MES在汽车制造中的应用之架构篇(三)
MES作为车间现场的执行系统，对稳定性、可靠性提出了很高的要求。这部分将介绍汽车制造MES的典型架构，并通过康明斯、福特、沃尔沃的案例予以分析说明。此外，还介绍了业内广泛使用的Kepware OPC系列产品。另外，还基于作者实践，介绍了IT PLC的应用及松耦合的设计。
1. 什么是OPC
OPC即OLE for Process Control，用于过程控制的OLE。
而OLE即Object Linking and Embedding，对象链接与嵌入。
比如WORD中插入一个EXCEL表格，就利用了OLE技术。
图3.5-1 OPC的作用
如图3.5-1所示，OPC的作用是将PLC数据块(Data Block)转换成MES(通过OPC客户端)能够直接读写的内存变量(Tag)。
一般来说，如果PLC要和上位系统通信，通常会把数据存储在专用的接口数据块中，并且为每个数据块规划好专有结构，如：
但是这些数据块的地址是无法被MES直接访问的。
而经过OPC映射后，这些PLC变量和一般的IT服务器内存变量在形式上已经没有了区别，OPC服务器能够直接对这些PLC变量进行读写操作。
而我们可以在MES上部署OPC客户端，对这些变量进行访问和读写。
目前OPC协议主要有两种：OPC DA和OPC UA。
OPC DA即OPC Data Access，这个协议基于微软的DCOM技术实现，已经用了很多年，非常成熟，但是只能部署在WINDOWS平台。由于DCOM的限制，OPC DA的安全性不高，配置也较繁琐。
OPC UA即OPC Unified Architecture，是跨平台的，可以部署在LINUX+JAVA环境下，但是目前应用还不是很广泛。
2. DataLogger
DataLogger是Kepware的一个插件，能够将OPC变量的值自动记录到数据库中。
对于一般的PLC数据采集需求来说，这个插件已经足以满足了，它只需要一些简单的配置，不需要任何的代码开发。
数据存到数据库里以后，可以通过编写数据库存储过程或者应用层逻辑，来对数据进行业务处理。
比如我们要对一个旧工厂的冲压车间实施PMC，采集设备状态信息，那么我们可以利用OPC DA + DataLogger来采集数据，然后在数据库里编写触发器和存储过程来对数据进一步处理。
3. ODBC Driver
DataLogger只能对数据库进行写操作，不能进行读操作，因此数据只能从PLC向MES上行传输。
但某些时候，我们需要读数据库。
比如我们要对焊装车间增加订单下发和时间同步功能，那么我们可以利用ODBC Driver插件来实现。
ODBC Driver把数据库作为一个设备进行管理，调用ODBC引擎实现数据库连接和读写操作。
我们可以建立两个接口表，一个用于存储当天工单，一个用于存储时间同步信号。
OPC服务器通过这两个表来读取信息，然后将数据通过OPC DA写到PLC中。
4. Advanced Tags
Advanced Tags是一组插件，这里介绍应用较多的Link Tag。
Link Tag能够将一个变量的值自动写入另一个Tag。
这里介绍两个应用案例。
案例1：PLC通信。如区域A进行装配，区域B执行检查。当区域B检查出现问题时，通过ANDON系统通知到区域A PLC。由于区域A和区域B之间距离较远，且工艺上没有数据交互。因此，我们可以在不增加硬件设备(如耦合器)的情况下，通过OPC DA + LINK TAG来实现2个区域PLC之间的通信。
案例2：PLC数据上传到MES。DataLogger尽管能够写数据库，但是它有一个很大的限制：只能增加行记录(INSERT)。而ODBC DRIVER能够更新接口表(UPDATE)。因此我们可以通过OPC DA来监控PLC变量，再通过LINK TAG将PLC TAG映射到ODBC DRIVER对应的接口表。详细实现，可参考我的文章《通过KEPWARE ODBC DRIVER和ADVANCED TAG 实现数据库和PLC的双向通信》。
5. IoT Gateway
IoT Gateway即Internet of Things Gateway物联网网关。
Kepware以插件的形式提供了4种网关：
- MQTT客户端
- REST客户端
- REST服务器
- ThingWorx网关
前3种都可以很方便地配置使用。
MQTT即Message Queuing Telemetry Transport，是一种专门用于远程窄带网络的消息队列服务协议。比如在一些机加车间，网络信号不稳定，那么我们可以在不改造网络的情况下，利用此客户端来采集PLC数据。
REST即Representational State Transfer可重新表达的状态迁移，是一种应用较广泛的实时可靠的IT信息传递方式，目前在很多场合取代了Web Service进行部署。
REST客户端能够侦测PLC变量，一旦发生变化，则自动调用MES REST服务器，将数据上传给MES。比如AVI系统的车辆过站记录，能够通过REST客户端实时上传。
REST服务器提供了一个监听器，将PLC变量暴露出来，MES可通过REST客户端来执行特定的指令。如MES要冻结某个工单，则可通过REST调用将信息实时写入PLC。
IT PLC的应用
前面在介绍福特NGAVS系统和沃尔沃ANDON系统的时候，都提到了IT PLC的架设。此外，象捷豹路虎中国工厂MES在总装车间也搭建了IT PLC，作为AVI和防错的主控PLC。
本章主要介绍IT PLC的作用和架构优点。
ANDON系统搭建专用PLC非常容易理解：方便硬件连接。
以涂装车间为例，拉绳、喇叭、大屏的分布非常分散，要接入线体PLC的话，涉及的PLC非常多。
而有了ANDON PLC，再配合远程I/O和光纤环网，我们就可以把所有的外设接入同一网络，不管是安装还是调试都较为独立，实施风险小。
下面我们以福特NGAVS为例，来看看IT PLC在软件实施方面起的作用。
图3.6-1显示了没有IT PLC的架构关系：
图3.6-1 无IT PLC
图3.6-2显示了有IT PLC的架构关系：
图3.6-2 有IT PLC
经过对比，我们可以看到IT PLC(NGAVS PLC)起到的作用：
首先，从线体实施商的角度来看，由于剥离了NGAVS DB/FC，线体PLC的业务逻辑更加单纯。PN/PN Coupler将NGAVS交换数据映射成I/Q数据，在形式上和一般的外设没有区别，集成非常容易，风险小。项目工程文件中只有业务DB/FC，更加稳定安全，调试时耦合度低。
其次，从NGAVS实施商的角度来看，由于NGAVS DB/FC部署在NGAVS PLC上，不需要考虑OEM PLC的CPU差异，所有工位可以应用同一个版本的软件，也不必考虑DB/FC/计时器/计数器的冲突，开发和调试都非常方便。
此外，IT PLC可以提供一些额外的功能，如数据缓存。考虑到现场控制网络比IT网络更加稳定，我们可以在订单下载后将订单缓存在IT PLC上，也可以将现场的过站记录缓存在IT PLC上，这样现场控制系统和上层执行系统形成松耦合的关系，对生产的影响小。
松耦合与紧耦合
MES作为一个执行系统，和车间现场的设备、控制系统有密切的集成关系，这是和一般的IT系统有较大区别的地方。
比如ERP下工单是以天为单位的，库存也以天为单位进行结算。
但是MES在需要和PLC等现场设备集成的地方，通常要求系统以秒级单位进行响应。
因此，车间对MES的可用性就提出了很高的要求。
但是另一方面，与PLC相比，MES系统的设备在成本、稳定性、防护等级等方面又有较大差距，因此，业务方对MES的可用性往往抱着怀疑的态度。一些情况下，业务方要求MES高可用，另一方面又要项目组做出“MES当机怎么办”的预案。
在这种情况下，就形成了所谓松耦合的设计。
所谓松耦合，是比较紧耦合而言的。
紧耦合，有点类似同步通信，当一方系统出现异常时，另一方也无法正常工作。象康明斯NGMES、福特NGAVS、沃尔沃ANDON等系统都采用了紧耦合的设计。
而松耦合，类似于异步通信，当一方系统出现短暂异常时，不会影响另一方的正常工作。
下面我们举几个松耦合的例子。
案例一：通过条码缓存数据。
挑战：某整车厂总装车间，混线生产轿车、SUV、MPV，并且生产节拍达到61JPH(61台车/小时)，要怎么保障生产线上设备的防错？
方案：在装车单上打印各设备的防错条码。
当车辆出PBS时，MES系统打印装车单，并为各设备生成防错条码。防错条码由事先定义的字符串组成，包含车型、工艺参数等数据，并且合成一个长字符串。此过程由MES根据工艺配置自动完成，不需要和PLC交互。
当车辆进入防错工位时，工人扫描装车单上的防错条码，设备PLC经由扫描枪识别条码对应的字符串，再对字符串进行拆分、反向解析，得到所需的防错指令。此过程由PLC根据配置自动完成，不需要和MES交互。
案例二：通过RFID缓存数据。
挑战：某发动机装配车间，变型机较多，且工艺经常调整，因此需要MES能够灵活地处理工艺变更，并且对现场生产的影响要尽可能小。
方案：在大容量RFID TAG上存储工艺数据。
首先，在MES系统设计一个工艺管理模块，可以通过界面灵活地定义各机型在各工位的工艺。
其次，当发动机上线时，MES查询机型的工艺配置数据，得到此发动机在各工位的工艺参数，并且通过PLC写到64KB RFID TAG上。
第三，当发动机到达装配工位，PLC读取RFID TAG上本工位对应的工艺参数，指导设备进行对应的装配、拧紧、检测等作业。作业完成后，PLC把追溯需要的数据追加到RFID TAG上。
最后，当发动机到达下线工位，PLC把RFID TAG上追加的数据上传给MES。
我们可以看到，仅仅在上线、下线工位，PLC需要和MES实时交互；而在大部分的装配工位，作业仅仅通过PLC进行。
此外，由于工艺配置维护在MES系统里，配置数据存储在MES中，可以通过MES客户端界面，非常方便地进行工艺变更的配置。
图3.7-1显示了相关流程：
图3.7-1 通过RFID缓存数据
案例三：通过IT PLC缓存数据。
挑战：某整车厂调度系统，能够自动将订单下发给线体PLC，也能够自动从线体PLC同步车辆过站记录。现要求系统提供2个小时的缓存，当系统或网络出现短暂异常时，不会影响现场作业。
方案：通过IT PLC缓存数据。
IT PLC作为现场管理的关键设备，能够和线体PLC实时通信、交换数据。同时，IT PLC提供一定容量的数据存储功能，可以缓存2小时的订单数据和离线过站记录。
每天的生产作业开始之前，计划员在MES中提前“锁定”订单，系统自动将订单数据下发给IT PLC，并缓存在IT PLC内部数据块中。
当生产开始时，线体PLC向IT PLC请求订单，IT PLC检索本地缓存的数据，并转发给线体PLC；当IT PLC本地缓存小于安全值时，则自动向MES请求下发新的订单。当MES系统异常时，由于IT PLC和线体PLC的通信正常，且IT PLC向线体PLC下发的是本地缓存的数据，现场作业短时期内不会受到影响。
在过站记录工位，线体PLC采集RFID TAG信息，并上传给IT PLC。IT PLC判断MES是否在线，如在线则将数据上传给MES；如不在线则将数据缓存在IT PLC本地数据块中；当MES恢复在线后，IT PLC将本地缓存的离线过站记录上传给MES。
本文为作者授权转载文章，任何人未经原作者同意，不得复制、转载、摘编等任何方式进行使用，e-works不承担由此而产生的任何法律责任! 如有异议请及时告之，以便进行及时处理。联系方式：editor@e-works.net.cn tel：027-87592219/20/21。
- 上一篇文章：销售物流管理平台助力新冶钢提效降本
- 下一篇文章：PMI稳中向好，制造业呈回暖之势
相关资料推荐
