智能生产理念下的MES层、Control层规划研究

（西安航天动力技术研究所，西安 710025）

0 引言

航天企业有着小批量、多品种、多工序，对产品质量及稳定性要求高的特点。因此生产设备数字化、自动化，生产过程透明化且具有一定的预测调控功能，即实现智能化生产势在必行。

随着传感器、数据采集系统和计算机网络技术的发展，制造业的生产线已经基本可以实现自动化和信息化管理，生产线的信息化管理可以带来生产过程大数据，而生产过程大数据的形成正好为智能化生产奠定基础，所以实现智能化生产不是一纸空谈。但是，怎样规划好Control层系统才能有利于将来智能化生产的实现值得探讨。

1 智能化生产的预备阶段—数字化企业与大数据

在推进智能化生产之前，首先需要对设备、车间、工厂进行全面的数字化改造，即要形成一个数字化企业。数字化企业可以分为三个层次：ERP企业资源规划管理层、MES制造执行系统管理层、Control设备控制层，各层之间保持实时通信。

在数字化企业中，Control层的数字化和自动化可以将各种传感器、执行器和设备产生的大量数据和其他生产信息通过工业互联网上传给MES系统，MES系统则可以将生产过程数据集成起来进行统计分析，以图表形式加以可视化，并可上传给ERP系统，各级管理层人员就可以实时感知到远程设备的异动及人机料法环等诸要素的实时真实状态，直观了解到生产现场的全部信息，如设备的运行状态、当前生产数据、在制任务、产品质量、能耗、生产环境、故障异常等信息。在这些信息基础上，工艺人员可以开展质量跟踪和工艺改进工作，设备管理人员可以做出合理的维修计划，生产管理人员可以统计当日的设备状况、产品合格率、生产负荷等数据，一旦发现异常，管理人员可以及时采取相应措施，确保生产顺利进行。

数字化企业不但可以实现生产管理透明化，可以及时发现问题、上报问题和处理问题，还可以将生产过程中ERP/MES/Control层产生的大量数据累积起来形成工业大数据。企业内部的工业大数据包括人产生的数据如设计数据、业务数据、产品评论等，机器产生的数据如由传感器、仪器仪表和智能终端等采集到的数据，这些数据是生产过程智能化研究必不可少的资源。

2 数字化向智能化迈进的工具—大数据挖掘分析技术

大数据时代的到来将促进数据挖掘分析技术的迅猛发展，可能会改变数据世界里的很多算法和基础理论，如近年来的人工智能算法突飞猛进，典型的案例有“阿尔法狗”、无人驾驶。

传统的决策思维都是基于对场景的精准建模和精妙算法，所以对那些复杂的、不确定性的问题束手无策；而数据挖掘分析技术可以不用费尽心思地根据机理去建模，而可以在不完全了解具体因果关系的情况下分析出接近事实的问题结论。

大数据分析技术可以建立指标间的关联关系模型，通过易测的过程量去推断难测的过程量，从而解决制造过程中的复杂性和不确定性等问题，尽量克服人工决策的缺点，提升产品生产过程的可控性，实现智能化生产。譬如基于布带浸胶生产过程历史大数据，可以通过对数据的“关联”分析，发现隐藏其间的关系，挖掘胶带性能监测仪与人工分析数据之间的影响规律，建立“胶带性能指标预测模型”，然后用“胶带性能指标预测模型”去预测当前生产过程中的胶带性能指标，实现胶带性能指标的在线监测功能；在实现胶带性能指标在线监测功能的基础上作进一步数据挖掘分析工作，还将有望细化浸胶过程工艺参数并加以“调控”，从而实现胶带性能指标的智能控制。

大数据分析技术还有一个最大的优势是很早就能有一定的预见性，这样就可以将可能发生的问题杜绝在源头上。因此，大数据分析技术还可应用于质量控制、设备故障预测等领域。通过对产品全生命周期的大数据分析，可以研发产品质量控制系统，实现对工艺参数的趋势管理，在没有发生问题时就能够提前预警和纠偏，尽量避免不合格产品的出现；通过对设备全生命周期的数据及当前运行状态等信息的分析，可以预测关键部件的寿命，进而可以对备品备件库存进行智能调整，尽量达到零库存的目标，但也不影响正常生产。

大数据挖掘分析技术可应用于企业的各个部门、各个领域。

3 智能化生产的无障碍运行条件——设备智能维护系统

智能化生产过程很大程度上需要设备无障碍运行，以达到生产过程高效化，产品性能优质化的目标。而传统的定期检修易造成 “过度维修”与“维修不及时”的现象，事后维修不但会延误生产计划，而且一旦生产过程中发生设备故障，产品质量的稳定性也会受到一定影响，所以传统的定期检修和事后维修不适合智能化生产的要求。

当今的计算机网络技术和传感器技术已经完全有能力随时掌握设备的健康状况，人们可以根据计算机监测到的设备运行状态信息、环境温湿度及电网参数等信息，以及过往的设备使用记录、故障信息、维修记录、零部件供应商、设备厂家、设备关键部件加工工艺等信息，利用大数据技术，通过对设备全生命周期的统计分析，建立关键部件故障预警模型，采用性能衰退分析和预测分析方法，针对当前设备运行状态，预测故障发展趋势及后果，提出相应的处理措施，使设备达到近乎零故障的目标，最大限度地避免非计划性停机。

4 生产大数据形成的枢纽——MES系统功能研究

MES系统介于ERP层和Control层之间，是生产过程大数据形成的枢纽，是集工艺技术、生产班组、物料管理、设备管理、工序检验、质量管理、综合统计等生产管理于一体的统一平台。

MES系统可以消除数据的重复性录入环节，实现数据资源共享；同时也可以实现生产指令的下达、生产过程信息采集、生产过程状况的汇总和上报，这些信息可通过标准以太网与车间Control层、车间各部门、所（厂）级ERP层进行通信。MES系统可包括以下功能模块：

1）系统管理：具有帐户与权限管理、系统测试、参数配置等功能。

2）制造资源管理：建立人员台账、人员工时（绩效）台账、原材料信息台帐、产品信息台帐、工装模具台帐、夹具台账、设备台帐、仪器仪表台账等。制造资源管理模块可以实现生命周期监控，尽量达到制造资源零库存的目标，以提高单位资金流的运转。本模块主要具有以下功能：

（1）库存物质的检索，可查询当前库存情况及历史记录；

（2）提供库房零部件的出入库操作；

（3）原材料、刀具和工装等库存量不足时，MES系统能够自动预警；

（4）工装模具、仪器仪表等需要周检时，MES系统能够自动预警。

本模块中仪器仪表的周检信息可来源于Control层。

当系统累积到一定数据量后，可以根据任务计划、在制状况、设备状态、设备使用记录、产品使用的原材料、产品使用的工装模具等历史信息建模，然后结合实际生产状况实现库存的智能化预警。

3）设备管理：具有设备周检、设备保养、设备维修动态反映、设备运行状态监测（设备专业点检）、仪表运行状态监测、设备运行环境监测（包括环境温湿度、仪器仪表周检信息及电网参数）等功能，还具有过往故障、维修记录、设备厂家、零部件供应商、关键部件加工工艺等设备全生命周期的信息查询功能。本模块还具有设备维修备品备件台账的管理功能。

本模块中的设备运行状态、仪表运行状态、设备运行环境等监测信息来源于Control层，可以为设备管理人员开展预知性维修工作提供数据依据。

当系统累积到一定数据量后，可以开展设备智能维护系统的研发工作。

4）工艺文档管理：可自由定义工艺模板，形成规范和非规范工艺库，自动生成工艺卡片，并可下发给生产班组。本模块具有归档功能，归档后的工艺文件不可更改。

5）计划调度管理：可根据工艺文件状态、设备状态、原材料库存状态、工装模具状况、在制任务等状况及ERP周计划，自动生成生产任务单并下发给各生产班组，实现对设备使用、派工状态、完工信息等管理。

6）生产班组作业：可确认生产任务单，产品完工后可确认生产任务完工状况，并可自动汇总或补录生产数据。

7）生产监控管理：实现从生产计划进度、物料管理、设备状态、生产数据统计等多维度生产过程监控，实现对车间报警信息的管理，包括设备报警（如通讯中断、设备超差等）、生产过程报警（如工艺超温、工艺超压等）、库存预警、计量预警、人员缺勤、质量及其他原因的报警信息，达到及时发现问题、汇报问题并处理问题的目标。生产监控管理可通过看板实时显示。

本模块中的设备报警、生产过程报警信息来源于Control层。

8）质量过程管控：具有产品设计数据、工艺设计数据及生产过程中使用的原材料信息及工装模具信息、生产环境信息（包括环境温湿度、电网参数、仪器仪表周检等）、设备运行状态信息、实际生产工艺数据、工序检验信息、产品出厂信息、产品使用过程信息等在内的产品全生命周期数据查询功能，能够统计产品的合格率和不合格率。本模块具有质量数据归档功能，归档后的数据不可更改。

（1）本模块可以根据原材料信息、工装模具信息、产品设计数据、工艺设计数据、生产过程工艺数据、工序状况等信息，对出厂产品进行质量性能预测和预防性维护。

（2）本模块具有不良产品的追溯管理功能：

①可以及时处理不良产品的维修和改进，并为质量改进提供量化指标，以减少不良产品率；

②可以准确召回不良批次的产品，提高服务质量，以减少召回成本；

③可以准确追溯不合格品的供应商，以减少不必要的损失。

本模块中的实际生产工艺数据、生产环境信息、设备运行状态信息等均来源于Control层，产品使用的原材料信息和工装模具信息等也可以来源于Control层。

当系统累积到一定数据量后，可以研发产品质量控制系统，实现在制品流转过程中产品质量性能的动态预测，提升在线质量检测能力，尽早发现问题，并尽早预警和纠偏，以稳定并提升产品合格率。

9）综合查询：可按月查询周计划信息、生产任务单信息、产品信息、设备状态信息、工艺流程信息、工艺卡片信息、实际生产工艺信息、耗能信息、生产环境信息等。

本模块中的实际生产工艺数据、耗能信息、生产环境信息等均来源于Control层，部分产品信息也可以来源于Control层。

10）统计报表：可按月自动统计设备状态信息、产品台帐、产品质量、车间产量、车间耗能、产品合格率、设备利用率、日产出量、生产周期等月报。

本模块中耗能信息来源于Control层。

当系统累积到一定数据量后，基于产量和电耗大数据进行分析建模，然后预先设定理想电耗曲线，就可以合理安排每天的生产负荷，达到节电的目的。

5 面向智能化生产的Control层规划研究

5.1 Control层控制系统发展简介

5.1.1 数控系统发展简介

传统的机床数控系统是机床刀具运动轨迹的控制器，通常不与网络连接，操作者在控制面板上操作。

智能数控系统不仅可用于控制运动轨迹，还可作为工厂网络中的一个节点，通过网络与MES、CAD/CAM等系统连接，操作者可通过人机界面终端对机床进行操作。智能数控系统多内置MTConnect机床通信协议，MTConnect协议与OPC UA协议兼容。智能数控系统的代表有德马吉推出的CELOS、马扎克推出的Smooth X、沈阳机床集团推出的i5。

百度搜索“CELOS”，可以了解到CELOS是新型高科技机床的统一用户界面，通过CELOS应用程序菜单，操作人员就象使用智能手机一样直接访问应用程序，还能简化、标准化和自动化机床的操作。CELOS目前具有的主要功能介绍如下：

1）服务代理：通过智能化的机床维护系统优化机床的可用性。

（1）简要显示机床的所有维护任务；

（2）预报需进行的所有维护和维修任务；

（3）显示所有必要的备件和设备；

（4）为维修工作提供支持。

2）刀具管理：为下个加工任务比较刀库中刀具的目标值与实际值，缩短刀具准备时间。

（1）直观和简要显示数控系统中保存的所有刀具；

（2）显示加工任务所需的全部刀具，能自动生成装刀列表；

（3）自动检测后续任务中不需要的刀具，能自动生成卸刀列表。

3）任务规划器：安排所有机床的生产计划。

（1）记录、管理和安排生产中的每一项任务；

（2）为机床分配和传输任务；

（3）简要显示全部机床完整的任务单状态。

4）在线显示系统：能够随时了解生产状态。

（1）显示所有联网机床的实时状态；

（2）详细显示每台机床信息，包括机床历史信息；

（3）评估机床工作时间、停机时间与故障时间。

百度“沈阳机床i5”可以了解到i5系统可根据图纸实现自动编程、自动选择刀具、自动选择工艺、自动加工、自动检测产品。并可用手机和平板电脑进行数据传输、实时监控车间各台机床的生产情况，从而对该数控机床会出现的各种情况进行分析、诊断和实时掌控。

智能数控系统是适应智能制造发展要求的产物，普通的数控系统可以参照智能数控系统的功能，按需自行开发带有OPC UA接口的机床监控管理系统，以适应智能化生产的要求。

5.1.2 过程控制系统发展简介

传统的过程控制系统多采用PID控制，可以通过仪表、PLC、计算机实现。

随着大数据技术的发展，新的控制理论和控制方法层出不穷，如机器学习、深度学习等。以大数据驱动的自动化能够把海量的工业数据转化为信息、信息转化为知识、知识转化为科学决策，并能够在正确的时间把正确的数据以正确的方式传递给正确的人和机器，从而解决那些不确定的复杂问题，而不再纠结于复杂的、无望的“基于机理的精准建模”。大数据技术可以应用于各行各业的各个领域，当然也可应用于设备层的过程控制系统，以解决那些PID控制器无法解决的控制问题。

5.2 Control层规划研究

基于本文介绍的数字化企业、大数据、智能化生产、设备智能维护系统的发展背景及对MES系统功能的研究，Control层规划方案时应该考虑以下两个要素：

1）Control层的规划方案应该考虑MES系统对Control层的需求，以利于将来Control层能够直接与MES层实现无缝对接。譬如Control层应该考虑MES层需要的设备运行状态、耗能、部分生产管理信息（如原材料信息、产品信息、工装模具信息、仪器仪表计量信息）等；Control层应具有与MES层对接的通信接口，如OPC UA、MTConnect接口等。

2）Control层的规划方案还应该考虑生产过程大数据的建设，以利于日后工艺优化、设备智能维护系统、质量管控、生产管理优化等研发工作的开展，为智能化生产打好基础。譬如Control层数据采集系统应该采集除当前工艺参数以外的所有可能影响产品质量的其他参数；应该采集如电网电压变化、电网频率变化等与设备故障有关的相关参数；应该采集耗电量等与生产管理相关的参数。

5.2.1 Control层硬件结构方案研究

Control层在选用软硬件时，均要考虑将来（厂）所局域网的架构，以便日后能顺利地将Control层融入MES系统中。所局域网硬件结构如图1所示。

图1 所级局域网硬件结构图

MES层与Control层之间的信息必须能够自由流动，因此需要在它们之间构建通信网络，如MES层与Control层之间可以通过工业以太网交换信息，监控层与现场设备层之间可以通过现场总线交换信息。

过程控制设备群与数控机床设备群的上位机最好分开，运行不同的监控管理软件。每个设备群上位机可配置成2台工控级服务器，每台服务器均可独立运行设备群监控管理软件，可实现2台服务器同时监控，也可以实现单台服务器监控，但当一台服务器出现问题时，另一台服务器可自行切换过来运行，这样可以实现数据双备份，保障系统的稳定性。

Control层可由仪表或PLC采集生产过程中的温度、压力、真空度、耗能、设备运行状态、环境温湿度等工艺参数以及振动等设备点检参数和生产环境等信息。

对于一个车间来说，Control层可以考虑以下内容及功能：

1）统一配置车间设备仪表型号，仪表均配备485或以太网通讯接口，以利于Control层的稳定性和后期的仪表维修维护工作。

2）上位机监测每台设备的生产耗能信息，为日后MES系统中的生产成本统计和生产管理优化提供能耗数据源。

3）上位机监测环境温湿度信息，以利于MES层的产品质量分析和日后工艺优化、设备智能维护系统研究工作的开展。

4）上位机监测电网电压、频率、功率等参数（电网参数可来源于配电系统），且设备启停机时数据采集频率要高，以利于日后设备智能维护系统的研发和生产调度优化工作的开展。

5）上位机监测设备的振动、位移、噪声、温度、转速、转矩、功率、电流和电压等数据，且设备启停机时数据采集频率要高，以实现MES层远程监测设备运行状态信息的功能，以利于设备管理人员开展预知性维修工作，尽量将设备故障抑制在萌芽状态。设备点检项项目应完整，以利于日后设备智能维护系统研发工作的开展。

6）在智能仪表的选用上，选用某些特殊寄存器具有可读功能的仪表，如仪表的“运行”、“暂停”、“停止”、“自动工作方式”、“手动工作方式”、“输出百分比”、“设定值”、“P”、“I”、“D”、“输出功率限幅值”等寄存器必须可读，以便于MES系统能够掌握现场仪表的工作状态，从而间接地了解生产现场是否存在人工干扰因素和人工干扰内容。

7）在智能仪表的选用上，选用某些特殊寄存器在运行状态下具有可写功能的仪表，如在运行状态下，未执行的程序段可临时修改或写入新的数据，以便在生产过程中出现突发问题时可临时修改或写入新的控制程序，如橡胶封头生产时合模时间不定，一旦需要延长合模时间时就可以临时修改仪表控制程序。

8）过程控制系统上位机通过运行在上位机上的监控软件对过程设备群进行工艺程序下传、生产工艺数据的采集、环境温湿度信息采集、耗能量的采集，并随时监控控制仪表的工作状态和设备运行状态；另外部分生产管理信息可人工输入。

9）机床数控系统可采用智能数控系统，或自行开发带有OPC UA通信接口的人机界面，实现对数控设备群加工程序的上传下传功能、加工运动坐标显示、加工状况显示、机床运行状态监控、数控系统故障诊断、加工过程仿真等功能。

5.2.2 Control层上位机监控软件功能方案研究

Control层上位机监控软件的通信接口应能与将来的MES系统有效结合（如应具有OPC UA接口），而MES系统又必须能够支持所级ERP系统，这样就可以实现所内同时有多台计算机共享Control层的生产过程信息，实现生产状态的实时监督和生产信息的查询统计。（厂）所级局域网软件功能如图2所示。

图2 所级局域网软件功能图

5.2.3 过程控制设备群上位机监控软件功能方案

Control层过程控制设备群监控软件可包括以下七个功能模块：

1）系统管理：提供系统操作日志、系统通讯测试、帐户及权限管理等功能。

2）生产工艺管理：根据需要分为常规工艺库和非常规工艺库，工艺文件按日期排序，方便用户查询。本模块可以在上位机上设置工艺数据（如目标温度、升降温速率、保温时间等）及控制参数（如控制调节参数、报警设置、输出功率限辐等），并可以对工艺数据和控制参数进行编辑保存；编辑保存后，计算机可以显示工艺设定曲线，还可以将编制好的工艺数据及控制参数下传到指定设备的指定仪表中。

3）系统总览：在同一个界面中直观地反映系统内所有设备的主要生产状态信息，如当前各区控制温度、压力、工艺运行状态、报警等信息。

4）生产执行组态：针对某一指定的单台设备，集中显示生产过程中需要动态监控的参数和图表，如能够显示生产工艺数据、环境温湿度、设备运行状态、仪表运行状态和耗能等信息。

5）生产信息管理：针对某一指定的单台设备，可以随时查询或打印历史工艺数据和曲线，还可以查看部分生产信息，如产品名称、产品型号、产品数量、原材料信息、工装模具信息、生产起始与结束时间、操作人员信息等。

6）报警显示管理：针对某一指定的单台设备，具有通讯中断、设备超温、设备超压、工艺超温、工艺超压等报警信息。报警信息可以文字、模拟指示灯、语音等形式示警。报警信息可随时保存，还可以上传给MES层以满足生产监控管理模块的需求。

7）生产过程管控：针对某一指定的单台设备，在实现生产控制的同时，还可提供以下生产过程信息：

（1）设备运行状态：此部分通过采集PLC或仪表信号，显示设备的当前状态和运行环境等信息，如工作台是否运行到位、炉门是否关好以及旋转轴的振动信号、电机工作电流、电机转速、电机输出转矩、加热体工作电流、电网频率值、电网电压值等信息。设备运行状态信息可按需上传给MES层以满足设备管理、质量过程管控等模块的需求。

（2）生产工艺调用：在此可输入工件名称、工件图号、生产编号等；可输入日期、班次、操作者、工艺编号、原材料编号、工艺温度、工艺压力、工艺时间及控制调节参数等。生产工艺调用信息可按需上传给MES层以满足制造资源管理模块、质量过程管控模块的需求。

（3）工艺运行参数显示：显示仪表是处于自动运行状态、手动控制状态、暂停状态还是停止状态以及输出百分比数据；显示当前运行段号、升降温速率、目标温度、保温时间等；显示初始设置的设定值、PID参数、输出功率限幅值和当前对应的设定值、PID参数、输出功率限幅值；显示各区的设定温度、实际温度、温度偏差值、本段剩余时间、程序开始日期、程序开始时间、程序结束日期、程序结束时间等信息。工艺运行参数可按需上传给MES层以满足质量过程管控、综合查询、设备管理等模块的需求。

（4）工艺过程控制：操作员可根据工艺要求进行执行、暂停、恢复、跳步、结束等操作，在运行过程中，用户可以通过授权修改还没有走过的工艺参数。工艺控制信息可按需上传给MES层以满足质量过程管控、设备管理等模块的需求。

（5）生产工艺数据管理：尽可能实现实时采集生产工艺数据，对于不能实现完全自动化的生产环节，可手工录入生产数据。本模块可用不同颜色显示设定曲线、实时采集曲线，曲线具有放大、缩小、打印等功能，还可以显示、打印实时数据报表和历史数据报表。生产工艺数据可上传给MES层以满足质量过程管控、设备管理等模块的需求。

（6）耗能及生产环境管理：显示每次生产过程的耗能，如耗电量、耗水量、耗气量等；显示环境温湿度、电网参数、仪器仪表周检等生产环境信息。耗能及生产环境信息可按需上传给MES层以满足制造资源管理、设备管理、质量过程管控、综合查询、统计报表等模块的需求。

5.2.4 数控机床设备群上位机监控软件功能方案（不包括智能数控机床）

数控机床设备群可自行开发带有OPC UA通信接口的监控管理软件，监控软件可以包括以下功能：

1）上位机能够根据CAD图纸自动编制加工程序，并能够仿真加工过程；

2）上位机能将加工程序下传给数控系统，也可以将数控系统内的加工程序上传到上位机；3）可参考CELOS智能数控系统开发刀具管理功能；4）可参考CELOS智能数控系统开发在线显示系统；

5）能够在同一界面上实时显示设计加工轨迹和实时加工轨迹；

6）可参考i5系统开发自动检测产品功能；

7）能够监测机床运行状态、生产环境、耗能等信息，能够管理仪器仪表周检信息，并参考CELOS智能数控系统开发设备管理功能；

8）参考过程控制设备群上位机监控软件方案开发系统管理、生产工艺管理、生产信息管理、报警信息管理、生产过程管控等模块。

6 结束语

企业的数字化建设是一个曲折而漫长的过程，生产大数据的管理是一个枯燥乏味的过程，但这些过程可以为后人创造一个智能化的生产环境。

[1]王建民.工业大数据技术与应用白皮书2.0[M].清华大学,2017.