工業機器人生產數字化車間系統架構設計

張新軍 常小明

（濟源職業技術學院，濟源 459000）

數字化車間是裝備制造業發展的必然趨勢。數字化車間的建設重點是對車間內的設備、系統進行聯網，實現對車間內的設備、系統數據的實時采集和分析。制造車間的數字化可以最大限度地利用信息技術和工業技術之間的交互作用。其中，工業技術是信息化技術的支撐和基礎，而信息技術對工業技術具有引導和決策作用。工業機器人是機電一體化的重要產品，代表著工業機械自動化的最高程度。利用工業機器人取代人工，可以減少人工失誤，降低操作風險，提高產品質量，為企業創造良好的經濟效益[1]。所以，在工業機器人制造過程中，必須進行數字化車間體系結構的設計。

2 數字化車間聯網通信

數字化車間要建立基本的通信網絡，實現各層次間的信息傳輸，在此基礎上建立工業機器人制造企業的數字通信網絡，將各個層次的車間網絡連接起來，然后與廣域網（Wide Area Network，WAN）相連。詳細的網絡拓撲結構見圖1。

圖1 網絡拓撲結構

車間執行層使用高性能的萬兆核心交換機，構建了一個數字化的車間骨干網絡，并安裝了一道防火墻，以保護工廠內部的工業互聯網和物聯網的信息安全。車間的控制層和下層的設備層，利用數據網關采集運行服務器上的數據，構成了車間的底層數據。車間的網絡結構確保了各種設備的無縫對接和數據的實時采集與反饋。生產區的條件比較苛刻，因此所有的接入開關選擇更加可靠的工業開關。同時，合理配置工業雙頻段的無線網絡，包含自動導引運輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）、RFID系統、移動設備、手持設備、生產線控制一體機以及帶有網卡的加工設備。對于沒有網卡但配備RS-232的設備，采取有線訪問的方法[3]。每個裝置都有自己的網際互連協議（Internet Protocol，IP）地址，并在管理端的服務器上進行數據交換。

3 系統之間的協作整合

MES是企業信息化建設的核心，也是企業信息化建設的重點。MES是連接底層智能設備的控制層和管理層的橋梁，可以被看作是一種溝通手段，彌補了高層管理決策和生產管理的斷層。MES與其他系統相比，與生產有更緊密的聯系，更加專業化。MES能夠與生產計劃、質量、設備等多個方面的信息進行全面協調，從而達到對生產的集中控制和生產總量的綜合分析。基于工業機器人制造車間的實際情況，決定MES系統的具體實現，其中主要有ERP系統、PLM系統以及SCADA系統等。本文對MES與ERP、PLM及其他系統的整合進行研究，不涉及MES的內部功能。

3.1 MES的功能框架

基于對工業機器人制造車間的需求分析，給出MES系統的基本結構。如圖2所示，MES的功能必須與PLM等其他系統有機結合，才能滿足企業對MES的功能需求[4]。ERP將PLM系統的產品設計資料相結合，將流程、機床狀態等上傳到ERP系統，將物料管理、計劃管理與生產調度和其他物料清單（Bill of Material，BOM）表格按用戶的要求制訂生產計劃，并將生產計劃分發給MES，然后將生產任務分配給倉庫、裝配調試車間和數控機床。

圖2 MES功能架構

3.2 ERP與MES的整合

通過ERP系統信息可以看到各個部門的狀態，以作為企業的管理和決策基礎。接口1至接口6的信息流方向為ERP→MES，接口內容依次為供應商代碼、人員主數據、生產訂單信息、庫存信息、采購執行信息以及物料主數據。接口7至接口9的信息流方向為MES→ERP，接口內容依次為物料消耗數據、工單任務信息、物料損耗信息。

ERP與MES的信息流動是雙向的。MES能夠獲取供應商代碼、人員主數據和生產訂單信息。ERP系統通過庫存信息、采購執行信息等，通過MES系統獲取物料消耗、工單任務、物料損耗等。MES和ERP系統的整合，有利于企業資源、生產計劃和原料供應等方面的信息相互交流，提高了企業的生產效率和成本，使企業在市場上獲得更大的優勢。

3.3 MES和PLM的整合

圖3顯示了PLM的核心功能，包括流程計劃和品質管理。

圖3 PLM系統的主要功能

PLM系統的目標是實現項目管理、樣機管理以及BOM表單管理等。它涵蓋了從產品研制階段的論證、方案、工程開發階段，是從定型到最終的維保全過程。PLM系統數字化研發、數字化制造、數字化測試，使得系統在數字化維護下實現多層面的信息交互，確保了企業各個部門的數據一致性和可跟蹤性。這種閉環管理可以有效提高生產效率，控制產品品質，并顯示了PLM與MES的界面和信息流向。接口10至接口14的信息流方向為PLM→MES，接口內容依次為產品BOM、產品工藝路線、技術圖紙、工藝規范以及工藝文件。接口15的信息流方向為MES→PLM，接口內容為工時定額。

MES可以從PLM系統中直接獲得產品BOM、產品工藝路線以及技術圖紙，通過分析工藝參數，有效解決手工輸入缺陷的問題。

3.4 MES和SCADA的整合

MES通過SCADA實現了車間、檢驗、生產設備的全網絡化，實現了對設備狀態、關鍵參數、故障數據的實時采集，實現了MES中生產信息的自動關聯，為生產過程控制、設備監控、過程質量控制等提供了實時數據支持[5]。MES與SCADA系統整合的主要功能如下所述。

3.4.1 平臺可視化

建立生產運行中心控制室，實時采集數控機床生產過程中的數據，并對裝配調試過程的數據進行處理，通過發光二極管（Light-Emitting Diode，LED）顯示屏、計算機終端等向管理者提供生產進度跟蹤、進度異常預警、線性庫存監控、庫存異常預警以及設備狀態監控，對設備故障報警、過程質量監控、質量異常預警等進行遠程實時監測與測量，使生產過程的管理更加透明。它可與高清產線監控錄像相結合，在管理人員遇到異常情況時進行精確分析，并及時做出反應。

3.4.2 工藝質量控制

MES與SCADA技術相結合，可以實時收集工業機器人各個工序的品質參數，并進行統計和分析，從而達到對產品質量的控制和管理。企業可以利用MES系統來管理、比較生產工藝的質量信息和檢驗標準，從而實現對生產過程的實時監控與追溯，對生產工藝的操作進行規范化。MES與SCADA系統集成后，可以實時獲取和提取與生產質量有關的關鍵工藝參數，并且在參數數值曲線發生變化或者逐漸增大到有可能超過預定的處理參數限制范圍時，將其與SCADA系統整合。系統會自動發出警報，以通知管理人員做出反應。

4 結語

本文在構建數字化車間信息模型后，按照5個層次進行分層內部網絡通信，實現全數字化車間的網絡通信，并對MES與ERP、PLM、SCADA等進行集成。數字化車間的信息化建設是實現數字化車間高效運作的重要手段。文章實現了5級之間的網絡化通信，可以防止由于數據傳遞和不及時導致企業無法正常運轉，從而避免決策失誤而造成經濟損失。