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1、基于 MES 的才智工厂车间生产数据通信协议设计与实现1 引言才智工厂是现代化工厂信息化进展的阶段，是智能工业进展的方向。才智工厂的智 能化运作，是基于 MES 制造执行系统(Manufacturing execution system;后简称 MES 系统)与智能制造设备把握器通讯对接进展运作的，是为了实现从生产排产、数量统计、过程 数据监控、报警故障治理到设备智能化治理等工厂工艺一体化的治理模式，从而使治理人员 清楚地把握生产流程1。同时，智能制造设备把握器能接收来自MES 系统下达的数字作业指导书，包括机器编号、排产安排、模板编号、工艺参数下达等用来保证智能制造设备正常工作的重要参数;M
2、ES 系统亦能即时正确地读取生产线数据，提高生产过程的可控性，削减生产线上人工的干预，从而实现智能制造2-3。基于此，如要实现这种以数字制造和智能制造为基石的才智工厂治理模式，则需要在工业现场总线布局、MES 把握中心及智能制造设备把握器等硬件设备就位后，定制相关稳定牢靠的通讯协议来统一 MES 系统把握中心与多机器设备终端的通讯方式及通信内容。图 1 才智工厂数据传输框图才智工厂数据通讯传输图如图1 所示，数据通信协议是连接 MES 系统与智能设备终端之间通信的纽带，能够实现MES 系统把握中心与才智工厂内智能制造设备把握器之间数据正常通信。一方面，MES 系统能够给才智工厂内智能制造设备把
3、握器下达任务书及排产指令并验证智能制造设备的响应，智能制造设备把握器接收任务书及排产指令后准时响应，并 进展工作;另一方面，智能制造设备把握器在其工作过程中能够向MES 系统上传实时数据并验证 MES 系统的响应，如智能制造设备遇到报警信息或故障信息，把握器都会准时向 MES 系统发送报警提示，MES 系统在收到报警信息后，会依据智能制造设备上传的报警编号安排相关人员进展相关处理。2 才智工厂生产数据交互才智工厂正常运作需要 MES 系统与智能制造设备两者能有条不紊的工作，通信协议模块作为连接 MES 系统与智能制造设备数据交互的重要组成局部，力求构造分层清楚，各模块之间也需要交互明确，易扩张
4、，易移植，易维护，使性能稳定牢靠，同时应具有良好的可集成性及应用层的鲁棒性，具有更强的实时性和智能化。2.1 才智工厂生产车间治理流程才智工厂车间治理是指对车间所从事的各项生产经营活动进展统一打算、组织、指挥、协调和把握的一系列治理工作。图 2 才智工厂车间生产数据流图才智工厂车间的一切作业都是依据MES 系统发送的指令来进展的，MES 系统依据订单需求，结合智能制造设备的实时运行状态，给智能制造设备安排作业。MES 把握系统在接收到的订单后，会同各个仓库对订单所需原材料、包材、耗材等是否充分进展分析汇总， 如有短缺则通知选购部在规定期限内选购，而在原材料选购质检期间，通知生产部做好生产 前的
5、预备工作，检查制造设备、生产设施等的实际状况，并依据才智工厂内设备的排产状况 及剩余订单合理的给相应设备安排作业任务书。排产作业下到达才智工厂后，智能制造设备 在开机生产第一步，需要人为参与依据作业指导书的排产安排导入相应的工艺参数，进展调 试并首件确认后，将微调的工艺参数上传入 MES 把握系统数据库中，才能开头自动作业4- 5。全部的数据交互要求数据通信层必需稳定牢靠，确保MES 系统与智能制造设备能稳定通信。才智工厂正常运作所需交互的数据局部可以参见图2，图 2 中具体说明白 MES 系统与智能设备把握器生产过程中进展数据交互的流程，首件确认之前照旧需要操作工人参与进展人为确认，首件确认
6、后参数固定模式下，能进展自动化作业。2.2 数据通信模块划分本文设计的生产数据通信协议遵循模块化、层次化的设计思想，力求高內聚低耦合，为后期应用于实际生产的标准化推动打下坚实的根底，数据通信协议传输数据统一承受 XML 格式对数据打包进展传输，其模块的交互数据流构造如图3 所示。图 3 数据通信协议交互数据流从图 3 的交互数据流构造图中可见，数据通信协议层为独立的模块，即为MES 与 PLC 把握器之间数据通信层的内容，通信层1 所涉及的内容需自主开发，为MES 系统与数据通信层进展数据交互时所定义的应用层协议。通信层 2 支持目前主流的 PLC 通信协议，如PLCHandler、OPC-U
7、A 等国际主流通信协议，针对不同 PLC 设备，支持不同的通信协议进行数据交互6。本文提出的生产数据通信协议即为通信层1 与通信层 2 的数据交互协议， 其数据格式都为协议统一进展标准化的内容。3 智能制造设备状态机本文提出的生产数据通信协议定义了智能设备端的状态机局部，用来准确的向MES 系统传输智能制造设备的工作状态，以利于MES 系统精准的把握智能制造设备进展工作，同时也利用 MES 系统对所把握的智能制造设备状态进展把握，从而真正实现智能化生产。在才智工厂的全部车间中，其智能制造设备的状态主要可以分为七种，包括开机态、就绪态、运行态、挂起态、报警态、睡眠态、停机态。本文提出的通信协议对
8、各个设备状态都进展了定义，并具体描述智能制造设备状态转移的条件，MES 系统只有在对智能制造设备状态机的工作状态进展实时读取后，才能对整个才智工厂的全部智能设备状态进展具体的了解。4 通信协议运行流程本文提出的通信协议被定义用来实现MES 系统与智能制造设备把握器两者正常通信上， 其数据流通与通信协议应当在 MES 系统与智能制造设备两者上同步运行7。下面分别阐述通信协议对 MES 系统端与智能制造设备端所运行的流程及数据进展协议标准，本协议定于应用层上，暂不限定物理层与数据链路层的范围。4.1 通信协议与 MES 系统数据交互协议MES 系统跟数据通信层进展数据交互时，主循环处理的主要数据内
9、容如图4 所示，具体交互的数据内容包括指令解析、排产信息下达、工艺参数处理、实时数据处理、报警故障处理及排产完毕后处理等 6 个局部。图 4 MES 系统端数据交互协议主循环4.1.1 指令解析MES 系统首先需要对智能制造设备传送过来的指令进展命令解析，才能依据指令需求进展进一步的操作，所接收的指令包括两种，一种是智能制造设备发送过来的数据指令，一 种是智能制造设备应答前期 MES 系统所发送的指令。指令具体解析流程见图5 所示。图 5 MES 系统接收指令解析智能制造设备发送过来的数据指令以及智能制造设备应答的MES 系统所发送的指令都需进展特别指令排解，如发送指令是特别指令，则回复指令特
10、别信息给智能制造设备，并清空所接收的指令相应内存;如应答指令中接收到应答指令特别，则找出所发送的相关指令， 并重发送一次。指令解析模块中会对数据连接、通信指令是否特别进展排查，从而保证后续模块的正常运行。4.1.2 排产信息下达本文拟定的通信协议层中MES 系统对车间内智能制造设备进展排产信息下达时的流程如图 6 所示。此处 MES 系统已经依据数据库中已有数据给相应智能制造设备安排好作业内容，行成相应的排产安排，依据通信协议制定的标准，将所生成的排产安排发送给特定的智能制造设备端，设备只能在就绪态时才能正确读取排产信息，进展相应生产。图 6 MES 系统端排产信息下达4.1.3 工艺参数处理
11、MES 系统接收到智能制造设备恳求工艺参数表的指令后，先推断智能制造设备是否处于运行态，只有在运行态下才会依据指令内容从数据库中提取相应的工艺参数表，下到达相 应恳求的智能制造设备中，如智能制造设备不在运行态，则MES 会提示相应的报警信息到生产车间进展排查核实。4.1.4 实时数据处理智能制造设备在生产过程中，需要实时将局部重要的生产数据上传到MES 系统数据库中，实现 MES 系统对智能制造设备的监控，也利于后期数据查询，从而更完善才智工厂的智能化治理。智能制造设备处于运行态时，恳求数据实时更，MES 系统在对设备状态及所传数据内容推断无误后，连接数据库建信息列表，依据时间挨次依次存入所接
12、收的数据， 如所接收数据有误或设备状态特别，则会将相应的报警信息提交到生产车间进展排查。4.1.5 报警故障处理智能制造设备在生产过程中，报警处理和故障处理是两种不同的处理方式。由于智能制 造设备的报警处理很多都能现场报警，车间现场处理就能现场去除，不用向MES 系统申请修理，故 MES 系统针对报警处理只承受存储记录而不报警的方式。如报警发生后车间现场无法处理去除，需申请修理进展处理时，操作人员需按下申请修理键进展故障申请，通知MES 系统安排修理人员进展修理处理，智能制造设备此时进入报警态。4.1.6 排产完毕后处理智能制造设备在完成排产任务后，需要通知MES 系统进展下一步安排，此时，工
13、作人员可以按下申请参与排产键，通知MES 系统进展一轮排产安排，如此时设备有的排产安排，则进入排产信息下达模块，如此时设备无的排产安排，则依据MES 系统安排，人工操作使设备进入停机态、睡眠态或者保持就绪态。4.2 通信协议与智能制造设备数据交互协议一般状况下，有的订单任务分给空闲的智能制造设备时，MES 系统先通过车间看板通知工作人员将设备从停机态或睡眠态开机，智能制造设备先进入开机态，待工作人员确认 设备状态正常后，按下申请参与排产键，收到指令的MES 系统则开头向智能制造设备发送排产任务。智能制造设备跟数据通信层进展数据交互时，主循环处理的数据内容如图 7 所示，具体交互的数据内容包括指
14、令解析、排产任务处理、工艺参数处理、实时数据上传、报警故障处理及排产完毕后处理等 6 个局部。图 7 设备端通信交互主循环4.2.1 指令解析智能制造设备端与数据通信层进展数据交互时，同样也需要对接收的MES 系统指令进展指令解析，才能依据指令需求进展相关操作。设备端所接收的指令也包括两种，一种是MES 系统发送过来的数据指令，一种是 MES 系统应答的前期智能制造设备所发送的指令。如同 MES 把握系统所发送的指令一样，智能制造设备端所发送的数据也需要经过特别指令排查和应答校验后，才能正常使用。智能制造设备端指令解析具体流程见图8 所示。图 8 智能制造设备接收指令解析4.2.2 排产信息下
15、达MES 系统在安排智能制造设备进展排产任务前，需先了解设备状态，通过设备状态位来推断是否能进展排产，设备只有在就绪态时才能进展排产，其他状态时MES 把握系统会提示相应处理。MES 系统将排产信息下到达智能制造设备端后，经校验指令有效后，即可人为将排产信息导入设备把握器 PLC 中。4.2.3 工艺参数恳求智能制造设备在导入排产数据到PLC 中后，需要连续导入生产相关工艺参数到PLC 中， 才能正常工作，此时，设备向 MES 系统发送工艺参数恳求指令，MES 系统在接收到恳求指令并校验后，从数据库中提取所恳求的工艺参数发送给智能制造设备。4.2.4 实时数据上传智能制造设备在正常生产过程中，
16、每打一次产品，需要按数据格式将相关工艺参数进展打包上传，以便 MES 把握系统实时把握设备的运行数据，实现对智能制造设备的监控。4.2.4 报警故障处理智能制造设备在生产过程中，如遇到报警信号，设备自身会发生报警，设备转入报警态， 并实时将报警序号传给 MES 把握中心进展存储。车间工作人员会依据现场报警提示对设备进展处理，如觉察设备发生故障需要进展修理，手动按下设备面板端的申请修理键，通知MES 系统安排修理人员进展修理处理。4.2.5 排产完毕后处理智能制造设备依据排产任务进展完全部生产后，自身发生报警提示工作人员生产完毕， 此时排产完毕信号也会同步发给 MES 系统。此时工作人员需先核实
17、排产是否完毕，如排产确实完毕，则推断机器此时状态是否正常，如假设正常，则可以手动按下申请排产键，向 MES系统确定排产确实完毕，可以给设备安排下次排产，MES 系统也会依据订单要求安排设备状态，如无订单要求，会下达指令给设备通知工作人员将设备电气局部断电进入睡眠态或整体设备断电进入停机态。5 通信指令由于所命名的通信指令是基于应用层协议的，此处不给出指令的物理层运行环境。数据发送和接收样式为：#Data0，Data1:Data2:Datan#Data0 为头指令，用于定义 Data1:Data2:Datan 数据包的具体内容。本文以 MES 系统端发送指令及接收指令为例，简述头指令 Data0 的内容，如表 1 和表2 所示。表 1 MES 系统端发送指令表 2 MES 系统端接收指令6 结语本文所拟定的适用于才智工厂生产车间的数据通信协议，是将MES 系统与智能设备进展连接通信的中间层数据通信协议，其实现过程主要在MES 系统及智能设备把握器的应用层，具有良好的扩展性及移植性，能实现与倍福 PLC、西门子注塑机把握器 PLC 进展通信，目前也将此种通信协议成功应用于瓦楞纸车间改造工程中，实操数据交互应用性较好。