1 背景与现状
在MES中，数据采集和过程控制贯彻始终。数据是所有过程的根本，采集生产运行数据、集成原料和产品的存储数据、集成设备状态信息，并将这些信息进行合并、汇总、规范、比较、分析等综合处理。一方面为生产计划与排产提供依据；另一方面也为企业资源计划(ERP)提供及时、可靠、准确的生产经营决策参考信息。控制是所有管理的关键，控制的自动化、主动性、可调控和敏捷度是制造执行管理对控制的要求，也是MES中控制模块面临的挑战。
本文以上汽集团采埃孚转向系统有限公司的E2管柱生产线(下称目标生产线)为例，详细介绍现场网络、上位网络的软硬件设计与部署。目标生产线是一条汽车零部件加工装配线，其设计难点如下。
a．物料繁多。物料的信息管理和跟踪存在统计盲区，部分物料的浪费或报废时有发生。
b．产品类型多样。部分生产线产品没有条码跟踪，导致不能获取产品数据。
c．产量高且流程复杂。生产线有包括测试工位在内20余道工序，现场流程控制的不完善，增加不合格产品的产生几率和流入下道工序的可能。
设计引入了生产线服务器，应用了MES集成化实时数据采集方案和智能化主动控制方案，整体方案在离散制造生产线的MES中具有典型性和参考价值。
2 基于Line Server的整体设计方案
(1)Line Server及其应用
对于多工位生产线数据通讯和处理要求及多工位控制信号管理等复杂问题，传统的方法依赖于工业控制计算机(IPC)，即在每个工位部署1台IPC以供数据采集处理和控制信号交互。随着产品复杂度增加、生产线设备数量增加、控制工艺复杂，为了提高效率，考虑多工位生产线的条件限制及控制要求，引入Line Server。不仅取代了工位庞大的IPC现场部署，而且能够有比IPC更出色的性能，能够高速执行多线程的计算处理，适合复杂工位的现场MES实施。
Line Server具有强大的数据存储空间。足够强大的运行容量，同时处理数十个工位的数据与信号，可以完成或协助完成所有MES中涉及的处理管理功能。灵活性强，便于生产的维护与功能升级。相对独立与稳定的网络终端，物理上连接执行层和管理层，功能上是网络协同制造的助推器。部署Line Server，一方面减轻了企业服务器数据库的通讯压力：另一方面有利于现场控制包括数据采集处理的效率，同时保证在车间和企业网络发生故障时能够进行受控有序的生产活动。相比传统的IPC控制系统，在满足生产执行、管理要求的基础上提高控制效率，简化软/硬件的部署与维护。
(2)整体设计方案
系统从部署角度分为现场网络子系统、上位网络子系统。现场网络子系统包含产品制造数据采集模块、产品条码信息采集模块、PLC控制模块、触摸屏控制显示模块、本地网络模块等：上位网络子系统包含数据库模块、本地一远程网络信号交互模块、管理查询B/S模块等。见表1。
表1 目标生产线MES设计模块与功能
目标生产线软、硬件清单见表2。图1为目标生产线MES现场示意图。通过这些部件的协同作用，从系统上达到目标功能，并保持一定的灵活性。
表2 目标生产线软件、硬件清单
图1 目标生产线MES现场示意图
3 数据采集功能模块设计
(1)PLC数据采集实现
机床上带有多个位置传感器以感知工件的安置情况和电机的走位进程。其状态值由PLC读取，并据此完成基本电机的停行速率。通过PLC进行获取或赋予生产数据和流程控制信号。目标生产线使用的机床数控PLC是西门子公司生产的SIMATIC S7系列。SIMATIC S7-300自带的网络通讯接口方便了PLC的数据读取；SIMATIC S7-200其PLC的CPU模块没有网络接口，因此需要外接网络模块CP 243-1进行通讯。
以西门子SIMATIC S7-200为控制器的控制系统，硬件上完成CP 243-1网络模块安装，见图2。用西门子编程专用PC/PPI电缆将S7-200与电脑连接起来，通过STEP 7 Micro/Win32进行网络模块的配置与编程。打开PLC程序后使用以太网模块组态向导添加以太网模块步骤如下。
图2 西门子CP 243-1以太网模块硬件接线
a．设置模块的位置，一般以S7-200为第0号模块，向右侧依次排序即可得到以太网模块的位骶置，也能通过自动读取模块的功能来确定模块豁位置。
b．设置模块IP地址(IP Address)，子网掩黔码(Subnet Mark)默认为255.255.255.0。
C．将PLC联网模式选择为服务器连接(Server Connection)，并在客户端地址中填入Line Server的IP地址，本地传输服务访问点(TSAP)由硬件结构决定，远程TSAP使用默认设置10.11。在完成以太网模块设置后，需要在程序中添加针对以太网模块的OPC执行模块，并在主程序中调用该模块，见图3。完成配置后编译程序并通过数据线更新PLC中的程序。
图3 以太网模块初始化语句
在Line Server端，通过网线与CP 243-1连接或直接通过网线与Line Server连接，进而与S7-300通讯。SIMATIC NET通讯组态软件是用来建立OPC服务器的连接。使用OPC Scout软件可以测试数据通讯，将各工位的控制位和数据位添加入Scout的Project中，即可查看各工位的PLC数据。
(2)条码信息采集实现
装配线上的产品经过每一道工序，因此该产品的主要部件或者第一道流程的部件将被赋予产品ID，本线使用一维条码进行产品编码。每次加工前必须对产品的条码进行采集。考虑物料条码信息与工件产品条码信息采集的速度和频率，使用手持与固定两款扫描枪。物料条码的采集通过手持式扫描枪采集，产品/工件的条码通过固定条码读取器采集。物料(箱)放在机床边的物架上，且一般仅在更换新的物料时才需要进行整箱扫描，故使用手持式条码枪采集操作。工件的条码贴在工件指定位置，优化设计后，将小型固定条码读取器安装在机床特定位置，工件就位即可扫描条码，实现放置→扫描→采集→加工自动完成，大大提高了工件条码的数据采集效率。
鉴于串口在工业数据传输中的兼容性与稳定性，使用条码读取器的串口作为传输接口。虽然条码读取器需要外接电源，但考虑到用于工业现场，机床电源冗余或可拓展使供电不构成问题。此后，通过串口服务器进行串口-网络信号转换。
4 主动控制功能模块设计
PLC的主动控制是基于MES的控制系统中的核心之一。PLC是制造执行系统中与设备机床联系最紧密的部件。通过PLC程序设计与网络部署，在Line Server数据库管理与监控程序的协同下，实现制造加工质量及操作流程的自动化控制，支持完善MES的整体功能。
以PLC为主的MES主动控制模块充分利用控制器PLC与机床设备之间实时的传输能力和PLC较强的控制处理功能，在信号传输、数据采集、控制处理等环节，PLC都能够表现出较上位系统(如IPC)更能满足MES对控制功能模块的要求。在可靠性与适应性方面，PLC作为机床的控制器，机床直接受控于，植入PLC程序中的控制模块不受外界的干扰与限制，控制模块的可靠性取决于机床整体系统设计的可靠程度，因此对于符合要求的机床系统，其控制模块也满足工业要求。从开发设计角度分析，依靠PLC实现主动控制是通过直接给PLC定义控制位和添加程序控制语句，可掌控机床的行止和机床状态的信息，兼容性强、灵活性高且开发周期短。PLC与机床之间传输距离和时间是最短的，因此PLC实现的主动控制功能的实时性是最优的。除此之外，随着工业用触摸屏技术及产品的开发，工业用触摸屏能读取并显示控制位状态，更好完善了现场主动控制的功能。
(1)权限控制
杈限控制涉及人员、条码、物料等权限和规范的监控，是机床加工循环前的控制。利用PLC控制位的合理设定及程序中对其的读写、判断来完成整套流程的控制。在PLC程序中，定义一个int类型的通用控制位和2个bool类型的标记控制位，通用控制位以不同的数值代表不同的判断结果，标记控制位则标记通用控制位的变化《约定有变化置位1》。在PLC控制机床的过程中，遇到有流程规范的环节读取标记控制位，读到置位信号后，读取通用控制位的值，根据约定执行机床或禁止机床。类似地，PLC控制信号读取位，并通过标记控制位通知Line server程序。此方案优点是方便控制内容的扩展。
(2)质量控制
质量控制是MES控制功能的重点。质量控制包括本道质量控制和上道质量控制。质量控制通过对产品加工的实际工艺参数与动态工艺参数阈值比较来控制机床的行止。工艺参数即加工参数，可以通过PLC与机床的交互直接获取，因此在PLC端做工艺参数的控制是最高效的方案。实现本道质量控制首先需要下载动态工艺参数阈值表，在PLC中设定一定的存储空间，在PLC的初始化程序中通过下载Line Server数据库中的动态工艺参数阈值表完成更新。在机床加工完毕后PLC会获得一系列实际工艺参数，通过与动态工艺参数阈值的比较，判断产品的质量情况，对于不合格的产品，根据工艺设计来控制机床进行即时的返工或作报废处理。在加工前进行上道质量验证控制是为了避免上道的不合格品继续加工，造成废品和物料的浪费。在执行上道质量控制时，根据产品条码向Line Server查询上道的加工结果，如遇不合格产品将禁止机床动作。通过本道质量控制和上道质量控制双管齐下，能及时发现产品质量问题，并控制机床作进一步处理。相比传统的末道或装箱时的产品抽查或普查，实时的主动控制方案避免了不必要的物料消耗、加工时间：相比较人工的检验方法，基于PLC的主动控制方案提高了质量控制的效率和可靠性。
5 结束语
在上汽集团采埃孚转向系统有限公司的管柱E2生产线上设计实施了实时数据采集和主动控制系统。利用PLC网络模块和OPC接口技术，实现PLC与服务器的实时通讯：将控制逻辑植入PLC控制程序内，以实现设备层的主动控制，简化了管理层的工作；部署生产线服务器，实现数据中心与现场PLC控制器的数据传输和信号通讯，完成网络化协同控制。
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