MES系統與自動裝配產線設備互聯的設計

顏一多，李志杰

（博世汽車部件長沙有限公司，長沙 410010）

0 引言

當今，產品與生產的復雜性要求高效的信息管理。一方面在于計劃與控制，另一方面在于分析與召回。需要解決的問題包括如何發揮生產設備最大功能，生產多少產品，每天出現故障的頻率，上個月發生過的故障，生產透明度與安全性如何大幅提高等，制造執行系統（Manufacturing Execution Sys?tem，MES）正好可以解決這些問題，并優化企業在質量、交付和成本之間的平衡關系。智能制造將是未來制造業智能化的核心源泉，并且帶動產業升級，智能裝備等新興產業的不斷崛起[1]。

現有的車間，大多數設備與MES 系統之間存在著特定的通訊協議實現數據交互，MES 缺少與不同類型PLC設備實現的通訊數據的底層協議。針對MES系統數據采集缺少靈活性的問題，本文提出了MES系統與自動裝配產線設備通過工業標準的OPC 協議實現互聯，保證了不同設備廠商能夠通過統一的接口實現生產數據信息化、透明化，從而實現智能工廠。

1 企業MES系統

MES系統[2]，用于總結分析生產功能，通常存在于生產設備和企業資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）系統之間。MES 系統包含信息管理，質量管理，人員及效益管理，產品數據追溯，材料管理等主要功能，通過這些特性，可以完成整個工廠的生產價值流創造鏈，減少生產成本，優化工廠資源，并且通過物流端的中間接口將歷史數據追溯直到終端客戶。全球市場競爭的加劇對制造企業在縮短研發周期、提高產品品質、提升服務質量、減少資源消耗等方面提出了更高的要求[3]。數據采集功能是各類MES 眾多功能模塊中最基礎也是最重要的功能，它作為底層功能，是整個系統健康運作的前提[4]，如圖1 所示，另外，通過各地生產數據的收集，數據通過網絡可以在全世界范圍內進行對比和處理，“世界工廠”可以得以實現。

圖1 工廠數據結構

2 設備硬件與工業服務器

目前大多數自動裝配產線設備都采用了可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制或者工控機控制工藝，本裝配產線現場包括貼片裝載，馬達裝配，繞線機，包裝站這4 個工位，PLC控制器為西門子S7-315和S7-1215，并配合安全模塊CP343-1和CP1243-1，如圖2所示。

圖2 PLC硬件組態

人機界面采用西門子KTP700，用于管理工站的配方數據。設備端基于工業以太網TCP/IP協議與服務器互聯，配置的信息有CI-用戶名，IP地址，路由器地址以及Mask地址，為了實現數據報文的時間同步，工廠網絡系統還提供了網絡時間協議（Network Time Protocol，NTP）服務器，確保了設備的數據和服務器采集的數據產生相同的時間戳。在互聯網環境中，各個網絡節點設備的時間一致性是非常重要的指標[5]。

服務器端采用了惠普DL388G9，CPU2.1G 至強E5-2620v4/8 核，內存128G，硬盤HP 146 GB SAS 10K，OS 操作系統為Window Server2016，數據庫選擇Microsoft SQL Server2012企業版，是一種關系型數據庫系統，安全性高，伸縮性強，具備處理海量數據能力，結合NET平臺使用具有很大的便利性[6]。

3 數據通訊與交互

3.1 MES數據采集

用于過程控制的OLE（OLE for Process Control，OPC）是一種利用微軟的COM/DCOM 技術來達成自動化控制的協定。它為現場設備、自動控制應用、企業管理應用軟件之間提供了開放、統一的標準接口[7]。PLC 與MES 服務器之間的通訊采用開放的OPC協議交互數據，Client/Server（客戶端/服務器端）模式，OPC server 軟件通過主動查詢的方式讀取OPC變量值，實現智能工廠數據自動采集和無縫交互集成[8]。本系統將每個工站定義了一個位置信息，除了會分配一個特定的IP 地址之外，還有配置功能數據，其組成主要有產線號、工站號、功能單元號、工位號等信息；如數據變量塊DB中定義的位置數據為12.20.1.1.4，代表了“12 號線，20 工站，串行工站，PLC 功能，4 號工位”，服務器在收到這些位置數據之后會在MES 系統中的配置進行匹配，確保每個數據交互信息的正確性。

對于產品而言，每個產品對應一個ID 身份（惟一識別碼），產品加工前，通過手持掃描槍讀取ID，如圖3所示。

圖3 產品ID掃描

產品加工完成后，工件處理的功能會被激活，程序塊中發送請求信號會被觸發，此時PLC 將產品ID 和型號，工藝參數，結果狀態等信息傳輸至MES服務器進行存儲，如圖4所示。

圖4 PLC通訊程序設計流程

3.2 生產數據追溯

MES 端的處理方面，當監控到了時間戳，事件，位置信息同時得到了激活，服務器追溯模塊的功能會把上述PLC 端的數據將產品惟一ID 進行綁定，存儲至數據庫。在本系統中，MES 系統支持基于OIS.net的方式將報表及數據事件進行呈現，如圖5所示。

圖5 產品工藝數據

3.3 設備故障監控

設備故障的頻率直接影響生產的效率，設備的報警生成可以通過人機界面HMI 進行歷史報警記錄，在這個系統中，設備報警時通過MES 服務器監控PLC 在DB 數據塊的定義來實現數據采集。不同的報警類型在DB 數據塊進行讀寫，在OPC client端配置換型參數、成產模式轉換和設備報警等變量。當設備監控到變量產生變化時，OPC server 將在MES 系統中產生一個報文并記錄。因此，報警的地址及注釋需要定義精確。20 工站參數配置如圖6所示。

圖6 OPC client端參數圖

當20 工站的設備發生了報錯，對應錯誤bit1 值由0 變為1，OPC Client 端生成報文，MES 系統存儲至數據庫，利用數據分析工具生成圖表從而對數據進行分析和呈現。

3.4 設備綜合效率分析

故障性停機及計劃性停機是影響產線生產效率的重要參數，PLC 利用數據塊的功能定義，通過OPC Client端生成的報文，發送到MES進行設備綜合效率（Overall Equipment Effectiveness,OEE）分析。OEE計算如下所示：

式中：t總為合格產品的理論加工總時間；t負為負荷時間。

MES 系統提供可視化OEE 分析報表，如圖7 所示。通過OEE 模型的分析，可以直觀地看出OEE 的實際值和設定值的對比，準確得出在哪些環節需要進行改進，并可以同時進行產線的預防性維護，從而提升產能。

圖7 OEE數據

4 結束語

伴隨智能制造在中國的快速發展，大量的不同類型的企業MES 系統、設備PLC 或工控機等智能化系統將會產生，對系統互聯的需求也成為了工業信息化的新方向。

通過車間生產的關鍵數據參數進行配置和PLC 的數據采集，對比以前的同一條產線出現多樣系統接口的問題，本文的系統互聯設計從MES與裝配產線設備基于標準的OPC 協議實現數據的交互，保證了數據的準確率和實用性。在數據分析利用層面，工廠通過MES 對產品質量的追溯、產線效率的分析及設備缺陷的統計和分析等，明顯地提高了工廠效益以及生產過程中的透明度，對產能提升、降低庫存，節能降耗有明顯的指導意義。