MES對現場控制系統的功能要求_MES_控制系統

MES對現場控制系統的功能要求

2009/5/18 13:16:00

MES正在引領汽車制造業的新潮流。由于MES是以現場設備控制系統為基礎而建立，因此其強大功能內涵必然拉動現場設備控制系統功能水平的提升。本文旨在從網絡通信、檢測以及智能邏輯等角度探討如何在常規現場控制模式的基礎上補充和完善功能以適應MES的需要。

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

功能拓展

1．通信

MES中各系統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建通信網絡。目前常規的做法是在管理層（監控層）與控制層之間通過工業以太網交換信息，控制層與現場設備層之間通過現場總線交換信息，網絡拓撲簡圖見圖1。為了避免不必要的通信轉換，控制系統的PLC最好具有進行以太網和現場總線（Profibus、DeviceNet等）通信的功能。變頻器最好具備對應現場總線的通信接口。智能儀表等裝置最好具有現場總線或以太網通信接口，如屬于某系統或與某系統關系緊密，也可在系統內進行局域模擬量傳輸。如車間應用了ProfiNet技術，通信將變得更簡潔，但目前汽車行業幾乎沒有應用。

2．設備運行狀態檢測

為了讓MES中的監控計算機或人機界面能更形象準確地顯示工藝設備整體及其各裝置的運行狀態，現場控制系統必須對電機、水泵和傳感器等的運行或通斷狀態進行檢測和判斷。這就需要增設相應的檢測元件，如編碼器，可直接檢測電機是否運行；光電開關，可檢測工件是否通過或占位；測距開關，可以檢測移動設備行進距離；壓力開關，可以檢測是否過載；風速儀，可以間接檢測風機運行與否；接近開關，可間接反映設備間同步狀態；電流表，可間接反映電機運行狀態等。當采用間接方式時，需配合軟件來實現其功能，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。圖2所示的坐標反映電機的運行電流。上下限值根據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，電流為零則處于停止狀態，其他區間為故障狀態。

圖2 電機運行狀態與電流的關系

3．參數檢測與控制

MES檢測與調整現場參數的功能主要靠以太網和控制系統實現。為此，建議在現場PLC與現場設備之間建立數字量或模擬量的參數傳遞通道，盡量不采用現場設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，上位機和現場人機界面可實現參數調整和動態顯示，上位機還可以記錄和繪制參數變化曲線等。模擬量I/O根據變送器信號控制電動調節閥的開度以實現溫度調控。

圖3 遠程模擬量I/O測控溫度原理

4．工件或移動設備位置檢測

如上位系統要精確顯示工件或移動設備的行進位置，控制系統應根據顯示對象的不同配置激光測距傳感器、編碼器或條碼開關等。激光測距傳感器可直接檢測設備的移動距離；編碼器方案是通過檢測輸出軸轉角的變化后再換算成位移的方法；條碼開關則是通過檢測條碼帶上條碼的變化來確定設備位置，條碼帶須沿設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，為節省成本，也可根據公式s=vt計算移動距離。其中，s為移動距離，v為檢測或換算的設備實際運行（旋轉）速度，t為運行時間。

圖4 條碼帶外形

5．融入識別系統

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

圖5 RFID的典型網絡構架

6．傳感器的冗余設置

在構建了MES的生產車間里，傳感器的冗余設置是十分必要的。冗余不僅可以提高設備運行的可靠性和效率，還能為故障判斷創造便利條件。一般情況下，在升降機、移行機和翻轉機等關鍵部位都要對位置檢測傳感器進行冗余設置以降低撞車、掉車等的概率，減少因傳感器故障造成的停產，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，應暫停輸送。

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量和效率，為此而在工位和生產線上設置的信息提示板可以顯示來自于生產管理系統的加工（安裝）信息及來自于生產線各工位的求援信息等。圖7為簡易的工位安裝提示板，提示當前車和后續車需安裝的配件型號。圖8為簡易工位狀態提示板，顯示各生產工位的故障（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，為了避免因數據丟失而長時間影響后續作業，需在現場適當設置人工讀寫站，如工控機、HMI等。該讀寫站應能通過通信網絡讀取上位系統和控制系統的相關信息并能將信息寫入數據載體或上位系統。一般情況下，應至少在車間的入口、出口以及工件轉掛處設置這樣的讀寫站。另外，對讀寫站進行權限管理也是非常必要的。