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。