CNC系統(tǒng)生產(chǎn)車間MES系統(tǒng)的研究與開發(fā)*

段亦波　涂海寧　陸　遠

(南昌大學(xué)機電工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

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CNC系統(tǒng)生產(chǎn)車間MES系統(tǒng)的研究與開發(fā)*

段亦波涂海寧陸遠

(南昌大學(xué)機電工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

為適應(yīng)新工廠CNC系統(tǒng)生產(chǎn)線自動化、智能化的需求，以CNC系統(tǒng)加工車間為研究對象，針對企業(yè)當(dāng)前存在的問題，設(shè)計開發(fā)了一套生產(chǎn)制造集成平臺——制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES系統(tǒng))。通過分析MES和上層ERP系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流程關(guān)系，以及下層自動化系統(tǒng)的集成特性，給出了該系統(tǒng)功能模型、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及設(shè)備集成架構(gòu)，實現(xiàn)了通過MES系統(tǒng)對產(chǎn)品全制造過程的數(shù)據(jù)采集、驗證防錯及生產(chǎn)信息的追溯化。實際應(yīng)用效果表明，MES系統(tǒng)的使用減少生產(chǎn)工藝中的錯漏現(xiàn)象，提升了生產(chǎn)質(zhì)量。

制造執(zhí)行系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集；系統(tǒng)集成

MES系統(tǒng)是CIMS(computer integrated manufacturing system)的橋梁，是實現(xiàn)車間敏捷制造的基本技術(shù)手段。隨著企業(yè)管理水平的提高和信息化技術(shù)水平的提升，原有孤立、跟上下層聯(lián)系少的、數(shù)據(jù)管理混亂、功能碎片化、產(chǎn)品質(zhì)量無法追溯的生產(chǎn)管理系統(tǒng)不斷被集成性好的制造執(zhí)行系統(tǒng)所替代。在國外，MES不但在理論上取得了很大成果，如K.Messer、S.Voge[1]等學(xué)者提出在虛擬工廠環(huán)境下MES的體系結(jié)構(gòu)框架,運用Web發(fā)布技術(shù)開發(fā)實現(xiàn)了一種協(xié)同制造執(zhí)行系統(tǒng)C-MES；在應(yīng)用方面也取得了很大的進展，MES在國外很多國家的流程制造和離散制造行業(yè)己經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化,如GE、Honeywll通過MES為切入點,向企業(yè)上層信息化系統(tǒng)延伸產(chǎn)品的功能[2]。目前國內(nèi)對于MES的研究也比較廣泛，不少學(xué)者做了相關(guān)研究，如基于遺傳算法的多車間協(xié)同調(diào)度和車間信息采集[3]；從通用標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)特點和個性化需求3個方面對MES進行了設(shè)計[4]。但是專門對CNC系統(tǒng)生產(chǎn)車間企業(yè)的MES研究很少，通常只是停留在企業(yè)生產(chǎn)過程的某個環(huán)節(jié)，并且對車間產(chǎn)品過程數(shù)據(jù)的實時采集、分析處理等方面比較薄弱,缺乏完整、實時、準(zhǔn)確的信息采集和反饋，在一定程度上影響了車間的生產(chǎn)效率和進度，不能滿足客戶個性化的需求。

本文針對CNC系統(tǒng)生產(chǎn)車間的特點，結(jié)合WCF雙工通信技術(shù)和OPC技術(shù)，重點針對車間數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)實時傳遞的實現(xiàn)，開發(fā)了一整套生產(chǎn)制造集成平臺——制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES系統(tǒng)) ，MES系統(tǒng)能有效地減少人工錯誤率，增加生產(chǎn)過程可追溯性，通過與企業(yè)的SAP系統(tǒng)、WMS倉庫管理系統(tǒng)、機器人PLC的信息集成，確保出廠數(shù)據(jù)和CNC系統(tǒng)配置相互比配，實現(xiàn)了從訂單到生產(chǎn)、倉儲、物流的全流程信息化。打破信息孤島，實現(xiàn)了對CNC生產(chǎn)全過程的信息監(jiān)控。

1　系統(tǒng)建模及架構(gòu)

1.1模型建立

CNC控制系統(tǒng)生產(chǎn)車間MES系統(tǒng)符合AMR三層模型標(biāo)準(zhǔn)，AMR把MES定義在位于管理層和控制層之間的一層[5](圖1)，是企業(yè)經(jīng)營戰(zhàn)略到具體實施的一道橋梁[6]，它針對CNC系統(tǒng)車間生產(chǎn)制造與管理脫節(jié)、生產(chǎn)過程控制與管理信息不及時等現(xiàn)狀，集成了企業(yè)管理、車間中生產(chǎn)調(diào)度、庫存管理、工藝管理、質(zhì)量管理、過程控制等相互獨立的系統(tǒng)，使這些系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)實現(xiàn)完全共享，解決了信息孤島狀態(tài)下的企業(yè)生產(chǎn)信息數(shù)據(jù)重復(fù)和數(shù)據(jù)矛盾的問題[7]。

車間MES系統(tǒng)的主要模塊包括：系統(tǒng)設(shè)置、計劃管理、過程管理、用戶權(quán)限管理、過程監(jiān)控管理、質(zhì)量管理、產(chǎn)品追溯、統(tǒng)計報表、參數(shù)表查詢等，其中過程管理模塊主要包括預(yù)生產(chǎn)線(分為預(yù)生產(chǎn)手動線和預(yù)生產(chǎn)自動線)和客戶化線，兩條線箭頭連接分別代表的是各自的工位，如圖2所示。

1.2整體架構(gòu)

MES系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖3所示，方案擬在每個工位配置PC終端，生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)程序放在兩臺生產(chǎn)服務(wù)器(兩臺服務(wù)器做成雙機熱備)，歷史查詢服務(wù)器主要是負(fù)責(zé)歷史數(shù)據(jù)的查詢和同步，線邊服務(wù)器主要負(fù)責(zé)PLC數(shù)據(jù)的采集，機器人主要包括2臺M20i

搬運機器人和4臺M10i型裝配機器人，以及其他軟硬件設(shè)施。

2　關(guān)鍵集成技術(shù)

2.1軟件系統(tǒng)集成技術(shù)

(1)接口技術(shù)

目前，SAP集成技術(shù)主要包括RFC接口技術(shù)、BC接口技術(shù)、BAPI接口技術(shù)和ALE-IDoc接口技術(shù)。考慮到RFC接口技術(shù)的靈活性以及本系統(tǒng)的開發(fā)平臺，本系統(tǒng)采用的是基于RFC接口技術(shù)實現(xiàn)MES和SAP之間的程序通訊。RFC技術(shù)是非SAP和 SAP系統(tǒng)之間通訊的核心，它提供雙向連接功能[8]。這種遠程功能可以在SAP系統(tǒng)內(nèi)部進行，也能由外部系統(tǒng)調(diào)用，實現(xiàn)在一個系統(tǒng)中遠程調(diào)用另外一個系統(tǒng)中的函數(shù)模塊的功能，而且調(diào)用系統(tǒng)和被調(diào)用系統(tǒng)中至少有一個必須是SAP系統(tǒng)。但通常情況下，調(diào)用程序和被調(diào)用程序處于不同系統(tǒng)，本系統(tǒng)就是如此。

(2)MES&ERP集成的模塊接口信息及操作接口的實現(xiàn)

實現(xiàn)MES系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)集成的模塊基本信息，主要包括物料主數(shù)據(jù)下傳、生產(chǎn)訂單下傳、銷售訂單下傳、外向交貨單下傳、CNC特性下傳、維修服務(wù)訂單下傳、MES修改服務(wù)訂單報工上傳、MES修改生產(chǎn)訂單技術(shù)關(guān)閉上傳、MES修改維修服務(wù)訂單上傳、MES寫入SAP設(shè)備BOM上傳、MES寫入SAP系統(tǒng)中間表上傳。

MES系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)操作接口的實現(xiàn)，在此以MES讀取銷售訂單進行分析。在本系統(tǒng)的客戶化線的整個工位上，MES系統(tǒng)需要得到某個CNC產(chǎn)品的整個銷售信息，ERP提供給MES的銷售訂單信息如表1。

2.2硬件系統(tǒng)集成技術(shù)

(1)上位機軟件采集PLC數(shù)據(jù)

上位機軟件采集PLC數(shù)據(jù)有很多種途徑。OPC是其中較為流行的方法，OPC(OLE for process control)是以微軟公司的DNA(distributed internet application architecture)架構(gòu)和OLE/COM(component object model)技術(shù)為基礎(chǔ)，定義了工業(yè)制造系統(tǒng)過程控制中的標(biāo)準(zhǔn)化接口，使得不同的工控供應(yīng)商的軟硬件產(chǎn)品之間能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享和互操作。OPC本質(zhì)上是C/S模式，OPC服務(wù)器由自動化廠家開發(fā)，Rslinx即羅克韋爾公司開發(fā)的用于讀寫自家PLC的OPC服務(wù)器。MES采集程序即OPC client(客戶端)。兩者間的通信應(yīng)遵循 OPC數(shù)據(jù)訪問協(xié)議。

表1　ERP提供給MES的銷售訂單信息

(2)MES和OPC服務(wù)的集成

MES 采集程序為了讀取Rslinx數(shù)據(jù)，還需要數(shù)據(jù)訪問動態(tài)鏈接庫。本系統(tǒng)采用的是凱普華公司(Kepware)的ClientAce控件。ClientAce完全兼容OPC數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)，從內(nèi)部實現(xiàn)了OPC數(shù)據(jù)訪問自定義接口，并帶有OPC的連接、斷開和標(biāo)簽讀寫等函數(shù)，最后獲取的結(jié)果將調(diào)用存儲過程寫入數(shù)據(jù)庫。

3　MES系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)

3.1車間數(shù)據(jù)采集

車間數(shù)據(jù)的采集對于生產(chǎn)過程管理十分重要，其旨在掌握生產(chǎn)信息從而達到控制生產(chǎn)，實施并執(zhí)行生產(chǎn)進度。此系統(tǒng)主要對CNC系統(tǒng)車間以下幾種數(shù)據(jù)進行了采集。

(1)CNC系統(tǒng)參數(shù)的采集

CNC系統(tǒng)參數(shù)的采集在預(yù)生產(chǎn)線的“溫前實驗”工位進行的，主要是通過定義好的API接口，將接口函數(shù)打包，供MES系統(tǒng)以非托管代碼形式調(diào)用，采集的相關(guān)信息包括系統(tǒng)的硬件參數(shù)和軟件參數(shù)，采集結(jié)果如圖4。

(2)機器人PLC數(shù)據(jù)的采集

在上節(jié)已經(jīng)提到，MES系統(tǒng)與PLC通過 OPC 協(xié)議和RJ45以太網(wǎng)對機器人系統(tǒng)的PLC進行數(shù)據(jù)采集，此過程中主要采集的數(shù)據(jù)有老化室的溫度、生產(chǎn)線的在制品、不良品和下線品數(shù)量、高溫料架和冷卻料架數(shù)量累計、CNC產(chǎn)品的所有相關(guān)信息。

3.2WCF雙工通信技術(shù)

由于MES系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的實時性要求比較高，數(shù)據(jù)在各個工位之間的快速傳遞顯得尤為重要。本系統(tǒng)采用的是基于net.tcp協(xié)議的WCF雙工通信，客戶端在進行服務(wù)調(diào)用的時候，附加上一個回調(diào)對象；服務(wù)在對處理該處理中，通過客戶端附加的回調(diào)對象，將MES系統(tǒng)根據(jù)事先定義好的“數(shù)據(jù)契約”封裝起來的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過net.tcp協(xié)議回調(diào)給客戶端。整個消息交換的過程實際上由兩個基本的消息交換構(gòu)成，其一是客戶端正常的服務(wù)請求，其二則是服務(wù)端對客戶端的回調(diào)。MES系統(tǒng)和各個服務(wù)以及數(shù)據(jù)庫之間的聯(lián)系如圖5所示。

圖5是MES系統(tǒng)和服務(wù)之間的整體架構(gòu)。現(xiàn)以“溫前實驗”工位為例，介紹基于WCF服務(wù)的工位數(shù)據(jù)實時傳遞，其流程圖如圖6所示。

3.3OPC技術(shù)的研究

上面已經(jīng)講到，MES系統(tǒng)采集PLC的數(shù)據(jù)，OPC是其中較為流行的方法。OPC是當(dāng)今工業(yè)界最先進的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。MES系統(tǒng)采集程序和PLC之間的通信應(yīng)遵循 OPC數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)。OPC標(biāo)準(zhǔn)主要包括實時數(shù)據(jù)訪問接口規(guī)范、歷史數(shù)據(jù)訪問接口和數(shù)據(jù)交換規(guī)范等。實時數(shù)據(jù)訪問接口規(guī)范面向?qū)崟r數(shù)據(jù)處理；歷史數(shù)據(jù)訪問接口規(guī)范面向用來進行趨勢顯示、報表、歷史分析的數(shù)據(jù)，這些規(guī)范的建立克服了工業(yè)通信接口不統(tǒng)一的缺點[9]。

OPC標(biāo)準(zhǔn)采用的是客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，MES采集程序作為OPC客戶端，可以不包含任何通信接口程序，不必關(guān)心底層的硬件設(shè)備特性，也不必考慮軟硬件如何通信，只要遵循數(shù)據(jù)接口協(xié)議，就能夠從數(shù)據(jù)服務(wù)器中取得數(shù)據(jù)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的靈活配置和多種系統(tǒng)的真正集成[10]。OPC數(shù)據(jù)訪問功能如圖7。

4　系統(tǒng)實例驗證

4.1過程數(shù)據(jù)可追溯

系統(tǒng)可以提供多方面、多層次、時間跨度大的統(tǒng)一查詢功能，如圖8，針對產(chǎn)品的采集信息、訂單信息、產(chǎn)品到達工位情況以及完成狀態(tài)等重要信息，系統(tǒng)都能提供過程數(shù)據(jù)的可追溯性查詢：系統(tǒng)管理員通過條件查詢可以快速地知道每個節(jié)點的產(chǎn)品信息以及產(chǎn)品的日志信息，掌握產(chǎn)品信息便于維修部后期進入廠家對CNC系統(tǒng)進行相關(guān)維護，并且知道產(chǎn)品的日志信息便于明確責(zé)任，能夠保證工藝編制質(zhì)量。

4.2生產(chǎn)過程數(shù)字化

(1)掌握生產(chǎn)現(xiàn)狀：讓生產(chǎn)現(xiàn)場的進度和數(shù)據(jù)對關(guān)鍵用戶透明。(2)構(gòu)建產(chǎn)品生產(chǎn)過程全程追蹤：從半成品出庫到成品入庫，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量、物料、人員等信息的可回溯性，以便于生產(chǎn)防錯、質(zhì)量管理和售后服務(wù)。(3)實時、高效、準(zhǔn)確的生產(chǎn)數(shù)據(jù)管控：在與相關(guān)的自動化、信息化系統(tǒng)信息集成的基礎(chǔ)上建立生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)各種生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)的匯總統(tǒng)計、報表打印等功能，實現(xiàn)了生產(chǎn)的數(shù)字化管理，并為領(lǐng)導(dǎo)決策提供全面準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。(4)提升產(chǎn)品質(zhì)量：通過MES系統(tǒng)對CNC產(chǎn)品全制造過程的數(shù)據(jù)采集、驗證防錯及相關(guān)的檢索功能，可實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)信息的追溯化，以減少生產(chǎn)工藝中的錯漏，提升生產(chǎn)質(zhì)量。(5)智能化的生產(chǎn)排程方式：導(dǎo)入生產(chǎn)訂單，可根據(jù)生產(chǎn)線自動排程。(6)無紙化的生產(chǎn)模式：摒棄了紙質(zhì)版的檢查單，所有數(shù)據(jù)存入MES系統(tǒng)，通過工位之間的推送實現(xiàn)數(shù)據(jù)間的交互。(7)工作效率的提升:生產(chǎn)訂單批量報工和技術(shù)關(guān)閉，無需再跨瀏覽器進入SAP系統(tǒng)報工；在工位上通過FTP協(xié)議，可以自動生成所需文件，無需通過通訊工具進行文件傳輸。(8)現(xiàn)場管理水平的提升：各條生產(chǎn)線實時監(jiān)控，管理者可實時了解現(xiàn)場生產(chǎn)狀況。

5　結(jié)語

本文以某公司CNC系統(tǒng)生產(chǎn)車間為研究對象，利用某公司提供的API接口數(shù)據(jù)讀寫技術(shù)、WebService技術(shù)、RFC接口技術(shù)、OPC技術(shù)以及WCF服務(wù)，根據(jù)車間的現(xiàn)有的生產(chǎn)狀況研發(fā)出了與SAP和設(shè)備之間集成的MES系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)在CNC系統(tǒng)生產(chǎn)車間的實施和推廣，解決了困擾車間功能碎片化、功能不足、可靠性一般、可拓展性、維護性差、無法貼近車間實際生產(chǎn)作業(yè)過程的優(yōu)化集成應(yīng)用等難題，成功實現(xiàn)了通過集成控制包括物料、設(shè)備、人員、工藝在內(nèi)的所有制造資源，管理從計劃到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)活動以支持連續(xù)高效生產(chǎn)，實現(xiàn)對生產(chǎn)全過程的管理。

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(編輯譚弘穎)

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The research and development of CNC system production workshop’s manufacturing execution system

DUAN Yibo, TU Haining, LU Yuan

(School of Mechanical Engineering，Nanchang University, Nanchang 330031, CHN)

In order to adapt to the automatic and intelligent demand for CNC system product line in new factory, in view of the current problems existing in the enterprise and setting the CNC system workshop as the study object, designs and develops a set of manufacturing integrating platform—the manufacturing execution system (MES). Through the analysis of the data flow relationship between MES and ERP system and the integration features of the automation system , gives the system function model, system structure and equipment integration architecture, through the MES, achieved that the data collection of the whole manufacturing process, validation ,the traceability of production information. Practical application effect shows that the use of MES system reduced errors in the production technology and improved the production quality.

manufacturing execution system (MES); data collection; system integration

TH-9；TH18

A

段亦波，男，1989年生，碩士研究生，主要從事制造業(yè)信息化與管理方面的研究。

2015-10-08)

160232

*國家自然科學(xué)基金( 61263045)