基于三菱SFC 順序功能圖的CIM 系統的設計及實現

王 毅， 張辰星

（中電科風華信息裝備股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

工業從1.0 時代發展到4.0 時代，已經遠遠超出了生產制造本身，更多表現為企業如何精準控制成本，按需、快速、個性化地完成定制生產，實現生產、管理和營銷方式的變革，逐步增強市場競爭能力。綜合來看，工業應用體現出網絡化、數字化、智能化的三大特點，這對整個生產制造周期提出了諸多方面的挑戰。隨著海量的設備接入使得身份鑒定、設備管理等成為工業安全的隱患。當前智能生產線中，高度協同的生產單元涉及各種生產設備，這些設備的身份辨識可信、身份管理可信、設備訪問控制可信是多方協作的基礎，也是實現人與設備、設備與設備之間的高效、可信、安全地交換設備信息的關鍵，同時，這也對設備全生命周期的管理過程及企業智能化管理提出了新的要求。

CIM生產智能采集系統，是一種專門針對在區塊鏈工業化生產中，實現全方位管理的智能處理方案，其終端可以實現數據識別、數據采集、數據備份以及信息傳輸等多種功能，還可以通過控制中心實現對大量終端設備的管理和控制。通過終端與MES（后臺管理系統）的配合，實現流水線控制、物料跟蹤及可追溯等管理功能，被越來越多的現代企業重視及應用。

1 目前CIM 系統設計現狀及SFC 優勢

1.1 CIM系統設計現狀

目前針對CIM系統的設計，就編程載體來說，主要分為工控機及可編程控制器（PLC）兩種方式，其中又以PLC 編程最為多見。PLC 編程邏輯性強，但對軟件工程師要求較高，對于需要存儲、處理、傳輸大量信息的CIM系統設計來說，若按照常規思路設計程序，會產生大量繁雜的工作，同時又不利于后期系統的維護[1]。

以面板生產廠家所使用的自動化生產線為統計對象，在用PLC 設計CIM 系統時，目前很少有人采用順序功能圖（Sequential Function Chart，SFC）的設計方式，究其原因，一來是因為CIM系統屬于智能制造下的新產物，在行業內并沒有形成統一的規范及標準；二來是CIM程序載體繁多，有三菱、歐姆龍、松下及其他可編程控制器等，其中有些可編程控制器是不支持SFC 功能的。傳統編程方法如圖1 所示。

圖1 傳統編程方法

CIM系統要求具備極高的通訊速度，在信息處理中，若采用傳統梯形圖或結構化編程，往往在監控時不容易捕捉目標點；同時，對于邏輯規范明顯的項目，從頭至尾的編程方式，又突顯了傳統方法的不足，因此在程序設計時，采用一種既能方便設計，又方便監控，同時又具可維護性的設計方法，顯得尤為重要。

1.2 SFC 在CIM設計中的優勢

順序功能圖(Sequential Function Chart，SFC)是分析和設計電氣控制系統順控程序的重要工具，同時又是一種PLC 編程語言。它主要由步、動作和轉換組成。通過將一個復雜的順控過程分解為一些小的工作步序，對每個工步的功能分別處理后再將它們依順序連接，組合成整體的控制程序。它提供了一種組織程序的圖形方法，體現了一種編程思路，主要表述為是由一個狀態在滿足一定的轉換條件時轉移到另一個狀態。狀態即為“步”。所以，順序功能圖也稱為狀態轉移圖，如圖2 所示。

圖2 SFC 示意圖

CIM系統主要分為三個部分：一是區塊鏈節點設備向CIMPC 上報事件；二是CIM PC 向節點設備下發指令；三是節點設備與CIM PC 之間的數據交互。無論哪一種形式的信息交互，都有時序固定、邏輯清晰這兩個特點，而SFC 編程方式，本身又適用于時序固定及邏輯性強的大型程序的設計，因此，SFC 為CIM系統提供了一種很好的設計方法。

2 程序設計

本設計基于三菱 Q06UDV CPU， 使用MELSOFT GX Works2 進行編程，實現了對區塊鏈中某節點設備數據包的上報及控制。本文以某項目CIM 系統中的一部分—上料Port 為例，闡述設計思想及相應成果[2-3]。

上料Port 主要實現對物料的接收，根據某智能工廠關于CIM 的通用規格，上料Port 處，主要根據不同的節點實時更新Port 狀態，并上報給CIMPC，CIMPC 根據Port 口狀態及其信息流，給對應設備下發指令及信息，從而實現設備Port 口的管控及上料進程。CIM信息上報設計流程圖，如圖3 所示。

上料請求后，本區塊鏈設備向CIM PC 報送“Port No Cassette Exist”狀態，待MES 系統回復后，執行掃碼流程，并報送“VCR Read Result Report”事件，MES 確認回復后，報“Port Cassette Exist”狀態，MES收到Exist 狀態后，給設備回復，設備向MES 請求“Port Tray Quantity Request”，MES 根據設備請求內容，查詢數據庫，并下發相應信息給請求者，若查詢OK，區塊鏈設備切成“Waiting for data”狀態，并執行信息下載；若查詢NG，區塊鏈報警，并跳轉離開。

當區塊鏈設備得到產品信息后，將設備狀態切成“Waiting for start”狀態，MES 下發PPID 信息，區塊鏈設備自動分析查詢PPID，若符合本機Recipe，切設備狀態為“Waiting for processing”并Receive；若PPID 中所含信息可以在本區塊設備中找到，且是合法信息，區塊設備自動切換Recipe，并跳轉執行相應流程；若MES 直接Cancel，區塊鏈設備停止進料，并跳轉到下料流程。程序設計如圖4 所示[4]。

圖3 Port 處CIM 信息設計流程圖

圖4 程序設計界面

3 結論

1）通過本設計可以看出，SFC 編程方法在應用時，程序不同于傳統梯形圖的設計，而是通過繪制功能流程圖實現。SFC 編程方法富有邏輯性且直觀，易于在復雜邏輯程序中高效編程、檢查、調試和修改，而時下在工業生產中最熱門的CIM 系統，對上報信息的時序性要求相對固定，正好符合SFC 編程的特點。

2）將三菱SFC 編程的方法應用在某智能工廠CIM系統的開發實踐中，項目實踐結果表明：通過采用SFC 編程方法，很大程度上提高了CIM系統設計的效率；該控制系統功能穩定，使用方便，又具有良好的可維護性；若可編程控制器不支持SFC 功能，亦可在梯形圖程序的設計中采用此思想，對CIM 系統的開發會大有幫助。