MES在汽车制造中的应用之架构篇(5) -- Kepware OPC产品介绍

本章介绍在业内应用最广泛的OPC产品：Kepware OPC Server及其插件。

1.    什么是OPC

OPC即OLE for Process Control，用于过程控制的OLE。

而OLE即Object Linking and Embedding，对象链接与嵌入。

比如WORD中插入一个EXCEL表格，就利用了OLE技术。

图3.5-1 OPC的作用

如图3.5-1所示，OPC的作用是将PLC数据块(Data Block)转换成MES(通过OPC客户端)能够直接读写的内存变量(Tag)。

一般来说，如果PLC要和上位系统通信，通常会把数据存储在专用的接口数据块中，并且为每个数据块规划好专有结构，如：

 但是这些数据块的地址是无法被MES直接访问的。

而经过OPC映射后，这些PLC变量和一般的IT服务器内存变量在形式上已经没有了区别，OPC服务器能够直接对这些PLC变量进行读写操作。

而我们可以在MES上部署OPC客户端，对这些变量进行访问和读写。

目前OPC协议主要有两种：OPC DA和OPC UA。

OPC DA即OPC Data Access，这个协议基于微软的DCOM技术实现，已经用了很多年，非常成熟，但是只能部署在WINDOWS平台。由于DCOM的限制，OPC DA的安全性不高，配置也较繁琐。

OPC UA即OPC Unified Architecture，是跨平台的，可以部署在LINUX+JAVA环境下，但是目前应用还不是很广泛。

2.    DataLogger

DataLogger是Kepware的一个插件，能够将OPC变量的值自动记录到数据库中。

对于一般的PLC数据采集需求来说，这个插件已经足以满足了，它只需要一些简单的配置，不需要任何的代码开发。

数据存到数据库里以后，可以通过编写数据库存储过程或者应用层逻辑，来对数据进行业务处理。

比如我们要对一个旧工厂的冲压车间实施PMC，采集设备状态信息，那么我们可以利用OPC DA + DataLogger来采集数据，然后在数据库里编写触发器和存储过程来对数据进一步处理。

3.    ODBC Driver

DataLogger只能对数据库进行写操作，不能进行读操作，因此数据只能从PLC向MES上行传输。

但某些时候，我们需要读数据库。

比如我们要对焊装车间增加订单下发和时间同步功能，那么我们可以利用ODBC Driver插件来实现。

ODBC Driver把数据库作为一个设备进行管理，调用ODBC引擎实现数据库连接和读写操作。

我们可以建立两个接口表，一个用于存储当天工单，一个用于存储时间同步信号。

OPC服务器通过这两个表来读取信息，然后将数据通过OPC DA写到PLC中。

4.    Advanced Tags

Advanced Tags是一组插件，这里介绍应用较多的Link Tag。

Link Tag能够将一个变量的值自动写入另一个Tag。

这里介绍两个应用案例。

案例1：PLC通信。如区域A进行装配，区域B执行检查。当区域B检查出现问题时，通过ANDON系统通知到区域A PLC。由于区域A和区域B之间距离较远，且工艺上没有数据交互。因此，我们可以在不增加硬件设备(如耦合器)的情况下，通过OPC DA + LINK TAG来实现2个区域PLC之间的通信。

案例2：PLC数据上传到MES。DataLogger尽管能够写数据库，但是它有一个很大的限制：只能增加行记录(INSERT)。而ODBC DRIVER能够更新接口表(UPDATE)。因此我们可以通过OPC DA来监控PLC变量，再通过LINK TAG将PLC TAG映射到ODBC DRIVER对应的接口表。详细实现，可参考我的文章《通过KEPWARE ODBC DRIVER和ADVANCED TAG 实现数据库和PLC的双向通信》。

5.    IoT Gateway

IoT Gateway即Internet of Things Gateway物联网网关。

Kepware以插件的形式提供了4种网关：

-          MQTT客户端

-          REST客户端

-          REST服务器

-          ThingWorx网关

前3种都可以很方便地配置使用。

MQTT即Message Queuing Telemetry Transport，是一种专门用于远程窄带网络的消息队列服务协议。比如在一些机加车间，网络信号不稳定，那么我们可以在不改造网络的情况下，利用此客户端来采集PLC数据。

REST即Representational State Transfer可重新表达的状态迁移，是一种应用较广泛的实时可靠的IT信息传递方式，目前在很多场合取代了Web Service进行部署。

REST客户端能够侦测PLC变量，一旦发生变化，则自动调用MES REST服务器，将数据上传给MES。比如AVI系统的车辆过站记录，能够通过REST客户端实时上传。

REST服务器提供了一个监听器，将PLC变量暴露出来，MES可通过REST客户端来执行特定的指令。如MES要冻结某个工单，则可通过REST调用将信息实时写入PLC。

MES在汽车制造中的应用之架构篇(1) -- 基础架构

MES是大型的应用系统，其特点是：

1)       实时性高，通常客户端的响应时间在1~5秒内，和PLC通信的响应时间在1~2秒。

2)       功能复杂，包含了计划、生产、工艺、质量、设备等诸多业务模块，逻辑较复杂。

3)       稳定性高，通常会要求达到99.5%以上的在线率，不然会影响现场生产。

4)       和外部系统(如ERP/PLM/WMS)有较多数据交互。

因此，为了保证MES系统稳定、可靠运行，需要通过系统架构设计予以保障。

图2.3-1显示了MES系统的典型架构关系。

图3.1-1 MES系统基础架构

应用服务器是MES的核心，其功能包括：

1)       业务模型的定义。

2)       工艺路线的定义。

3)       业务逻辑的处理。

4)       对于输入、输出数据的处理。

5)       数据的类型转换、格式转换。

6)       计划任务的处理。

7)       OPC客户端，用于和OPC服务器通信。

8)       MQ客户端，用于和MQ服务器通信。

9)       DB客户端，用于执行数据库读写。

通常应用服务器会采用Cluster机制进行冗余处理，以提供高可用性。

数据库用于存储和备份数据，通常采用Oracle/MSSQL等大型成熟关系型数据库。

数据库通常会划分成生产数据库和历史数据库。

生产库用于实时业务处理，通常只存储较近一段时间如3个月以内的数据。生产库采用DataGuard等技术提供冗余支持。

历史数据库会存储所有的历史数据，数据量大，通常用于报表输出。

因此我们可以在应用服务器上执行实时数据查询，而通过报表服务器执行历史数据统计分析。

网络服务器主要用于处理客户端的输入输出，主要功能有：

1)       图形界面展示。

2)       采集用户输入数据。

3)       对用户键盘、鼠标操作的响应。

4)       本地脚本处理。

5)       本地DLL调用，如.NET框架支持调用本地OPC客户端，从而实现分布式OPC通信。

通常网络服务器会采用Network Load Balance实现负载均衡，以支撑客户端高并发。

由于MES系统中注册的打印机主要以网络打印机为主，因此还需要部署专用打印机服务器以驱动所有的网络打印机。

MES和PLC的通信，目前还是以OPC作为主流的形式。

OPC是一个中间件平台，安装对应的驱动后，OPC服务器能够将PLC数据块中存储的数据映射成内存变量，OPC变量在形式上和普通的IT变量没有区别。

目前应用较广泛的是Kepware OPC Server，其价格较低，提供了几乎所有主流PLC的驱动，此外还有一些功能强大的插件，如IoT Gateway能够将OPC变量封装成Web Service进行调用。

MES和PLC通信的耦合性、实时性都较强，如PLC的扫描周期一般为50~100ms，而OPC的扫描周期通常设置为250~1000ms。

MES和ERP/PLM/WMS有较多的数据交互，但对实时性的要求较低。此外，为了减少系统间的耦合性，通常会采用消息队列的机制在系统间传输数据。

例如ERP部署在集团公司，PLM部署在研究院，而MES部署在工厂，那么通常会在集团公司部署消息队列服务器，然后在集团、工厂、研究院部署MQ客户端，从而实现三地之间的数据交互。

MES在汽车制造中的应用之业务篇(13) -- 安灯呼叫

安灯，又叫按灯、暗灯、ANDON，是一种在汽车厂广泛应用的系统，当生产现场出现异常时，能够通过拉绳、按钮等方式及时进行干预，并通过声、光、屏等方式及时通知责任人员予以解决。

安灯体现了2个管理思想：

1)       质量优先，不惜以急停为代价，暴露并及时解决生产现场问题。

2)       装配作业优先，质量工程师、设备工程师、工艺工程师、物流配送人员都是辅助人员，因为装配线的效率决定了工厂的整体效率。

下文介绍安灯系统的几个关键要素。

1.  呼叫

安灯按照呼叫类型区分，可分为质量呼叫、物料呼叫、设备呼叫、线体呼叫。

质量呼叫是指当现场出现质量问题，或者工人面临无法解决的问题时，工人通过拉绳或按钮人工触发的呼叫。呼叫的发起方为装配工人，接收方为班组长和质量工程师。

物料呼叫是指工人发现物料短缺时，通过物料按钮发起的呼叫。呼叫的发起方为装配工人，接收方为物流配送人员。通常每个按钮对应一个物料，并且呼叫信息和物流执行系统集成。

设备呼叫是指设备出现报警或故障时，通过设备控制器自动触发的呼叫。呼叫的发起方为设备PLC，接收方为设备工程师。

线体呼叫是指输送线出现异常时(如急停、故障、缺车、阻塞)，通过线体控制器自动触发的呼叫。呼叫的发起方是线体PLC，接收方为班组长和设备工程师。

2.  通知

安灯提供声、光、屏等多种形式的通知。

通常我们会在生产线的作业工位上安装单色或三色的柱状信号灯。单色灯通常为黄色，当出现呼叫时，输出闪烁信号进行通知。三色灯通常为红、黄、绿色，常用于关键工位如防错工位，绿色代表正常，黄色代表报警，红色代表故障。信号灯通常集成到PLC中，响应时间在100ms以内。

由于汽车装配车间设备较多、人员混杂，而设备工程师等通常采用巡线的机制，因此相关人员有时不能及时看到工位上的信号灯。因此，工厂会安装声音系统进行广播通知。为了保障音质和音量，通常采用播放器+功放+音箱的形式组建声音系统。而播放器也是集成到PLC的，响应时间在数秒以内，播放的声音可以事先录制成MP3。

此外，车间还通常悬挂LCD/LED大屏，以图文的形式进行通知。大屏尺寸可以从55寸到100多寸，以外接显示器的形式连接到小型PC中。在小型PC安装WINCC/FTVIEW/CIMPLICITY等SCADA软件，可以显示呼叫状态、设备状态、计划产量、实际产量、缓存数量、车间布局等多种形式的信息。

3.  升级机制

呼叫有通知、报警、故障等级别。

通知级别如换班，呼叫时现场并无异常。

报警级别如物料呼叫、设备报警、线体缺车、线体阻塞，呼叫时线体还在工作，不会马上发生停线。

故障级别如设备故障、线体故障、线体急停，呼叫时需要立即处理，否则线体马上停止。

而通见的拉绳呼叫，既可能是报警级别，也可能是故障级别，这里有一个升级机制。

如在焊装，拉绳拉下时呼叫是报警级别，如果10秒内没有响应则升级为故障级别。

而在总装，由于采用输送线，同一条线各个工位联动，且各工位等距，因此会为每个工位定义70%停止位、90%停止位、100%停止位。拉绳拉下时，如果车辆还未到70%停止位，则呼叫是报警级别；如果车辆到达70%停止位时，呼叫还没有响应则升级为故障级别；当车辆到达90%停止位时呼叫还没有复位，输送线开始停止。

当呼叫升级时，声、光、屏的通知形式也发生相应的变化。如三色灯在报警时闪黄灯，在故障时闪红灯。

4.  停线管理

在总装车间，由于采用输送线的形式，各个工位是相互关联的。

因此，如果某个工位的呼叫不能及时处理的话，业务上会要求停止整条生产线，这就要求安灯系统和输送线PLC之间做集成。

通常安灯系统会向输送线PLC传送停线指令和0%/70%/90%停止位信号。

安灯系统有专用PLC，和输送线PLC之间通过网络耦合器或硬接线的形式进行通信。

输送线PLC接收到安灯PLC的信号后，会结合线体的状态信号、安全信号，判断在某个时刻是否应该让线体停线，如果条件符合，则执行停线逻辑。

5.  班次管理

通常我们会在安灯系统里配置班次进行管理，即使只有一个班次也是如此。

这是因为每个班次都有很多关键指标，如计划产量、实际产量、停线时间、呼叫时间等，这些指标是分配到班次上的，而且在每个班次开始时必须清零。而很多指标是从线体PLC中采集的，因此安灯系统必须将换班信号输出给线体PLC。

此外，当换班时，安灯系统还可以通过闪烁柱灯、播放音乐等方式提醒工人和生产管理人员。