PTC的数字化制造全家桶

大家知道PTC是著名的CAD软件公司，其拳头产品Pro/E(现命名为Creo)在模具设计、汽车发动机和零部件设计中得到了广泛应用。

但是近几年来，特别是在14年后收购了ThingWorx和Kepware之后，PTC越来越多地进入制造运营过程。

现在我们看看它的产品矩阵。

CAD/设计：CREO parametric(Pro/ENGINEER)

CAE/分析：CREO simulate(Pro/MECHANICA)

PLM/产品生命周期管理：Windchill

ALM/软件生命周期管理：Integrity

MOM/制造运营：ThingWorx

SLM/服务生命周期管理：Servigistics

这些产品覆盖了设计、制造、售后的完整过程。

在制造方面，ThingWorx由3大产品组成：ThingWorx、Kepware、Vuforia，这3大产品分别收购自不同公司，最后统一整合到ThingWorx平台和解决方案下面。

这其中，ThingWorx是物联网开发平台，Kepware是OPC服务器和物联网网关，Vuforia是AR开发平台。

从PTC的发展轨迹可以看到，PTC首先是一家设计解决方案供应商，然后才是一家制造解决方案供应商，也就是说先有数字化，再有制造。

这点和达索比较类似，先有Catia和Solidworks，然后借助收购Apriso进入MES领域。

下面重点介绍一下PTC的ThingWorx平台。

为什么要说ThingWorx是数字化制造全家桶呢？因为PTC把Kepware和Vuforia都纳入ThingWorxa工业物联网解决方案了。

Vuforia是在AR/VR概念最火的时候收购的，主要是用于增加现场运维的体验。

Kepware大家都很熟悉，是应用最广泛的OPC服务器，借助其IoT Gateway可以很方便地搭建物联网网关。PTC给它另起了个名字ThingWorx Industrial Connectivity，然后在Kepware和ThingWorx之间建立了一个高速通信协议AlwaysOn，这样ThingWorx可以方便快速地从Kepware获取远程数据。

而ThingWorx本身是一个开发平台和运行环境。ThingWorx借鉴了面向对象建模的理念，支持对象(Thing)、类(Template)、属性(Property)、方法(Service)、事件(Event)，此外还提供一个SCADA开发和运行环境(Mashup)。

ThingWorx通过Industrial Connection实现和控制层集成，通过Integration Connection实现和应用系统集成。

ThingWorx平台本身提供一个PostgreSQL数据库，也可以通过安装ODBC扩展库的方式，实现和主流数据库的集成。

此外，PTC还官方提供了一个Manufacturing App扩展库，包括：

Asset Advisor – 设备状态和属性监控

Control Advisor – 物联网网关控制台

Production KPIs – KPI运营看板

Alert Monitoring – 报警监控和处理

Trending and Troubleshooting – 趋势监控

Custom Plant Viewer – 工厂平面看板

Custom Asset Viewer – 设备综合看板

Custom Controls Advisor – HMI输入

Configuration and Setup – 工厂建模

基本上涵盖了SCADA的典型应用场景。

利用此扩展库，可以很方便地对一个小型工厂快速建模执行监控。

下面再具体谈谈ThingWorx平台的一些特点。

特点一：对Kepware的完美支持。你可以把ThingWorx看成一个OPC Client，无需借助任何编程，就可以对OPC TAG进行远程读写处理。

但是这里有一个限制。由于ThingWorx是面向对象的，任何一个属性必须指定对应的Thing，因此在进行常规读写的时候，必须要为每一个OPC TAG绑定ThingWorx.Thing.Property。因此TAG必须是静态的，如果要进行动态读写，则必须另外编写Service，调用Kepware REST Server进行读写。

特点二：对REST API的完美支持。ThingWorx平台创建的Thing/Template/Mashup等对象都可以通过REST API直接开放给外部系统，且可以直接点击查看属性、方法等。但这里也有一个限制，外部看到的接口已经没有了继承的信息，所以一些对象的属性、方法会非常之多。

特点三：实时数据存储非常方便。ThingWorx内建的ProgreSQL数据库主要包含2类数据：对象模型和业务数据，均采用NOSQL的数据结构，通常包括以下字段：模型(如Stream)、数据引用对象(如某台机床)、时间戳、数据类型、数据名称(如某工艺参数)、数据值。这种方式和关系型数据库差异非常大。比如一台机床有多个参数，通常在关系型数据库中我们用多个字段记录，数据会记录在同一行内。但是在ThingWorx，每个参数对应一行记录。这种方式非常有利于对所谓实时数据的处理，如设备温度值始终在变化，而其它参数变化很少，那么用关系型数据库记录的话就会非常浪费，而用NOSQL记录的话只记录变化的字段，有效节省了存储空间，提升了查询效率。限制是，系统只记录当前各字段(属性)的关系，而所有历史关系则丢失了。因此如果有复杂的业务逻辑，还是需要用关系型数据库进行补充。

特点四：项目的组成部分关系松散。在开发项目时，所有的组成部分如Thing、Stream、Mashup并没有一个严格的、层级明确的结构，而是通过Model Tag和Project Tag进行标记，因此较为分散，缺乏项目整体感。

MES在零部件制造中的应用

汽车零部件的制造与整车制造存在较大不同。

在整车制造过程中，装配是最复杂的环节，需要与上下游的多个系统如PLM、ERP、WMS等做集成，在生产线上则是设备、物料等围绕着工人干活。

而在零部件制造过程中，装配所占的比重较小，而机加等前端制造更为重要。

本文以机加、注塑、光学检测为例，介绍数字化制造在零部件制造中的应用。

一、机加

普通消费者一般只接触整车厂商，但其实在一台汽车中，技术含量最高的是发动机；而在发动机的制造过程中，最难的分别是铸造和机加。

机加指的是通过机床，将铸造好的毛坯加工成精度和质量符合要求的产品。

下图以数字化制造为视角，显示了MES和CNC机床的关系：

我们可以看到，CNC的两大控制核心是：操作系统和PLC。

由于加工的过程是以作业指令的形式执行的，而对一个产品的完整指令定义就形成了一个控制文件，这个文件包含：机台的位移，刀具的编号、位移、旋转角度，子程序，跳转逻辑，注释等。

通常控制文件是CAM系统生成的文本文件。

在一个大型的工厂，通常会有多台机床形成一个机组，使用同型号的设备，加工同型号的产品。

为了方便控制文件的管理和版本控制，我们可以将标准的控制文件存储在服务器上，然后下发给机床操作系统。

以高端机床常见的Siemens Sinumerik系统为例，该系统通常采用Windows或Linux作为操作系统，然后通过HMI程序提供界面，并调用文件系统实现和外部系统的数据交换。

对于Windows系统，可以很方便地通过共享文件夹的方式实现数据传输。

对于 Linux系统，可以通过FTP进行文件传输。

在加工过程中，关键作业信息如程序号、产品物料号、开始时间、结束时间等，也可以以文件的形式记录在操作系统上，然后上传到MES。

因此，MES可以较为实时地对生产过程进行跟踪，并在此基础上，生成设备OEE数据，从而帮助改进现场生产管理。

二、注塑

汽车中会用到大量的塑料件，如仪表盘、保险杠等。

这些塑料件主要是采用注塑机加工的，就是把液体塑料原料注入安装了模具的机器中，液体冷却凝固后形成需要的零件。

注塑工艺是高度依赖设备的，一些关键工艺参数如压力、温度、速度、时间，对成品的质量有重大影响。

因此注塑机会实时监控这些工艺参数，并通过OPC等技术将数据集成到企业系统。

如海天的注塑机，提供远程维护功能，技术支持人员能够通过IT网络和OPC集成，实现对工艺参数的实时监控和历史追溯，从而为故障诊断提供了依据。

三、光学检测

汽车中还使用了大量的小型零件如传感器、雷达等。

许多小零件在加工完成后会进行光学检测，以检查间隙、划痕、斑点等。

象博世的MES就集成了光学检测系统，通过高精度摄像头得到质量分析数据，并通过算法对结果进行判断。

而大数据、深度学习在光学检测方面也有广泛的应用前景。

MES领域的新玩家

近几年，随着智能制造、工业4.0、中国制造2025的宣传，MES被越来越多的工厂管理人员和技术专家了解。因此，除了Siemens、Rockwell、GE一直深耕MES，在MES领域也出现了不少新的玩家。

第一类玩家，原先是提供其它系统服务的IT厂商。

比如达索公司，是著名的CAD/CAE厂商，其旗舰产品CATIA在飞机和汽车的造型设计中得到广泛应用，借由收购Apriso公司，借助其产品FlexNet进入MES领域。

再比如SAP，是最著名的ERP厂商，借由收购Lighthammer，进入MES领域。

第二类玩家，原先是控制系统供应商。

比如施耐德和Honeywell，都是著名的控制系统供应商，其承接项目的方式往往是软硬件一体化集成，并且形成了自己的系统。

第三类玩家，将自己的内部MES推向市场。

比如博世，是最大的汽车零部件制造商，特别是在传感器方面是业界领袖。博世的MES主要针对内部客户开发，特别是在质量追溯和光学检查方面着力很多，这两年，其MES部门也开始承接外部项目。

第四类玩家，是OEM。

OEM即Original Equipment Make原始设备制造商。

如ABB是著名的工业机器人制造商，也承接了大量的汽车焊装车间设备安装调试工作，在焊接和机器人控制方面是业界领袖，MES也有其独到之处。

再比如Comau主要承接汽车焊装、发动机装配的设备安装调试工作，也有其MES系统。

第五类玩家，是蹭政府补贴的。

我们知道，随着中国制造2025的推广，各地政府都提供了大量补贴，用于鼓励工厂进行智能制造升级。那么势必有不少的人，利用此契机，打着MES/智能制造的名头，将政商关系变现，而厂家也可通过种种合同和账务手段，捞取政府补贴，实施效果倒在其次了。

 

Rockwell FTPC平台介绍

Rockwell和Siemens、GE是MES领域的三强，在汽车行业和制药行业有大量成功的案例。
FTPC即FactoryTalk Production Center是其技术平台，功能强大。
大体来说，Rockwell FTPC主要由3部分组成：
1. SOS即Shop Operation Service，是后台服务环境，包括客户端通信、界面呈现、JDBC通信、PLC/OPC通信、MQ通信、ERP接口、PLM接口、计划任务等。SOS是一个成熟的产品，比如和SAP之间有标准接口，和AB PLC能够直接通信，和Siemens PLC也能够通过OEM版本的Kepware OPC Server进行通信。
2. 行业业务模型，如制药行业有成熟的配方管理模块，汽车行业有成熟的追溯模块。这些模型包括数据库对象、工艺流程、前台表单、报表等。此外，FTPC的主要业务表已经实现面向对象化，并且预留了大量字段，可以通过前台界面很方便地进行扩展。
3. Process Designer，是一个IDE集成开发环境。
Process Designer的优点主要有：
1. 提供图形化界面，以方便用户界面和工艺流程的设计。
2. 面向对象，以对象的方式调用业务模型。
3. 基于JAVA，可以在Eclipse中开发新的组件。
4. 支持脚本语言PNUTS。
5. 支持大量的JAVA组件，如JDBC、JMQ等。

Apriso FlexNet平台介绍

Apriso是一家美国MES厂商，于2013年被达索公司收购。
达索公司的主要产品是CATIA和SOLIDWORKS，前者是飞机和汽车造型的主流软件，后者在模具设计中得到广泛应用。
借由收购Apriso，达索的产品从CAD/CAE，扩展到制造领域。
Apriso FlexNet是一个MES产品，同时也是一个MES开发平台，包含了大量符合ISA95标准的模型，包含了与ERP/PLM系统的接口，包含了与OPC通信的标准接口。
Apriso FlexNet最著名的客户是康明斯，其MES是利用FlexNet平台，结合康明斯业务流程进行深度定制，并用同一个版本发布到全球工厂。此外，在汽车行业，其客户还有通用、法雷奥等。
与ERP相比，MES产品有两个鲜明的特点：
1. 作为一个执行系统，客户端与服务器有较多的交互，比如一个页面可能有多个校验和跳转逻辑，因此表单形式的设计不合适。
2. 作为一个车间现场管理系统，针对工厂、产线、工位、设备的特殊流程，存在较多的订制需求，因此目前主流的MES产品，都自带IDE集成开发环境，以方便客户进行开发。
大体来说，FlexNet主要由以下3部分组成：
1. 符合ISA95标准的业务对象模块，如工厂建模、工位建模、工厂日历、用户管理、行业模型等。
2. 基于.NET的底层组件，比如OPC.NET用于和OPC通信，ODBC用于数据库通信，MQ组件用于处理消息，LOG组件用于日志处理。
3. 集成开发环境Process Builder。
Process Builder是一个功能强大的IDE，其特点有：
1. 可以定义完整的业务过程，此过程在Process Builder中被称为Operation，可以定义输入输出参数、跳转条件、触发条件等。
2. 图形化的界面方便开发。
3. 可以直接输入SQL语句，或调用存储过程、函数进行数据库操作。
4. 可以直接调用标准的OPC.NET组件与OPC通信。
5. 可以直接编写JAVASCRIPT脚本进行变量处理。
6. 提供强大的调试工具，可以直接在编辑环境中对数据库操作、OPC操作进行诊断。
7. 在生产环境下，通过诊断工具，可以对业务过程进行断点、实时诊断，方便故障排查。

MES与PLC握手的几种方式

  

在汽车制造行业，MES与设备层有深入的集成，而PLC集成是最主流的形式。

本文主要介绍MES与PLC集成时的几种握手方式及特点。

方式1：定期抓取数据

某些设备的关键工艺参数(如变速器轴齿热处理炉的温度)非常重要，需要定期抓取以生成实时曲线，及用于长期追溯分析。

这些工艺参数通常都是模拟量，数值始终不停地变化。

通常我们可以通过OPC软件读取这些数据，经过精度处理，然后定期写入实时数据库中。

这些数据的特点是：读取频率高，数据变化小，因此存入数据库时会存在大量重复的记录，而实时数据库提供数据压缩的功能，特别适合此类数据的存储。

方式2：基于条件触发

有许多工艺参数(如螺栓的拧紧值)的收集，主要是用于事后的质量追溯分析的，通常我们会定义一个触发信号通知MES读取。

比如发动机在某工位完成物理装配作业后，PLC会把关键的工艺参数写入数据交换区，然后给DATA_READY信号置位。

而MES会每隔1秒扫描监听DATA_READY信号，当此信号处于高位时，则读取数据交换区的质量追溯数据。

可参考下图：

具体握手过程为：

1)       发动机完成某个装配步骤，PLC写入参数1。

2)       发动机完成某个装配步骤，PLC写入参数2。

3)       发动机完成所有物理装配作业，PLC将DATA_READY置位。MES读取参数1、参数2。

4)       发动机准备离开当前工位，PLC将所有数据复位。

方式3：请求-响应机制，1次握手

这种方式和IT系统的MQ/WEB SERVICE等消息处理机制非常类似。

如发动机上线工位，MES给PLC下发工单，过程可参考下图：

具体握手过程为：

1)       PLC在PLC_MSG写入请求数据，如工位，同时将REQUEST_SENT置位。

2)       MES扫描到REQUEST_SENT，读取PLC_MSG，然后生成工单数据，并写入MES_MSG，同时将RESPONSE_SENT置位。

3)       PLC扫描RESPONSE_SENT，读取MES_MSG并写入本地数据块，然后将REQUEST_SENT和PLC_MSG复位。

4)       MES将所有数据和控制位复位。

我们可以看出，整个数据交换的过程只发生了1个来回，即1-2步，而3-4步是将消息销毁的动作。

这种方式还有一个特点，就是封装性好，同样一个接口，既可以下发工单，也可以上传过站数据，区别在于PLC_MSG/MES_MSG里存储的数据内容不一样。

方式4：请求-响应机制，2次握手

同样是发动机上线的例子，过程可参考下图：

具体握手过程为：

1)       PLC在PLC_MSG写入请求数据，如工位。

2)       PLC将REQUEST_SENT置位。

3)       MES扫描到REQUEST_SENT，读取PLC_MSG，然后发送REQUEST_RECEIVED。

4)       MES生成工单数据，并写入MES_MSG。

5)       MES将RESPONSE_SENT置位。

6)       PLC扫描RESPONSE_SENT，读取MES_MSG并写入本地数据块，然后将RESPONSE_RECEIVED置位。

7)       MES扫描RESPONSE_RECEIVED，将所有数据和控制位复位。

8)       PLC将本地数据和控制位复位。

我们可以看出，整个过程相当于进行了2次握手，其中1-3步是第1次握手，用于接收请求；4-8步是第2次握手，用于下发数据。

我们可以看出，方式4比方式3繁琐很多，但是这种方式在实际项目中用得还非常多。这是因为完整响应时间可能多达数秒，而PLC的扫描周期只有几十毫秒，中间多出的状态位可以作为状态指示缓解工人等待的焦虑，也可以作为断点方便通信调试。

方式5：基于工位生产周期

在一些工位，会有多个关键的业务过程，比如发动机上线工位先上线，然后装配，最后发送过站记录。

那么在一个完整的工位生产周期中，PLC需要和MES做2次数据交换，第1次下载工单，第2次上传过站记录，如下图所示：

具体握手过程为：

1)       发动机到达，PLC给ENGINE_ARRIVAL置位。

2)       PLC检查托盘、设备、物料，条件具备后将STATION_READY置位。

3)       MES将STATION_READY_RECEIVED置位。

4)       MES将工单数据写入MES_DATA。

5)       MES将MES_DATA_SENT置位。

6)       PLC将MES_DATA写入本地数据块，并将MES_DATA_RECEIVED置位。

7)       MES复位IT侧所有数据和状态位。

8)       PLC开始本工位的装配作业，并将发动机序列号写入ENGINE_SN。

9)       PLC装配完成后，PLC将PLC_COMPLETE置位。

10)   MES将PLC_COMPLETE_RECEIVED置位。

11)   MES执行过站逻辑，完成后将MES_COMPLETE置位。

12)   PLC将MES_COMPLETE_RECEIVED置位。

13)   MES复位IT侧所有数据和状态位。

14)   发动机准备离开，PLC将ENGINE_LEAVE置位。

15)   PLC复位所有数据和状态位。

我们可以看到，此方式非常繁琐，但是优点是：

1)       生产周期中的关键状态都有体现，可以很方便地通过HMI进行监控。

2)       PLC状态对应于实际的生产执行情况，发生问题时容易追踪。

3)       程序出错时，可以很直观地看到通信执行到哪一步。

另外，我们还应理解，下载工单和上传过站记录都只是完整生产周期的一部分，并且有内在的逻辑联系，比如：在装配的过程上发现缸体有问题，需要换一个缸体上线，此时由于MES还没有接收到过站记录，因此即使在第2次接收到STATION_READY信号时，MES下发的仍旧是同一个工单，这样就可以有效避免工单和发动机序列号的损失。

工厂上MES的两种方式

方式一：数据采集型

这几年由于政府对制造企业信息化的重视，有不少补贴流入到MES领域，出现了不少为信息化而信息化的项目。

这类项目的特点是：往往是工厂投产后实施的，IT系统不会造成生产停线，需求提出方是工厂高层，不涉及运营流程的改造，与上下游系统集成少，与控制层集成浅。

典型的系统有：PMC、BI、EAM、EMS、大数据(?)。

有一些工厂，会把许多小的功能模块，包装成一个MES/智能制造项目，申请政府补贴。

这类项目最直接的效益是：自动生成高层需要的报表，提升工厂的整体形象。

这类项目通常只是单向地采集数据，不干涉设备和流程，因此技术风险较小。

这类项目的工厂高层往往对IT了解不多，对IT系统不信任，给IT系统的预算较少。

方式二：流程驱动型

这种方式中IT和业务流程、上下游系统、控制层结合较为紧密，需求主要由现场管理人员、工程师提出，通常会在工厂建设的过程中进行实施。

由于IT系统和现场运营、设备控制紧耦合，因此业务的调整会对系统造成伤筋动骨的影响，反过来IT系统一旦停线则生产也无法进行。

因此IT系统技术风险大，预算高，对项目管理、沟通、组织配合等都提出了较高的要求。

典型的系统有：车辆调度系统、发动机防错系统、物流拉动系统。

这类项目通常由业务和IT联合设计，IT系统在工厂日常运营中承担非常重要的角色。

螺栓RFID在发动机装配中的应用

在汽车制造行业，通常采用纸质条码、激光蚀刻二维码、RFID标签等多种形式进行车辆或发动机的识别。

而在RFID标签方面，也会封装成各种形式，如高速公路ETC的矩形标签、南京地铁的圆形筹码标签、汽车总装车间的带磁铁标签、发动机机加的螺栓标签。

本文介绍螺栓RFID标签在发动机制造中的应用。

在2013年，通用汽车与巴鲁夫合作，在通用纽约工厂应用巴鲁夫的高频螺栓RFID标签，用于机加车间缸体线和缸盖线的识别和追溯。

巴鲁夫的螺栓RFID标签有M6和M8等规格，存储容量最高可达128KB，其外观和普通螺栓非常相似，如下图红圈所示：

以缸体加工为例，缸体上线时，先将RFID螺栓安装、拧紧、写入工单及序列号信息；当缸体经过关键加工工位时，PLC将关键作业信息如拧紧值、试漏检测结果等写入螺栓RFID；当缸体进入下一工位，PLC读取RFID并检查上道工序结果；缸体下线时，PLC读取RFID数据并同步给MES系统。

巴鲁夫螺栓RFID标签提供IP68等级的防护，可以应用于有润滑剂、金属屑、清洗设备的环境中。

在一台发动机的完整制造流程中，会使用多个RFID标签，如：

1)       缸体机架的螺栓RFID

2)       缸盖机架的螺栓RFID

3)       内装线的托盘RFID

4)       缸盖分装的托盘RFID

5)       活塞连杆分装的托盘RFID

6)       外装线的托盘RFID

7)       卡车发动机的测试线托盘RFID

当发动机从内装转运到外装时，或者需要离线返修时，由于发动机和托盘分离，这时就需要将RFID数据与MES之间进行备份和恢复，较为繁琐。

因此，如果能够将缸体上的螺栓RFID标签一直延用到完整的制造过程中，就不存在数据转运的问题，可以大量减少MES和PLC之间的数据交互，但是面临很大的困难。

由于发动机工位间距小，因此采用了高频而不是超高频RFID技术，这就造成了RFID标签阅读距离短(一般<0 .2="" span="">米)、角度小，因此一般要求阅读器要正对标签、紧贴安装。

而缸体在经过装配之后，大部分被包裹在发动机内部，如果螺栓RFID安装在内部则难以识别；安装在外部的话，也可能在装配过程中，造成和零件设备的干涉，也难以识别。

那么假如我们希望做到利用缸体螺栓RFID进行全程跟踪的话，则需要从设计入手，和工艺、控制专家一起制订方案：

1)       在缸体上设计螺栓RFID专用的工艺安装孔；此孔不会影响发动机的刚性；在装配后也一直暴露在发动机的外侧；在出厂前用普通螺栓或橡胶塞进行封闭。

2)       螺栓RFID在缸体机加安装后，全程不会和其它零件、设备形成干涉。

3)       设备和OEM工程师，要根据螺栓RFID的位置和角度，调整各工位RFID阅读器的安装位置。

此方案能够有效地确保数据安全，但是增加了工艺的复杂性，可谓各有利弊。