智能工厂MES关键技术研究

2017-04-27 05:25石宇强

制造业自动化 2017年4期

关键词：车间工厂智能

罗凤，石宇强

（1.西南科技大学制造科学与工程学院，绵阳 621010；2.西南科技大学制造学院，绵阳 621010）

智能工厂MES关键技术研究

罗凤1，石宇强2

（1.西南科技大学制造科学与工程学院，绵阳 621010；2.西南科技大学制造学院，绵阳 621010）

描述了一种智能工厂体系架构，建立智能工厂MES的总体体系框架结构。并且研究了MES数据采集和集成关键技术问题，将OPC UA运用到智能工厂MES中，实现智能工厂数据自动采集和无缝交互集成。建立OPC UA信息模型，加载到OPC UA服务器的地址空间。MES作为OPC UA的客服端，通过统一的地址空间，就可集成智能工厂各个子系统。

智能工厂；MES；OPC UA；信息建模

0 引言

数据采集是智能工厂实施MES的基础，需要采集实时数据。而传统MES大多扫描采集和手动输入数据，不仅存在延时，而且存在一定的人为主观误差。同时，由于不同企业采用软硬件环境不同，异构的软硬件环境中，使得MES与其他信息软件和设备集成是需要定制，这更加提高了集成的难度[1～4]。因此将OPC UA运用到智能工厂MES中，实现智能工厂数据自动采集和无缝交互集成。采用OPC UA标准接口通信技术，处理异构多源数据，实现异构软硬件集成策略，完成企业完整信息化建设。

1 智能工厂体系架构

智能工厂可以分为两部分，现实实体与虚拟模型。现实实体是物理层面的实体工厂，包含车间、生产线和智能设备等生产制造资源。虚拟模型是赛博空间中的虚拟数字化工厂，运用实体工厂实际生产过程中产生的数据以及生产信息进行数据建模仿真分析等，对生产过程进行迭代优化，实现流程最优[5～7]。实体工厂与虚拟工厂间相互作用相互支持：实体工厂为虚拟工厂提供数据与生产信息，是虚拟工厂的基础；虚拟工厂通过对数据信息的分析，为实体工厂不断提供生产最优方案，使其达到高效的生产效率、优质的产品质量以及低耗的能源使用的生产制造。而制造执行系统MES是智能工厂不可缺少的部分，是实现虚拟工厂与实体工厂信息通信和融合的关键，在此起到中间“桥梁”的作用。在虚拟制造过程中，制造执行系统MES采集实际制造中的生产数据，为其提供建模依据。虚拟制造模拟最优制造流程，MES以此进行生产排程，安排生产资源进行生产。在实际制造中，制造执行系统则对制造过程进行实时的监控与调整，进而使得制造过程体现出自适应、自优化等智能化特征[8]。如图1论述了智能工厂以MES纵向、横向以及端到端的集成实体工厂与虚拟工厂的离散制造智能工厂的体系框架。

2 智能工厂MES系统总体架构

依照ISA-95企业系统与控制系统集成国际标准，构建了如图2的智能工厂MES系统的总体模型。智能工厂MES是一套闭环式的信息化整体解决方案，包含从原料、计划、生产、包装、配货到发货等环节的生产全过程精益管理，使管理者能够即时准确的掌握工厂状况。同时，系统融合了LEAN、6SIGMA、TQM等管理思想，帮助制造企业提升组织的营运效率，缩短交期，降低成本及提高质量。其中各业务模块（生产排程、车间资源管理、物料管理、质量管理、追溯管理、生产管理、车间监控管理以及统计分析等）可以通过业务模型开发平台快速进行二次开发。其中DMP为数据管理平台，是将来自不同来源的数据以及不同结构的数据进行统一整合归纳，得到统一标准数据，以便应用到业务模块。在传统MES系统中，前期快速构建设备数据采集、业务处理等应用，而对于今后频繁变化的业务部分（如添加异源硬件设备的接口等），是通过封装变化、动态扩展的方式来应对。而在智能工厂MES中运用OPC UA统一接口技术，处理异构多源数据，实现异构软硬件集成策略，完成企业以MES为核心的完整信息化建设。

图1 智能工厂体系架构

图2 制造执行系统体系架构

3 关键技术研究

OPC UA是一个不依赖平台的标准，具有更高的安全性和可靠性。从原来局限于Windows系统的OPC技术，扩展完善到了Linux、Unix等各种系统，完成夸平台的发展[9]。OPC UA被映射到一种通信协议（如TCP传输控制协议）上，数据可以不同形式编码（如UA二进制形式或可扩展标记语言/文本形式）传输，标准化各个系统和设备接口，让它们间在任何网络中能进行无障碍通信。针对改善传统信息通信的复杂度，实现控制层与MES间的数据双向通信，在智能工厂MES运用OPC UA统一规范，标准化MES外部和内部各模块之间的接口通信，使用这种标准化机制来确保简单清晰的数据交换，方便后期维护，提高MES系统稳定性。这样确保始终与制造商无关，任意设备只需提供OPC UA Server就可与任何系统进行信息通信。MES基于OPC UA集成上下层如图3所示，与传统优势在于结构简单，开发工作量小，而且数据传送速度快稳定，可靠性高。

3.1 MES集成车间信息建模

MES的OPC UA客户端访问控制系统的OPC UA服务端的地址空间，以入口节点为起点，通过引用的语义（ReferenceType）和引用的方向暴露目标节点，实现采集和修改数据的目的[10]。OPC UA提供更有效的展示数据语义的可能性，不只提供数据，还能表示由某一特定类型的设备所提供，并允许暴露该种设备支持的类型层次。因此，OPC UA的客户端可以获得处理不同地方的同类设备的信息，自动集成由OPC UA服务器提供的数据。

图3 基于OPC UA的MES集成框架

在DNS系统中，数控机床作为OPC UA客服端访问汇总来自其每个传感器OPC UA服务器采集的数据，并作为OPC UA服务器向系统客户端PC提供数控机床汇总的数据，系统PC端再汇总每台数控机床数据向MES客户端提供实时数据。AGV系统和机器人系统也是以此集成数据，而各个系统和设备间都通过工业以太网连接，实现实时数据传输。MES通过OPC UA集成DNC系统、AGV系统、机器人系统等车间各控制系统（如图4所示），实现实时自动采集数据，监控设备状态与生产过程等功能。将DNC系统信息模型、AGV系统信息模型和机器人系统信息模型映射到OPC UA服务端的地址空间，以不同层次结构以及节点间引用类型的扩展（如图5所示，定义了引用类型和基于基本对象类型BaseObjectType扩展的传感器类型、设备类型和系统类型），并通过类型信息节点对外暴露不同语义，允许信息以不同形式连接，构建全网络的节点网络，实现车间设备互联互通，达到信息化集成目的。

3.2 实例化信息模型

类型实例化是把抽象的SensorType类型实例化为具体的存在对象（如图所示是DNC系统中传感器实例化）。

依次实例化数控机床类型、DNC系统类型、AGV小车类型、AGV系统类型等，在地址空间建立了如图7所示的MES集成车间信息模型。MES的客户端应用程序根据创建的信息模型节点进行编程，基于集成系统的实例声明，使用TranslateBrowsePathsToNodeId服务来访问该实例的节点，实现实时自动化采集车间数据和信息的互操作性。