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MES對現(xiàn)場控制系統(tǒng)的功能要求

2009/5/18 13:16:00

MES正在引領(lǐng)汽車制造業(yè)的新潮流。由于MES是以現(xiàn)場設(shè)備控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)而建立，因此其強大功能內(nèi)涵必然拉動現(xiàn)場設(shè)備控制系統(tǒng)功能水平的提升。本文旨在從網(wǎng)絡(luò)通信、檢測以及智能邏輯等角度探討如何在常規(guī)現(xiàn)場控制模式的基礎(chǔ)上補充和完善功能以適應(yīng)MES的需要。

MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）技術(shù)正以其全新的理念、完善的系統(tǒng)構(gòu)架以及強大的功能模塊而風(fēng)靡全球，在國內(nèi)引進的高水平汽車生產(chǎn)線上也有所應(yīng)用。與此同時，MES也以其在可靠性、監(jiān)控以及數(shù)字化管理等方面的卓越表現(xiàn)吸引著國內(nèi)的汽車制造商。目前，無論是新建還是升級改造項目，其控制系統(tǒng)的規(guī)劃或功能拓展目標都在圍繞著MES進行。由于現(xiàn)場級控制系統(tǒng)是MES的基礎(chǔ)和支撐，其功能是否完善直接影響MES作用的發(fā)揮，因此，探討如何根據(jù)MES的理念和功能要求來規(guī)劃或擴展現(xiàn)場控制系統(tǒng)的功能顯得十分必要和迫切。那么，在眾所周知的常規(guī)控制模式下的功能基礎(chǔ)上，還要如何拓展才能讓MES充分發(fā)揮作用？筆者通過下文簡要闡述一下自己在學(xué)習(xí)和實踐中的體會。

功能拓展

1．通信

MES中各系統(tǒng)間以及各控制層之間的信息必須要可以自由流動，為此需要在它們之間構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)。目前常規(guī)的做法是在管理層（監(jiān)控層）與控制層之間通過工業(yè)以太網(wǎng)交換信息，控制層與現(xiàn)場設(shè)備層之間通過現(xiàn)場總線交換信息，網(wǎng)絡(luò)拓撲簡圖見圖1。為了避免不必要的通信轉(zhuǎn)換，控制系統(tǒng)的PLC最好具有進行以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線（Profibus、DeviceNet等）通信的功能。變頻器最好具備對應(yīng)現(xiàn)場總線的通信接口。智能儀表等裝置最好具有現(xiàn)場總線或以太網(wǎng)通信接口，如屬于某系統(tǒng)或與某系統(tǒng)關(guān)系緊密，也可在系統(tǒng)內(nèi)進行局域模擬量傳輸。如車間應(yīng)用了ProfiNet技術(shù)，通信將變得更簡潔，但目前汽車行業(yè)幾乎沒有應(yīng)用。

2．設(shè)備運行狀態(tài)檢測

為了讓MES中的監(jiān)控計算機或人機界面能更形象準確地顯示工藝設(shè)備整體及其各裝置的運行狀態(tài)，現(xiàn)場控制系統(tǒng)必須對電機、水泵和傳感器等的運行或通斷狀態(tài)進行檢測和判斷。這就需要增設(shè)相應(yīng)的檢測元件，如編碼器，可直接檢測電機是否運行；光電開關(guān)，可檢測工件是否通過或占位；測距開關(guān)，可以檢測移動設(shè)備行進距離；壓力開關(guān)，可以檢測是否過載；風(fēng)速儀，可以間接檢測風(fēng)機運行與否；接近開關(guān)，可間接反映設(shè)備間同步狀態(tài)；電流表，可間接反映電機運行狀態(tài)等。當采用間接方式時，需配合軟件來實現(xiàn)其功能，例如，通過檢測電機運行電流（不包括起動過程）可以間接判斷其是否處于運行狀態(tài)。圖2所示的坐標反映電機的運行電流。上下限值根據(jù)電機實際工作中負載的變化范圍而確定，當電機運行電流在上下限之間時，可認為電機處于運行狀態(tài)，電流為零則處于停止狀態(tài)，其他區(qū)間為故障狀態(tài)。

圖2 電機運行狀態(tài)與電流的關(guān)系

3．參數(shù)檢測與控制

MES檢測與調(diào)整現(xiàn)場參數(shù)的功能主要靠以太網(wǎng)和控制系統(tǒng)實現(xiàn)。為此，建議在現(xiàn)場PLC與現(xiàn)場設(shè)備之間建立數(shù)字量或模擬量的參數(shù)傳遞通道，盡量不采用現(xiàn)場設(shè)備與上位機直接通信的方式。以溫度測控為例，有很多種方案，目前比較流行的方案是直接通過PLC的本地或遠程模擬量I/O直接檢測和控制。圖3以遠程模擬量I/O測控為例，上位機和現(xiàn)場人機界面可實現(xiàn)參數(shù)調(diào)整和動態(tài)顯示，上位機還可以記錄和繪制參數(shù)變化曲線等。模擬量I/O根據(jù)變送器信號控制電動調(diào)節(jié)閥的開度以實現(xiàn)溫度調(diào)控。

圖3 遠程模擬量I/O測控溫度原理

4．工件或移動設(shè)備位置檢測

如上位系統(tǒng)要精確顯示工件或移動設(shè)備的行進位置，控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)顯示對象的不同配置激光測距傳感器、編碼器或條碼開關(guān)等。激光測距傳感器可直接檢測設(shè)備的移動距離；編碼器方案是通過檢測輸出軸轉(zhuǎn)角的變化后再換算成位移的方法；條碼開關(guān)則是通過檢測條碼帶上條碼的變化來確定設(shè)備位置，條碼帶須沿設(shè)備移動路徑布置安裝。條碼帶的大致形狀見圖4。另外，當精度要求不高時，為節(jié)省成本，也可根據(jù)公式s=vt計算移動距離。其中，s為移動距離，v為檢測或換算的設(shè)備實際運行（旋轉(zhuǎn)）速度，t為運行時間。

圖4 條碼帶外形

5．融入識別系統(tǒng)

車體識別是MES的重要組成部分。目前的常用作法是采用RFID技術(shù)將識別系統(tǒng)融入到控制系統(tǒng)中。RFID的典型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架見圖5。數(shù)據(jù)載體在車間的入口處被寫入加工安裝信息并隨工件行進，各工位根據(jù)從數(shù)據(jù)載體中讀到的信息完成工藝作業(yè)，然后再將必要的過程信息寫入數(shù)據(jù)載體。一般情況下，在重要工藝段前后及分類道岔前必須設(shè)置讀寫站。

圖5 RFID的典型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

6．傳感器的冗余設(shè)置

在構(gòu)建了MES的生產(chǎn)車間里，傳感器的冗余設(shè)置是十分必要的。冗余不僅可以提高設(shè)備運行的可靠性和效率，還能為故障判斷創(chuàng)造便利條件。一般情況下，在升降機、移行機和翻轉(zhuǎn)機等關(guān)鍵部位都要對位置檢測傳感器進行冗余設(shè)置以降低撞車、掉車等的概率，減少因傳感器故障造成的停產(chǎn)，此外，還可以相互成為故障診斷的參照物。以升降機為例，圖6中，A與B為冗余設(shè)置的檢測上升到位的傳感器，正常情況下，A與B同時動作，工件被水平輸送，如A與B不同時動作，可診斷為A或B處于故障狀態(tài)，應(yīng)暫停輸送。

圖6 升降機上下運送工件

7．信息提示

MES注重提升每道工序的質(zhì)量和效率，為此而在工位和生產(chǎn)線上設(shè)置的信息提示板可以顯示來自于生產(chǎn)管理系統(tǒng)的加工（安裝）信息及來自于生產(chǎn)線各工位的求援信息等。圖7為簡易的工位安裝提示板，提示當前車和后續(xù)車需安裝的配件型號。圖8為簡易工位狀態(tài)提示板，顯示各生產(chǎn)工位的故障（紅色）或求援（藍色）信息。

圖7 簡易安裝提示板

8．現(xiàn)場信息的人工讀寫

由于工件的制造信息須伴隨工件始終，為了避免因數(shù)據(jù)丟失而長時間影響后續(xù)作業(yè)，需在現(xiàn)場適當設(shè)置人工讀寫站，如工控機、HMI等。該讀寫站應(yīng)能通過通信網(wǎng)絡(luò)讀取上位系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的相關(guān)信息并能將信息寫入數(shù)據(jù)載體或上位系統(tǒng)。一般情況下，應(yīng)至少在車間的入口、出口以及工件轉(zhuǎn)掛處設(shè)置這樣的讀寫站。另外，對讀寫站進行權(quán)限管理也是非常必要的。