智能工廠MES關(guān)鍵技術(shù)研究

羅 鳳，石宇強(qiáng)

（1.西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，綿陽(yáng) 621010；2.西南科技大學(xué) 制造學(xué)院，綿陽(yáng) 621010）

智能工廠MES關(guān)鍵技術(shù)研究

羅 鳳1，石宇強(qiáng)2

（1.西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，綿陽(yáng) 621010；2.西南科技大學(xué) 制造學(xué)院，綿陽(yáng) 621010）

描述了一種智能工廠體系架構(gòu)，建立智能工廠MES的總體體系框架結(jié)構(gòu)。并且研究了MES數(shù)據(jù)采集和集成關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，將OPC UA運(yùn)用到智能工廠MES中，實(shí)現(xiàn)智能工廠數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和無(wú)縫交互集成。建立OPC UA信息模型，加載到OPC UA服務(wù)器的地址空間。MES作為OPC UA的客服端，通過(guò)統(tǒng)一的地址空間，就可集成智能工廠各個(gè)子系統(tǒng)。

智能工廠；MES；OPC UA；信息建模

0 引言

數(shù)據(jù)采集是智能工廠實(shí)施MES的基礎(chǔ)，需要采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。而傳統(tǒng)MES大多掃描采集和手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)，不僅存在延時(shí)，而且存在一定的人為主觀誤差。同時(shí)，由于不同企業(yè)采用軟硬件環(huán)境不同，異構(gòu)的軟硬件環(huán)境中，使得MES與其他信息軟件和設(shè)備集成是需要定制，這更加提高了集成的難度[1～4]。因此將OPC UA運(yùn)用到智能工廠MES中，實(shí)現(xiàn)智能工廠數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和無(wú)縫交互集成。采用OPC UA標(biāo)準(zhǔn)接口通信技術(shù)，處理異構(gòu)多源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)軟硬件集成策略，完成企業(yè)完整信息化建設(shè)。

1 智能工廠體系架構(gòu)

智能工廠可以分為兩部分，現(xiàn)實(shí)實(shí)體與虛擬模型。現(xiàn)實(shí)實(shí)體是物理層面的實(shí)體工廠，包含車間、生產(chǎn)線和智能設(shè)備等生產(chǎn)制造資源。虛擬模型是賽博空間中的虛擬數(shù)字化工廠，運(yùn)用實(shí)體工廠實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)建模仿真分析等，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)流程最優(yōu)[5～7]。實(shí)體工廠與虛擬工廠間相互作用相互支持：實(shí)體工廠為虛擬工廠提供數(shù)據(jù)與生產(chǎn)信息，是虛擬工廠的基礎(chǔ)；虛擬工廠通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)信息的分析，為實(shí)體工廠不斷提供生產(chǎn)最優(yōu)方案，使其達(dá)到高效的生產(chǎn)效率、優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品質(zhì)量以及低耗的能源使用的生產(chǎn)制造。而制造執(zhí)行系統(tǒng)MES是智能工廠不可缺少的部分，是實(shí)現(xiàn)虛擬工廠與實(shí)體工廠信息通信和融合的關(guān)鍵，在此起到中間“橋梁”的作用。在虛擬制造過(guò)程中，制造執(zhí)行系統(tǒng)MES采集實(shí)際制造中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為其提供建模依據(jù)。虛擬制造模擬最優(yōu)制造流程，MES以此進(jìn)行生產(chǎn)排程，安排生產(chǎn)資源進(jìn)行生產(chǎn)。在實(shí)際制造中，制造執(zhí)行系統(tǒng)則對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控與調(diào)整，進(jìn)而使得制造過(guò)程體現(xiàn)出自適應(yīng)、自優(yōu)化等智能化特征[8]。如圖1論述了智能工廠以MES縱向、橫向以及端到端的集成實(shí)體工廠與虛擬工廠的離散制造智能工廠的體系框架。

2 智能工廠MES系統(tǒng)總體架構(gòu)

依照ISA-95企業(yè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)集成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了如圖2的智能工廠MES系統(tǒng)的總體模型。智能工廠MES是一套閉環(huán)式的信息化整體解決方案，包含從原料、計(jì)劃、生產(chǎn)、包裝、配貨到發(fā)貨等環(huán)節(jié)的生產(chǎn)全過(guò)程精益管理，使管理者能夠即時(shí)準(zhǔn)確的掌握工廠狀況。同時(shí)，系統(tǒng)融合了LEAN、6SIGMA、TQM等管理思想，幫助制造企業(yè)提升組織的營(yíng)運(yùn)效率，縮短交期，降低成本及提高質(zhì)量。其中各業(yè)務(wù)模塊（生產(chǎn)排程、車間資源管理、物料管理、質(zhì)量管理、追溯管理、生產(chǎn)管理、車間監(jiān)控管理以及統(tǒng)計(jì)分析等）可以通過(guò)業(yè)務(wù)模型開(kāi)發(fā)平臺(tái)快速進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。其中DMP為數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，是將來(lái)自不同來(lái)源的數(shù)據(jù)以及不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一整合歸納，得到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以便應(yīng)用到業(yè)務(wù)模塊。在傳統(tǒng)MES系統(tǒng)中，前期快速構(gòu)建設(shè)備數(shù)據(jù)采集、業(yè)務(wù)處理等應(yīng)用，而對(duì)于今后頻繁變化的業(yè)務(wù)部分（如添加異源硬件設(shè)備的接口等），是通過(guò)封裝變化、動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的方式來(lái)應(yīng)對(duì)。而在智能工廠MES中運(yùn)用OPC UA統(tǒng)一接口技術(shù)，處理異構(gòu)多源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)軟硬件集成策略，完成企業(yè)以MES為核心的完整信息化建設(shè)。

圖1 智能工廠體系架構(gòu)

圖2 制造執(zhí)行系統(tǒng)體系架構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

OPC UA是一個(gè)不依賴平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)，具有更高的安全性和可靠性。從原來(lái)局限于Windows系統(tǒng)的OPC技術(shù)，擴(kuò)展完善到了Linux、Unix等各種系統(tǒng)，完成夸平臺(tái)的發(fā)展[9]。OPC UA被映射到一種通信協(xié)議（如TCP傳輸控制協(xié)議）上，數(shù)據(jù)可以不同形式編碼（如UA二進(jìn)制形式或可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言/文本形式）傳輸，標(biāo)準(zhǔn)化各個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備接口，讓它們間在任何網(wǎng)絡(luò)中能進(jìn)行無(wú)障礙通信。針對(duì)改善傳統(tǒng)信息通信的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)控制層與MES間的數(shù)據(jù)雙向通信，在智能工廠MES運(yùn)用OPC UA統(tǒng)一規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)化MES外部和內(nèi)部各模塊之間的接口通信，使用這種標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)制來(lái)確保簡(jiǎn)單清晰的數(shù)據(jù)交換，方便后期維護(hù)，提高M(jìn)ES系統(tǒng)穩(wěn)定性。這樣確保始終與制造商無(wú)關(guān)，任意設(shè)備只需提供OPC UA Server就可與任何系統(tǒng)進(jìn)行信息通信。MES基于OPC UA集成上下層如圖3所示，與傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)發(fā)工作量小，而且數(shù)據(jù)傳送速度快穩(wěn)定，可靠性高。

3.1 MES集成車間信息建模

MES的OPC UA客戶端訪問(wèn)控制系統(tǒng)的OPC UA服務(wù)端的地址空間，以入口節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)，通過(guò)引用的語(yǔ)義（ReferenceType）和引用的方向暴露目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)采集和修改數(shù)據(jù)的目的[10]。OPC UA提供更有效的展示數(shù)據(jù)語(yǔ)義的可能性，不只提供數(shù)據(jù)，還能表示由某一特定類型的設(shè)備所提供，并允許暴露該種設(shè)備支持的類型層次。因此，OPC UA的客戶端可以獲得處理不同地方的同類設(shè)備的信息，自動(dòng)集成由OPC UA服務(wù)器提供的數(shù)據(jù)。

圖3 基于OPC UA的MES集成框架

在DNS系統(tǒng)中，數(shù)控機(jī)床作為OPC UA客服端訪問(wèn)匯總來(lái)自其每個(gè)傳感器OPC UA服務(wù)器采集的數(shù)據(jù)，并作為OPC UA服務(wù)器向系統(tǒng)客戶端PC提供數(shù)控機(jī)床匯總的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)PC端再匯總每臺(tái)數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)向MES客戶端提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。AGV系統(tǒng)和機(jī)器人系統(tǒng)也是以此集成數(shù)據(jù)，而各個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備間都通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。MES通過(guò)OPC UA集成DNC系統(tǒng)、AGV系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)等車間各控制系統(tǒng)（如圖4所示），實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)與生產(chǎn)過(guò)程等功能。將DNC系統(tǒng)信息模型、AGV系統(tǒng)信息模型和機(jī)器人系統(tǒng)信息模型映射到OPC UA服務(wù)端的地址空間，以不同層次結(jié)構(gòu)以及節(jié)點(diǎn)間引用類型的擴(kuò)展（如圖5所示，定義了引用類型和基于基本對(duì)象類型BaseObjectType擴(kuò)展的傳感器類型、設(shè)備類型和系統(tǒng)類型），并通過(guò)類型信息節(jié)點(diǎn)對(duì)外暴露不同語(yǔ)義，允許信息以不同形式連接，構(gòu)建全網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備互聯(lián)互通，達(dá)到信息化集成目的。

3.2 實(shí)例化信息模型

類型實(shí)例化是把抽象的SensorType類型實(shí)例化為具體的存在對(duì)象（如圖所示是DNC系統(tǒng)中傳感器實(shí)例化）。

依次實(shí)例化數(shù)控機(jī)床類型、DNC系統(tǒng)類型、AGV小車類型、AGV系統(tǒng)類型等，在地址空間建立了如圖7所示的MES集成車間信息模型。MES的客戶端應(yīng)用程序根據(jù)創(chuàng)建的信息模型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編程，基于集成系統(tǒng)的實(shí)例聲明，使用TranslateBrowsePathsToNodeId服務(wù)來(lái)訪問(wèn)該實(shí)例的節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)化采集車間數(shù)據(jù)和信息的互操作性。

圖4 智能工廠MES集成網(wǎng)絡(luò)圖

圖5 基礎(chǔ)類型擴(kuò)展

圖6 傳感器類型實(shí)例化

4 總結(jié)

在構(gòu)建智能工廠MES過(guò)程中，運(yùn)用OPC UA接口技術(shù)，解決車間智能設(shè)備和控制系統(tǒng)的異構(gòu)集成問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在信息模型層次上的互操作。實(shí)現(xiàn)MES自動(dòng)采集工廠數(shù)據(jù)，夸平臺(tái)無(wú)縫集成下層控制系統(tǒng)以及上層的企業(yè)資源系統(tǒng)。

圖7 MES集成車間信息模型

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MES of intelligent plant key technology research

LUO Feng1, SHI Yu-Qiang2

TH16;TH166

A

1009-0134(2017)04-0045-05

2016-12-25

羅鳳（1990 -），女，四川資中人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄苤圃霱ES。