柔性自動線生產過程控制技術研究*

艾青龍 涂海寧 陸 遠

(南昌大學機電工程學院， 江西 南昌 330031)

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柔性自動線生產過程控制技術研究*

艾青龍 涂海寧 陸 遠

(南昌大學機電工程學院， 江西 南昌 330031)

針對目前傳統自動化生產線與企業計劃管理層ERP、CAPP等管理信息系統之間出現的信息斷層，無法快速、有效地連接企業上層系統和底層生產控制系統,導致上層計劃管理層缺乏有效的實時的信息支持、下層生產控制環節缺乏最優的調度與協調，上層與下層無法進行良好的雙向信息流交互，造成生產力低下的問題，開發一套基于MES的生產管理控制系統PMC，實現與上層系統的有效集成，保證企業計劃層系統和底層控制系統的無縫連接。介紹了該系統的整體構架，以及該系統與其他系統的集成的關鍵技術，驗證了所設計系統的可行性和有效性。

MES；生產管理控制；無縫連接

隨著市場對產品多樣化、更新快需求的增加，企業由原來的大批量生產模式逐漸轉為多品種、小批量的生產模式。柔性制造系統具有產品轉型快的特點，贏得了當今制造商的青睞，并且發展非常迅速。在現代化信息技術不斷提高與市場競爭日益激烈的背景下，簡單的柔性制造系統已經無法滿足企業提高生產效率，降低成本的愿望。傳統意義上的柔性制造系統無法有效地同企業計劃管理等軟件結合，產生信息斷層，從而影響柔性制造系統的性能。

傳統的MES系統如設備狀態監控系統，生產進度跟蹤，生產統計等功能的生產管理系統都是解決了個別問題的單一功能的MES系統。ERP層和DCS層的工作都是各自進行的，因此產生了許多問題，比如橫向系統之間的信息孤島，MRP和DCS兩層之間形成缺損環。因此，各個信息系統之間的整合是必須的，從而使得MES支持現場工人的技能和智慧，充分發揮制造資源效率。

在國外，對柔性自動化生產線方面的研究比較成熟并且已經大規模應用，已經形成一些MES軟件產品和解決方案，并且企業信息技術的應用焦點由ERP轉向MES。Rockwell Automation公司推出的RSBizware生產軟件解決方案專門針對離散制造業和批量生產過程監控和管理。

在國內，對現場車間層，單元層的研究主要在控制模型，很少站在MES的角度從實際應用層面出發來研究并開發面向制造過程的集成化管理和控制軟件。

本文設計了一種基于MES的生產管理控制技術，將MES融入到柔性制造生產管理系統中，建立上層ERP系統與底層自動化系統實時通信的橋梁，從而實現生產計劃、生產排程、生產調度、生產過程、質量管理、產品追溯、生產監控、生產數據的統一管理系統。

1 系統的整體構架

本文通過將MES技術充分融入到自動化生產線生產管理控制系統PMC的設計中，系統的總體架構如圖1所示。從圖中可以看出，MES層從企業計劃層中的ERP、CAPP、PDM等系統軟件實時的接收到生產計劃信息、工件的工藝設計信息和工藝資源等信息。若企業沒有相關系統，在自動化生產線MES系統中也可以獨立維護上層數據，減小系統的耦合性。在生產計劃維護之前，要把工藝任務分配到各個工藝人員進行工藝編制，然后經過工藝審核人員的審核，只有審核通過的工藝路線才是可用的。其中工件的工藝路線是精確到工序級。最后，通過內部接口將生成的信息傳遞給生產管理控制系統PMC，PMC根據接收到的信息對現場設備進行實時的控制。與此同時，PMC會通過檢測設備獲取相關計劃的完成情況、現場設備和工件的加工情況及資源的使用信息，通過大屏幕顯示出來。

2 系統實現的關鍵技術

2.1 MES融合PMC的技術架構

以某數控技術有限公司的MES系統為例，為了有效地解決傳統意義上的柔性制造系統與企業上層管理信息系統的通信斷層問題，建立實時的信息通道，以便于能夠準確快速地制定適應市場的生產策略，完成對車間柔性自動線的及時精準控制與監視，將MES技術融入其中，開發了如前文所述的基于MES的生產管理控制系統，完成與ERP、CAPP和工裝系統無縫集成。本節要介紹的是MES融合PMC的技術架構，如圖2所示。

從圖中可以看出，有4個應用程序分別是MES應用程序、TVShow應用程序、PDA應用程序和PMC應用程序，有2個服務分別是WebService服務和WCF服務，其中MES應用程序、WebService服務和生產管理控制PMC應用程序共用一個oracle數據庫。以上的應用程序或者服務圍繞著WCF服務為核心，進行各個系統之間的聯系，其中TVShow、WebService、MES、PMC都是WCF服務的客戶端。生產計劃員下達生產計劃，按照生產序列順序排產，MES連接WCF服務并且發送消息，PMC接收消息解析工件工藝信息，轉換成工件生產線動作，通過OPCServer服務器對PLC的變量進行讀寫進而控制機器人、加工中心對工件按步驟生產。TVShow應用程序主要用于實時監控生產計劃的實際執行進度，記錄產品當前執行工位以及操作日志，反映在制品和產品的當前進度情況。生產監控信息實時顯示在PCB看板上。PDA(Personal Digital Assistant)數據采集器，主要用于采集工件編號和工裝編號等信息。因此MES系統融合PMC生產管理控制系統的關鍵技術是WCF雙工通訊技術。

2.2 WCF雙工通訊技術

在上文已經講到本系統是以WCF(Window Communication Foundation)雙工通訊技術為核心開發的分布式系統。其中MES系統的架構是B/S架構，而PMC系統的架構則是C/S架構。WCF服務采用基于WinForm的應用程序中自承載的方式，各個應用程序對其訪問時是通過net.tcp協議進行傳輸的，與此同時WCF是通過消息來進行通信的，采用雙向模式的消息傳送。MES系統將生產計劃下達時連接WCF服務并且發送相關訂單信息的消息給其他WCF客戶端如PMC生產管理控制系統，PMC系統接收到訂單信息按照相關工件的工藝路線進行運輸，加工等。LED顯示屏中的TVShow應用程序也會接收信息自動顯示對應的工件信息，包括上線的產品型號、訂單號、工位號等信息。當顯示屏提示PDA掃描時，則啟動PDA應用程序掃描工件號、工位號等，掃描完成發送消息給WCF服務端，然后服務端通知客戶端PMC進行下一步操作。由WCF雙工通訊技術將以上所有應用程序串聯在一起，并且實現了各個程序之間實時、準確的相互通訊，保證了各個系統通訊通道的暢通。

2.3 數據采集的網絡結構技術

面向MES的數據采集網絡結構模型如圖3所示，該模型分為3層分別為監控層，控制層和設備層。

該條自動線的制造執行系統包含上層的MES系統和底層的PCS系統，PCS系統采用Profibus總線技術提供的Profibus-DP通信協議連接通訊，西門子S7-1500系列PLC做主站連接現場生產設備并采集實時數據，多臺數控機床和機器人做從站，充分滿足了系統控制、信息采集的需要。

S7-1500與上位機的通訊方式有多種，如串口通信：PC/PPI協議、Modbus協議，網口通信：以太網口，多主站通信：MPI協議。本系統采用MPI電纜對PC與PLC進行通訊。但是解決通訊有以下2種方式：自定義串行通信協議，這種通訊方法傳輸距離比較短，抗干擾能力比較差；還有一種利用OPC技術實現通訊，OPC采用的是客戶/服務器模式，硬件廠商為自己的設備開發通用的數據接口即OPC服務器，而只要符合OPC規范的接口的客戶端應用軟件就可以讀寫硬件設備的信息。OPC技術解決了軟件與硬件之間的不兼容問題，提高了系統的開放性和可集成性。所以本系統采用OPC技術實現PC與PLC之間的通訊。中心計算機通過使用Simatic Net采集S7-1500的生產數據，實時地監視各個設備及工件的生產運行情況，并且提供OPC Server接口。

PMC系統安裝在生產控制中心計算機上，其中包含OPC客戶端模塊，與Simatic Net所提供的OPC Server通信，一方面采集生產線上的數據，傳遞給各個從站，再經過Profibus現場總線發送給主站，S7-1500將獲得的數據信息反饋到監控層，即讀取信息；另一方面，上層系統對下層系統傳遞過來的數據進行處理和分析，判斷是否有異常情況，并對PLC發出相應的指令，最終實現PLC對現場設備做出相應的操作控制，即寫入信息。

3 應用實例

本文所設計的基于MES的生產管理控制系統已經在某數控技術有限公司的自動化生產線上運行。該條生產線硬件設備有7臺加工中心，1臺安川機器人和導軌，立體倉庫，中轉臺，操作臺，如圖4所示為生產線立體圖。

該套系統主要包括MES和PMC系統，其中MES系統的主要功能模塊有生產計劃，生產排程，工藝資源，生產準備等。企業生產計劃人員在MES系統中下達生產計劃生成生產序列，PMC系統接收消息，檢測工藝數據的完整性，然后按照工藝路線對機器人、加工中心發出指令。

PMC系統主要有生產線控制，可視化監控，數據采集等功能模塊。如圖5所示生產線監控，生產線實時監控可以獲得工件的加工狀況和現場資源的使用狀況，從而反饋給排產管理、資源管理等模塊，進而優化排產，提高企業生產效益。

4 結語

本文從柔性化制造生產角度出發，以某數控技術有限公司的自動化生產線為研究對象，主要研究并開發了該條生產線制造執行系統的框架結構、功能模型以及系統實現的WCF技術、數據采集的網絡結構技術，創新點是基于MES無縫集成柔性制造系統，實現了柔性化制造與生產的數字化集成管理和動態監控，車間現場生產管理的柔性化、數字化、智能化，具有智能制造的基本特征，符合工業4.0的理念。系統在運行過程中，控制精準、數據準確、運行過程穩定，結果可靠，達到了預期目標。當然，系統中還存在一些不足之處，會在后續的研究當中繼續完善。

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[3]彭剛,陳長.MES在電纜行業生產過程監視系統中的應用[J].華中科技大學學報：自然科學版,2015,43(3):497-500.

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Research of production process control technology in flexible automation line

AI Qinglong, TU Haining, LU Yuan

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, CHN)

The information gap between the traditional automation production line and the enterprise planning management information system ERP, CAPP as well as other management information systems cannot be quickly and effectively connected with the enterprise upper system and the bottom production control system. It leads to lacking of effective and real-time information for upper plan management, best scheduling and coordination for lower production control, two-way information flow interaction and resulting in low productivity. Developing a set of production management and control system PMC based on MES, realizes the effective integration, and ensures the seamless connection between the enterprise planning layer system and the bottom layer control system. The paper introduces the overall framework and the key technology of the integration of the system, which verify the feasibility and effectiveness of the system.

MES; production management control; seamless connection

TP278

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.024

艾青龍，男，1988年生，碩士，研究方向為制造業信息化與管理。

(編輯 孫德茂)

2016-08-01)

161131

* 輕型機械臂物理性人機交互碰撞行為及安全反應策略研究( 61263045)