中小型制造企業MES通用控制器的研究

鄒　兵，王志平，張立平

（1.廣東省自動化研究所，廣州 510070；2.廣東省現代控制技術重點實驗室，廣州 510070；3.廣東省現代控制與光機電技術公共實驗室，廣州 510070）

中小型制造企業MES通用控制器的研究

鄒兵1，2，3，王志平1，2，3，張立平1，2，3

（1.廣東省自動化研究所，廣州 510070；2.廣東省現代控制技術重點實驗室，廣州 510070；3.廣東省現代控制與光機電技術公共實驗室，廣州 510070）

針對中小型制造企業MES的現狀和通用控制器的研究遇到的困難，提出中小型制造企業MES通用控制器的研究方案，包括整體架構設計、監測數據設計、信息化通訊設計、主CPU設計，為中小型制造企業信息化打下堅實的基礎，輔助生產管理，為企業決策層制定企業政策、把握企業生產提供有效的幫助。

MES；通用控制器；企業

為解決中小型制造企業及其信息化實施中的“信息斷層”與“信息孤島”的瓶頸，國際制造執行系統協會對MES的定義是：制造執行系統），是一些能夠完成車間生產活動管理及優化的硬件和軟件的集合，這些生產活動覆蓋從訂單發放到出產產品的全過程，其通過維護和利用實時準確的制造信息來指導、傳授、響應并報告車間發生的各項活動，同時向企業決策支持過程提供有關生產活動的任務評價信息。目前，中小型制造企業MES通用控制器的研究有很多問題和困難，主要有兩點：一是中小型制造企業的產品種類多，導致數據采集量大。當前中小型制造企業（尤其是離散制造企業）的生產，正呈現出規格多批量小的生產現象，生產執行過程中涉及多條生產線，由不同工人不同工序組成，需要采集的數據包括生產設備、工人、生產時間、生產產品規格、生產產品數量、生產狀態等等，采集任務相當繁重。二是中小型制造企業的生產設備種類繁雜，數量眾多導致數據采集復雜度高。現有的中小型制造企業擁有大量的設備，這些設備品牌雜種類多新老并存，各種設備的數據接口與通信協議差別很大，主要原因在于沒有行業統一的數據接口和通訊協議，各個生產設備廠家自己有一套內部的通訊要求。所以，中小型制造企業MES通用控制器的研究需要研究專業的數據通訊模塊，來面對數據通信各不相同的設備，最好是兼容性強的通訊模塊。

1　MES通用控制器的整體架構設計

針對性地解決目前中小型制造企業MES通用控制器的數據監測和傳輸遇到很多問題和困難，提出中小型制造企業MES通用控制器的整體架構設計。采用智能模塊化分體式結構設計，各種插槽式功能模塊可拔插，可靠性高，能適應工業現場的惡劣環境如高溫、潮濕、振動、沖擊、粉層和電磁干擾，安裝簡單，維修方便，容易升級，接口模塊豐富，功能強大，系統設計與調試周期短，移植性和擴展性強。各個中小型制造企業的現場環境不同，需要考慮兼容性，更要注意工業現場各種設備的異同性。主要設計整體主基板、電源功能模塊、CPU功能模塊、串口通訊功能模塊、以太網通訊功能模塊、SPI通訊功能模塊、USB通訊功能模塊、CAN通訊功能模塊、觸摸屏功能模塊、開關量輸入功能模塊，開關量輸出功能模塊，模擬量輸入功能模塊，模擬量輸出功能模塊，擴展CPU/FLASH功能模塊、擴展CPU/RAM功能模塊、備用擴展模塊，控制器追求軟硬件標準化。

2　MES通用控制器的監測數據設計

各種設備的加工數據如生產設備數據和狀態、操作人員數據、生產時間、生產產品數據和狀態等；現場設備的各種傳感器的檢測數據如溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、張力傳感器等；各種設備的輸入輸出開關量等。

3　MES通用控制器的信息化通訊設計

通訊設計包括控制器與后臺服務器通過無線或有線以太網通訊，可以根據項目需求，自己根據TCP/IP協議自定義通訊規約、通訊內容定制。控制器與觸摸屏通過串口或以太網通訊、控制器與現場操作人員以操作員工卡通過串口或USB通訊，控制器與各種加工設備的模具以RFID技術通過串口或以太網通訊，RFID技術是目前中小制造企業模具生產使用到的技術，是模具唯一的標識碼。控制器與各種設備的生產通過CAN或串口或以太網通訊，控制器與各種設備的用電量通過串口或以太網通訊，還可根據不同工業現場環境的需要擴展各種通訊接口。通訊設計是本控制器的核心所在，可以為客戶傳輸數據保密且為定制，專業性針對客戶的各種需求，全新定義各種通訊協議和規約。

4　MES通用控制器的主CPU設計

采用ST公司的STM32F4系列，其內核為ARM Cortex-M4，高達168MHz的主頻，擴展性好，兼容性強，各種外設資源豐富，超低功耗，縮短開發周期，高性能浮點運算能力，增強的DSP處理指令，整合微控制器和數字信號處理器兩大功能，數據加密，零等待程序運行，超大容量的閃存和RAM，易開發，高性能實時自適應“ART加速器”、多重AHB總線矩陣和多通道DMA充分發揮智能型嵌入式功能。

5　結　語

研究數據采集和實時監測為核心的中小型制造企業MES通用控制器，從技術層面上為實現中小型制造企業信息化打下堅實的基礎，為中小型制造企業的可持續發展提供積極的技術支持與解決方案。數據采集與監測系統通過對生產相關的關鍵信息，如設備狀態、生產狀態、電量狀態、現場各種傳感器等等進行采集，并以直觀和數據庫的形式表現出來，供生產員工、生產管理者，尤其為生產調度人員實時了解當前生產情況提供幫助，以便其做出正確的生產計劃與規劃，同時，實時生產情況可為企業管理人員制定企業的長遠發展和宏觀政策提供非常強有力的指導和幫助。

主要參考文獻

［1］付林云. MES中數控車間數據采集系統的研究和應用［D］.杭州：浙江大學，2008.

［2］王志新，金壽松.制造執行系統MES及其應用［M］.北京：中國電力出版社，2006.

10.3969/j.issn.1673-0194.2015.02.085

F270.7

A

1673-0194（2015）02-0113-01

2014-12-23

廣州市科技計劃項目（2014J4500021）；廣東省科學院青年科學研究基金項目（qnjj201408）；廣東省自動化研究所所長基金項目（A201404）。