數字化車間DNC/MDC與MES集成技術研究與系統設計

饒納新 欒京東,2 郭明儒 馬 琪 李海兵,2 鐘正虎

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數字化車間DNC/MDC與MES集成技術研究與系統設計

饒納新1欒京東1,2郭明儒1馬 琪1李海兵1,2鐘正虎1

（1.北京航天控制儀器研究所，北京 100039；2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室，青島 266237）

研究了數字化加工車間中多系統集成技術，提出了一種DNC/MDC與MES的集成模型，構建了系統的通信網絡，在此基礎上設計了智能加工綜合管控平臺。以局域網為信息流通渠道，融合數字化制造技術、數據采集技術、分布式數字控制技術，建立的一套實時管理和控制系統，提高了車間的生產效率和管理效率，證明了該集成模型和網絡架構的有效性。

數字化車間；系統集成；MES；數據采集

1 引言

制造執行系統（Manufacturing Execution System, MES）作為面向車間的生產管理系統，為制造企業提供了一個數字化、柔性化、精細化的生產環境，能夠幫助企業降低成本、縮短交貨期、提高產品質量[1，2]，目前已廣泛地應用于國內外制造企業之中。分布式數字控制（Distributed Numerical Control, DNC）以數控技術和通訊技術為基礎，把與制造過程有關的設備集成起來，實現生產車間制造單元的數控程序管理和工藝管理[3～5]。生產數據采集（Manufacturing Data Collection, MDC）是實現數字化制造系統的基本技術，通過與數控系統、PLC系統以及機床PMC系統集成，實現對機床數據采集部分的自動化執行[6～8]。隨著DNC/MDC技術的成熟和數字化生產線的完善，以MES系統為主體，融合分布式通訊、生產數據采集、數控程序管理諸多功能于一體的綜合管控平臺是數字化制造軟件發展的新趨勢[9]。

目前各制造企業中過程控制、數字化工藝、數據采集等工業軟件復雜多樣，功能界限混亂，在實際生產過程中造成功能冗余、操作不便等諸多問題，影響生產效率。展開研究數字化車間DNC/MDC與MES集成技術，建立了一個囊括生產管理、數據采集等多功能的綜合管控平臺，將基于不同方案建立的工業軟件有機集成于易于管理、方便操控的單一系統中[10，11]，處理業務和共享信息。該平臺涵蓋數控機械加工全過程的工業控制與過程管理，設計合理，操作方便，在實際生產中達到提高生產效率的目的。

2 總體設計

某車間石英表零件的加工線上擁有精密車加工中心和銑加工中心，具備數字化生產的條件，卻嚴重依賴手工作業，工人操作重復，產品可追溯性差。經反復研究設計，在加工車間中引入多系統集成技術，建立智能加工綜合管控平臺，通過自動上下料、自動裝卡、自動物流等，實現零件進入加工線后，自動按工藝流程加工，完成生產任務，使整個生產線具備小批量精密機加生產功能。

數字化加工車間的生產設備包括車床3臺、銑床2臺，其它設備有三坐標測量機1臺、上下料機器人3臺、 AGV移動機器人車輛1輛、AGV泊位4個，車間布局如圖1所示。智能加工綜合管控平臺系統的硬件設備包括MES服務器1臺、MDC服務器1臺、DNC服務器1臺、數據庫服務器1臺、主控計算機1臺，路由器1臺、交換機1臺。

圖1 車間布局圖

圖2 綜合管控平臺的系統架構

綜合管控平臺的軟件架構如圖2所示。系統劃分為用戶界面層、業務邏輯層和數據接口層三個部分，依據柔性化的生產需求和數字化的管理需求，完成軟件的模塊化設計。

根據車間的生產模式，智能加工綜合管控平臺綜合MES、DNC、MDC的相關功能。MES功能主要包括訂單管理、系統管理、計劃排產、指令下達、完工情況等；MDC功能主要包括設備數據采集和設備監控；DNC功能主要包括設備通信、數據采集、代碼管理、刀具管理等管理功能。

接口層包括通訊接口和數據庫接口。通訊接口主要用于接收設備上傳的數據，并將其轉化為具有明確物理含義的生產參數，同時將下發設備動作指令；通訊接口硬件方面采用工業以太網接口，軟件方面設計基于Socket接口的通訊數據解析模塊，實現數據轉換功能。數據庫接口主要用于實現對數據庫的高效操作。該接口主要通過編程方式將查詢、添加和刪除等常用SQL操作語句封裝為通用函數，實現模塊化編程。

3 系統集成

在智能加工綜合管控平臺的設計過程中對數字化車間DNC/MDC與MES集成技術進行研究，根據車間實際生產情況設計DNC/MDC與MES的多系統集成模型，分析并構建車間網絡的拓撲結構?；赟ocket的模塊通訊技術和基于SQL Server的數據庫技術，完成了軟件設計與開發。

3.1 多系統集成模型

圖3 多系統集成模型

數字化加工車間中各系統集成實現管理層、設備層、數據層的信息傳遞，劃分工業軟件的功能界限，明確各系統的信息流動關系。MES負責訂單、工藝、物料、質量、生產計劃的集中管理，DNC負責生產任務和NC程序的下發，MDC負責實時生產數據的采集和監控，如圖3所示。MES向DNC下發NC代碼和工藝信息，MDC向MES傳輸生產數據信息，數據采集、設備監控和故障警報。集成模型實現了MES與MDC、DNC等系統間的集成關聯，實現數據的傳遞和共享，并建立完整的數據庫，打破各系統的信息孤島狀態，消除生產數據的矛盾和沖突，提高生產效率和管理效率。

3.2 車間網絡拓撲結構

車間網絡須滿足傳輸迅速、可靠性高的實際生產要求，網絡架構采用星型拓撲結構，采取集中式通信控制策略，實現中央節點的全部控制；有線與無線混搭，以保證若干條并行數據的同步傳遞。

圖4 車間網絡拓撲結構

集成系統使用交換機作為整個網絡的中央節點，系統中的每一個設備通過網卡連接到中央節點，計算機、機床、機器人之間通過中央節點通訊，網絡結構呈星狀分布，如圖4所示。同時網絡通過路由器發出覆蓋整個車間的無線Wi-Fi信號，使運輸車無論位于哪個位置，都可以通過無線網卡接入，保持通訊狀態。

3.3 基于Socket的模塊通訊技術

Socket是網絡抽象層中定義的一組接口，把復雜的TCP/IP協議族封裝于其內部。用戶通過調用接口實現數據傳輸的過程如下：服務器端分配一個網絡端口，在初始化的Socket與端口綁定（bind），監聽端口（listen），調用accept阻塞線程，等待客戶端連接。當有客戶端發出連接服務器（connect）的請求時，服務器端響應并建立連接?？蛻舳税l送數據請求，服務器端接收并處理請求，然后把數據發送給客戶端，客戶端讀取數據，最后關閉連接，一次交互結束，通訊流程如圖5所示。

圖5 Socket通訊流程

在TCP協議中，MES作為智能加工綜合管控平臺核心部分，分別與其他各個模塊通訊，因此作為TCP協議中的Server，請求監聽所有連接，驗證身份后開啟一個新的Socket，正式建立與其他系統通訊。

3.4 基于SQL Server的數據庫設計

在智能制造模式中，產品全生命周期的各個環節中都存在大量的數據，包括生產訂單、計劃排產、工藝工裝、制造、庫存管理、售后服務等。工業數據種類多，數據量大，傳統模式下的各系統分管各自數據的做法制約了生產效率。為了實現各系統數據共享，打破信息孤島，多系統集成模型對數據庫進行重新設計，通過高集成度的平臺管理MES、DNC、MDC的數據。

數據庫是綜合管控平臺的數據結構核心，因此數據庫的合理設計是綜合管控平臺的可靠行和運行效率的重要保障。設計中利用應用數據庫設計的三范式，在盡可能避免數據冗余的同時，提高查詢效率。由于SQL Server具有可伸縮性好，與Windows軟件集成程度高的特點，項目中采用SQL Server 2014數據庫軟件建立數據服務器，根據數字化加工車間的實際生產需求設計數據庫表格和數據關系，實現人員、產品、設備及生產過程中的重要信息的數據庫管理。

如圖6所示，MES、DNC、MDC等工業現場軟件所關心的設備信息、生產計劃信息、任務信息、工藝信息、產品信息、用戶信息、刀具信息等數據在數據庫中作統一管理。在生產過程中，DNC/MDC通過各自數據接口與生產設備建立通訊連接，但不直接操作數據庫。所有數據都通過接口與MES之間傳遞，在MES中完成訪問和修改數據庫的操作。

圖6 數據庫表格

4 工程應用

通過多系統集成技術，DNC/MDC系統與MES系統深入集成，綜合管控平臺負責生產管理和調度執行，實現數字化車間的生產調度、工藝管理和過程控制，同時采集數據，監控生產過程，實現質量監控和實時跟蹤，提高生產效率和管理效率。項目實施以來，不僅使車間生產的運作流程得到優化，還使生產效率大規模提高。

接到新的生產訂單后，單擊任務管理開始生產準備工作。任務管理模塊負責對生產任務的添加、排產及相應的查詢等功能。排產管理模塊可以結合目前車間的生產狀況合理安排加工作業的順序，并完成生產調度、生產監督等功能，而且設備異常等突發時間做處理，從而保證車間的生產，使得車間的生產能按期有效地具體執行。

在排產之前，通過設置確定生產項目、生產批次、零件類型、生產數量、使用工藝（包括加工步驟、機加工藝和使用夾具），操作員手動選擇項目、批次、加工步驟和數量信息，系統自動根據數據信息確定機加工藝、夾具和空閑設備，形成了生產任務信息傳遞給相應的設備，實現了自動生產。

在生產過程中，MES分別對機床、機器人和AGV進行設備管理，統計各個生產設備的基本屬性、工作狀態、維修狀態，并實時查詢。當設備出現故障時，系統能夠第一時間發布報警信息，保證了生產安全。同時，系統自動存儲生產過程數據，數據包括時間、設備、人員和產品等多種信息，形成數據記錄。

MDC模塊主要用于實現生產設備的集散管理及相關信息采集和處理，不僅涵蓋數控機床的數據采集和監控，還包括上下料機器人、AGV小車和測量機等的狀態監控，實現了功能較為全面的MDC系統。

在生產過程中對局域網內設備的遠程監控，通過數據監控模塊，可以實時監控車床的絕對位置、轉速、進給及功率等主軸參數，以及主程序、當前程序等工藝參數。同時，對機床狀態和報警信息等全面監控，并可以對運行時間、加工時間等參數進行檢測和統計。系統還實現了對設備啟動和暫?？刂?、冷卻液開啟等點開關的控制功能，基本實現了遠程控制和狀態監控功能。

除了數控機床的數據，操作人員可以實時查詢物流設備的數據，包括上下料機器人和AGV。操作人員在生產時可隨時查詢上下料機器人當前工作，檢查設備是否處于正常工作狀態，即按流程完成上料和下料工作。對于AGV，系統實時監控小車的當前位置和目標位置，確保小車按生產需要轉移工件。數據采集模塊還監控AGV的當前電量，當電量低于正常工作電量時及時通知操作人員。

智能加工綜合管控平臺在實際生產中對數控機床的數據采集和監控，也對上下料機器人、AGV小車等設備的工作狀態實時監控，并對故障報警，實現了對數控生產過程的監控與管理，提高了數字化加工生產線的可靠性。

該智能加工綜合管控平臺中，DNC模塊接收MES提供的NC程序和工藝信息，完成NC程序的上傳和下載，MDC負責數控機床和物流設備的信息采集和統計，并將數據傳入數據庫，MES系統從數據庫中實時獲取加工信息，實時監控設備狀態，根據實際生產需求和車間狀況執行添加工單、暫停生產等操作，可靠性高，操作簡便，不僅實現對數字化生產流程的整體管控，也有效提高了車間的生產效率。

5 結束語

本文對數字化車間中DNC/MDC與MES集成技術展開研究，研究并設計了針對數字化車間的多系統集成模型，搭建了數字化車間網絡，將傳統DNC、MDC集成于MES系統中，研究設計了一套智能加工綜合管控平臺，擁有生產管理、排產管理、設備管理、程序管理、數據采集等功能，實現了對生產線的全周期管控，減輕了工人的工作量，提高了生產和管理效率。

在計算機軟件、網絡通訊和數字化加工技術等領域的理論發展和技術革新，數字化車間生產信息深度融合的趨勢下，應用于不同目的的各類工業軟件將不再局限于原有的功能范疇，將逐步集成、相互融合，形成統一的整體。這其中不僅包括本文提到的與生產過程息息相關的DNC、MDC和MES系統，還包括企業信息系統ERP、數字化工藝CAM、CAPP等等。在工業數字化軟件的系統集成技術的影響下，車間設備利用率得到大幅度提高，產品質量得到有效控制和深度追溯。這也為將來企業云制造發展打下堅實基礎，是提高制造企業競爭力的重要手段。

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Research and Design of DNC/MDC and MES Integration System in Digital Workshop

Rao Naxin1Luan Jingdong1，2Guo Mingru1Ma Qi1Li Haibing1，2Zhong Zhenghu1

(1. Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing 100039; 2.Qingdao Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology, Qingdao 266237)

An integrated model of DNC/MDC and MES is proposed based on the research of multi-system integration technology in the digital workshop. With digital network model constructed, integrated management and control platform for intelligent machining is designed. The real-time system was established by using local area network as information flow channel, integrating digital manufacturing technology, data acquisition technology and distributed digital control technology. The efficiency of workshop production and management is improved, which proved the effectiveness of the integrated model and network architecture.

digital workshop；system integration；MES；data acquisition

饒納新（1994），碩士，儀器科學與技術專業；研究方向：智能制造生產線集成。

2019-01-07