基于機(jī)械智能制造的DNC 與MES 集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 達(dá)

（寧波市易鍛精密機(jī)械有限公司，浙江寧波 315700）

0 引言

近年來(lái)，在持續(xù)深化改革開(kāi)放的政策引領(lǐng)下，我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)持續(xù)夯實(shí)，尤其是機(jī)械制造領(lǐng)域獲得快速發(fā)展。同時(shí)，在信息技術(shù)的影響和推動(dòng)下，機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的信息化能力大幅提升了，制造業(yè)逐步由機(jī)械的“制造”向機(jī)械的“智造”轉(zhuǎn)型，并由國(guó)家率先提出“中國(guó)制造2025”的戰(zhàn)略目標(biāo)。事實(shí)上，這些規(guī)劃和目標(biāo)的提出，均需要依賴于技術(shù)發(fā)展背景，將智能化技術(shù)深度應(yīng)用于制造產(chǎn)業(yè)，形成更有效的核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。而DNC（Distributed Numerical Control，分布式數(shù)控）與MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）的集成設(shè)計(jì)與應(yīng)用，勢(shì)必為智能制造提供一定的便利，使機(jī)械制造實(shí)現(xiàn)智能化管理，重塑新時(shí)代的機(jī)械制造價(jià)值。

1 DNC 與MES 集成技術(shù)概述

1.1 DNC

DNC 屬于機(jī)械制造中的重要系統(tǒng)之一，其旨在提供生產(chǎn)車間不同類型設(shè)備之間的信息交互及控制方案，同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)施統(tǒng)一規(guī)范管理，以改變以往系統(tǒng)控制及信息傳輸不暢的問(wèn)題。DNC 主要借助串行通信、MAP 通信、現(xiàn)場(chǎng)總線等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與數(shù)控設(shè)備的通信。目前，隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展和變革，網(wǎng)絡(luò)化、集成化成為關(guān)鍵領(lǐng)域，因此DNC 系統(tǒng)的應(yīng)用也將更加多元。一般來(lái)說(shuō)，DNC 系統(tǒng)主要由上傳和下載模塊、存儲(chǔ)和管理模塊、控制與調(diào)度模塊構(gòu)成（圖1）。

圖1 DNC 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1.2 MES

MES 是車間生產(chǎn)敏捷化變革的技術(shù)成果，適用于諸多的生產(chǎn)場(chǎng)景，如電子、醫(yī)藥、化工、通信及機(jī)械等，應(yīng)用MES，能夠大幅提升生產(chǎn)管理效益。根據(jù)MES 系統(tǒng)的管理特點(diǎn)，其側(cè)重于對(duì)生產(chǎn)原料管理及生產(chǎn)任務(wù)調(diào)度，但對(duì)于過(guò)程中的設(shè)備狀態(tài)則難以反映。另外，MES 系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)計(jì)劃的執(zhí)行，可以加強(qiáng)計(jì)劃管理層與底層控制之間的聯(lián)絡(luò)，填補(bǔ)了兩者之間的信息鴻溝[1]。伴隨MES 技術(shù)的發(fā)展和演變，其在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用，逐步構(gòu)成了以ERPMES-SFC 為核心的多層系統(tǒng)，給予企業(yè)綜合自動(dòng)化的解決方案（圖2）。

圖2 MES 多層系統(tǒng)功能模式

2 基于機(jī)械智能制造的DNC 與MES 集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 DNC 與MES 集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型

依據(jù)現(xiàn)階段機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀，在DNC 與MES 集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要以以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP 協(xié)議為核心，完成系統(tǒng)與設(shè)備之間的信息通信，系統(tǒng)與機(jī)械制造數(shù)控設(shè)備之間構(gòu)成相互連接的局域網(wǎng)絡(luò)。

其中，系統(tǒng)所選擇的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，通常以TCP/IP 協(xié)議和RS-232 串口協(xié)議為主，用來(lái)滿足不同設(shè)備及協(xié)議的轉(zhuǎn)換，使各類數(shù)控設(shè)備能夠接入車間網(wǎng)絡(luò)，并保持良好的聯(lián)通性。目前，RS-232、RS-485 等一系列工業(yè)通信協(xié)議逐步完成了TCP/IP 協(xié)議的模塊化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)的維護(hù)及管理更為便利和高效[2]。在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，主要依托SOA 框架及Web Services 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如借助Web Services 技術(shù)對(duì)DNC 與MES 集成系統(tǒng)的功能模塊，通過(guò)服務(wù)的形式實(shí)施開(kāi)發(fā)封裝，并傳送至服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與客戶端之間的聯(lián)通服務(wù)，系統(tǒng)集成方案模型如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)集成方案模型

2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

為適應(yīng)和滿足機(jī)械智能制造的要求，在DNC 與MES 集成系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)中，應(yīng)注重綜合分析與規(guī)劃，依據(jù)DNC 與MES集成系統(tǒng)的特點(diǎn)，將其劃分為DNC 和MES 兩個(gè)部分，通過(guò)不同的模塊分工完成系統(tǒng)功能：如DNC 功能旨在實(shí)施系統(tǒng)與設(shè)備之間的信息采集、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)控程序管理等；MES 功能則以生產(chǎn)任務(wù)下達(dá)、調(diào)度、狀況監(jiān)控、資源管理、質(zhì)量控制及歷史信息查詢等為主。系統(tǒng)功能模型的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 集成系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

2.3 系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)屬于系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，通過(guò)業(yè)務(wù)層的控制管理，以達(dá)到機(jī)械制造智能化的目的。系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)計(jì)劃主要由ERP 軟件控制，再借助與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)來(lái)料信息、排產(chǎn)計(jì)劃、工藝信息、質(zhì)量檢查信息的傳遞。根據(jù)機(jī)制智能制造的要求，本集成系統(tǒng)主要由MES、DNC 和設(shè)備形成整體結(jié)構(gòu)。

業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)所涉及的各類信息，均有具體的指向性和實(shí)踐性。具體而言，可以針對(duì)不同的信息功能加以闡述：

（1）來(lái)料信息。以客戶的訂單信息為主，涉及材料、數(shù)量、質(zhì)量、交付日期等。

（2）工藝信息。即在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工及檢驗(yàn)中，應(yīng)當(dāng)采取的工藝和標(biāo)準(zhǔn)等信息。

（3）排產(chǎn)計(jì)劃。指企業(yè)針對(duì)未來(lái)一段時(shí)間的生產(chǎn)計(jì)劃安排，其覆蓋了客戶訂單生產(chǎn)信息、車間人員安排信息、設(shè)備狀態(tài)及維護(hù)信息、原料庫(kù)存信息等，并根據(jù)信息的綜合處理實(shí)施生產(chǎn)調(diào)度。

（4）質(zhì)量信息。在產(chǎn)品生產(chǎn)完成后，需要依據(jù)相應(yīng)的檢驗(yàn)項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)產(chǎn)品實(shí)施質(zhì)量檢驗(yàn)，并計(jì)算產(chǎn)品的合格率，以作為工藝數(shù)據(jù)實(shí)施分析和參考。

（5）設(shè)備過(guò)程生產(chǎn)規(guī)則。針對(duì)過(guò)程控制的具體說(shuō)明，如數(shù)控車床、檢測(cè)設(shè)備、機(jī)械人等環(huán)節(jié)的控制程序及過(guò)程的描述。

（6）操作命令。包括生產(chǎn)設(shè)備的啟動(dòng)、停止、通信、參數(shù)設(shè)置等內(nèi)容，保證現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備的有效控制，滿足車間系統(tǒng)控制的要求。

（7）操作響應(yīng)。操作響應(yīng)主要是針對(duì)生產(chǎn)設(shè)備控制的反饋，利用相關(guān)信息數(shù)據(jù)的收集，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施判斷和監(jiān)控，以適應(yīng)不同階段的控制操作。

（8）設(shè)備過(guò)程數(shù)據(jù)。主要是指各類設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的信息，如狀態(tài)數(shù)據(jù)、零件的加工狀態(tài)數(shù)據(jù)、質(zhì)量檢查數(shù)據(jù)、生產(chǎn)進(jìn)度等，利用信息的方式形成數(shù)據(jù)，再反饋至相應(yīng)的控制層及用戶，使管理者及調(diào)度層實(shí)時(shí)掌握車間狀況。

2.4 系統(tǒng)業(yè)務(wù)信息流設(shè)計(jì)

在DNC 與MES 集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，業(yè)務(wù)計(jì)劃層主要以ERP系統(tǒng)為主，其主要功能是為DNC 與MES 集成系統(tǒng)提供相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品訂單信息、倉(cāng)庫(kù)管理信息、產(chǎn)品信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并且能夠接收DNC 與MES 集成系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量反饋信息[3]。而過(guò)程控制層則以生產(chǎn)設(shè)備及智能終端為主，其可以借助DNC 與MES 集成系統(tǒng)，對(duì)信息資源和生產(chǎn)狀態(tài)實(shí)施查詢，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及信息交互功能。系統(tǒng)業(yè)務(wù)信息流結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)業(yè)務(wù)信息流結(jié)構(gòu)

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)工業(yè)制造領(lǐng)域的發(fā)展，機(jī)械智能制造的目標(biāo)已經(jīng)日益臨近，為機(jī)械制造提供了有益的支撐。尤其是利用DNC 與MES 集成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，能夠大幅推動(dòng)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)，降低生產(chǎn)成本及提升生產(chǎn)效率，提高企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力。與此同時(shí)，在DNC 與MES 集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要注重對(duì)生產(chǎn)管理的功能完善，建立科學(xué)有效的控制架構(gòu)，增強(qiáng)各類信息技術(shù)的融合應(yīng)用，達(dá)到最佳的綜合控制效果，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)度集成和高效運(yùn)用。