1 背景與現(xiàn)狀

    在MES中，數(shù)據(jù)采集和過(guò)程控制貫徹始終。數(shù)據(jù)是所有過(guò)程的根本，采集生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、集成原料和產(chǎn)品的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、集成設(shè)備狀態(tài)信息，并將這些信息進(jìn)行合并、匯總、規(guī)范、比較、分析等綜合處理。一方面為生產(chǎn)計(jì)劃與排產(chǎn)提供依據(jù)；另一方面也為企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)提供及時(shí)、可靠、準(zhǔn)確的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)決策參考信息�？刂剖撬�有管理的關(guān)鍵，控制的自動(dòng)化、主動(dòng)性、可調(diào)控和敏捷度是制造執(zhí)行管理對(duì)控制的要求，也是MES中控制模塊面臨的挑戰(zhàn)。

    本文以上汽集團(tuán)采埃孚轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司的E2管柱生產(chǎn)線(下稱(chēng)目標(biāo)生產(chǎn)線)為例，詳細(xì)介紹現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)、上位網(wǎng)絡(luò)的軟硬件設(shè)計(jì)與部署。目標(biāo)生產(chǎn)線是一條汽車(chē)零部件加工裝配線，其設(shè)計(jì)難點(diǎn)如下。

    a．物料繁多。物料的信息管理和跟蹤存在統(tǒng)計(jì)盲區(qū)，部分物料的浪費(fèi)或報(bào)廢時(shí)有發(fā)生。

    b．產(chǎn)品類(lèi)型多樣。部分生產(chǎn)線產(chǎn)品沒(méi)有條碼跟蹤，導(dǎo)致不能獲取產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

    c．產(chǎn)量高且流程復(fù)雜。生產(chǎn)線有包括測(cè)試工位在內(nèi)20余道工序，現(xiàn)場(chǎng)流程控制的不完善，增加不合格產(chǎn)品的產(chǎn)生幾率和流入下道工序的可能。

    設(shè)計(jì)引入了生產(chǎn)線服務(wù)器，應(yīng)用了MES集成化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方案和智能化主動(dòng)控制方案，整體方案在離散制造生產(chǎn)線的MES中具有典型性和參考價(jià)值。

2 基于Line Server的整體設(shè)計(jì)方案

    (1)Line Server及其應(yīng)用

    對(duì)于多工位生產(chǎn)線數(shù)據(jù)通訊和處理要求及多工位控制信號(hào)管理等復(fù)雜問(wèn)題，傳統(tǒng)的方法依賴于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC)，即在每個(gè)工位部署1臺(tái)IPC以供數(shù)據(jù)采集處理和控制信號(hào)交互。隨著產(chǎn)品復(fù)雜度增加、生產(chǎn)線設(shè)備數(shù)量增加、控制工藝復(fù)雜，為了提高效率，考慮多工位生產(chǎn)線的條件限制及控制要求，引入Line Server。不僅取代了工位龐大的IPC現(xiàn)場(chǎng)部署，而且能夠有比IPC更出色的性能，能夠高速執(zhí)行多線程的計(jì)算處理，適合復(fù)雜工位的現(xiàn)場(chǎng)MES實(shí)施。

    Line Server具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。足夠強(qiáng)大的運(yùn)行容量，同時(shí)處理數(shù)十個(gè)工位的數(shù)據(jù)與信號(hào)，可以完成或協(xié)助完成所有MES中涉及的處理管理功能。靈活性強(qiáng)，便于生產(chǎn)的維護(hù)與功能升級(jí)。相對(duì)獨(dú)立與穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)終端，物理上連接執(zhí)行層和管理層，功能上是網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造的助推器。部署Line Server，一方面減輕了企業(yè)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)的通訊壓力：另一方面有利于現(xiàn)場(chǎng)控制包括數(shù)據(jù)采集處理的效率，同時(shí)保證在車(chē)間和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)能夠進(jìn)行受控有序的生產(chǎn)活動(dòng)。相比傳統(tǒng)的IPC控制系統(tǒng)，在滿足生產(chǎn)執(zhí)行、管理要求的基礎(chǔ)上提高控制效率，簡(jiǎn)化軟/硬件的部署與維護(hù)。

    (2)整體設(shè)計(jì)方案

    系統(tǒng)從部署角度分為現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、上位網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)包含產(chǎn)品制造數(shù)據(jù)采集模塊、產(chǎn)品條碼信息采集模塊、PLC控制模塊、觸摸屏控制顯示模塊、本地網(wǎng)絡(luò)模塊等：上位網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、本地一遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)信號(hào)交互模塊、管理查詢B/S模塊等。見(jiàn)表1。

表1 目標(biāo)生產(chǎn)線MES設(shè)計(jì)模塊與功能

    目標(biāo)生產(chǎn)線軟、硬件清單見(jiàn)表2。圖1為目標(biāo)生產(chǎn)線MES現(xiàn)場(chǎng)示意圖。通過(guò)這些部件的協(xié)同作用，從系統(tǒng)上達(dá)到目標(biāo)功能，并保持一定的靈活性。

表2 目標(biāo)生產(chǎn)線軟件、硬件清單

圖1 目標(biāo)生產(chǎn)線MES現(xiàn)場(chǎng)示意圖

3 數(shù)據(jù)采集功能模塊設(shè)計(jì)

    (1)PLC數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)

    機(jī)床上帶有多個(gè)位置傳感器以感知工件的安置情況和電機(jī)的走位進(jìn)程。其狀態(tài)值由PLC讀取，并據(jù)此完成基本電機(jī)的停行速率。通過(guò)PLC進(jìn)行獲取或賦予生產(chǎn)數(shù)據(jù)和流程控制信號(hào)。目標(biāo)生產(chǎn)線使用的機(jī)床數(shù)控PLC是西門(mén)子公司生產(chǎn)的SIMATIC S7系列。SIMATIC S7-300自帶的網(wǎng)絡(luò)通訊接口方便了PLC的數(shù)據(jù)讀��；SIMATIC S7-200其PLC的CPU模塊沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)接口，因此需要外接網(wǎng)絡(luò)模塊CP 243-1進(jìn)行通訊。

    以西門(mén)子SIMATIC S7-200為控制器的控制系統(tǒng)，硬件上完成CP 243-1網(wǎng)絡(luò)模塊安裝，見(jiàn)圖2。用西門(mén)子編程專(zhuān)用PC/PPI電纜將S7-200與電腦連接起來(lái)，通過(guò)STEP 7 Micro/Win32進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)模塊的配置與編程。打開(kāi)PLC程序后使用以太網(wǎng)模塊組態(tài)向?qū)�添加以太網(wǎng)模塊步驟如下。

圖2 西門(mén)子CP 243-1以太網(wǎng)模塊硬件接線

    a．設(shè)置模塊的位置，一般以S7-200為第0號(hào)模塊，向右側(cè)依次排序即可得到以太網(wǎng)模塊的位骶置，也能通過(guò)自動(dòng)讀取模塊的功能來(lái)確定模塊豁位置。

    b．設(shè)置模塊IP地址(IP Address)，子網(wǎng)掩黔碼(Subnet Mark)默認(rèn)為255.255.255.0。

    C．將PLC聯(lián)網(wǎng)模式選擇為服務(wù)器連接(Server Connection)，并在客戶端地址中填入Line Server的IP地址，本地傳輸服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)(TSAP)由硬件結(jié)構(gòu)決定，遠(yuǎn)程TSAP使用默認(rèn)設(shè)置10.11。在完成以太網(wǎng)模塊設(shè)置后，需要在程序中添加針對(duì)以太網(wǎng)模塊的OPC執(zhí)行模塊，并在主程序中調(diào)用該模塊，見(jiàn)圖3。完成配置后編譯程序并通過(guò)數(shù)據(jù)線更新PLC中的程序。

圖3 以太網(wǎng)模塊初始化語(yǔ)句

    在Line Server端，通過(guò)網(wǎng)線與CP 243-1連接或直接通過(guò)網(wǎng)線與Line Server連接，進(jìn)而與S7-300通訊。SIMATIC NET通訊組態(tài)軟件是用來(lái)建立OPC服務(wù)器的連接。使用OPC Scout軟件可以測(cè)試數(shù)據(jù)通訊，將各工位的控制位和數(shù)據(jù)位添加入Scout的Project中，即可查看各工位的PLC數(shù)據(jù)。

    (2)條碼信息采集實(shí)現(xiàn)

    裝配線上的產(chǎn)品經(jīng)過(guò)每一道工序，因此該產(chǎn)品的主要部件或者第一道流程的部件將被賦予產(chǎn)品ID，本線使用一維條碼進(jìn)行產(chǎn)品編碼。每次加工前必須對(duì)產(chǎn)品的條碼進(jìn)行采集�？紤]物料條碼信息與工件產(chǎn)品條碼信息采集的速度和頻率，使用手持與固定兩款掃描槍。物料條碼的采集通過(guò)手持式掃描槍采集，產(chǎn)品/工件的條碼通過(guò)固定條碼讀取器采集。物料(箱)放在機(jī)床邊的物架上，且一般僅在更換新的物料時(shí)才需要進(jìn)行整箱掃描，故使用手持式條碼槍采集操作。工件的條碼貼在工件指定位置，優(yōu)化設(shè)計(jì)后，將小型固定條碼讀取器安裝在機(jī)床特定位置，工件就位即可掃描條碼，實(shí)現(xiàn)放置→掃描→采集→加工自動(dòng)完成，大大提高了工件條碼的數(shù)據(jù)采集效率。

    鑒于串口在工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸中的兼容性與穩(wěn)定性，使用條碼讀取器的串口作為傳輸接口。雖然條碼讀取器需要外接電源，但考慮到用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，機(jī)床電源冗余或可拓展使供電不構(gòu)成問(wèn)題。此后，通過(guò)串口服務(wù)器進(jìn)行串口-網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換。

4 主動(dòng)控制功能模塊設(shè)計(jì)

    PLC的主動(dòng)控制是基于MES的控制系統(tǒng)中的核心之一。PLC是制造執(zhí)行系統(tǒng)中與設(shè)備機(jī)床聯(lián)系最緊密的部件。通過(guò)PLC程序設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)部署，在Line Server數(shù)據(jù)庫(kù)管理與監(jiān)控程序的協(xié)同下，實(shí)現(xiàn)制造加工質(zhì)量及操作流程的自動(dòng)化控制，支持完善MES的整體功能。

    以PLC為主的MES主動(dòng)控制模塊充分利用控制器PLC與機(jī)床設(shè)備之間實(shí)時(shí)的傳輸能力和PLC較強(qiáng)的控制處理功能，在信號(hào)傳輸、數(shù)據(jù)采集、控制處理等環(huán)節(jié)，PLC都能夠表現(xiàn)出較上位系統(tǒng)(如IPC)更能滿足MES對(duì)控制功能模塊的要求。在可靠性與適應(yīng)性方面，PLC作為機(jī)床的控制器，機(jī)床直接受控于，植入PLC程序中的控制模塊不受外界的干擾與限制，控制模塊的可靠性取決于機(jī)床整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠程度，因此對(duì)于符合要求的機(jī)床系統(tǒng)，其控制模塊也滿足工業(yè)要求。從開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)角度分析，依靠PLC實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制是通過(guò)直接給PLC定義控制位和添加程序控制語(yǔ)句，可掌控機(jī)床的行止和機(jī)床狀態(tài)的信息，兼容性強(qiáng)、靈活性高且開(kāi)發(fā)周期短。PLC與機(jī)床之間傳輸距離和時(shí)間是最短的，因此PLC實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)控制功能的實(shí)時(shí)性是最優(yōu)的。除此之外，隨著工業(yè)用觸摸屏技術(shù)及產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，工業(yè)用觸摸屏能讀取并顯示控制位狀態(tài)，更好完善了現(xiàn)場(chǎng)主動(dòng)控制的功能。

    (1)權(quán)限控制

    杈限控制涉及人員、條碼、物料等權(quán)限和規(guī)范的監(jiān)控，是機(jī)床加工循環(huán)前的控制。利用PLC控制位的合理設(shè)定及程序中對(duì)其的讀寫(xiě)、判斷來(lái)完成整套流程的控制。在PLC程序中，定義一個(gè)int類(lèi)型的通用控制位和2個(gè)bool類(lèi)型的標(biāo)記控制位，通用控制位以不同的數(shù)值代表不同的判斷結(jié)果，標(biāo)記控制位則標(biāo)記通用控制位的變化《約定有變化置位1》。在PLC控制機(jī)床的過(guò)程中，遇到有流程規(guī)范的環(huán)節(jié)讀取標(biāo)記控制位，讀到置位信號(hào)后，讀取通用控制位的值，根據(jù)約定執(zhí)行機(jī)床或禁止機(jī)床。類(lèi)似地，PLC控制信號(hào)讀取位，并通過(guò)標(biāo)記控制位通知Line server程序。此方案優(yōu)點(diǎn)是方便控制內(nèi)容的擴(kuò)展。

    (2)質(zhì)量控制

    質(zhì)量控制是MES控制功能的重點(diǎn)。質(zhì)量控制包括本道質(zhì)量控制和上道質(zhì)量控制。質(zhì)量控制通過(guò)對(duì)產(chǎn)品加工的實(shí)際工藝參數(shù)與動(dòng)態(tài)工藝參數(shù)閾值比較來(lái)控制機(jī)床的行止。工藝參數(shù)即加工參數(shù)，可以通過(guò)PLC與機(jī)床的交互直接獲取，因此在PLC端做工藝參數(shù)的控制是最高效的方案。實(shí)現(xiàn)本道質(zhì)量控制首先需要下載動(dòng)態(tài)工藝參數(shù)閾值表，在PLC中設(shè)定一定的存儲(chǔ)空間，在PLC的初始化程序中通過(guò)下載Line Server數(shù)據(jù)庫(kù)中的動(dòng)態(tài)工藝參數(shù)閾值表完成更新。在機(jī)床加工完畢后PLC會(huì)獲得一系列實(shí)際工藝參數(shù)，通過(guò)與動(dòng)態(tài)工藝參數(shù)閾值的比較，判斷產(chǎn)品的質(zhì)量情況，對(duì)于不合格的產(chǎn)品，根據(jù)工藝設(shè)計(jì)來(lái)控制機(jī)床進(jìn)行即時(shí)的返工或作報(bào)廢處理。在加工前進(jìn)行上道質(zhì)量驗(yàn)證控制是為了避免上道的不合格品繼續(xù)加工，造成廢品和物料的浪費(fèi)。在執(zhí)行上道質(zhì)量控制時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品條碼向Line Server查詢上道的加工結(jié)果，如遇不合格產(chǎn)品將禁止機(jī)床動(dòng)作。通過(guò)本道質(zhì)量控制和上道質(zhì)量控制雙管齊下，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，并控制機(jī)床作進(jìn)一步處理。相比傳統(tǒng)的末道或裝箱時(shí)的產(chǎn)品抽查或普查，實(shí)時(shí)的主動(dòng)控制方案避免了不必要的物料消耗、加工時(shí)間：相比較人工的檢驗(yàn)方法，基于PLC的主動(dòng)控制方案提高了質(zhì)量控制的效率和可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

    在上汽集團(tuán)采埃孚轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有限公司的管柱E2生產(chǎn)線上設(shè)計(jì)實(shí)施了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和主動(dòng)控制系統(tǒng)。利用PLC網(wǎng)絡(luò)模塊和OPC接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)PLC與服務(wù)器的實(shí)時(shí)通訊：將控制邏輯植入PLC控制程序內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備層的主動(dòng)控制，簡(jiǎn)化了管理層的工作；部署生產(chǎn)線服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心與現(xiàn)場(chǎng)PLC控制器的數(shù)據(jù)傳輸和信號(hào)通訊，完成網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同控制。

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本文標(biāo)題：汽車(chē)裝配線MES實(shí)時(shí)數(shù)采和控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化

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