智能工廠MES關鍵技術研究

2017-04-27 05:25:39石宇強

制造業自動化 2017年4期

關鍵詞：智能生產設備

羅鳳，石宇強

（1.西南科技大學制造科學與工程學院，綿陽 621010；2.西南科技大學制造學院，綿陽 621010）

智能工廠MES關鍵技術研究

羅鳳1，石宇強2

（1.西南科技大學制造科學與工程學院，綿陽 621010；2.西南科技大學制造學院，綿陽 621010）

描述了一種智能工廠體系架構，建立智能工廠MES的總體體系框架結構。并且研究了MES數據采集和集成關鍵技術問題，將OPC UA運用到智能工廠MES中，實現智能工廠數據自動采集和無縫交互集成。建立OPC UA信息模型，加載到OPC UA服務器的地址空間。MES作為OPC UA的客服端，通過統一的地址空間，就可集成智能工廠各個子系統。

智能工廠；MES；OPC UA；信息建模

0 引言

數據采集是智能工廠實施MES的基礎，需要采集實時數據。而傳統MES大多掃描采集和手動輸入數據，不僅存在延時，而且存在一定的人為主觀誤差。同時，由于不同企業采用軟硬件環境不同，異構的軟硬件環境中，使得MES與其他信息軟件和設備集成是需要定制，這更加提高了集成的難度[1～4]。因此將OPC UA運用到智能工廠MES中，實現智能工廠數據自動采集和無縫交互集成。采用OPC UA標準接口通信技術，處理異構多源數據，實現異構軟硬件集成策略，完成企業完整信息化建設。

1 智能工廠體系架構

智能工廠可以分為兩部分，現實實體與虛擬模型。現實實體是物理層面的實體工廠，包含車間、生產線和智能設備等生產制造資源。虛擬模型是賽博空間中的虛擬數字化工廠，運用實體工廠實際生產過程中產生的數據以及生產信息進行數據建模仿真分析等，對生產過程進行迭代優化，實現流程最優[5～7]。實體工廠與虛擬工廠間相互作用相互支持：實體工廠為虛擬工廠提供數據與生產信息，是虛擬工廠的基礎；虛擬工廠通過對數據信息的分析，為實體工廠不斷提供生產最優方案，使其達到高效的生產效率、優質的產品質量以及低耗的能源使用的生產制造。而制造執行系統MES是智能工廠不可缺少的部分，是實現虛擬工廠與實體工廠信息通信和融合的關鍵，在此起到中間“橋梁”的作用。在虛擬制造過程中，制造執行系統MES采集實際制造中的生產數據，為其提供建模依據。虛擬制造模擬最優制造流程，MES以此進行生產排程，安排生產資源進行生產。在實際制造中，制造執行系統則對制造過程進行實時的監控與調整，進而使得制造過程體現出自適應、自優化等智能化特征[8]。如圖1論述了智能工廠以MES縱向、橫向以及端到端的集成實體工廠與虛擬工廠的離散制造智能工廠的體系框架。

2 智能工廠MES系統總體架構

依照ISA-95企業系統與控制系統集成國際標準，構建了如圖2的智能工廠MES系統的總體模型。智能工廠MES是一套閉環式的信息化整體解決方案，包含從原料、計劃、生產、包裝、配貨到發貨等環節的生產全過程精益管理，使管理者能夠即時準確的掌握工廠狀況。同時，系統融合了LEAN、6SIGMA、TQM等管理思想，幫助制造企業提升組織的營運效率，縮短交期，降低成本及提高質量。其中各業務模塊（生產排程、車間資源管理、物料管理、質量管理、追溯管理、生產管理、車間監控管理以及統計分析等）可以通過業務模型開發平臺快速進行二次開發。其中DMP為數據管理平臺，是將來自不同來源的數據以及不同結構的數據進行統一整合歸納，得到統一標準數據，以便應用到業務模塊。在傳統MES系統中，前期快速構建設備數據采集、業務處理等應用，而對于今后頻繁變化的業務部分（如添加異源硬件設備的接口等），是通過封裝變化、動態擴展的方式來應對。而在智能工廠MES中運用OPC UA統一接口技術，處理異構多源數據，實現異構軟硬件集成策略，完成企業以MES為核心的完整信息化建設。

圖1 智能工廠體系架構

圖2 制造執行系統體系架構

3 關鍵技術研究

OPC UA是一個不依賴平臺的標準，具有更高的安全性和可靠性。從原來局限于Windows系統的OPC技術，擴展完善到了Linux、Unix等各種系統，完成夸平臺的發展[9]。OPC UA被映射到一種通信協議（如TCP傳輸控制協議）上，數據可以不同形式編碼（如UA二進制形式或可擴展標記語言/文本形式）傳輸，標準化各個系統和設備接口，讓它們間在任何網絡中能進行無障礙通信。針對改善傳統信息通信的復雜度，實現控制層與MES間的數據雙向通信，在智能工廠MES運用OPC UA統一規范，標準化MES外部和內部各模塊之間的接口通信，使用這種標準化機制來確保簡單清晰的數據交換，方便后期維護，提高MES系統穩定性。這樣確保始終與制造商無關，任意設備只需提供OPC UA Server就可與任何系統進行信息通信。MES基于OPC UA集成上下層如圖3所示，與傳統優勢在于結構簡單，開發工作量小，而且數據傳送速度快穩定，可靠性高。

3.1 MES集成車間信息建模

MES的OPC UA客戶端訪問控制系統的OPC UA服務端的地址空間，以入口節點為起點，通過引用的語義（ReferenceType）和引用的方向暴露目標節點，實現采集和修改數據的目的[10]。OPC UA提供更有效的展示數據語義的可能性，不只提供數據，還能表示由某一特定類型的設備所提供，并允許暴露該種設備支持的類型層次。因此，OPC UA的客戶端可以獲得處理不同地方的同類設備的信息，自動集成由OPC UA服務器提供的數據。

圖3 基于OPC UA的MES集成框架

在DNS系統中，數控機床作為OPC UA客服端訪問匯總來自其每個傳感器OPC UA服務器采集的數據，并作為OPC UA服務器向系統客戶端PC提供數控機床匯總的數據，系統PC端再匯總每臺數控機床數據向MES客戶端提供實時數據。AGV系統和機器人系統也是以此集成數據，而各個系統和設備間都通過工業以太網連接，實現實時數據傳輸。MES通過OPC UA集成DNC系統、AGV系統、機器人系統等車間各控制系統（如圖4所示），實現實時自動采集數據，監控設備狀態與生產過程等功能。將DNC系統信息模型、AGV系統信息模型和機器人系統信息模型映射到OPC UA服務端的地址空間，以不同層次結構以及節點間引用類型的擴展（如圖5所示，定義了引用類型和基于基本對象類型BaseObjectType擴展的傳感器類型、設備類型和系統類型），并通過類型信息節點對外暴露不同語義，允許信息以不同形式連接，構建全網絡的節點網絡，實現車間設備互聯互通，達到信息化集成目的。

3.2 實例化信息模型

類型實例化是把抽象的SensorType類型實例化為具體的存在對象（如圖所示是DNC系統中傳感器實例化）。

依次實例化數控機床類型、DNC系統類型、AGV小車類型、AGV系統類型等，在地址空間建立了如圖7所示的MES集成車間信息模型。MES的客戶端應用程序根據創建的信息模型節點進行編程，基于集成系統的實例聲明，使用TranslateBrowsePathsToNodeId服務來訪問該實例的節點，實現實時自動化采集車間數據和信息的互操作性。