MES對現(xiàn)場控制系統(tǒng)的功能要求
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(qiáng)大功能內(nèi)涵必然拉動(dòng)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(bǔ)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(qiáng)大的功能模塊而風(fēng)靡全球，在國內(nèi)引進(jìn)的高水平汽車生產(chǎn)線上也有所應(yīng)用。與此同時(shí)，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(xiàng)目，其控制系統(tǒng)的規(guī)劃或功能拓展目標(biāo)都在圍繞著MES進(jìn)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(kuò)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(shí)踐中的體會(huì)。
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(dòng)，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?fù)浜唸D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(jìn)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(jìn)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(yùn)行狀態(tài)檢測
為了讓MES中的監(jiān)控計(jì)算機(jī)或人機(jī)界面能更形象準(zhǔn)確地顯示工藝設(shè)備整體及其各裝置的運(yùn)行狀態(tài)，現(xiàn)場控制系統(tǒng)必須對電機(jī)、水泵和傳感器等的運(yùn)行或通斷狀態(tài)進(jìn)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(jī)是否運(yùn)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(dòng)設(shè)備行進(jìn)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(jī)運(yùn)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(jī)運(yùn)行狀態(tài)等。當(dāng)采用間接方式時(shí)，需配合軟件來實(shí)現(xiàn)其功能，例如，通過檢測電機(jī)運(yùn)行電流（不包括起動(dòng)過程）可以間接判斷其是否處于運(yùn)行狀態(tài)。圖2所示的坐標(biāo)反映電機(jī)的運(yùn)行電流。上下限值根據(jù)電機(jī)實(shí)際工作中負(fù)載的變化范圍而確定，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行電流在上下限之間時(shí)，可認(rèn)為電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，電流為零則處于停止?fàn)顟B(tài)，其他區(qū)間為故障狀態(tài)。
圖2 電機(jī)運(yùn)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(shí)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(jī)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(yuǎn)程模擬量I/O直接檢測和控制。圖3以遠(yuǎn)程模擬量I/O測控為例，上位機(jī)和現(xiàn)場人機(jī)界面可實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)整和動(dòng)態(tài)顯示，上位機(jī)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(hào)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度以實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)控。
圖3 遠(yuǎn)程模擬量I/O測控溫度原理
4．工件或移動(dòng)設(shè)備位置檢測
如上位系統(tǒng)要精確顯示工件或移動(dòng)設(shè)備的行進(jìn)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(dòng)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(dòng)路徑布置安裝。條碼帶的大致形狀見圖4。另外，當(dāng)精度要求不高時(shí)，為節(jié)省成本，也可根據(jù)公式s=vt計(jì)算移動(dòng)距離。其中，s為移動(dòng)距離，v為檢測或換算的設(shè)備實(shí)際運(yùn)行（旋轉(zhuǎn)）速度，t為運(yùn)行時(shí)間。
圖4 條碼帶外形
5．融入識(shí)別系統(tǒng)
車體識(shí)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(shí)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(jìn)，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(yùn)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(jī)、移行機(jī)和翻轉(zhuǎn)機(jī)等關(guān)鍵部位都要對位置檢測傳感器進(jìn)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(jī)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(shí)動(dòng)作，工件被水平輸送，如A與B不同時(shí)動(dòng)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(jī)上下運(yùn)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(dāng)前車和后續(xù)車需安裝的配件型號(hào)。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(lán)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(shí)間影響后續(xù)作業(yè)，需在現(xiàn)場適當(dāng)設(shè)置人工讀寫站，如工控機(jī)、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(jìn)行權(quán)限管理也是非常必要的。
圖8 簡易工位狀態(tài)提示板
9．故障診斷
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