一種制造執行系統在壓力機中的應用

唐 堅，朱德寶，張加正

（江蘇揚力集團有限公司，江蘇 揚州 225127）

0 引言

市場競爭的加劇、人力成本的上升以及人們對產品質量的不斷追求，制造業對生產過程柔性的要求不斷增強，迫切需要嚴格按照既定工藝制造產品，減少操作人員對產品質量的影響，并要求實時對經營和生產運行信息進行綜合管理與控制調度，優化設備資源使用。因此，僅僅針對某臺設備的單一控制系統已無法滿足上述生產需要。在現有基礎上，探索一種能夠遠距離（非現場）系統控制、管理某一范圍內所有設備生產運行狀態的系統成為重要的發展方向[1][2]。

隨著計算機技術的飛速發展，近幾年制造執行系統（Manufacturing Execution System：MES）得到了快速發展[3]。制造執行系統是美國AMR公司（Advanced Manufacturing Research，Inc.）在上世紀90年代初提出的，它側重于車間作業計劃的執行，實現過程運行的管理和企業級的信息系統與底層生產數據的集成，是連接上層計劃與底層設備的橋梁，并且能夠充分利用上下層之間的數據，提高計劃的實時性和靈活性[4][5]。

鑒于此，本文提出一種用于壓力機的MES系統，將制造執行系統與壓力機控制系統相結合，提高車間管理的信息化程度，實時提供每臺設備的沖壓次數、生產計劃完成情況、設備運行狀況、設備故障時間和設備故障原因等信息，并且可以通過網絡遠程關注上述信息。綜上所述，本文中的MES系統將提供壓力機大量底層數據，特別對于壓力機生產線，將大大簡化生產線控制難度，方便使用者掌控設備的使用狀況和生產計劃實施情況。

1 制造執行系統

本文MES系統主要針對于壓力機，將工廠車間和辦公區緊密連接起來。MES系統運用工控機與壓力機的控制核心通信來實時采集相關數據，同時將數據按照規定格式處理形成各種容易觀看的報表后同步到網絡上。用戶在任何地方都可以通過網絡實時掌控每臺設備的當前數據，了解產品計劃進度，面對一些突發情況可以快速響應，同時產生的相關報表在季度或者年度的總結上提供數據支持，可以分析出制約效率提升的原因所在，方便進一步提高生產效率，系統構成如圖1所示。

圖1 MES系統構成圖

為了實現上述功能，MES系統功能主要分為三部分：管理流程、業務流程和主數據，如圖2所示。

圖2 MES系統功能圖

其中主數據部分是系統運行的基礎，它支撐整個MES系統的運行、數據維護和數據整理。主數據模塊中的數據是系統的基礎數據，需要使用者提前維護進系統。它包含生產建模和設備管理兩部分，設備管理是用來管理接入MES系統的壓力機數量，并給每臺壓力機一個唯一的編碼來標示，以便后續的各類數據的統計和整理。為靈活地增加或減少接入MES系統的設備數量，設備管理支持新建、編輯、刪除和查詢等功能。生產建模部分包括模具管理、物料主數據、設備故障原因、設備狀態和作業員信息等幾方面，主要針對單臺設備的使用情況。

業務流程為整個系統的執行和數據采集部分，該模塊涉及根據生產訂單安排生產任務，并監控生產任務的完成情況，同時負責實時采集接入MES系統的壓力機數據，將采集的數據解析后就可以得到設備的狀態，為管理流程的各種報表提供數據支持。業務流程包含生產計劃和生產采集兩方面，生產計劃包括計劃排產、計劃排產執行情況和計劃完工三部分，涉及了管理者在接到訂單后安排生產計劃、監控生產計劃執行情況與生產計劃完成的整個過程，整個流程如圖3所示。

管理流程的任務是將所有收集來的數據整理成報表的形式，呈現給管理者分析。管理者一方面可以依靠規定時間內系統整理出來的報表，發現一些生產薄弱環節，及時加以改進，提高生產效率；另一方面根據實時更新的報表，可以加強對生產現場的管理，快速發現生產過程中發生的問題，以便及時處理。

圖3 生產計劃流程圖

2 MES系統通信

MES系統中除了人為輸入的系統配置、生產計劃等數據外，及時采集生產現場中的各種必要的實時更新的數據信息非常重要，如設備故障信息、設備狀態和沖

壓次數等，通過對這些數據的分析才能實時監控生產現場的生產情況。本文中，壓力機的控制核心為可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller：PLC），因此MES系統與PLC的實時通訊就十分重要了。隨著工業控制需求的不斷變化，近年來可編程邏輯控制器與計算機之間的通訊發展很快，在PLC與計算機連接構成的控制系統中，計算機主要完成數據處理、修改參數、圖像顯示、打印報表、文字處理、系統管理和工作狀態監控等任務[6]，可編程邏輯控制器仍然直接面向現場、面向設備，進行實時控制。兩者的連接，可以更有效地發揮各自的優勢，互補應用上的不足[7]。

為了方便MES系統采集數據，結合PLC自身的硬件條件，本文主要通過以太網口和RS-485口這兩種串口進行數據交換。需要注意的是由于壓力機使用的PLC類型比較廣泛，MES系統與不同品牌的PLC之間的通訊方式各不相同，下面將給出MES系統與當前常用的幾種PLC的通訊方法。

2.1 三菱PLC通訊

本文中主要涉及FX3GA-60M型號的三菱PLC，該款PLC與之前一些型號相比，其特長在于其充實的網絡通訊功能，只需要擴展一些接口與相關設備連接，就可通過當前流行的通用協議與該設備通訊。綜合成本問題，本文為該PLC擴展了FX3G-485BD接口模塊與工控機連接，通過三菱PLC常用的專用協議進行數據交換，PLC內部不需要編寫任何通訊程序，只要把需要傳輸的數據放在約定好的數據存儲區即可。

專用協議是通訊雙方約定好一種相同的串口參數，然后按照專用協議的特殊格式發送和接受數據，來讀取或寫入相關信息的方式。本文中三菱PLC一側參數設置如圖4所示。

圖4 三菱PLC參數設置

計算機側按照專用協議格式傳送數據即可，專用協議的基本格式如圖5所示，和效驗碼和控制碼CR.LF可以通過參數設置選擇是否附加。

圖5 專用協議基本格式

在通訊過程中，傳輸字符和命令字以ASCⅡ碼為準，其中控制代碼如表1所示，當可編程邏輯控制器接收到ENQ、ACK其中一個時，對傳送序列進行初始化然后開始接收；一旦接收到EOT、CL代碼時，可編程邏輯控制器就對傳送序列進行初始化，此時可編程邏輯控制器不會給出任何響應。

表1 專用協議控制代碼

在整個MES系統中有多個PLC，站號用于決定計算機與哪個可編程邏輯控制器進行存取的編號。必須注意，在站號的設定中，不可對多個站點設定相同的編號，否則傳送數據會被破壞，不能正常通訊。PC號是三菱A系列PLC在與計算機連接混合使用時，用于識別與哪個PLC之間進行存取的編號，本文中可以忽略；指令是用來指定工控機對相應可編程邏輯控制器執行寫入或讀取命令；由于使用計算機發送信息后到變為接收狀態為止需要一定時間，報文等待就是用來規定這個時間的；字符區用來指定讀取或寫入的數據長度和起始數據存儲區；和效驗碼就是將作為和效驗對象的數據按16進制數據進行加法計算，并將得出的結果的低位1字節轉換成2位數的ASCⅡ碼。本文中以工控機為主，由工控機主動詢問可編程邏輯控制器，而可編程邏輯控制器被動應答并傳送MES系統所需的數據，因此控制順序如圖6所示。

2.2 歐姆龍PLC通訊

與三菱PLC類似，歐姆龍PLC唯一公開的協議為HostLink協議，通過HostLink協議使用計算機的串行口可與歐姆龍PLC設備通訊。在上位機與歐姆龍PLC通訊的系統中，使用HostLink協議進行通訊是一種既優化又經濟的通訊方式，它適用于一臺上位機與多臺PLC進行鏈接，上位機可對PLC傳送程序并監控PLC的數據區，以及控制PLC的工作情況。本文中使用基于HostLink封裝格式的FINSMode Hostlink命令來讀取歐姆龍PLC存儲區數據。根據PLC型號不同，參數設置如圖7所示，左側為串口參數設置，右側為以太網參數設置。

圖6 控制順序圖

在計算機直連PLC的情況下，計算機主動訪問PLC存儲區的命令格式如圖8所示。

其中，Fins命令以@開頭，以*回車換行結尾；Unit No為單元號，對應PLC內置串口或串行通訊單元設置的HostLink單元號；在計算機直接PLC時，Header code值為 FA，ICF、DA2 與 SA2 的值固定為00；響應等待時間值設置范圍為0～F，單位為10ms，例如設置該值為2時，則響應等待時間為20ms；SID 值通常設置為 00；Fins command code為Fins命令的操作碼，0101表示讀命令，0102表示寫命令；Text部分寫入具體操作內容，如讀寫區域、讀取起始地址、數據長度等內容；FCK為效驗，與PLC內部設置效驗方式一致即可。

圖7 歐姆龍PLC參數設置

圖8 HostLink-Fins命令格式

2.3 西門子PLC通訊

圖9 西門子PLC參數設置

本文中所涉及的西門子PLC為300系列CPU 315-2PN/DP，該型號PLC包含一個集成的PROFINET接口，該接口除了具有PROFINET功能外還具有TCP/IP通信功能。使用這種方式的通訊，不需要添加任何硬件，只需要根據自己的需求運用Open Communication Wizard向導配置系統即可，具體配置如圖9所示。通過該集成以太網接口組態 TCP/IP通訊時，在PLC程序中需要調用系統自帶的通訊功能塊FB65 “TCON”、FB66“TDISCON”、 FB63“TSEND” 與 FB64“TRCV”進行通信，其中FB65“TCON”用于通訊雙方的連接建立；FB66“TDISCON”用于通訊故障記錄；FB63“TSEND”用于發送數據；FB64“TRCV”用于接受數據。

2.4 工控機通訊

本文中工控機側通訊程序主要采用Java編寫，運用jssc框架訪問串口，程序封裝了對Fins命令和三菱專用協議的通信，部分通信代碼如下。

3 系統調試與試驗

綜合相關硬件要求和軟件運行環境，配置了運用Linux操作系統的服務器、相關工控機以及接口，結合本公司生產的壓力機生產線，搭建了MES系統進行現場測試。MES系統經過初始化設置后，能夠準確收集壓力機當前狀態、故障原因和當前工作次數等相關信息，并生成各類報表，通過網絡可以在任意地點的計算機和移動設備上查看到上述信息和發布生產計劃，大大簡化車間的管理難度，縮短了對壓力機故障的排除時間，有效提高了企業生產計劃的實時性和靈活性。MES系統部分界面如圖10所示，整個現場測試有力地驗證了該系統的可行性、及時性和有效性。

圖10 MES系統計劃排產界面

4 結論

本文運用MES系統的車間作業計劃和底層生產數據的集成等理念搭建適用于壓力機的制造執行系統，利用工控機現場采集壓力機的當前數據判斷壓力機運行狀態及故障原因等信息，以實時監控工廠設備運行情況，并用該信息生成各類報表供后續分析，并且管理者可以通過該系統發布生產計劃、監控生產計劃執行情況等，以便于及時調整生產任務，提高生產效率。同時將該系統與當前發達的網絡資源相結合，管理者可以通過網絡在任何地方實時觀看或修改上述各類信息。最后通過現場試驗驗證了該系統的可行性、有效性和實時性。

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[2] 饒運清，劉世平，李淑霞，等.敏捷化車間制造執行系統研究[J].中國機械工程，2002 ，13（8）：654-657.

[3] 彭 瑜，孟 力.信息技術正在推動自動化技術的革命[J].自動化儀表，2001，22（12）：1-5.

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