MES 在智能化车间中的应用技术

季华实验室新型显示技术与装备研究中心 孙曌华

本文描述了一个基于MES 系统的智能化车间系统的整体构架。同时，对MES 系统的数据收集与整合进行了深入的探讨，将OPCUA 应用于智能化车间MES 系统，从而达到了自动化生产过程中的自动化和人机的无缝整合。OPC 用户端的OPC 客户机的服务终端，利用统一的地址空间，实现了对设备的集成。

“中国制造2025”明确指出，今后10 年将重点发展智能研发、智能制造、智能管理和智能服务。实施智能工厂，必须从生产实施开始，通过对生产流程的功能性整合与最优化，以达到生产各环节的协调。在信息化进程中，生产单位的信息化管理和处理能力得到了显著提高，以智能化生产为代表的新的生产经营方式与观念将会是今后制造业发展的主要趋势[1]。

在智能化生产过程中，数据的收集是实现MES 系统的前提，必须对现场的数据进行采集。但由于常规MES系统主要采用人工方式进行扫描、人工录入，因此，既有时间延迟，又有人为因素造成的影响[2]。另外，由于各公司所使用的软硬件环境、硬体、软体等不同的应用，都会导致MES 系统与其他的软件、装备进行自定义，从而增加了系统的整合困难。在MES 系统中应用OPCUA，可以实现对企业的智能化生产过程进行自动化的采集和无缝的人机整合。利用OPCUA 标准的通信技术，对不同的异构、不同的资源进行分析，并实施不同的软件和软件的整合，从而完成整个企业的信息化。

1 智能工厂体系架构

实施智能化工厂，必须依靠车间的下级控制，通过对生产过程的数据进行统一的管理和存储，从而对生产过程进行实时的追踪[3]。从底层开始，将体系结构分成5个层次:

（1）网络级:以网络通信技术为基础，实现了在各产业链上各公司的信息分享，实现协同研发、生产、物流、制造、服务等。（2）企业层面:包括生产计划管理、采购管理、销售管理、人员管理和财务管理等信息管理体系，以达到对生产的全面控制。（3）管理:由一个控制车间/厂房的生产的体系组成，它主要包含MES（MES）和一个产品寿命期管理软件。（4）控制部分:由PLC、数据采集和监控、分布式控制系统等组成。（5）装备层面:包括传感器、仪表等的感测与执行器，在厂房的装备层面，采用了两路联网通讯平台，DNC 数控车将通过条码识别、射频、触摸屏等技术，对特定车间进行数字控制。

智能厂房可以分为真实的和虚拟的两个方面。“真实”是指物质层次上的“实物”，包括车间、生产线和智能装备等生产要素。赛博空间中的一个虚拟的数字车间，它利用真实的生产过程中产生的生产数据和生产信息进行模拟，从而达到最优的生产工艺。虚拟企业是指在生产过程中，通过对生产过程中的数据和信息进行分析，为企业的生产提供持续优化的生产计划，从而实现生产效率、产品品质和能耗的降低。MES 是智能化生产企业的重要组成部分，它是企业与企业之间的“桥梁”，是企业与企业之间的重要联系[4]。在虚拟制造中，MES 通过对真实的制造数据进行收集，从而为其建立模型。该系统采用了基于最优化工艺的方法，实现了对产品的优化调度。在生产实践中，MES 实现了对生产的动态监测和调节，从而实现了自适应、自优化等智能化特性。

2 智能工厂MES 系统总体架构

按照ISA-95 公司管理与控制系统的国际统一规范，建立了一个基于ISA-95 的MES 一体化管理体系。MES是一种由原料、计划、生产、包装、配货、送货等各个生产全流程的自动化控制系统，使得管理者可以及时、精确地了解企业状态。并将LEAN、6 SIGMA、TQM等经营理念相结合，以协助生产单位提高生产经营效能、减少交货期、节约生产费用、改善产品品质。在商业模式的基础上，利用商业模式的开发，实现了对生产流程的二次优化，包括生产计划、车间资源管理、物料管理、质量管理、追溯管理、生产管理、车间监控管理、数据分析等。DMP 是一个数据处理平台，它可以将各种数据源和各种组织的信息进行集成和汇总，形成一个统一的规范，用于商业模块的应用。在常规MES 中，设备数据采集、业务处理等都是在早期迅速建立的，而将来经常变化的业务（比如增加外源性的设备界面等）则采用封装变化和动态扩展的方法。而在MES 系统中，利用OPC UA 的统一界面技术，对不同的多个来源异构的数据进行分析，从而达到基于MES 的一体化的企业信息化体系，如图1、图2 所示。

图1 智能工厂体系架构Fig.1 Intelligent factory architecture

图2 制造执行系统体系架构Fig.2 Architecture of manufacturing execution system

3 关键技术研究

在网络通信技术、数据库技术以及现代电子商业等领域的广泛应用，为MES 系统的实施奠定了坚实的基础，而MES 技术是智能化生产中的一个重要环节[5]。

OPCUA 是一种更高的安全和可靠度的非平台相关的标准。OPCUA 是一种通讯协定，例如，TCP 传送控制协定，可以用UA 二进制格式或可扩充的标签语言/文字格式对各系统和装置界面进行规范化，使其能够在任意一个网络中进行无阻碍地通讯。为了解决传统的信息通讯问题，以及解决管理层面与MES 的双向数据传输问题，采用OPCUA 标准，将MES 内外模块的接口进行规范化，采用此标准的方式保证了数据的简洁、清晰，便于后续的维修，并增强了MES 的稳定性。这保证了永远独立于厂商，并且可以通过OPCUA 服务器和其他的系统进行信息交流。MES 以OPCUA 为基础，实现了上下两个层次的一体化，具有结构简洁、开发工作量少、传输速率快、稳定性好、可靠性高等优点。

3.1 MES 与其他系统的集成技术

从整个体系结构来看，MES 位于企业的中层，实现MES 必须与其他的系统进行整合，实现人、机、料的全闭环和透明协同生产。其他系统主要有ERP 系统、工艺设计系统和企业系统。

3.2 生产计划智能排产技术

（1）设计、工艺和工时数据库，以全类别的生产为基础。智能排产技术是将大量的生产过程中的历史资料进行汇总，将人为的不稳定因素降到最低，同时也为制造留下了一定的多余空间，从而确保了项目的准时和质量。

（2）对排产过程进行智能分析的数学建模。在进行多层次的管理时，必须将产品的开发和制造过程、产品、零件、工序等都纳入到数据的处理模式中。同时还要考虑到设备的实际处理能力、维修计划等因素，以整体的产品产量为目的，可根据现场的生产状况适时地进行相应的调整。

3.3 产品制造过程数据采集及管理技术

在生产工艺中，生产工艺的数据收集技术是基于在生产现场的各类CNC、传感器（如光感、温湿度传感器）等，实现对生产现场的实时监测[6]。系统的基础资料管理，以MES 相关的资料处理系统为基础。当收集到的机器的错误数据传送给后台的中心处理器时，就会有一个固定的错误处理器来进行分析，然后再进行下一次的命令和判定。

3.4 MES 资源信息集成管理平台构建技术

MES 的主要任务是建立一个多视角、多层次、可扩展的生产过程，其中包含了ERP 在采购、制造、库存、使用、维护、报废等过程中的生产过程；通过建立公司级的生产资源库，对生产要素的语义模型和生产要素之间的关系进行分析，利用视图和中间文档来整合企业生产资源的相关信息，实现对生产资源的各个应用和服务的整合[7]。

3.5 MES 集成车间信息建模

MESOPC 用户端存取控制系统OPC 用户端的位置空间，利用参考语意（ReferenceType）和参考的指向，来获取和修正数据。OPCUA 可以更高效地显示出资料的语意，它不仅可以显示资料，而且可以显示某种特殊的装置所提供的资料，并且可以显示这种装置所支援的类别层级。这样，OPCUA 的客户机就能从各个地点获取相同的设备，并能将OPC 用户端所能提供的数据进行自动整合[8]。

3.6 实例化信息模型

类型示例是将一个抽象的Sensor Type 实例化（例如，DNC 系统中的一个传感器的示例）。

按此顺序将数控机床类型、DNC 系统类型、AGV 小车类型、AGV 系统类型等进行了示例，并在此基础上构建了MES 系统的一体化生产管理系统。MES 的客户机应用程序是以所建立的资讯模式结点为基础，利用Translate Browse Paths To NodeId Service 来存取此范例的结点，以完成对工场资料及资讯的即时收集，如图3 所示。

图3 智能工厂MES 集成网络图Fig.3 Intelligent factory MES integration network diagram

3.7 预期的创新点

借助运营管理中工艺设计、物流规划等分析手段，运用人工智能、大数据、云计算等相关技术，对智能化车间中的生产过程进行分析，结合智能化车间中生产车间实际情况，完成其智能化改造的整体方案。

4 结语

在智能化企业MES 建设中，应用OPCUA 界面技术，解决了企业内部的智能化装备与管理体系之间的异构整合问题，并在信息化模式层面上进行了交互。该系统能够实现工业生产的自动化数据的采集，与底层的管理和企业的高层管理系统无缝整合。

MES 是智能化生产过程中的一个重要环节，它直接影响到企业内部的执行层面。MES 系统的实施，需要集成工艺设计系统、ERP 系统、车间生产计划以及生产过程的智能化调度，对车间的数据进行精确的收集与管理。