jì)劃層的數(shù)字工廠信息管理系統(tǒng)開放一個(gè)數(shù)據(jù)表可供控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件訪問，這張表稱為接口表。管理信息系統(tǒng)向組態(tài)軟件傳遞指令時(shí)，可以將要傳遞給的數(shù)據(jù)生成指令字符串存入緩存表中，并把緩存表中最早存入的指令字符串放入接口表中，狀態(tài)設(shè)為“new”；控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件每0.5 s讀取一次接口表，當(dāng)表中的指令狀態(tài)為“new”時(shí)，讀取這條數(shù)據(jù)，并將狀態(tài)置為“old”；生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)的接口模塊也設(shè)置每0.5 s訪問一次接口表，當(dāng)發(fā)現(xiàn)狀態(tài)為“old”時(shí)，就從緩存表中按順序取出一條新的字符串?dāng)?shù)據(jù)放入到接口表中，到此完成了一次管理信息系統(tǒng)向組態(tài)軟件傳遞數(shù)據(jù)。控制系統(tǒng)組態(tài)軟件的信息反饋與此過程相似，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向流通。

在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)緩沖表的原因在于機(jī)械動(dòng)作需要時(shí)間，控制系統(tǒng)控制生產(chǎn)設(shè)備執(zhí)行動(dòng)作相對于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算比較緩慢，在生產(chǎn)設(shè)備沒有完成某指令時(shí)，管理信息系統(tǒng)可能又生成一新指令信息等待執(zhí)行，這時(shí)就要在接口表前面加上一個(gè)接口緩沖表，用來存放暫時(shí)無法放入接口表的指令信息。管理信息系統(tǒng)生成的指令字符串依時(shí)間先后存入接口緩沖表中，此時(shí)這些指令的狀態(tài)都是“未進(jìn)入接口表”。生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)的接口模塊可以對接口表進(jìn)行監(jiān)視，如果發(fā)現(xiàn)接口表的數(shù)據(jù)已經(jīng)被讀取則立刻從接口緩沖表中取出時(shí)間最靠前的“未進(jìn)入接口表”的指令放入接口表中，同時(shí)將位于接口緩沖表中的這條指令的狀態(tài)改為“已進(jìn)入接口表”，等待控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件讀取。同時(shí)管理信息系統(tǒng)的接口模塊還要監(jiān)視控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件傳入數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)新數(shù)據(jù)（即此數(shù)據(jù)的狀態(tài)為“new”時(shí)）就立刻讀取并進(jìn)行處理，處理完成后還在將位于接口表中的數(shù)據(jù)狀態(tài)改為“old”表示已讀。

3 數(shù)據(jù)交換編碼

管理信息系統(tǒng)向控制系統(tǒng)傳遞的數(shù)據(jù)以指令形式放入接口，在管理信息系統(tǒng)與控制系統(tǒng)間已經(jīng)建立完整的信息格式協(xié)議。所有的指令都是長度不超過60個(gè)字符的字符串，以便于接口整條的讀取和寫入。指令主要有為庫位指令，加工指令等。

3.1 庫位指令

數(shù)字工廠立體倉庫的貨架是并列的貨架，在立體倉庫貨架中間有一臺(tái)堆垛機(jī)，堆垛機(jī)可以在貨架中間任意移動(dòng)，取放放置物料的周轉(zhuǎn)箱。關(guān)于庫位指令只有三種，單點(diǎn)入庫、單點(diǎn)出庫、單點(diǎn)移庫。批量操作時(shí)系統(tǒng)會(huì)將自動(dòng)將批量動(dòng)轉(zhuǎn)化為許多單點(diǎn)操作。

例如，控制系統(tǒng)從接口中獲得的單點(diǎn)移庫指令為：

YK001B1213A0102

其中YK001指的移庫單號碼，當(dāng)移動(dòng)動(dòng)作完成后控制系統(tǒng)將通過接口把這個(gè)號碼反饋給管理信息系統(tǒng)；

B1213：堆垛機(jī)取周轉(zhuǎn)箱的位置代碼，其中B表示是第2排，12表示第12層，13表示第13列；

A0102：堆垛機(jī)放周轉(zhuǎn)箱的位置代碼，其中A表示是第1排，01表示第1層，02表示第2列；

組態(tài)軟件會(huì)將指令解析成MOVE B1213 A0102并將這個(gè)字符串發(fā)送到堆垛機(jī)上。堆垛機(jī)就會(huì)從將B1213處的周轉(zhuǎn)箱移動(dòng)到A0102庫位。

3.2 加工指令

管理信息系統(tǒng)中生成了生產(chǎn)計(jì)劃后，針對每一個(gè)零件都會(huì)產(chǎn)生一條加工指令放入緩沖表，并由接口模塊適時(shí)地從緩沖表中取出加工指令填入接口表中。加工指令格式如下：

9FEA0101LA0102A0103LA0104A1B2 C3D4A5D6A7E8F9A1B2C3D4A5D6

指令包含了一個(gè)零件的毛壞所在庫位，制成成品存放的庫位，以及每一道工序所在工位和對應(yīng)的程序等信息。指令的具體意義可以參考表1。

根據(jù)表1可知，控制系統(tǒng)獲取這條指令后從A0101L處取出物料，并為其分配零件號9FE（用于跟蹤物料的加工進(jìn)度），物料經(jīng)過生產(chǎn)線到第一個(gè)加工工位，進(jìn)行第一道工序的加工，使用機(jī)器編號為A，加工所用程序?yàn)?；之后，物料經(jīng)過生產(chǎn)線到第二個(gè)加工工位，進(jìn)行第二道工序的加工，使用機(jī)器編號為B，加工所用程序?yàn)?；……；指令字符串的所工序完成后成品將送回A0103L這個(gè)庫位中去。

4 結(jié)論

通過文章所介紹的數(shù)據(jù)交換方法，只需在數(shù)字工廠的管理信息系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間分別開發(fā)數(shù)據(jù)接口模塊，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞格式的設(shè)計(jì)，就能保障企業(yè)頂層與底層信息的流通性。從數(shù)字工廠管理信息系統(tǒng)產(chǎn)生的生產(chǎn)計(jì)劃可以通過接口直接傳遞給控制系統(tǒng)，從而驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)。在數(shù)據(jù)交換的編碼格式上還可以進(jìn)一步的抽象，使編碼可以包含更多信息，例如裝配，涂裝等操作的信息。文中提出數(shù)據(jù)交換方法，允許數(shù)字工廠的管理信息與控制系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立的開發(fā)，降低了數(shù)字工廠軟件部署實(shí)施的難度和時(shí)間，具有一定的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]胡鑫.MES與ERP系統(tǒng)集成接口的研究與設(shè)計(jì)[D].長沙：湖南大學(xué)，2006.

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[3]蔡瀟雨.基于MES實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.