油缸數(shù)字化車間機(jī)器控制信息系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

1、油缸數(shù)字化車間機(jī)器控制信息系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)摘要：通過對(duì)企業(yè)現(xiàn)有自己開發(fā)的MES系統(tǒng)的調(diào)研，分析企業(yè)車間現(xiàn)有MES存在的問題和生產(chǎn)過程中實(shí)際的功能需求，結(jié)合車間內(nèi)自動(dòng)化物流系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)了機(jī)器控制信息系統(tǒng)的功能模塊。通過本系統(tǒng)的研究和探討，也將為我國現(xiàn)階段制造業(yè)企業(yè)解決數(shù)字化車間生產(chǎn)信息的管理問題提供一種可行的辦法，具有實(shí)際的指引性作用。關(guān)鍵字：自動(dòng)化物流；數(shù)字化；生產(chǎn)信息中文分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：AThe Research and Design of Manufacture Control Information System inCylinder Digitization Worksho

2、pXING Yu, SHAO Junpeng Research Instituate of Shanghai SANY Precision Machinery Co. Ltd,Shanghai,200201 Harbin University of Science and Technology,Haerbin,150080Abstract:Through the research of enterprise's own existing MES system, analysis of the existing problems of MES and enterprise worksho

3、p production in the process of the actual functional requirements, combined with the workshop automatic logistics system, the function modules of the machine control information system was designed and developed. Through the system research and discussion, it will provide a feasible method to help o

4、ur country present stage manufacturing enterprises to solve the problem of the digital workshop production information management,it will be practical guidance role orientation.Keywords:Automatic logistics; Digital; Production information0引言隨著信息技術(shù)的發(fā)展和制造業(yè)自動(dòng)化水平的提升，實(shí)施敏捷制造系統(tǒng)已成為制造業(yè)企業(yè)提高制造能力以及生產(chǎn)管理能力，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)

5、力的有效手段1,2。目前許多國內(nèi)企業(yè)正在著手建設(shè)具有更大靈活性的數(shù)字化車間，隨著制造裝備的自動(dòng)化程度在不斷的提高，企業(yè)對(duì)信息化建設(shè)有了更高的要求。以企業(yè)資源計(jì)劃(Enterprise Resource Planning, ERP)為代表的信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了企業(yè)財(cái)務(wù)、采購、生產(chǎn)、銷售、庫存等計(jì)劃的集成管理，在很大的程度上解決了企業(yè)生產(chǎn)管理計(jì)劃的問題。但在車間生產(chǎn)的管理和控制上，由于ERP更強(qiáng)調(diào)計(jì)劃性，不能有效管理生產(chǎn)計(jì)劃的落實(shí)情況，也不能實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和反饋。目前國內(nèi)制造企業(yè)信息化過程中，車間現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)信息的管理非常薄弱，雖然已經(jīng)有很多企業(yè)使用了ERP系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備控制系統(tǒng)（DC

6、S）3，但是車間始終是一個(gè)管理斷層，生產(chǎn)過程仍然是一個(gè)黑箱，充滿著許多未知的因素，例如車間的設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)過程、產(chǎn)品質(zhì)量情況、生產(chǎn)和產(chǎn)品信息。本文研究的備信息管理系統(tǒng)（MCIS）是作為企業(yè)信息化建設(shè)的重要組成部分，它通過收集生產(chǎn)過程中大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)時(shí)事件進(jìn)行及時(shí)的反應(yīng)和處理，來進(jìn)行生產(chǎn)過程的優(yōu)化管理。將接收生產(chǎn)實(shí)績數(shù)據(jù)并反饋生產(chǎn)結(jié)果給上一層管理系統(tǒng)（ERP），又把上一層管理系統(tǒng)的生產(chǎn)指令下達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)控制層（FCS），既連通現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備與企業(yè)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫連接與共享；可實(shí)現(xiàn)全過程的產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤、計(jì)劃與物流調(diào)度、生產(chǎn)控制與管理等功能。1 問題的提出當(dāng)前企業(yè)普遍實(shí)施了制造執(zhí)行系統(tǒng) (

7、Manufacturing Execution System, MES)，但是功能有限，且擴(kuò)展開發(fā)的復(fù)雜程度較高，不能達(dá)到對(duì)車間生產(chǎn)有效管理的目的。隨著車間生產(chǎn)自動(dòng)化水平的提高，特別是對(duì)于新建的自動(dòng)化廠房，企業(yè)原有的管理方式和系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)車間生產(chǎn)管理中暴露出了許多的問題：（1）企業(yè)現(xiàn)有的MES系統(tǒng)無法直觀了解整個(gè)油缸生產(chǎn)線各個(gè)工位及設(shè)備的情況，無法取得實(shí)時(shí)的設(shè)備狀態(tài)及生產(chǎn)數(shù)據(jù)，缺少了底層自動(dòng)化的數(shù)據(jù)支持，成為信息孤島。（2）適應(yīng)可視化加工需求，需要實(shí)時(shí)掌握一些關(guān)于生產(chǎn)的重要信息，如訂單工件生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息、生產(chǎn)線產(chǎn)量、節(jié)拍時(shí)間等信息，而目前管理系統(tǒng)缺乏對(duì)這些重要信息監(jiān)控，致使生產(chǎn)效率得不到有效提升。

8、（3）無法及時(shí)了解生產(chǎn)線各處運(yùn)行的情況，班組長只能通過傳統(tǒng)對(duì)講機(jī)及電話才能了解到生產(chǎn)線的情況，信息獲取的滯后將可能帶來不真實(shí)的信息資源。（4）操作工只能采用紙質(zhì)記錄，不便管理和保存，更不便于分析，無法實(shí)時(shí)顯示給生產(chǎn)管理人員。操作無記錄，無法分析和記錄，以及缺乏流程化管理。（5）缺乏有效的報(bào)警提示致使生產(chǎn)運(yùn)行及維護(hù)人員無法準(zhǔn)確和快速獲生產(chǎn)線得設(shè)備故障及維護(hù)的具體信息，無法及時(shí)排查和解決問題，造成設(shè)備使用率低下。本文通過對(duì)企業(yè)車間管理需求的調(diào)研，以及對(duì)車間目前所具備的生產(chǎn)條件的分析，從實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)的設(shè)備入手，采集生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間生產(chǎn)信息的可視化監(jiān)控和管理。本文擬以車間現(xiàn)有的自動(dòng)化程度較

9、高的數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化物流設(shè)備為基礎(chǔ)，從生產(chǎn)訂單管理、物流管控、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、異常監(jiān)控等方面實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)的信息化管理。擬開發(fā)出一套能夠與企業(yè)現(xiàn)有MES系統(tǒng)集成的，具有一定MES功能的車間級(jí)的設(shè)備信息管理系統(tǒng)（MCIS），方便車間現(xiàn)場(chǎng)的操作和企業(yè)實(shí)現(xiàn)車間信息的有效監(jiān)控和管理。系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的基本功能包括實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的可視化監(jiān)控、實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有MES系統(tǒng)的交互對(duì)接、質(zhì)量管理、刀具管理、打讀碼設(shè)備的信息對(duì)接以及上位機(jī)要具備與現(xiàn)有廠級(jí)MES集成的接口功能。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)車間設(shè)備信息和與設(shè)備相關(guān)的生產(chǎn)信息的實(shí)時(shí)采集和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)從訂單下發(fā)直至產(chǎn)品完工的一系列生產(chǎn)流程中所有與設(shè)備生產(chǎn)相關(guān)的信息監(jiān)控，將與現(xiàn)有的

10、MES系統(tǒng)一起，為該車間數(shù)字化建設(shè)構(gòu)建一個(gè)切實(shí)可行的車間生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)，保證車間生產(chǎn)的順利進(jìn)行。2 MCIS實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵性技術(shù)有以下幾個(gè)：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、Web服務(wù)端技術(shù)（1）數(shù)據(jù)采集技術(shù)項(xiàng)目實(shí)施監(jiān)控的第一步就進(jìn)行是相關(guān)數(shù)據(jù)的采集，該部分是系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)系最為緊密的部分。由于油缸生產(chǎn)線車間內(nèi)數(shù)控機(jī)床的種類很多，不同種類的機(jī)床采用不同的通訊機(jī)制和通訊驅(qū)動(dòng)程序，所以單個(gè)采集再整合到一起會(huì)給采集帶來很大的工作量和難度。OPC規(guī)范了企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與應(yīng)用程序之間的接口，整合了不同類型的控制系統(tǒng)，使得不同廠商的設(shè)備可以使用統(tǒng)一的進(jìn)口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換，有效解決了自動(dòng)化設(shè)

11、備在實(shí)現(xiàn)監(jiān)控過程中的數(shù)據(jù)交換問題4,5。所以本系統(tǒng)采用OPC技術(shù)來建立監(jiān)控應(yīng)用程序與各控制器OPC服務(wù)器的通信，以此來獲取PLC的底層數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸實(shí)時(shí)性是控制系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的必要條件。系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制的對(duì)象是現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)，如果不能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，那么系統(tǒng)就失去了監(jiān)控的意義。實(shí)時(shí)性即要求在限定的很短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的傳輸、處理。本系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸采用DDE技術(shù)。DDE是一種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換機(jī)制（Dynamic Data Exchange，DDE）。使用DDE通訊需要兩個(gè)Windows應(yīng)用程序，其中一個(gè)作為服務(wù)器處理信息，另外一個(gè)作為客戶機(jī)從服務(wù)器獲得信息。客戶機(jī)應(yīng)用程序向

12、當(dāng)前所激活的服務(wù)器應(yīng)用程序發(fā)送一條消息請(qǐng)求信息，服務(wù)器應(yīng)用程序根據(jù)該信息快速作出應(yīng)答，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)程序之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換。（3）冗余服務(wù)器技術(shù)保護(hù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)安全是設(shè)計(jì)系統(tǒng)必須重點(diǎn)考慮的問題，本系統(tǒng)采用冗余服務(wù)器技術(shù)來保護(hù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)安全。冗余就是將相同的功能設(shè)計(jì)在兩個(gè)或兩個(gè)以上設(shè)備中，如果一個(gè)設(shè)備有問題，另外一個(gè)設(shè)備就會(huì)自動(dòng)承擔(dān)起有問題設(shè)備的任務(wù)，使網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)暢通無阻。服務(wù)器冗余是指重復(fù)配置系統(tǒng)的一些部件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，冗余配置的部件介入并承擔(dān)故障部件的工作，由此減少系統(tǒng)的故障時(shí)間。通過采用服務(wù)器冗余技術(shù)將能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性。3MCIS系統(tǒng)任務(wù)功能MCIS系統(tǒng)的功能模塊劃分為

13、監(jiān)控模塊和生產(chǎn)任務(wù)管理模塊。其中的監(jiān)控模塊包括生產(chǎn)線狀態(tài)的監(jiān)控、區(qū)域設(shè)備信息的監(jiān)控、單體設(shè)備的監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)控；生產(chǎn)任務(wù)管理模塊包括生產(chǎn)操作模塊和生產(chǎn)管理模塊，其中的生產(chǎn)管理模塊包括生產(chǎn)訂單管理、隊(duì)列管理、質(zhì)量管理和NC程序管理等模塊。系統(tǒng)框架如圖1所示。（1）過程監(jiān)視管理過程監(jiān)視管理主要包括提供生產(chǎn)線整體運(yùn)行狀態(tài)以及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的過程監(jiān)視功能；提供工藝路線工件隊(duì)列的過程監(jiān)視功能；提供分區(qū)域詳細(xì)設(shè)備狀態(tài)信息以及單體設(shè)備信息和報(bào)警信息的過程監(jiān)視功能。（2）設(shè)備呼叫管理設(shè)備呼叫管理包括CNC設(shè)備的操作界面上有呼叫按鈕以及呼叫確認(rèn)按鈕，當(dāng)設(shè)備故障需要維修，物料缺料或者加工質(zhì)量出現(xiàn)問題需要呼叫

14、時(shí)，由操作工觸發(fā)呼叫信號(hào)，待相關(guān)人員處理解決問題后觸發(fā)呼叫確認(rèn)信號(hào)。MCIS系統(tǒng)中采集CNC設(shè)備的呼叫和呼叫確認(rèn)信號(hào)，包括維修呼叫，故障呼叫、質(zhì)量呼叫、物料呼叫等等。呼叫和呼叫確認(rèn)信息顯示在MCIS系統(tǒng)的監(jiān)控界面中，并與MES短信平臺(tái)建立接口，將呼叫信息傳遞給MES數(shù)據(jù)庫。（3）刀具壽命管理刀具壽命管理包括采集機(jī)床設(shè)備的刀具刀片使用壽命信息，監(jiān)控刀具刀片使用情況，根據(jù)刀具刀片的使用壽命計(jì)算剩余使用壽命，并進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)將刀具刀片使用信息傳遞給MES系統(tǒng)。（4）質(zhì)量管理質(zhì)量管理包括在每一道工序后根據(jù)抽檢方式MCIS系統(tǒng)通知自動(dòng)化物流把工件放入質(zhì)檢臺(tái)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，并且把監(jiān)測(cè)的結(jié)果錄入數(shù)據(jù)庫。在MC

15、IS系統(tǒng)的界面上可以對(duì)生產(chǎn)過程中的質(zhì)量信息進(jìn)行查詢，利用統(tǒng)計(jì)過程控制SPC（Statistical Process Control）技術(shù)對(duì)質(zhì)量信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在界面的控制圖上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)找出出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題的原因并糾正。（5）生產(chǎn)訂單管理生產(chǎn)訂單管理內(nèi)容包括生產(chǎn)準(zhǔn)備計(jì)劃（即實(shí)現(xiàn)換型前工裝、刀具、夾具、NC程序等切換準(zhǔn)備），實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線換型提示及處理；生產(chǎn)計(jì)劃導(dǎo)入，訂單確認(rèn)和訂單下發(fā)，訂單追蹤，能夠?qū)崿F(xiàn)車間班次管理；排產(chǎn)及建立生產(chǎn)隊(duì)列是在MES里，MCIS接受排產(chǎn)計(jì)劃序列，并可以由具有權(quán)限的管理人員對(duì)隊(duì)列進(jìn)行臨時(shí)手動(dòng)調(diào)整；加工隊(duì)列調(diào)整（當(dāng)工件出現(xiàn)從隊(duì)列拉出或插入時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)隊(duì)列調(diào)整

16、，并通過系統(tǒng)隊(duì)列的邏輯的實(shí)時(shí)性和正確性；支持手動(dòng)進(jìn)行隊(duì)列調(diào)整，提供權(quán)限設(shè)置功能）。（6）生產(chǎn)隊(duì)列跟蹤管理生產(chǎn)隊(duì)列跟蹤管理包括：為隊(duì)列跟蹤的生產(chǎn)監(jiān)控提供動(dòng)態(tài)的監(jiān)視畫面，使得用戶可以對(duì)著計(jì)算機(jī)的屏幕就能清楚的查看每個(gè)工件的位置，并在屏幕上獲取每個(gè)工件的制造信息。隨著工件的移動(dòng)，跟蹤路由計(jì)算機(jī)隨時(shí)刷新畫面上的工件分布信息，使得用戶對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的情況了如指掌。（7）NC程序管理NC程序的管理包括：NC程序比較，NC程序?qū)?，NC程序上傳/下載（包括手動(dòng)自動(dòng)下載），NC程序自動(dòng)化編程，NC程序查看和編輯。圖1 系統(tǒng)的功能軟件架構(gòu)流程圖4系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)是在Windows XP環(huán)境下，利用開發(fā)語言VB 6.

17、0，采用B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式開發(fā)實(shí)現(xiàn)了MCIS系統(tǒng)。本系統(tǒng)已經(jīng)在企業(yè)中得到了使用，并且取得了良好的運(yùn)行效果。圖2是系統(tǒng)的總界面，界面是所有監(jiān)控的設(shè)備狀態(tài)，點(diǎn)擊可以跳轉(zhuǎn)到線上監(jiān)控每個(gè)設(shè)備的狀態(tài)，界面的最下一排按鈕是系統(tǒng)各個(gè)主要功能模塊的跳轉(zhuǎn)按鈕。圖2 系統(tǒng)的總界面Ø單擊圖2中每條線就可以得到每條線的每包含的設(shè)備、整條線的運(yùn)行狀態(tài)信息、加工狀態(tài)信息。例如點(diǎn)擊小件異形線的活塞生產(chǎn)線就可以得到如圖3所示的界面。圖3單線設(shè)備狀態(tài)界面Ø點(diǎn)擊圖3中的綠色1可以得監(jiān)控到單個(gè)設(shè)備的狀態(tài)，例如點(diǎn)擊第一臺(tái)設(shè)備，得到如圖4所示的界面。圖4 單體設(shè)備信息界面5 結(jié)束語本文通過對(duì)企業(yè)車間管理需求的調(diào)研，以及對(duì)車間目前所具備的生產(chǎn)條件的分析，從實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)的設(shè)備入手，采集生產(chǎn)管理所需相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間生產(chǎn)信息的可視化監(jiān)控和管理。本文以車間現(xiàn)有的自動(dòng)化程度較高的數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化物流設(shè)備為基礎(chǔ)，從生產(chǎn)訂單管理、物流管控、質(zhì)量管理、設(shè)備管理、異常監(jiān)控等方面實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)的信息化管理，開發(fā)了車間級(jí)的設(shè)備信息管理系統(tǒng)（MCIS），并在企業(yè)中得到了應(yīng)用驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了車間現(xiàn)場(chǎng)的操作和企業(yè)實(shí)現(xiàn)車間信息的有效監(jiān)控和管理，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。參考文獻(xiàn)1 P. T. Kidd. Agile Manufacturing: Forging New Frontiers, Addison-W