數字工廠管理信息系統數據交換方法的設計

摘 要：數字工廠是一種新興的制造模式，其靈活的生產方式及高自動化水平，為世界各大制造企業所認可。而傳統制造業管理信息系統往往與制造設備不能良好的對接，造成計劃不能準確的下達和監控。文章介紹的數字工廠信息管理系統的數據交換方法是將數據按照指定的格式編制成數據交換代碼存入數據表中，再由下一層組態軟件讀取并解析，按照解析后得到的信息驅動各設備進行生產，并將生產狀態通過數據表反饋給數字工廠信息管理系統，從而使生產計劃準確的下達給了設備。

關鍵詞：數字工廠 管理信息系統 數據交換 數據庫

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：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中已經有一定的基礎。在生產上已經基本上實現了數字化控制，先進的管理系統與生產車間的高自動化設備卻沒有有效的結合，在生產計劃的組織實施方式上相脫節，所形成的短板效應嚴重的制約了制造企業數字化設計與數字化控制優勢的發揮，使制造企業不能發揮其應具有高效率，形成了信息化鏈條中最弱的一個環節[1]。具備可直接將生產計劃下達到生產設備的數字工廠管理信息系統將是一座連通企業所有信息孤島的一座橋梁，使孤立的數據信息匯集成一個有機的信息整體。要實現上層管理軟件與下層生產設備的互動，就必須實現上層管理信息系統與控制設備的組態軟件之間的數據交換[2]。

1 數字工廠的三層結構模型

為了解決生產計劃的適應性以及增加底層生產過程的信息流動，提高計劃的實時性和靈活性。制造企業的數字工廠建成如圖1的三層集成模型，這種模型符合CIMS的遞階控制思想。

計劃層：強調企業的計劃性。充分利用企業內的各種資源，進行全理調配，可以根據訂單進行物料需求運算，安排生產計劃。數字工廠管理信息系統從生產管理的角度來看，屬于企業的計劃層。

控制層：控制層強調計劃的執行和控制。數字工廠的控制系統通過組態軟件來實現對生產設備層進行控制。

執行層：是指由生產計劃的最終執行者，即由工廠內所有的生產設備所組成，這些生產設備都通過線纜與控制系統的組態軟件相連接。

2 數據交換接口

數字工廠在使用組態軟件來開發生產設備控制系統。為了實現兩系統的集成和信息共享，必須進行基于兩系統功能的對接，分別進行數據接口的設計開發，使數字工廠管理信息系統與控制系統相對獨立，提高系統的靈活性，減少數字工廠管理信息系統與控制系統的內部耦合度。根據企業自己的實際應用環境和目標需求確定解決方案[3]。選擇數據庫作為數據交換的媒介，而數字工廠管理信息系統與控制系統數據交互接口的具體功能則是管理信息系統與控制系統同時維護著一個數據表。

數字工廠管理信息系統中接口模塊的設計原理如圖2所示。

位于最上層-計劃層的數字工廠信息管理系統開放一個數據表可供控制系統的組態軟件訪問，這張表稱為接口表。管理信息系統向組態軟件傳遞指令時，可以將要傳遞給的數據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，狀態設為“new”；控制系統的組態軟件每0.5 s讀取一次接口表，當表中的指令狀態為“new”時，讀取這條數據，并將狀態置為“old”；生產計劃調度系統的接口模塊也設置每0.5 s訪問一次接口表，當發現狀態為“old”時，就從緩存表中按順序取出一條新的字符串數據放入到接口表中，到此完成了一次管理信息系統向組態軟件傳遞數據?？刂葡到y組態軟件的信息反饋與此過程相似，從而實現數據的雙向流通。

在系統中設計緩沖表的原因在于機械動作需要時間，控制系統控制生產設備執行動作相對于計算機的運算比較緩慢，在生產設備沒有完成某指令時，管理信息系統可能又生成一新指令信息等待執行，這時就要在接口表前面加上一個接口緩沖表，用來存放暫時無法放入接口表的指令信息。管理信息系統生成的指令字符串依時間先后存入接口緩沖表中，此時這些指令的狀態都是“未進入接口表”。生產計劃調度系統的接口模塊可以對接口表進行監視，如果發現接口表的數據已經被讀取則立刻從接口緩沖表中取出時間最靠前的“未進入接口表”的指令放入接口表中，同時將位于接口緩沖表中的這條指令的狀態改為“已進入接口表”，等待控制系統的組態軟件讀取。同時管理信息系統的接口模塊還要監視控制系統的組態軟件傳入數據，一旦發現新數據（即此數據的狀態為“new”時）就立刻讀取并進行處理，處理完成后還在將位于接口表中的數據狀態改為“old”表示已讀。

3 數據交換編碼

管理信息系統向控制系統傳遞的數據以指令形式放入接口，在管理信息系統與控制系統間已經建立完整的信息格式協議。所有的指令都是長度不超過60個字符的字符串，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堆垛機，堆垛機可以在貨架中間任意移動，取放放置物料的周轉箱。關于庫位指令只有三種，單點入庫、單點出庫、單點移庫。批量操作時系統會將自動將批量動轉化為許多單點操作。

例如，控制系統從接口中獲得的單點移庫指令為：

YK001B1213A0102

其中YK001指的移庫單號碼，當移動動作完成后控制系統將通過接口把這個號碼反饋給管理信息系統；

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

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

組態軟件會將指令解析成MOVE B1213 A0102并將這個字符串發送到堆垛機上。堆垛機就會從將B1213處的周轉箱移動到A0102庫位。

3.2 加工指令

管理信息系統中生成了生產計劃后，針對每一個零件都會產生一條加工指令放入緩沖表，并由接口模塊適時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的程序等信息。指令的具體意義可以參考表1。

根據表1可知，控制系統獲取這條指令后從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度），物料經過生產線到第一個加工工位，進行第一道工序的加工，使用機器編號為A，加工所用程序為1；之后，物料經過生產線到第二個加工工位，進行第二道工序的加工，使用機器編號為B，加工所用程序為2；……；指令字符串的所工序完成后成品將送回A0103L這個庫位中去。

4 結論

通過文章所介紹的數據交換方法，只需在數字工廠的管理信息系統與控制系統之間分別開發數據接口模塊，進行數據傳遞格式的設計，就能保障企業頂層與底層信息的流通性。從數字工廠管理信息系統產生的生產計劃可以通過接口直接傳遞給控制系統，從而驅動生產設備進行生產。在數據交換的編碼格式上還可以進一步的抽象，使編碼可以包含更多信息，例如裝配，涂裝等操作的信息。文中提出數據交換方法，允許數字工廠的管理信息與控制系統進行獨立的開發，降低了數字工廠軟件部署實施的難度和時間，具有一定的應用前景。

參考文獻

[1]胡鑫.MES與ERP系統集成接口的研究與設計[D].長沙：湖南大學，2006.

[2]倪海鷗.制造業ERP項目實施全過程風險管理[J].企業科技與發展，2012，323（5）：6-9.

[3]蔡瀟雨.基于MES實時數據采集與控制系統的研究與設計[D].上海：上海交通大學，2012.