MES 在智能化車間中的應用技術

季華實驗室新型顯示技術與裝備研究中心 孫曌華

本文描述了一個基于MES 系統的智能化車間系統的整體構架。同時，對MES 系統的數據收集與整合進行了深入的探討，將OPCUA 應用于智能化車間MES 系統，從而達到了自動化生產過程中的自動化和人機的無縫整合。OPC 用戶端的OPC 客戶機的服務終端，利用統一的地址空間，實現了對設備的集成。

“中國制造2025”明確指出，今后10 年將重點發展智能研發、智能制造、智能管理和智能服務。實施智能工廠，必須從生產實施開始，通過對生產流程的功能性整合與最優化，以達到生產各環節的協調。在信息化進程中，生產單位的信息化管理和處理能力得到了顯著提高，以智能化生產為代表的新的生產經營方式與觀念將會是今后制造業發展的主要趨勢[1]。

在智能化生產過程中，數據的收集是實現MES 系統的前提，必須對現場的數據進行采集。但由于常規MES系統主要采用人工方式進行掃描、人工錄入，因此，既有時間延遲，又有人為因素造成的影響[2]。另外，由于各公司所使用的軟硬件環境、硬體、軟體等不同的應用，都會導致MES 系統與其他的軟件、裝備進行自定義，從而增加了系統的整合困難。在MES 系統中應用OPCUA，可以實現對企業的智能化生產過程進行自動化的采集和無縫的人機整合。利用OPCUA 標準的通信技術，對不同的異構、不同的資源進行分析，并實施不同的軟件和軟件的整合，從而完成整個企業的信息化。

1 智能工廠體系架構

實施智能化工廠，必須依靠車間的下級控制，通過對生產過程的數據進行統一的管理和存儲，從而對生產過程進行實時的追蹤[3]。從底層開始，將體系結構分成5個層次:

（1）網絡級:以網絡通信技術為基礎，實現了在各產業鏈上各公司的信息分享，實現協同研發、生產、物流、制造、服務等。（2）企業層面:包括生產計劃管理、采購管理、銷售管理、人員管理和財務管理等信息管理體系，以達到對生產的全面控制。（3）管理:由一個控制車間/廠房的生產的體系組成，它主要包含MES（MES）和一個產品壽命期管理軟件。（4）控制部分:由PLC、數據采集和監控、分布式控制系統等組成。（5）裝備層面:包括傳感器、儀表等的感測與執行器，在廠房的裝備層面，采用了兩路聯網通訊平臺，DNC 數控車將通過條碼識別、射頻、觸摸屏等技術，對特定車間進行數字控制。

智能廠房可以分為真實的和虛擬的兩個方面。“真實”是指物質層次上的“實物”，包括車間、生產線和智能裝備等生產要素。賽博空間中的一個虛擬的數字車間，它利用真實的生產過程中產生的生產數據和生產信息進行模擬，從而達到最優的生產工藝。虛擬企業是指在生產過程中，通過對生產過程中的數據和信息進行分析，為企業的生產提供持續優化的生產計劃，從而實現生產效率、產品品質和能耗的降低。MES 是智能化生產企業的重要組成部分，它是企業與企業之間的“橋梁”，是企業與企業之間的重要聯系[4]。在虛擬制造中，MES 通過對真實的制造數據進行收集，從而為其建立模型。該系統采用了基于最優化工藝的方法，實現了對產品的優化調度。在生產實踐中，MES 實現了對生產的動態監測和調節，從而實現了自適應、自優化等智能化特性。

2 智能工廠MES 系統總體架構

按照ISA-95 公司管理與控制系統的國際統一規范，建立了一個基于ISA-95 的MES 一體化管理體系。MES是一種由原料、計劃、生產、包裝、配貨、送貨等各個生產全流程的自動化控制系統，使得管理者可以及時、精確地了解企業狀態。并將LEAN、6 SIGMA、TQM等經營理念相結合，以協助生產單位提高生產經營效能、減少交貨期、節約生產費用、改善產品品質。在商業模式的基礎上，利用商業模式的開發，實現了對生產流程的二次優化，包括生產計劃、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、數據分析等。DMP 是一個數據處理平臺，它可以將各種數據源和各種組織的信息進行集成和匯總，形成一個統一的規范，用于商業模塊的應用。在常規MES 中，設備數據采集、業務處理等都是在早期迅速建立的，而將來經常變化的業務（比如增加外源性的設備界面等）則采用封裝變化和動態擴展的方法。而在MES 系統中，利用OPC UA 的統一界面技術，對不同的多個來源異構的數據進行分析，從而達到基于MES 的一體化的企業信息化體系，如圖1、圖2 所示。

圖1 智能工廠體系架構Fig.1 Intelligent factory architecture

圖2 制造執行系統體系架構Fig.2 Architecture of manufacturing execution system

3 關鍵技術研究

在網絡通信技術、數據庫技術以及現代電子商業等領域的廣泛應用，為MES 系統的實施奠定了堅實的基礎，而MES 技術是智能化生產中的一個重要環節[5]。

OPCUA 是一種更高的安全和可靠度的非平臺相關的標準。OPCUA 是一種通訊協定，例如，TCP 傳送控制協定，可以用UA 二進制格式或可擴充的標簽語言/文字格式對各系統和裝置界面進行規范化，使其能夠在任意一個網絡中進行無阻礙地通訊。為了解決傳統的信息通訊問題，以及解決管理層面與MES 的雙向數據傳輸問題，采用OPCUA 標準，將MES 內外模塊的接口進行規范化，采用此標準的方式保證了數據的簡潔、清晰，便于后續的維修，并增強了MES 的穩定性。這保證了永遠獨立于廠商，并且可以通過OPCUA 服務器和其他的系統進行信息交流。MES 以OPCUA 為基礎，實現了上下兩個層次的一體化，具有結構簡潔、開發工作量少、傳輸速率快、穩定性好、可靠性高等優點。

3.1 MES 與其他系統的集成技術

從整個體系結構來看，MES 位于企業的中層，實現MES 必須與其他的系統進行整合，實現人、機、料的全閉環和透明協同生產。其他系統主要有ERP 系統、工藝設計系統和企業系統。

3.2 生產計劃智能排產技術

（1）設計、工藝和工時數據庫，以全類別的生產為基礎。智能排產技術是將大量的生產過程中的歷史資料進行匯總，將人為的不穩定因素降到最低，同時也為制造留下了一定的多余空間，從而確保了項目的準時和質量。

（2）對排產過程進行智能分析的數學建模。在進行多層次的管理時，必須將產品的開發和制造過程、產品、零件、工序等都納入到數據的處理模式中。同時還要考慮到設備的實際處理能力、維修計劃等因素，以整體的產品產量為目的，可根據現場的生產狀況適時地進行相應的調整。

3.3 產品制造過程數據采集及管理技術

在生產工藝中，生產工藝的數據收集技術是基于在生產現場的各類CNC、傳感器（如光感、溫濕度傳感器）等，實現對生產現場的實時監測[6]。系統的基礎資料管理，以MES 相關的資料處理系統為基礎。當收集到的機器的錯誤數據傳送給后臺的中心處理器時，就會有一個固定的錯誤處理器來進行分析，然后再進行下一次的命令和判定。

3.4 MES 資源信息集成管理平臺構建技術

MES 的主要任務是建立一個多視角、多層次、可擴展的生產過程，其中包含了ERP 在采購、制造、庫存、使用、維護、報廢等過程中的生產過程；通過建立公司級的生產資源庫，對生產要素的語義模型和生產要素之間的關系進行分析，利用視圖和中間文檔來整合企業生產資源的相關信息，實現對生產資源的各個應用和服務的整合[7]。

3.5 MES 集成車間信息建模

MESOPC 用戶端存取控制系統OPC 用戶端的位置空間，利用參考語意（ReferenceType）和參考的指向，來獲取和修正數據。OPCUA 可以更高效地顯示出資料的語意，它不僅可以顯示資料，而且可以顯示某種特殊的裝置所提供的資料，并且可以顯示這種裝置所支援的類別層級。這樣，OPCUA 的客戶機就能從各個地點獲取相同的設備，并能將OPC 用戶端所能提供的數據進行自動整合[8]。

3.6 實例化信息模型

類型示例是將一個抽象的Sensor Type 實例化（例如，DNC 系統中的一個傳感器的示例）。

按此順序將數控機床類型、DNC 系統類型、AGV 小車類型、AGV 系統類型等進行了示例，并在此基礎上構建了MES 系統的一體化生產管理系統。MES 的客戶機應用程序是以所建立的資訊模式結點為基礎，利用Translate Browse Paths To NodeId Service 來存取此范例的結點，以完成對工場資料及資訊的即時收集，如圖3 所示。

圖3 智能工廠MES 集成網絡圖Fig.3 Intelligent factory MES integration network diagram

3.7 預期的創新點

借助運營管理中工藝設計、物流規劃等分析手段，運用人工智能、大數據、云計算等相關技術，對智能化車間中的生產過程進行分析，結合智能化車間中生產車間實際情況，完成其智能化改造的整體方案。

4 結語

在智能化企業MES 建設中，應用OPCUA 界面技術，解決了企業內部的智能化裝備與管理體系之間的異構整合問題，并在信息化模式層面上進行了交互。該系統能夠實現工業生產的自動化數據的采集，與底層的管理和企業的高層管理系統無縫整合。

MES 是智能化生產過程中的一個重要環節，它直接影響到企業內部的執行層面。MES 系統的實施，需要集成工藝設計系統、ERP 系統、車間生產計劃以及生產過程的智能化調度，對車間的數據進行精確的收集與管理。