MES对现场控制系统的功能要求
日期：2009-5-19 23:11:43 来源：中国工控网
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MES正在引领汽车制造业的新潮流。由于MES是以现场设备控制系统为基础而建立，因此其强大功能内涵必然拉动现场设备控制系统功能水平的提升。本文旨在从网络通信、检测以及智能逻辑等角度探讨如何在常规现场控制模式的基础上补充和完善功能以适应MES的需要。
MES（制造执行系统）技术正以其全新的理念、完善的系统构架以及强大的功能模块而风靡全球，在国内引进的高水平汽车生产线上也有所应用。与此同时，MES也以其在可靠性、监控以及数字化管理等方面的卓越表现吸引着国内的汽车制造商。目前，无论是新建还是升级改造项目，其控制系统的规划或功能拓展目标都在围绕着MES进行。由于现场级控制系统是MES的基础和支撑，其功能是否完善直接影响MES作用的发挥，因此，探讨如何根据MES的理念和功能要求来规划或扩展现场控制系统的功能显得十分必要和迫切。那么，在众所周知的常规控制模式下的功能基础上，还要如何拓展才能让MES充分发挥作用？笔者通过下文简要阐述一下自己在学习和实践中的体会。
功能拓展
1．通信
MES中各系统间以及各控制层之间的信息必须要可以自由流动，为此需要在它们之间构建通信网络。目前常规的做法是在管理层（监控层）与控制层之间通过工业以太网交换信息，控制层与现场设备层之间通过现场总线交换信息，网络拓扑简图见图1。为了避免不必要的通信转换，控制系统的PLC最好具有进行以太网和现场总线（Profibus、DeviceNet等）通信的功能。变频器最好具备对应现场总线的通信接口。智能仪表等装置最好具有现场总线或以太网通信接口，如属于某系统或与某系统关系紧密，也可在系统内进行局域模拟量传输。如车间应用了ProfiNet技术，通信将变得更简洁，但目前汽车行业几乎没有应用。
2．设备运行状态检测
为了让MES中的监控计算机或人机界面能更形象准确地显示工艺设备整体及其各装置的运行状态，现场控制系统必须对电机、水泵和传感器等的运行或通断状态进行检测和判断。这就需要增设相应的检测元件，如编码器，可直接检测电机是否运行；光电开关，可检测工件是否通过或占位；测距开关，可以检测移动设备行进距离；压力开关，可以检测是否过载；风速仪，可以间接检测风机运行与否；接近开关，可间接反映设备间同步状态；电流表，可间接反映电机运行状态等。当采用间接方式时，需配合软件来实现其功能，例如，通过检测电机运行电流（不包括起动过程）可以间接判断其是否处于运行状态。图2所示的坐标反映电机的运行电流。上下限值根据电机实际工作中负载的变化范围而确定，当电机运行电流在上下限之间时，可认为电机处于运行状态，电流为零则处于停止状态，其他区间为故障状态。
图2 电机运行状态与电流的关系
3．参数检测与控制
MES检测与调整现场参数的功能主要靠以太网和控制系统实现。为此，建议在现场PLC与现场设备之间建立数字量或模拟量的参数传递通道，尽量不采用现场设备与上位机直接通信的方式。以温度测控为例，有很多种方案，目前比较流行的方案是直接通过PLC的本地或远程模拟量I/O直接检测和控制。图3以远程模拟量I/O测控为例，上位机和现场人机界面可实现参数调整和动态显示，上位机还可以记录和绘制参数变化曲线等。模拟量I/O根据变送器信号控制电动调节阀的开度以实现温度调控。
图3 远程模拟量I/O测控温度原理
4．工件或移动设备位置检测
如上位系统要精确显示工件或移动设备的行进位置，控制系统应根据显示对象的不同配置激光测距传感器、编码器或条码开关等。激光测距传感器可直接检测设备的移动距离；编码器方案是通过检测输出轴转角的变化后再换算成位移的方法；条码开关则是通过检测条码带上条码的变化来确定设备位置，条码带须沿设备移动路径布置安装。条码带的大致形状见图4。另外，当精度要求不高时，为节省成本，也可根据公式s=vt计算移动距离。其中，s为移动距离，v为检测或换算的设备实际运行（旋转）速度，t为运行时间。
图4 条码带外形
5．融入识别系统
车体识别是MES的重要组成部分。目前的常用作法是采用RFID技术将识别系统融入到控制系统中。RFID的典型网络构架见图5。数据载体在车间的入口处被写入加工安装信息并随工件行进，各工位根据从数据载体中读到的信息完成工艺作业，然后再将必要的过程信息写入数据载体。一般情况下，在重要工艺段前后及分类道岔前必须设置读写站。
图5 RFID的典型网络构架
6．传感器的冗余设置
在构建了MES的生产车间里，传感器的冗余设置是十分必要的。冗余不仅可以提高设备运行的可靠性和效率，还能为故障判断创造便利条件。一般情况下，在升降机、移行机和翻转机等关键部位都要对位置检测传感器进行冗余设置以降低撞车、掉车等的概率，减少因传感器故障造成的停产，此外，还可以相互成为故障诊断的参照物。以升降机为例，图6中，A与B为冗余设置的检测上升到位的传感器，正常情况下，A与B同时动作，工件被水平输送，如A与B不同时动作，可诊断为A或B处于故障状态，应暂停输送。
图6 升降机上下运送工件
7．信息提示
MES注重提升每道工序的质量和效率，为此而在工位和生产线上设置的信息提示板可以显示来自于生产管理系统的加工（安装）信息及来自于生产线各工位的求援信息等。图7为简易的工位安装提示板，提示当前车和后续车需安装的配件型号。图8为简易工位状态提示板，显示各生产工位的故障（红色）或求援（蓝色）信息。
图7 简易安装提示板
8．现场信息的人工读写
由于工件的制造信息须伴随工件始终，为了避免因数据丢失而长时间影响后续作业，需在现场适当设置人工读写站，如工控机、HMI等。该读写站应能通过通信网络读取上位系统和控制系统的相关信息并能将信息写入数据载体或上位系统。一般情况下，应至少在车间的入口、出口以及工件转挂处设置这样的读写站。另外，对读写站进行权限管理也是非常必要的。
图8 简易工位状态提示板
9．故障诊断
故障诊断也是MES的重要功能。现场PLC将完成很多故障诊断的逻辑并将结果传送至上位系统，上位系统再根据可能性大小按顺序进行提示。PLC进行软件诊断的方法很多，如趋势分析法、直接参照法和标准延时法等。以标准延时法为例，图9所示为机械化输送设备，工件由传感器A运行至B的时间间隔为T，允许变化范围是T1≤T≤T2，当T超过T2时B传感器还无信号变化，输送设备应停止运行，同时应诊断为传感器B可能故障。当然，故障的原因还需根据更详细的其他信息进行综合分析。
图9 输送机水平运送工件
10．防错
不同的车间或不同的工段所采用的防错方法是有区别的。以总装车间的部分内饰件装配工段为例，为了保证装配工件的准确性，首先须将配件按型号类别分区放置，再在取配件的通道上安装光幕或光电开关等进行动作检测。如图10所示，在人与配件中间设置了光幕，当穿过光幕取配件时，光幕将输出信号至PLC，PLC再通过软件确认取出的配件型号与当前车型是否匹配，如不匹配，将出现停止装配的声光提示。
结语
如上所述，MES能否充分展示其强大的优越性，很大程度上依赖现场控制系统的有效支撑。从另一角度考虑，MES对现场控制系统的新要求将极大地推动现场控制系统的改进和完善。上述拓展功能就是在MES的启发下构想和体会出来的，但也并非完全局限于MES框架内。另外，因笔者见识所限，上文所述未能涵盖支撑MES的全部功能。
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1．通信
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MES中各系统间以及各控制层之间的信息必须要可以自由流动，为此需要在它们之间构建通信网络。目前常规的做法是在管理层（监控层）与控制层之间通过工业以太网交换信息，控制层与现场设备层之间通过现场总线交换信息，网络拓扑简图见图1。为了避免不必要的通信转换，控制系统的PLC最好具有进行以太网和现场总线（Profibus、DeviceNet等）通信的功能。变频器最好具备对应现场总线的通信接口。智能仪表等装置最好具有现场总线或以太网通信接口，如属于某系统或与某系统关系紧密，也可在系统内进行局域模拟量传输。如车间应用了ProfiNet技术，通信将变得更简洁，但目前汽车行业几乎没有应用。
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2．设备运行状态检测
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为了让MES中的监控计算机或人机界面能更形象准确地显示工艺设备整体及其各装置的运行状态，现场控制系统必须对电机、水泵和传感器等的运行或通断状态进行检测和判断。这就需要增设相应的检测元件，如编码器，可直接检测电机是否运行；光电开关，可检测工件是否通过或占位；测距开关，可以检测移动设备行进距离；压力开关，可以检测是否过载；风速仪，可以间接检测风机运行与否；接近开关，可间接反映设备间同步状态；电流表，可间接反映电机运行状态等。当采用间接方式时，需配合软件来实现其功能，例如，通过检测电机运行电流（不包括起动过程）可以间接判断其是否处于运行状态。图2所示的坐标反映电机的运行电流。上下限值根据电机实际工作中负载的变化范围而确定，当电机运行电流在上下限之间时，可认为电机处于运行状态，电流为零则处于停止状态，其他区间为故障状态。
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图2 电机运行状态与电流的关系
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3．参数检测与控制
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MES检测与调整现场参数的功能主要靠以太网和控制系统实现。为此，建议在现场PLC与现场设备之间建立数字量或模拟量的参数传递通道，尽量不采用现场设备与上位机直接通信的方式。以温度测控为例，有很多种方案，目前比较流行的方案是直接通过PLC的本地或远程模拟量I/O直接检测和控制。图3以远程模拟量I/O测控为例，上位机和现场人机界面可实现参数调整和动态显示，上位机还可以记录和绘制参数变化曲线等。模拟量I/O根据变送器信号控制电动调节阀的开度以实现温度调控。
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图3 远程模拟量I/O测控温度原理
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4．工件或移动设备位置检测
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如上位系统要精确显示工件或移动设备的行进位置，控制系统应根据显示对象的不同配置激光测距传感器、编码器或条码开关等。激光测距传感器可直接检测设备的移动距离；编码器方案是通过检测输出轴转角的变化后再换算成位移的方法；条码开关则是通过检测条码带上条码的变化来确定设备位置，条码带须沿设备移动路径布置安装。条码带的大致形状见图4。另外，当精度要求不高时，为节省成本，也可根据公式s=vt计算移动距离。其中，s为移动距离，v为检测或换算的设备实际运行（旋转）速度，t为运行时间。
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图4 条码带外形
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5．融入识别系统
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图5 RFID的典型网络构架
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6．传感器的冗余设置
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图6 升降机上下运送工件
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7．信息提示
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图7 简易安装提示板
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8．现场信息的人工读写
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图8 简易工位状态提示板
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9．故障诊断
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故障诊断也是MES的重要功能。现场PLC将完成很多故障诊断的逻辑并将结果传送至上位系统，上位系统再根据可能性大小按顺序进行提示。PLC进行软件诊断的方法很多，如趋势分析法、直接参照法和标准延时法等。以标准延时法为例，图9所示为机械化输送设备，工件由传感器A运行至B的时间间隔为T，允许变化范围是T1≤T≤T2，当T超过T2时B传感器还无信号变化，输送设备应停止运行，同时应诊断为传感器B可能故障。当然，故障的原因还需根据更详细的其他信息进行综合分析。
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图9 输送机水平运送工件
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10．防错
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不同的车间或不同的工段所采用的防错方法是有区别的。以总装车间的部分内饰件装配工段为例，为了保证装配工件的准确性，首先须将配件按型号类别分区放置，再在取配件的通道上安装光幕或光电开关等进行动作检测。如图10所示，在人与配件中间设置了光幕，当穿过光幕取配件时，光幕将输出信号至PLC，PLC再通过软件确认取出的配件型号与当前车型是否匹配，如不匹配，将出现停止装配的声光提示。
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结语
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如上所述，MES能否充分展示其强大的优越性，很大程度上依赖现场控制系统的有效支撑。从另一角度考虑，MES对现场控制系统的新要求将极大地推动现场控制系统的改进和完善。上述拓展功能就是在MES的启发下构想和体会出来的，但也并非完全局限于MES框架内。另外，因笔者见识所限，上文所述未能涵盖支撑MES的全部功能。
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