0 引言

    制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)是制造系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，美國先進制造研究機構(gòu)AMR(Advanced Manufacturing Research)將MES定義為“位于上層的計劃管理系統(tǒng)與底層的工業(yè)控制之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)”。MES把企業(yè)資源計劃(ERP)同現(xiàn)場控制系統(tǒng)(PCS)通過執(zhí)行系統(tǒng)聯(lián)系起來，MES系統(tǒng)建立在生產(chǎn)現(xiàn)場之上，又為ERP提供數(shù)據(jù)支撐：在柔性制造系統(tǒng)(FMS)中，通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，生產(chǎn)管理部門才能及時、準(zhǔn)確地得到工件生產(chǎn)數(shù)量，準(zhǔn)確分析設(shè)備利用率等瓶頸問題，科學(xué)地制定生產(chǎn)計劃，實現(xiàn)生產(chǎn)管理協(xié)同。但是PCS產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大，不僅增加了數(shù)據(jù)采集的難度，而且阻礙了控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的有效數(shù)據(jù)和信息的交換，限制了對控制系統(tǒng)實時信息的有效利用：可見，只有有效的實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，才能使得MES系統(tǒng)從根本上解決車間管理中計劃跟蹤遲滯、設(shè)備利用率低、產(chǎn)品品質(zhì)難以提升等問題。

    本文研究了基于MES管理軟件的FMS的數(shù)據(jù)采集，設(shè)計了比較完善的網(wǎng)絡(luò)控制方案，形成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡便、易行、不干擾生產(chǎn)。

1 基于MES的柔性制造系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)

    1.1 柔性制造系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制

    針對某個工廠的具體要求，本課題組設(shè)計的柔性制造系統(tǒng)由7個站點組成，分別為中控臺、立體倉儲平臺、品質(zhì)檢測平俞、數(shù)控加工平臺、零件安裝平臺、拆卸分檢平臺、機器人安裝平臺、自動傳輸平臺。如圖1所示。FMS的網(wǎng)絡(luò)控制主要有上層管理控制網(wǎng)絡(luò)和子站點之間的互相通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。上層管理控制網(wǎng)絡(luò)由以太網(wǎng)構(gòu)成，它將中央控制臺與6個從站有機地連接在一起，用于控制各站的工作任務(wù)的工作安排、工作信息管理，以及工作狀態(tài)的監(jiān)控。

圖1 柔性制造系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制方案

    下一層的網(wǎng)絡(luò)為PROFIBUS現(xiàn)場總線，要實現(xiàn)FMS柔性制造生產(chǎn)線各工作站之間的協(xié)調(diào)運行和信息交流，必須依賴于強大的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)支持。FMS柔性制造生產(chǎn)線各工作站的工作信息、運行狀態(tài)、控制信號等均通過PROFIBUS現(xiàn)場總線傳送至中央控制臺，由中央控制臺連接上位控制計算機，完成各軟件的編寫和測試。

    1.2 MES管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)

    柔性制造系統(tǒng)正得到越來越廣泛的應(yīng)用，它具有設(shè)備可復(fù)用性高、運行靈活及產(chǎn)品應(yīng)變能力強的特點。但柔性生產(chǎn)過程所需物料種類繁多、裝配流程復(fù)雜多變，物料追蹤問題復(fù)雜，這些數(shù)據(jù)處理困難，如何統(tǒng)一將生產(chǎn)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)送入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，如何把系統(tǒng)中的控制信號快速送到設(shè)備從而執(zhí)行，需要一個良好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以便搜集和整理數(shù)據(jù)。

    MES系統(tǒng)將各個分散站點的數(shù)據(jù)集中起來，儲存在數(shù)據(jù)庫中，建立信息平臺。PCS包括PLC控制器、數(shù)據(jù)采集器RFID標(biāo)簽、各種檢測儀器、機械手、加工機床、存儲倉庫等。MES可以獲取ERP的生產(chǎn)管理信息，處理之后形成工作任務(wù)，將上層的操作指令傳遞給PCS，同時MES可以采集PCS的實時數(shù)據(jù)，監(jiān)控生產(chǎn)狀態(tài)，將PCS與ERP的數(shù)據(jù)整合反饋至ERP。MES在制造系統(tǒng)中起到了信息整合的作用。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)

2 MES數(shù)據(jù)采集內(nèi)容和方式

    2.1 數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容

    柔性制造系統(tǒng)的MES是對整個生產(chǎn)過程的優(yōu)化，而不是單一解決某一個生產(chǎn)瓶頸，所以它需要搜集大量的實時數(shù)據(jù)，并進行處理。而這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生于最底層，有生產(chǎn)數(shù)據(jù)、品質(zhì)檢測數(shù)據(jù)、設(shè)備運行狀況數(shù)據(jù)等。這些需要管理的數(shù)據(jù)分為三大類，即靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)以及中間數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)一般指變化的頻度較小的數(shù)據(jù)，如毛坯信息、員工信息、設(shè)備信息等。動態(tài)數(shù)據(jù)是指在生產(chǎn)活動中頻繁發(fā)生變動的數(shù)據(jù)，如倉庫的存儲狀態(tài)、物料的加工情況、成品的品質(zhì)檢驗等。系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)需要隨時維護。中間數(shù)據(jù)是一種經(jīng)過加工處理的信息，供管理人員掌握生產(chǎn)狀態(tài)，以便進行分析和決策：

    2.2 FMS的數(shù)據(jù)采集方式

    FMS的數(shù)據(jù)采集主要有幾種：1)PLC采集方式，2)RFID采集方式，3)觸摸屏采集方式，4)以太網(wǎng)采集方式。其中PLC采集方式、RFID采集方式觸摸屏采集方式是從用設(shè)備現(xiàn)有的接口，進行訪問從而對數(shù)據(jù)進行采集。如加工運行狀態(tài)、倉庫的存儲狀態(tài)等實時數(shù)據(jù)采集，但要根據(jù)設(shè)備的具體情況來定。

    1)PLC采集方式

    PLC采集方式包括兩種，一種是利用PLC直接采集系統(tǒng)各站點的I/O信號，然后將信息傳遞給MES的數(shù)據(jù)庫，這種方法采集的信息非常有限，而且這種采集方式需要對PLC進行連線，實施過程中，往往引起企業(yè)的設(shè)備維修方面的顧慮。一種是使用PC/PPI專用編程電纜連接PC的串行接口與可編程控制器S7-200的編程口，可以從PLC直接讀取設(shè)備加工日志文件，采集各種所需的帶時標(biāo)的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，包括加工時間、物料信息、加工者等，然后再通過PLC的以太網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)換信息給MES的數(shù)據(jù)庫。

    2)RFID采集方式

    利用無線射頻識別技術(shù)(RFID)采集加工數(shù)據(jù)、計量數(shù)據(jù)、物料批次數(shù)據(jù)等，通過以太網(wǎng)絡(luò)傳遞給數(shù)據(jù)庫，這種方式在采集的信息頻繁時會受到一定限制，只適合作為數(shù)據(jù)采集的補充手段。

    3)觸摸屏采集方式

    在現(xiàn)場設(shè)置終端(如觸摸屏終端)，由操作人員直接在觸摸屏輸入一些生產(chǎn)數(shù)據(jù)，可以用于現(xiàn)場查詢，但不能單獨完成信息的采集功能，只能依靠與其他的數(shù)據(jù)采集方式共同作用。

    4)以太網(wǎng)采集

    以上三種方式都是現(xiàn)場總線的方式，存在總線標(biāo)準(zhǔn)不一，從而導(dǎo)致控制網(wǎng)絡(luò)間互連以及控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)上層網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)出現(xiàn)了代價過高等問題。如何統(tǒng)一將生產(chǎn)設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)送入MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫是要解決的問題，使用工業(yè)以太網(wǎng)能很好的解決這些問題。

    由于FMS使用的是西門子控制器S7-200，配有通訊模塊CP243-1。CP243-1是一種通訊處理器，設(shè)計用于在S7-200自動化系統(tǒng)中運行。它可用于將S7-200系統(tǒng)連接到工業(yè)以太網(wǎng)(IE)中，有助于S7產(chǎn)品通過因特網(wǎng)進行通訊。因此，可以使用STEP 7-MicroWIN對S7-200進行遠程組態(tài)、編程和診斷。而且，一臺S7-200還可通過以太網(wǎng)與其他S7-200、S7-300或S7-400控制器進行通訊，并可于OPC服務(wù)器進行通訊。在整個系統(tǒng)的以太網(wǎng)里，CP243-1可以作為服務(wù)器，也可以作為客戶機，據(jù)客戶影服務(wù)器原理的每個通道運行。每個通道每次只能接收、處理或響應(yīng)(主動響應(yīng)或被動響應(yīng))一個命令。只有在發(fā)送響應(yīng)后，CP243-1通訊處理器才能接收其他命令。如圖3所示。

圖3 以太網(wǎng)通訊方式

3 基于OPC技術(shù)的數(shù)據(jù)采集

    3.1 OPC技術(shù)

    不論是直接從設(shè)備自動獲得數(shù)據(jù)，還是通過工業(yè)以太網(wǎng)獲得數(shù)據(jù)，生產(chǎn)過程實時信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集應(yīng)該采用一致、標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集接口。這不但能提高整個系統(tǒng)的通用性，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，而且還可以增強系統(tǒng)的可擴展性。因此，系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集接口采用了目前國際上流行的標(biāo)準(zhǔn)OPC接口。OPC(OLE for process control)是嵌入式過程控制標(biāo)準(zhǔn)，是用于服務(wù)器/客戶端鏈接的統(tǒng)一而開放的接口標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范：OLE是微軟為Windows系統(tǒng)、應(yīng)用程序間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的技術(shù)，是Object Linking and Embedding縮寫。不同的供應(yīng)商的硬件存在不同的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，OPC作為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提供了工業(yè)環(huán)境中信息交換的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)軟件接口，數(shù)據(jù)用戶不用再為不同廠家的數(shù)據(jù)源開發(fā)驅(qū)動或服務(wù)程序。OPC將數(shù)據(jù)來源提供的數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)方式傳輸至任何客戶機應(yīng)用程序。本柔性制造系統(tǒng)使用西門子V1.0 PC Access SP3作為實時數(shù)據(jù)庫，供上位機的其他程序訪問，是開放的實時數(shù)據(jù)庫橋梁、中轉(zhuǎn)站：同時PC Access是專為連接S7-200 PLC和S7-200通信模塊而設(shè)計的OPC服務(wù)器，它向OPC客戶端提供數(shù)據(jù)信息，可以與任何標(biāo)準(zhǔn)的OPC Client(客戶端)通訊。它支持所有的S7-200數(shù)據(jù)形式，STEP 7-Micro/WIN PLC編程軟件中的符號都可以輕松移植到PC Access項目中，支持多PLC的連接支持所有的S7-200協(xié)議�？梢栽赑C機上監(jiān)控、調(diào)用和處理PLC的數(shù)據(jù)和事件。

    PC Access的工作模式是以其為連接S7-200 PLC和S7-200通信模塊而設(shè)計的OPC服務(wù)器，從PROFIBUS現(xiàn)場總線采集設(shè)備數(shù)據(jù)，再通過OPC方式，傳送到MES監(jiān)控服務(wù)器，由MES監(jiān)控服務(wù)器組織采集到的數(shù)據(jù)，進行監(jiān)控界面的組織，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化、報警等功能。同時PC Access軟件自帶OPC客戶測試端，用戶可以方便的檢測其項目的通訊及配置的正確性：

    3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的OPC設(shè)計及實現(xiàn)

    OPC的自定義接口是一種COM接口，主要用于采用C++語言的應(yīng)用程序開發(fā)。

    首先要初始化COM庫Colnitialize(NULL)，建立與服務(wù)器的連接，OPC客戶端采用訂閱的方式讀取數(shù)據(jù)適合柔性制造系統(tǒng)信息量大的特點，提高信息處理的速度。如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計流程圖

    下面是通過訂閱方式獲得數(shù)據(jù)的部分代碼，訂閱方式時，OPC客戶程序?qū)Ψ��?wù)器請求時，OPC客戶程序操作后立即返回，不用等待OPC服務(wù)器的操作，可以進行其他操作，OPC服務(wù)器的Group組在組內(nèi)有數(shù)據(jù)發(fā)生改變時，自動更新周期刷新相應(yīng)的客戶端數(shù)據(jù)，客戶端只向OPC服務(wù)器發(fā)送一次請求，之后不再對服務(wù)器請求。

    結(jié)合的數(shù)據(jù)采集模式，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，并且采用統(tǒng)一的OPC接口，在VC++平臺上開發(fā)了MES管理軟件的數(shù)據(jù)采集部分。實際結(jié)果也表明，基于OPC技術(shù)的MES數(shù)據(jù)采集方式基本符合柔性制造生產(chǎn)線上的要求，但是MES使用的是實時數(shù)據(jù)庫V1.0 PCAccess SP3，面對大規(guī)模的生產(chǎn)不能很好的針對FMS在生產(chǎn)過程中大量數(shù)據(jù)采集情況，適應(yīng)，且在數(shù)據(jù)庫和通訊方面還有待改進，建立完善的數(shù)據(jù)信息平臺是今后的主要方向。

    FMS的數(shù)據(jù)采集部分是將PCS層的設(shè)備信息、物料加工信息、測量信息、品質(zhì)信息收集到中控臺的服務(wù)器上，這些數(shù)據(jù)處理后顯示在MES管理軟件中。

4 小結(jié)

    準(zhǔn)確、實時獲得數(shù)據(jù)是MES的關(guān)鍵、良好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠有效的進行企業(yè)的綜合管理。本文以柔性制造系統(tǒng)為例，通過自動化設(shè)備的現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集模式，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，并且采用統(tǒng)一的OPC接口，在VC＋＋平臺上開發(fā)了MES管理軟件的數(shù)據(jù)采集部分。實際結(jié)果也表明，基于OPC技術(shù)的MES數(shù)據(jù)采集方式基本符合柔性制造生產(chǎn)線上的要求，但是MES使用的是實時數(shù)據(jù)庫V1.0 PCAccessSP3，面對大規(guī)模的生產(chǎn)不能很好的針對FMS在生產(chǎn)過程中大量數(shù)據(jù)采集情況，適應(yīng)，且在數(shù)據(jù)庫和通訊方面還有待改進，建立完善的數(shù)據(jù)信息平臺是今后的主要方向。

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本文標(biāo)題：基于OPC的柔性制造系統(tǒng)中的MES數(shù)據(jù)采集研究

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