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。

MES在汽车制造中的应用之业务篇(12) -- 软件下载

现在车辆都有车载电脑，内置电子控制系统(ECU, Electronic Control Unit)。

ECU是车辆的大脑，执行车辆各个层面的控制逻辑，如：

1)       车辆基础功能，如刹车、灯、雷达的集成。

2)       传动模式的管理，如对日常模式、运动模式、经济模式的切换。

3)       特殊模式的管理，如两驱/四驱的切换。

4)       车辆使用记录，如行驶里程、加油里程。

5)       外围功能的集成，如倒车影像。

6)       娱乐设施，如电台、MP3的集成。

同样一款汽车，当配置不同时，要求ECU下载的软件也相应变化。

随着用户对车辆个性化的需求越来越高，总装的生产线也需满足柔性生产的要求。

下面结合图2.12-1说明一下软件下载的主要过程及实现方式。

图2.12-1 软件下载过程

首先，我们需要配置一个软件BOM系统。这个BOM把每个软件作为一个特殊的虚拟零件进行管理，并且为每个软件定义以下属性：

1)       虚拟物料号。

2)       版本号。

3)       软件的二进制文件。

软件BOM在形式上和工程BOM、物料BOM非常类似。

当MES生成工单时，MES从软件BOM系统下载得到完整的软件清单。

其次，当车辆经过PBS OUT进入总装车间时，线体PLC通过RFID识别车辆，并将VIN号发送给MES。

MES查询VIN号，得到车辆对应的软件BOM结构，并通过接口将软件BOM发送给软件下载服务器。

软件下载服务器会检查本地是否已经有对应的软件二进制文件，如没有则从软件BOM系统下载。

最后，当车辆进入软件下载工位时，工人通过手持终端扫描装车单，得到车辆的VIN号，终端会自动从软件下载服务器上获取二进制文件，并下载到车辆ECU。

MES在汽车制造中的应用之业务篇(11) -- 打刻、加注、涂胶防错

在汽车总装车间，打刻、加注、涂胶工艺有防错要求，并和MES有数据交互，下面我们分别予以说明。

1.    打刻防错

通常打刻工艺又分铭牌打刻、车身(底盘/发动机/变速器)打标2种方式。

车辆铭牌是标记车辆基本信息的标牌，记录了车辆型号、VIN号、发动机型号、排量、车重、乘员数、生产工厂、生产日期等重要信息。车辆铭牌表面涂了一层黑色的材料，打刻机以激光蚀刻的方式将数据保留在铭牌上。

而打标是通过激光或者气动针，直接将数据刻到车身/底盘/发动机/变速器的表面。

铭牌打刻可以提前进行，可以在输送线外进行。

而车身打标只能在车辆到达时进行，而且打标机必须安装在生产线上。

但是从MES的角度来看，这2种工艺的作业过程是基本一致的。

打刻机和打标记都有一台专用PC机，用于和MES数据通信，并通过端口将数据发送给设备。

图2.11-1显示了打刻防错的关键作业过程：

图2.11-1 打刻防错过程

关键步骤：

1)       当车辆出PBS OUT时，MES将车辆VIN号和打刻需要的所有数据发送给打刻上位机，并打印装车单。

2)       当车辆进入打刻工位时，工人扫描装车单上的VIN号条码，打刻上位机检查车辆队列；如果队列正确则找到打刻数据，并调用打刻软件进行作业。

2.    加注防错

在车辆总装车间，要进行冷却液、制动液、冷媒、机油等的加注。

通常加注是由设备自动进行的，具体过程由PLC控制。

因此，加注防错的过程和打刻有较大区别。

图2.11-2显示了加注防错的关键作业过程：

图2.11-2 加注防错过程

关键步骤：

1)       车辆进入生产线线头工位，防错PLC结合RFID阅读器识别车辆，然后请求MES下发加注工艺参数，并缓存在防错PLC上。

2)       车辆进入加注工位，防错PLC将VIN号和工艺参数发送给设备PLC，PLC指导设备执行对应的加注作业。

3.    涂胶防错

涂胶工艺和加注类似，也都是PLC控制，在生产线上进行的。

但是涂胶有一个特殊的要求：对涂胶的时间要进行严格的核查，因为时间长的话胶水会失效，从而影响安装质量。

图2.11-3显示了涂胶防错的关键作业过程：

图2.11-3 涂胶防错过程

关键步骤：

1)       车辆进入生产线线头工位，防错PLC结合RFID阅读器识别车辆，然后请求MES下发涂胶工艺参数，并缓存在防错PLC上。

2)       车辆进入涂胶工位，防错PLC将VIN号和工艺参数发送给设备PLC，PLC指导设备执行对应的涂胶作业。涂胶完成后，设备PLC通知防错PLC记录完成时间。

3)       车辆进入安装工位，防错PLC将涂胶时间、工艺参数发送给设备PLC，设备PLC将检查是否失效。如果校验成功则由PLC指导设备执行对应的安装作业。