摘要：本文所提出的一種基于MES的智慧工廠車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議，是實現(xiàn)MES制造執(zhí)行系統(tǒng)與智慧工廠內(nèi)智能制造終端控制器之間進行數(shù)據(jù)通信交互的一種協(xié)議，涉及數(shù)據(jù)通信交互的一系列數(shù)據(jù)交互內(nèi)容，包括數(shù)據(jù)交互方式、數(shù)據(jù)交互格式等。本文擬定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，連接生產(chǎn)控制中心的MES制造執(zhí)行系統(tǒng)與智慧工廠內(nèi)的智能制造終端控制器，是用來實現(xiàn)MES系統(tǒng)與智慧工廠內(nèi)智能制造終端控制器之間數(shù)據(jù)正常通信的一種約定，具有獨立的模塊性，能定制，可擴展，可移植，能使得智慧工廠內(nèi)所有的自動化設(shè)備以統(tǒng)一的方式來與MES制造執(zhí)行系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信。

1 引言

智慧工廠是現(xiàn)代化工廠信息化發(fā)展的新階段，是智能工業(yè)發(fā)展的新方向。智慧工廠的智能化運作，是基于MES制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing execution system；后簡稱MES系統(tǒng)）與智能制造設(shè)備控制器通訊對接進行運作的，是為了實現(xiàn)從生產(chǎn)排產(chǎn)、數(shù)量統(tǒng)計、過程數(shù)據(jù)監(jiān)控、報警故障管理到設(shè)備智能化管理等工廠工藝一體化的管理模式，從而使管理人員清晰地掌握生產(chǎn)流程[1]。同時，智能制造設(shè)備控制器能接收來自MES系統(tǒng)下達的數(shù)字作業(yè)指導(dǎo)書，包括機器編號、排產(chǎn)安排、模板編號、工藝參數(shù)下達等用來保證智能制造設(shè)備正常工作的重要參數(shù)；MES系統(tǒng)亦能即時正確地讀取生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，提高生產(chǎn)過程的可控性，減少生產(chǎn)線上人工的干預(yù)，從而實現(xiàn)智能制造[2-3]。

基于此，如要實現(xiàn)這種以數(shù)字制造和智能制造為基石的智慧工廠管理模式，則需要在工業(yè)現(xiàn)場總線布局、MES控制中心及智能制造設(shè)備控制器等硬件設(shè)備就位后，定制相關(guān)穩(wěn)定可靠的通訊協(xié)議來統(tǒng)一MES系統(tǒng)控制中心與多機器設(shè)備終端的通訊方式及通信內(nèi)容。

圖1智慧工廠數(shù)據(jù)傳輸框圖

智慧工廠數(shù)據(jù)通訊傳輸圖如圖1所示，數(shù)據(jù)通信協(xié)議是連接MES系統(tǒng)與智能設(shè)備終端之間通信的紐帶，能夠?qū)崿F(xiàn)MES系統(tǒng)控制中心與智慧工廠內(nèi)智能制造設(shè)備控制器之間數(shù)據(jù)正常通信。一方面，MES系統(tǒng)能夠給智慧工廠內(nèi)智能制造設(shè)備控制器下達任務(wù)書及排產(chǎn)指令并驗證智能制造設(shè)備的響應(yīng)，智能制造設(shè)備控制器接收任務(wù)書及排產(chǎn)指令后及時響應(yīng)，并進行工作；另一方面，智能制造設(shè)備控制器在其工作過程中能夠向MES系統(tǒng)上傳實時數(shù)據(jù)并驗證MES系統(tǒng)的響應(yīng)，如智能制造設(shè)備遇到報警信息或故障信息，控制器都會及時向MES系統(tǒng)發(fā)送報警提醒，MES系統(tǒng)在收到報警信息后，會根據(jù)智能制造設(shè)備上傳的報警編號安排相關(guān)人員進行相關(guān)處理。

2 智慧工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)交互

智慧工廠正常運作需要MES系統(tǒng)與智能制造設(shè)備兩者能有條不紊的工作，通信協(xié)議模塊作為連接MES系統(tǒng)與智能制造設(shè)備數(shù)據(jù)交互的重要組成部分，力求結(jié)構(gòu)分層清晰，各模塊之間也需要交互明確，易擴張，易移植，易維護，使性能穩(wěn)定可靠，同時應(yīng)具有良好的可集成性及應(yīng)用層的魯棒性，具有更強的實時性和智能化。

2.1智慧工廠生產(chǎn)車間管理流程

智慧工廠車間管理是指對車間所從事的各項生產(chǎn)經(jīng)營活動進行統(tǒng)一計劃、組織、指揮、協(xié)調(diào)和控制的一系列管理工作。

圖2智慧工廠車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)流圖

智慧工廠車間的一切作業(yè)都是根據(jù)MES系統(tǒng)發(fā)送的指令來進行的，MES系統(tǒng)根據(jù)訂單需求，結(jié)合智能制造設(shè)備的實時運行狀態(tài)，給智能制造設(shè)備安排作業(yè)。MES控制系統(tǒng)在接收到新的訂單后，會同各個倉庫對訂單所需原材料、包材、耗材等是否充足進行分析匯總，如有短缺則通知采購部在規(guī)定期限內(nèi)采購，而在原材料采購質(zhì)檢期間，通知生產(chǎn)部做好生產(chǎn)前的準(zhǔn)備工作，檢查制造設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)施等的實際情況，并根據(jù)智慧工廠內(nèi)設(shè)備的排產(chǎn)情況及剩余訂單合理的給相應(yīng)設(shè)備安排作業(yè)任務(wù)書。排產(chǎn)作業(yè)下達到智慧工廠后，智能制造設(shè)備在開機生產(chǎn)第一步，需要人為參與根據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書的排產(chǎn)安排導(dǎo)入相應(yīng)的工藝參數(shù)，進行調(diào)試并首件確認(rèn)后，將微調(diào)的工藝參數(shù)上傳入MES控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，才能開始自動作業(yè)[4-5]。

所有的數(shù)據(jù)交互要求數(shù)據(jù)通信層必須穩(wěn)定可靠，確保MES系統(tǒng)與智能制造設(shè)備能穩(wěn)定通信。智慧工廠正常運作所需交互的數(shù)據(jù)部分可以參見圖2，圖2中具體說明了MES系統(tǒng)與智能設(shè)備控制器生產(chǎn)過程中進行數(shù)據(jù)交互的流程，首件確認(rèn)之前仍然需要操作工人參與進行人為確認(rèn)，首件確認(rèn)后參數(shù)固定模式下，能進行自動化作業(yè)。

2.2 數(shù)據(jù)通信模塊劃分

本文設(shè)計的生產(chǎn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議遵循模塊化、層次化的設(shè)計思想，力求高內(nèi)聚低耦合，為后期應(yīng)用于實際生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化推進打下堅實的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用XML格式對數(shù)據(jù)打包進行傳輸，其模塊的交互數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議交互數(shù)據(jù)流

從圖3的交互數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)圖中可見，數(shù)據(jù)通信協(xié)議層為獨立的模塊，即為MES與PLC控制器之間數(shù)據(jù)通信層的內(nèi)容，通信層1所涉及的內(nèi)容需自主開發(fā)，為MES系統(tǒng)與數(shù)據(jù)通信層進行數(shù)據(jù)交互時所定義的應(yīng)用層協(xié)議。通信層2支持目前主流的PLC通信協(xié)議，如PLCHandler、OPC-UA等國際主流通信協(xié)議，針對不同PLC設(shè)備，支持不同的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互[6]。本文提出的生產(chǎn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議即為通信層1與通信層2的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，其數(shù)據(jù)格式都為協(xié)議統(tǒng)一進行標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)容。

3 智能制造設(shè)備狀態(tài)機

本文提出的生產(chǎn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議定義了智能設(shè)備端的狀態(tài)機部分，用來準(zhǔn)確的向MES系統(tǒng)傳輸智能制造設(shè)備的工作狀態(tài)，以利于MES系統(tǒng)精準(zhǔn)的控制智能制造設(shè)備進行工作，同時也利用MES系統(tǒng)對所控制的智能制造設(shè)備狀態(tài)進行掌握，從而真正實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。在智慧工廠的所有車間中，其智能制造設(shè)備的狀態(tài)主要可以分為七種，包括開機態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、掛起態(tài)、報警態(tài)、睡眠態(tài)、停機態(tài)。本文提出的通信協(xié)議對各個設(shè)備狀態(tài)都進行了定義，并詳細(xì)描述智能制造設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件，MES系統(tǒng)只有在對智能制造設(shè)備狀態(tài)機的工作狀態(tài)進行實時讀取后，才能對整個智慧工廠的所有智能設(shè)備狀態(tài)進行詳細(xì)的了解。

4 通信協(xié)議運行流程

本文提出的通信協(xié)議被定義用來實現(xiàn)MES系統(tǒng)與智能制造設(shè)備控制器兩者正常通信上，其數(shù)據(jù)流通與通信協(xié)議應(yīng)該在MES系統(tǒng)與智能制造設(shè)備兩者上同步運行[7]。下面分別闡述通信協(xié)議對MES系統(tǒng)端與智能制造設(shè)備端所運行的流程及數(shù)據(jù)進行協(xié)議規(guī)范，本協(xié)議定于應(yīng)用層上，暫不限定物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的范圍。

4.1 通信協(xié)議與MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互協(xié)議

MES系統(tǒng)跟數(shù)據(jù)通信層進行數(shù)據(jù)交互時，主循環(huán)處理的主要數(shù)據(jù)內(nèi)容如圖4所示，具體交互的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括指令解析、排產(chǎn)信息下達、工藝參數(shù)處理、實時數(shù)據(jù)處理、報警故障處理及排產(chǎn)結(jié)束后處理等6個部分。

圖4 MES系統(tǒng)端數(shù)據(jù)交互協(xié)議主循環(huán)

4.1.1 指令解析

MES系統(tǒng)首先需要對智能制造設(shè)備傳送過來的指令進行命令解析，才能根據(jù)指令需求進行進一步的操作，所接收的指令包括兩種，一種是智能制造設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)指令，一種是智能制造設(shè)備應(yīng)答前期MES系統(tǒng)所發(fā)送的指令。指令具體解析流程見圖5所示。

圖5 MES系統(tǒng)接收指令解析

智能制造設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)指令以及智能制造設(shè)備應(yīng)答的MES系統(tǒng)所發(fā)送的指令都需進行異常指令排除，如發(fā)送指令是異常指令，則回復(fù)指令異常信息給智能制造設(shè)備，并清空所接收的指令相應(yīng)內(nèi)存；如應(yīng)答指令中接收到應(yīng)答指令異常，則找出所發(fā)送的相關(guān)指令，并重新發(fā)送一次。指令解析模塊中會對數(shù)據(jù)連接、通信指令是否異常進行排查，從而保證后續(xù)模塊的正常運行。

4.1.2 排產(chǎn)信息下達

本文擬定的通信協(xié)議層中MES系統(tǒng)對車間內(nèi)智能制造設(shè)備進行排產(chǎn)信息下達時的流程如圖6所示。此處MES系統(tǒng)已經(jīng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中已有數(shù)據(jù)給相應(yīng)智能制造設(shè)備分配好作業(yè)內(nèi)容，行成相應(yīng)的排產(chǎn)安排，按照通信協(xié)議制定的規(guī)范，將所生成的排產(chǎn)安排發(fā)送給特定的智能制造設(shè)備端，設(shè)備只能在就緒態(tài)時才能正確讀取排產(chǎn)信息，進行相應(yīng)生產(chǎn)。

圖6 MES系統(tǒng)端排產(chǎn)信息下達

4.1.3 工藝參數(shù)處理

MES系統(tǒng)接收到智能制造設(shè)備請求工藝參數(shù)表的指令后，先判斷智能制造設(shè)備是否處于運行態(tài)，只有在運行態(tài)下才會根據(jù)指令內(nèi)容從數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)的工藝參數(shù)表，下達到相應(yīng)請求的智能制造設(shè)備中，如智能制造設(shè)備不在運行態(tài)，則MES會提示相應(yīng)的報警信息到生產(chǎn)車間進行排查核實。

4.1.4 實時數(shù)據(jù)處理

智能制造設(shè)備在生產(chǎn)過程中，需要實時將部分重要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳到MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)MES系統(tǒng)對智能制造設(shè)備的監(jiān)控，也利于后期數(shù)據(jù)查詢，從而更完善智慧工廠的智能化管理。智能制造設(shè)備處于運行態(tài)時，請求數(shù)據(jù)實時更新，MES系統(tǒng)在對設(shè)備狀態(tài)及所傳數(shù)據(jù)內(nèi)容判斷無誤后，連接數(shù)據(jù)庫新建信息列表，根據(jù)時間順序依次存入所接收的數(shù)據(jù)，如所接收數(shù)據(jù)有誤或設(shè)備狀態(tài)異常，則會將相應(yīng)的報警信息提交到生產(chǎn)車間進行排查。

4.1.5報警故障處理

智能制造設(shè)備在生產(chǎn)過程中，報警處理和故障處理是兩種不同的處理方式。由于智能制造設(shè)備的報警處理很多都能現(xiàn)場報警，車間現(xiàn)場處理就能現(xiàn)場清除，不用向MES系統(tǒng)申請維修，故MES系統(tǒng)針對報警處理只采用存儲記錄而不報警的方式。如報警發(fā)生后車間現(xiàn)場無法處理清除，需申請維修進行處理時，操作人員需按下申請維修鍵進行故障申請，通知MES系統(tǒng)安排維修人員進行維修處理，智能制造設(shè)備此時進入報警態(tài)。

4.1.6 排產(chǎn)結(jié)束后處理

智能制造設(shè)備在完成排產(chǎn)任務(wù)后，需要通知MES系統(tǒng)進行下一步安排，此時，工作人員可以按下申請加入排產(chǎn)鍵，通知MES系統(tǒng)進行新一輪排產(chǎn)安排，如此時設(shè)備有新的排產(chǎn)安排，則進入排產(chǎn)信息下達模塊，如此時設(shè)備無新的排產(chǎn)安排，則根據(jù)MES系統(tǒng)安排，人工操作使設(shè)備進入停機態(tài)、睡眠態(tài)或者保持就緒態(tài)。

4.2 通信協(xié)議與智能制造設(shè)備數(shù)據(jù)交互協(xié)議

一般情況下，有新的訂單任務(wù)分給空閑的智能制造設(shè)備時，MES系統(tǒng)先通過車間看板通知工作人員將設(shè)備從停機態(tài)或睡眠態(tài)開機，智能制造設(shè)備先進入開機態(tài)，待工作人員確認(rèn)設(shè)備狀態(tài)正常后，按下申請加入排產(chǎn)鍵，收到指令的MES系統(tǒng)則開始向智能制造設(shè)備發(fā)送排產(chǎn)任務(wù)。智能制造設(shè)備跟數(shù)據(jù)通信層進行數(shù)據(jù)交互時，主循環(huán)處理的數(shù)據(jù)內(nèi)容如圖7所示，具體交互的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括指令解析、排產(chǎn)任務(wù)處理、工藝參數(shù)處理、實時數(shù)據(jù)上傳、報警故障處理及排產(chǎn)結(jié)束后處理等6個部分。

圖7 設(shè)備端通信交互主循環(huán)

4.2.1 指令解析

智能制造設(shè)備端與數(shù)據(jù)通信層進行數(shù)據(jù)交互時，同樣也需要對接收的MES系統(tǒng)指令進行指令解析，才能根據(jù)指令需求進行相關(guān)操作。設(shè)備端所接收的指令也包括兩種，一種是MES系統(tǒng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)指令，一種是MES系統(tǒng)應(yīng)答的前期智能制造設(shè)備所發(fā)送的指令。

如同MES控制系統(tǒng)所發(fā)送的指令一樣，智能制造設(shè)備端所發(fā)送的數(shù)據(jù)也需要經(jīng)過異常指令排查和應(yīng)答校驗后，才能正常使用。

智能制造設(shè)備端指令解析具體流程見圖8所示。

圖8 智能制造設(shè)備接收指令解析

4.2.2 排產(chǎn)信息下達

MES系統(tǒng)在安排智能制造設(shè)備進行排產(chǎn)任務(wù)前，需先了解設(shè)備狀態(tài)，通過設(shè)備狀態(tài)位來判斷是否能進行排產(chǎn)，設(shè)備只有在就緒態(tài)時才能進行排產(chǎn)，其他狀態(tài)時MES控制系統(tǒng)會提示相應(yīng)處理。MES系統(tǒng)將排產(chǎn)信息下達到智能制造設(shè)備端后，經(jīng)校驗指令有效后，即可人為將排產(chǎn)信息導(dǎo)入設(shè)備控制器PLC中。

4.2.3 工藝參數(shù)請求

智能制造設(shè)備在導(dǎo)入排產(chǎn)數(shù)據(jù)到PLC中后，需要繼續(xù)導(dǎo)入生產(chǎn)相關(guān)工藝參數(shù)到PLC中，才能正常工作，此時，設(shè)備向MES系統(tǒng)發(fā)送工藝參數(shù)請求指令，MES系統(tǒng)在接收到請求指令并校驗后，從數(shù)據(jù)庫中提取所請求的工藝參數(shù)發(fā)送給智能制造設(shè)備。

4.2.4 實時數(shù)據(jù)上傳

智能制造設(shè)備在正常生產(chǎn)過程中，每打一次產(chǎn)品，需要按數(shù)據(jù)格式將相關(guān)工藝參數(shù)進行打包上傳，以便MES控制系統(tǒng)實時掌握設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對智能制造設(shè)備的監(jiān)控。4.2.4報警故障處理

智能制造設(shè)備在生產(chǎn)過程中，如遇到報警信號，設(shè)備自身會發(fā)生報警，設(shè)備轉(zhuǎn)入報警態(tài)，并實時將報警序號傳給MES控制中心進行存儲。車間工作人員會根據(jù)現(xiàn)場報警提示對設(shè)備進行處理，如發(fā)現(xiàn)設(shè)備發(fā)生故障需要進行維修，手動按下設(shè)備面板端的申請維修鍵，通知MES系統(tǒng)安排維修人員進行維修處理。

4.2.5排產(chǎn)結(jié)束后處理

智能制造設(shè)備按照排產(chǎn)任務(wù)進行完所有生產(chǎn)后，自身發(fā)生報警提示工作人員生產(chǎn)結(jié)束，此時排產(chǎn)結(jié)束信號也會同步發(fā)給MES系統(tǒng)。此時工作人員需先核實排產(chǎn)是否結(jié)束，如排產(chǎn)的確結(jié)束，則判斷機器此時狀態(tài)是否正常，如若正常，則可以手動按下申請排產(chǎn)鍵，向MES系統(tǒng)確定排產(chǎn)的確結(jié)束，可以給設(shè)備安排下次排產(chǎn)，MES系統(tǒng)也會根據(jù)訂單要求安排設(shè)備狀態(tài)，如無訂單要求，會下達指令給設(shè)備通知工作人員將設(shè)備電氣部分?jǐn)嚯娺M入睡眠態(tài)或整體設(shè)備斷電進入停機態(tài)。

5 通信指令

由于所命名的通信指令是基于應(yīng)用層協(xié)議的，此處不給出指令的物理層運行環(huán)境。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收樣式為：

#Data0，Data1:Data2:…Datan#

Data0為頭指令，用于定義Data1:Data2:…Datan數(shù)據(jù)包的具體內(nèi)容。

本文以MES系統(tǒng)端發(fā)送指令及接收指令為例，簡述頭指令Data0的內(nèi)容，如表1和表2所示。

表1 MES系統(tǒng)端發(fā)送指令

表2 MES系統(tǒng)端接收指令

6 結(jié)語

本文所擬定的適用于智慧工廠生產(chǎn)車間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，是將MES系統(tǒng)與智能設(shè)備進行連接通信的中間層數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其實現(xiàn)過程主要在MES系統(tǒng)及智能設(shè)備控制器的應(yīng)用層，具有良好的擴展性及移植性，能實現(xiàn)與倍福PLC、西門子注塑機控制器PLC進行通信，目前也將此種通信協(xié)議成功應(yīng)用于瓦楞紙車間改造工程中，實操數(shù)據(jù)交互應(yīng)用性較好。