汽車(chē)零部件裝配車(chē)間MES數(shù)據(jù)采集功能的開(kāi)發(fā)

劉 蘇，王學(xué)華，李安翼，張紅霞，王 燦，劉 鑫，申凱赟

武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

制造執(zhí)行系統(tǒng)（manufacturing execution system，MES）是面向車(chē)間的信息管理系統(tǒng)，向上銜接企業(yè)資源計(jì)劃（enterprise resource planning，ERP）系統(tǒng)，向下連接生產(chǎn)線設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)管理者和生產(chǎn)車(chē)間信息傳遞的重要載體［1］。MES系統(tǒng)包含從原材料采購(gòu)到成品入庫(kù)的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、控制和監(jiān)控的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)控制、產(chǎn)品追蹤追溯、生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與處理等功能［2］。自動(dòng)化生產(chǎn)線中與生產(chǎn)有關(guān)的工藝數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)大多存儲(chǔ)在可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）及其關(guān)聯(lián)的上位機(jī)中，要將這些與產(chǎn)品信息相關(guān)的數(shù)據(jù)獲取并集中存入MES系統(tǒng)中，就需要將MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)與生產(chǎn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)和更新［3］。本文基于以太網(wǎng)開(kāi)發(fā)了C/S結(jié)構(gòu)的MES系統(tǒng)中上位機(jī)與多種PLC的通訊及用于過(guò)程控制的對(duì)象連接和嵌入技術(shù)［object linking and embedding（OLE）for process contrd，OPC］服務(wù)技術(shù)，滿足了多協(xié)議條件下生產(chǎn)設(shè)備與MES系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)。

1 PLC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

由于該汽車(chē)零部件裝配車(chē)間的數(shù)據(jù)采集和控制為集散式控制結(jié)構(gòu)，每個(gè)工位單獨(dú)配備的PLC類(lèi)型不同，給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集帶來(lái)一定的困難。因此需要以遠(yuǎn)程主控PC為上位機(jī)，通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)所有分散的下位PLC進(jìn)行統(tǒng)一控制和調(diào)度［4］。通過(guò)物理接口（RS232、RS485、Ethernet接口）將上位機(jī)和設(shè)備中的PLC組成以太網(wǎng)。整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 Topology diagram of data acquisition system

系統(tǒng)中的生產(chǎn)單元為汽車(chē)零部件的組裝件。在生產(chǎn)時(shí)，第一個(gè)工序?yàn)榧す獯驑?biāo)，為每個(gè)零部件附加一個(gè)唯一的二維碼。該二維碼可以被每個(gè)工位配備的掃碼槍識(shí)別并把識(shí)別結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。在后續(xù)的工序中，每個(gè)部件的裝配工藝及檢測(cè)結(jié)果均與這個(gè)唯一的二維碼對(duì)應(yīng)，保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)的唯一性。生產(chǎn)設(shè)備中大部分工藝數(shù)據(jù)和檢測(cè)數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)均存儲(chǔ)在設(shè)備的PLC中，MES系統(tǒng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)需要從PLC中實(shí)時(shí)去獲取，當(dāng)生產(chǎn)出現(xiàn)故障或者產(chǎn)品檢驗(yàn)不合格時(shí)，MES系統(tǒng)會(huì)遠(yuǎn)程鎖定當(dāng)前故障設(shè)備或工序。

1.1 歐姆龍PLC的數(shù)據(jù)采集

采用上位機(jī)采集歐姆龍PLC的數(shù)據(jù)需要遵循歐姆龍公司開(kāi)發(fā)的工廠接口網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（factory interface network service，F(xiàn)INS）通信協(xié)議，使用FINS指令作為通訊的核心支持Ethernet、Control?ler Link或串口連接。FINS指令包括報(bào)文頭、命令幀和響應(yīng)幀［5］，指令格式如圖2所示。

圖2 FINS協(xié)議指令格式Fig.2 Instruction format of FINS protocol

FINS指令主要包括：數(shù)據(jù)區(qū)讀/寫(xiě)；參數(shù)區(qū)讀/寫(xiě)；程序區(qū)讀/寫(xiě)；強(qiáng)制置位/復(fù)位；運(yùn)行停止控制；時(shí)鐘讀/寫(xiě)和文件讀/寫(xiě)［6］。指令的報(bào)文格式為：SB=ICF+RSV+GCT+DNA+DA1+DA2+SNA+SA1+SA2+SID+MRC+SRC+數(shù)據(jù)類(lèi)型+數(shù)據(jù)地址+通道號(hào)。當(dāng)發(fā)送符合FINS格式的指令給PLC后，就可以實(shí)現(xiàn)與PLC的正常讀寫(xiě)操作。

讀取點(diǎn)位的值時(shí)，要首先了解點(diǎn)位的數(shù)據(jù)區(qū)域（CIO，DM，WR等），數(shù)據(jù)類(lèi)型（BIT，WORD等），通道數(shù)（歐姆龍PLC一個(gè)通道表示16位長(zhǎng)的數(shù)據(jù)）。不同的數(shù)據(jù)區(qū)域和不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型會(huì)對(duì)應(yīng)不同的指令代碼。值的寫(xiě)入和讀取類(lèi)似，在發(fā)送報(bào)文的內(nèi)容中加入要寫(xiě)入的值即可。程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 PLC通訊軟件流程圖Fig.3 Flowchart of PLC communication software

1.2 三菱Q系列PLC的數(shù)據(jù)采集

三菱Q系列PLC采用MESLSEC通訊協(xié)議，與歐姆龍F(tuán)INS協(xié)議相比，MESLSEC通訊協(xié)議中減少了握手的交互，更簡(jiǎn)潔高效。該協(xié)議具有兩種報(bào)文類(lèi)型，分為二進(jìn)制和ASCII兩種格式［7］。本文主要采用ASCII格式，報(bào)文形式如圖4所示。

圖4 MC協(xié)議指令形式Fig.4 Instruction format of MC protocol

在與上位機(jī)進(jìn)行通訊時(shí)，通訊報(bào)文中頭部、副頭部、網(wǎng)絡(luò)編號(hào)/可編程控制器編號(hào)、請(qǐng)求目標(biāo)模塊I/O編號(hào)及請(qǐng)求目標(biāo)站號(hào)均為默認(rèn)值。需要考慮的是請(qǐng)求數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、指令/子指令和請(qǐng)求數(shù)據(jù)的內(nèi)容（包括軟元件代碼，起始地址，個(gè)數(shù)等）［8］。其中讀取元件值的子指令為“0401”；寫(xiě)元件值的子指令為“1401”，在報(bào)文尾部增加寫(xiě)入的數(shù)據(jù)部分即可［9］。

1.3 西門(mén)子PLC的數(shù)據(jù)采集

西門(mén)子S7-300/400系列PLC主要使用MPI協(xié)議和Profibus協(xié)議，但是協(xié)議內(nèi)容不公開(kāi)。可以利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)與PLC的通訊［10-11］。OPC技術(shù)無(wú)需關(guān)注具體的協(xié)議內(nèi)容，硬件廠家會(huì)提供相應(yīng)的OPC Server，這里只需開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)OPC接口標(biāo)準(zhǔn)的客戶(hù)端即可。OPC的接口原理如圖5所示。

圖5 OPC接口原理圖Fig.5 Schematic diagram of OPC interface

西門(mén)子公司為S7300/S7400系列PLC提供的OPC Server接口集成在SIMATIC NET軟件包中。安裝好該軟件后使用PC Station進(jìn)行組態(tài)，建立OPC Server和CPU（PLC）的連接。將PLC中的程序下載，設(shè)置好訪問(wèn)點(diǎn)、屬性、IP等連接參數(shù)后便可被客戶(hù)端訪問(wèn)。OPC Server的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)從上到下依次為Server、Group、Items、Item。使用時(shí)首先要獲取上位機(jī)運(yùn)行的OPC Server，并連接Server，再添加要監(jiān)控的Item，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作［12］。

對(duì)Item項(xiàng)的監(jiān)控采用異步監(jiān)控方式［13］，每一個(gè)Item在本地客戶(hù)端和Server中都會(huì)有一個(gè)句柄用以標(biāo)識(shí)，當(dāng)PLC中對(duì)應(yīng)的Item的值發(fā)生變化時(shí)，Server服務(wù)器就會(huì)將變化的各種數(shù)據(jù)參數(shù)傳遞給OPC Client，客戶(hù)端會(huì)自動(dòng)觸發(fā)訂閱該事件的方法函數(shù)進(jìn)行傳遞［14］，通過(guò)對(duì)參數(shù)的解析便可獲得Item項(xiàng)的數(shù)據(jù)。OPC客戶(hù)端的軟件流程如圖6所示。

圖6 OPC客戶(hù)端軟件流程圖Fig.6 Flowchart of PLC communication

2 接口集成

雖然生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)PLC種類(lèi)繁多，通訊的方式也各不相同，但主要使用的功能均包括連接PLC和OPC Sever、讀取數(shù)據(jù)、修改數(shù)據(jù)和關(guān)閉連接。因此可以通過(guò)定義一個(gè)公共接口，將各種通訊方式的具體實(shí)現(xiàn)方法封裝為接口類(lèi)，把這些功能都繼承于該接口［15］。在具體使用時(shí)，根據(jù)條件實(shí)例化不同的接口，即可實(shí)現(xiàn)通訊的要求，通訊接口類(lèi)的關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 通訊接口類(lèi)的關(guān)系圖Fig.7 Diagram of communication interface class

歐姆龍F(tuán)INS、三菱MC以及西門(mén)子OPC技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方法都封裝與一個(gè)具體的類(lèi)，每個(gè)類(lèi)都繼承于ICommunication接口，該接口具有Con?nect，Close，Read，Write四種方法。當(dāng)要進(jìn)行數(shù)據(jù)操作時(shí)，在PLCManager類(lèi)中首先根據(jù)參數(shù)ID實(shí)例具體的接口，即可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)操作。

3 數(shù)據(jù)采集實(shí)例

在某汽車(chē)零部件裝配車(chē)間，數(shù)據(jù)采集的第一步由掃碼器掃描各個(gè)部件的二維碼，上位機(jī)獲取該二維碼信息，并緩存。后續(xù)各工序的生產(chǎn)狀態(tài)和檢測(cè)結(jié)果由本文所開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)在后臺(tái)完成，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)與該二維碼關(guān)聯(lián)形成產(chǎn)品信息，最終存儲(chǔ)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。后臺(tái)服務(wù)的數(shù)據(jù)采集界面如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集后臺(tái)服務(wù)界面Fig.8 Interface of data acquisition service

后臺(tái)服務(wù)中同時(shí)也設(shè)計(jì)了PLC報(bào)警的邏輯點(diǎn)位和數(shù)據(jù)合格性判斷條件，可以自動(dòng)或者手動(dòng)根據(jù)報(bào)警位置及產(chǎn)品是否合格實(shí)現(xiàn)設(shè)備的鎖定和解鎖，達(dá)到防止不合格品在生產(chǎn)線上流動(dòng)的目的。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于某汽車(chē)零部件廠家MES系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，本文開(kāi)發(fā)了基于以太網(wǎng)的C/S結(jié)構(gòu)后臺(tái)數(shù)據(jù)采集服務(wù)功能模塊。該系統(tǒng)在某汽車(chē)零部件裝配車(chē)間實(shí)際使用，以峰值800 Kbps的速度同時(shí)采集10臺(tái)自動(dòng)化設(shè)備的PLC寄存器緩存數(shù)據(jù)，運(yùn)行一個(gè)月?tīng)顟B(tài)穩(wěn)定，無(wú)故障。表明該系統(tǒng)滿足了生產(chǎn)線對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)的需要，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控。

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