基于三菱SFC 順序功能圖的CIM 系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)

王 毅， 張辰星

（中電科風華信息裝備股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

工業(yè)從1.0 時代發(fā)展到4.0 時代，已經(jīng)遠遠超出了生產(chǎn)制造本身，更多表現(xiàn)為企業(yè)如何精準控制成本，按需、快速、個性化地完成定制生產(chǎn)，實現(xiàn)生產(chǎn)、管理和營銷方式的變革，逐步增強市場競爭能力。綜合來看，工業(yè)應用體現(xiàn)出網(wǎng)絡化、數(shù)字化、智能化的三大特點，這對整個生產(chǎn)制造周期提出了諸多方面的挑戰(zhàn)。隨著海量的設備接入使得身份鑒定、設備管理等成為工業(yè)安全的隱患。當前智能生產(chǎn)線中，高度協(xié)同的生產(chǎn)單元涉及各種生產(chǎn)設備，這些設備的身份辨識可信、身份管理可信、設備訪問控制可信是多方協(xié)作的基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)人與設備、設備與設備之間的高效、可信、安全地交換設備信息的關(guān)鍵，同時，這也對設備全生命周期的管理過程及企業(yè)智能化管理提出了新的要求。

CIM生產(chǎn)智能采集系統(tǒng)，是一種專門針對在區(qū)塊鏈工業(yè)化生產(chǎn)中，實現(xiàn)全方位管理的智能處理方案，其終端可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)識別、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)備份以及信息傳輸?shù)榷喾N功能，還可以通過控制中心實現(xiàn)對大量終端設備的管理和控制。通過終端與MES（后臺管理系統(tǒng)）的配合，實現(xiàn)流水線控制、物料跟蹤及可追溯等管理功能，被越來越多的現(xiàn)代企業(yè)重視及應用。

1 目前CIM 系統(tǒng)設計現(xiàn)狀及SFC 優(yōu)勢

1.1 CIM系統(tǒng)設計現(xiàn)狀

目前針對CIM系統(tǒng)的設計，就編程載體來說，主要分為工控機及可編程控制器（PLC）兩種方式，其中又以PLC 編程最為多見。PLC 編程邏輯性強，但對軟件工程師要求較高，對于需要存儲、處理、傳輸大量信息的CIM系統(tǒng)設計來說，若按照常規(guī)思路設計程序，會產(chǎn)生大量繁雜的工作，同時又不利于后期系統(tǒng)的維護[1]。

以面板生產(chǎn)廠家所使用的自動化生產(chǎn)線為統(tǒng)計對象，在用PLC 設計CIM 系統(tǒng)時，目前很少有人采用順序功能圖（Sequential Function Chart，SFC）的設計方式，究其原因，一來是因為CIM系統(tǒng)屬于智能制造下的新產(chǎn)物，在行業(yè)內(nèi)并沒有形成統(tǒng)一的規(guī)范及標準；二來是CIM程序載體繁多，有三菱、歐姆龍、松下及其他可編程控制器等，其中有些可編程控制器是不支持SFC 功能的。傳統(tǒng)編程方法如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)編程方法

CIM系統(tǒng)要求具備極高的通訊速度，在信息處理中，若采用傳統(tǒng)梯形圖或結(jié)構(gòu)化編程，往往在監(jiān)控時不容易捕捉目標點；同時，對于邏輯規(guī)范明顯的項目，從頭至尾的編程方式，又突顯了傳統(tǒng)方法的不足，因此在程序設計時，采用一種既能方便設計，又方便監(jiān)控，同時又具可維護性的設計方法，顯得尤為重要。

1.2 SFC 在CIM設計中的優(yōu)勢

順序功能圖(Sequential Function Chart，SFC)是分析和設計電氣控制系統(tǒng)順控程序的重要工具，同時又是一種PLC 編程語言。它主要由步、動作和轉(zhuǎn)換組成。通過將一個復雜的順控過程分解為一些小的工作步序，對每個工步的功能分別處理后再將它們依順序連接，組合成整體的控制程序。它提供了一種組織程序的圖形方法，體現(xiàn)了一種編程思路，主要表述為是由一個狀態(tài)在滿足一定的轉(zhuǎn)換條件時轉(zhuǎn)移到另一個狀態(tài)。狀態(tài)即為“步”。所以，順序功能圖也稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖2 所示。

圖2 SFC 示意圖

CIM系統(tǒng)主要分為三個部分：一是區(qū)塊鏈節(jié)點設備向CIMPC 上報事件；二是CIM PC 向節(jié)點設備下發(fā)指令；三是節(jié)點設備與CIM PC 之間的數(shù)據(jù)交互。無論哪一種形式的信息交互，都有時序固定、邏輯清晰這兩個特點，而SFC 編程方式，本身又適用于時序固定及邏輯性強的大型程序的設計，因此，SFC 為CIM系統(tǒng)提供了一種很好的設計方法。

2 程序設計

本設計基于三菱 Q06UDV CPU， 使用MELSOFT GX Works2 進行編程，實現(xiàn)了對區(qū)塊鏈中某節(jié)點設備數(shù)據(jù)包的上報及控制。本文以某項目CIM 系統(tǒng)中的一部分—上料Port 為例，闡述設計思想及相應成果[2-3]。

上料Port 主要實現(xiàn)對物料的接收，根據(jù)某智能工廠關(guān)于CIM 的通用規(guī)格，上料Port 處，主要根據(jù)不同的節(jié)點實時更新Port 狀態(tài)，并上報給CIMPC，CIMPC 根據(jù)Port 口狀態(tài)及其信息流，給對應設備下發(fā)指令及信息，從而實現(xiàn)設備Port 口的管控及上料進程。CIM信息上報設計流程圖，如圖3 所示。

上料請求后，本區(qū)塊鏈設備向CIM PC 報送“Port No Cassette Exist”狀態(tài)，待MES 系統(tǒng)回復后，執(zhí)行掃碼流程，并報送“VCR Read Result Report”事件，MES 確認回復后，報“Port Cassette Exist”狀態(tài)，MES收到Exist 狀態(tài)后，給設備回復，設備向MES 請求“Port Tray Quantity Request”，MES 根據(jù)設備請求內(nèi)容，查詢數(shù)據(jù)庫，并下發(fā)相應信息給請求者，若查詢OK，區(qū)塊鏈設備切成“Waiting for data”狀態(tài)，并執(zhí)行信息下載；若查詢NG，區(qū)塊鏈報警，并跳轉(zhuǎn)離開。

當區(qū)塊鏈設備得到產(chǎn)品信息后，將設備狀態(tài)切成“Waiting for start”狀態(tài)，MES 下發(fā)PPID 信息，區(qū)塊鏈設備自動分析查詢PPID，若符合本機Recipe，切設備狀態(tài)為“Waiting for processing”并Receive；若PPID 中所含信息可以在本區(qū)塊設備中找到，且是合法信息，區(qū)塊設備自動切換Recipe，并跳轉(zhuǎn)執(zhí)行相應流程；若MES 直接Cancel，區(qū)塊鏈設備停止進料，并跳轉(zhuǎn)到下料流程。程序設計如圖4 所示[4]。

圖3 Port 處CIM 信息設計流程圖

圖4 程序設計界面

3 結(jié)論

1）通過本設計可以看出，SFC 編程方法在應用時，程序不同于傳統(tǒng)梯形圖的設計，而是通過繪制功能流程圖實現(xiàn)。SFC 編程方法富有邏輯性且直觀，易于在復雜邏輯程序中高效編程、檢查、調(diào)試和修改，而時下在工業(yè)生產(chǎn)中最熱門的CIM 系統(tǒng)，對上報信息的時序性要求相對固定，正好符合SFC 編程的特點。

2）將三菱SFC 編程的方法應用在某智能工廠CIM系統(tǒng)的開發(fā)實踐中，項目實踐結(jié)果表明：通過采用SFC 編程方法，很大程度上提高了CIM系統(tǒng)設計的效率；該控制系統(tǒng)功能穩(wěn)定，使用方便，又具有良好的可維護性；若可編程控制器不支持SFC 功能，亦可在梯形圖程序的設計中采用此思想，對CIM 系統(tǒng)的開發(fā)會大有幫助。