基于MES的智慧工厂车间消费数据通信协议设计与实现.docx

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1、基于MES的智慧工厂车间消费数据通信协议设计与实现基于MES的智慧工厂车间消费数据通信协议设计与实现广东顺德工业设计研究院廖丽敏；广东美的制冷设导语：本文所提出的一种基于MES的智慧工厂车间消费数据通信协议，是实现MES制造执行系统与智慧工厂内智能制造终端控制器之间进展数据通信交互的一种协议。摘要：本文所提出的一种基于MES的智慧工厂车间消费数据通信协议，是实现MES制造执行系统与智慧工厂内智能制造终端控制器之间进展数据通信交互的一种协议，涉及数据通信交互的一系列数据交互内容，包括数据交互方式、数据交互格式等。本文拟定的数据通信协议，连接消费控制中心的MES制造执行系统与智慧工厂内的智能制造终

2、端控制器，是用来实现MES系统与智慧工厂内智能制造终端控制器之间数据正常通信的一种约定，具有独立的模块性，能定制，可扩展，可移植，能使得智慧工厂内所有的自动化设备以统一的方式来与MES制造执行系统进展数据通信。1引言智慧工厂是当代化工厂信息化开展的新阶段，是智能工业开展的新方向。智慧工厂的智能化运作，是基于MES制造执行系统Manufacturingexecutionsystem；后简称MES系统与智能制造设备控制器通讯对接进展运作的，是为了实现从消费排产、数量统计、经过数据监控、报警故障管理到设备智能化管理等工厂工艺一体化的管理形式，进而使管理人员明晰地掌握消费流程1。同时，智能制造设备控制

3、器能接收来自MES系统下达的数字作业指导书，包括机器编号、排产安排、模板编号、工艺参数下达等用来保证智能制造设备正常工作的重要参数；MES系统亦能即时正确地读取消费线数据，进步消费经过的可控性，减少消费线上人工的干预，进而实现智能制造2-3。基于此，如要实现这种以数字制造和智能制造为基石的智慧工厂管理形式，那么需要在工业现场总线布局、MES控制中心及智能制造设备控制器等硬件设备就位后，定制相关稳定可靠的通讯协议来统一MES系统控制中心与多机器设备终端的通讯方式及通信内容。图1智慧工厂数据传输框图智慧工厂数据通讯传输图如图1所示，数据通信协议是连接MES系统与智能设备终端之间通信的纽带，可以实现

4、MES系统控制中心与智慧工厂内智能制造设备控制器之间数据正常通信。一方面，MES系统可以给智慧工厂内智能制造设备控制器下达任务书及排产指令并验证智能制造设备的响应，智能制造设备控制器接收任务书及排产指令后及时响应，并进展工作；另一方面，智能制造设备控制器在其工作经过中可以向MES系统上传实时数据并验证MES系统的响应，如智能制造设备遇到报警信息或者故障信息，控制器都会及时向MES系统发送报警提醒，MES系统在收到报警信息后，会根据智能制造设备上传的报警编号安排相关人员进展相关处理。2智慧工厂消费数据交互智慧工厂正常运作需要MES系统与智能制造设备两者能有条不紊的工作，通信协议模块作为连接MES

5、系统与智能制造设备数据交互的重要组成局部，力求构造分层明晰，各模块之间也需要交互明确，易扩张，易移植，易维护，使性能稳定可靠，同时应具有良好的可集成性及应用层的鲁棒性，具有更强的实时性和智能化。2.1智慧工厂消费车间管理流程智慧工厂车间管理是指对车间所从事的各项消费经营活动进展统一方案、组织、指挥、协调和控制的一系列管理工作。图2智慧工厂车间消费数据流图智慧工厂车间的一切作业都是根据MES系统发送的指令来进展的，MES系统根据订单需求，结合智能制造设备的实时运行状态，给智能制造设备安排作业。MES控制系统在接收到新的订单后，会同各个仓库对订单所需原材料、包材、耗材等是否充足进展分析汇总，如有短

6、缺那么通知采购部在规定期限内采购，而在原材料采购质检期间，通知消费部做好消费前的准备工作，检查制造设备、消费设施等的实际情况，并根据智慧工厂内设备的排产情况及剩余订单合理的给相应设备安排作业任务书。排产作业下到达智慧工厂后，智能制造设备在开机消费第一步，需要人为介入根据作业指导书的排产安排导入相应的工艺参数，进展调试并首件确认后，将微调的工艺参数上传入MES控制系统数据库中，才能开场自动作业4-5。所有的数据交互要求数据通信层必须稳定可靠，确保MES系统与智能制造设备能稳定通信。智慧工厂正常运作所需交互的数据局部可以参见图2，图2中详细讲明了MES系统与智能设备控制器消费经过中进展数据交互的流

7、程，首件确认之前仍然需要操作工人介入进展人为确认，首件确认后参数固定形式下，能进展自动化作业。2.2数据通信模块划分本文设计的消费数据通信协议遵循模块化、层次化的设计思想，力求高內聚低耦合，为后期应用于实际消费的标准化推进打下坚实的根底，数据通信协议传输数据统一采用XML格式对数据打包进展传输，其模块的交互数据流构造如图3所示。图3数据通信协议交互数据流从图3的交互数据流构造图中可见，数据通信协议层为独立的模块，即为MES与PLC控制器之间数据通信层的内容，通信层1所涉及的内容需自主开发，为MES系统与数据通信层进展数据交互时所定义的应用层协议。通信层2支持目前主流的PLC通信协议，如PLCH

8、andler、OPC-UA等国际主流通信协议，针对不同PLC设备，支持不同的通信协议进展数据交互6。本文提出的消费数据通信协议即为通信层1与通信层2的数据交互协议，其数据格式都为协议统一进展标准化的内容。3智能制造设备状态机本文提出的消费数据通信协议定义了智能设备端的状态机局部，用来准确的向MES系统传输智能制造设备的工作状态，以利于MES系统精准的控制智能制造设备进展工作，同时也利用MES系统对所控制的智能制造设备状态进展掌握，进而真正实现智能化消费。在智慧工厂的所有车间中，其智能制造设备的状态主要可以分为七种，包括开机态、就绪态、运行态、挂起态、报警态、睡眠态、停机态。本文提出的通信协议对

9、各个设备状态都进展了定义，并详细描绘智能制造设备状态转移的条件，MES系统只有在对智能制造设备状态机的工作状态进展实时读取后，才能对整个智慧工厂的所有智能设备状态进展详细的解析。4通信协议运行流程本文提出的通信协议被定义用来实现MES系统与智能制造设备控制器两者正常通信上，其数据流通与通信协议应该在MES系统与智能制造设备两者上同步运行7。下面分别阐述通信协议对MES系统端与智能制造设备端所运行的流程及数据进展协议标准，本协议定于应用层上，暂不限定物理层与数据链路层的范围。4.1通信协议与MES系统数据交互协议MES系统跟数据通信层进展数据交互时，主循环处理的主要数据内容如图4所示，详细交互的

10、数据内容包括指令解析、排产信息下达、工艺参数处理、实时数据处理、报警故障处理及排产完毕后处理等6个局部。图4MES系统端数据交互协议主循环4.1.1指令解析MES系统首先需要对智能制造设备传送过来的指令进展命令解析，才能根据指令需求进展进一步的操作，所接收的指令包括两种，一种是智能制造设备发送过来的数据指令，一种是智能制造设备应答前期MES系统所发送的指令。指令详细解析流程见图5所示。图5MES系统接收指令解析智能制造设备发送过来的数据指令和智能制造设备应答的MES系统所发送的指令都需进展异常指令排除，如发送指令是异常指令，那么回复指令异常信息给智能制造设备，并清空所接收的指令相应内存；如应答

11、指令中接收到应答指令异常，那么找出所发送的相关指令，并重新发送一次。指令解析模块中会对数据连接、通信指令是否异常进展排查，进而保证后续模块的正常运行。4.1.2排产信息下达本文拟定的通信协议层中MES系统对车间内智能制造设备进展排产信息下达时的流程如图6所示。此处MES系统已经根据数据库中已有数据给相应智能制造设备分配好作业内容，行成相应的排产安排，按照通信协议制定的标准，将所生成的排产安排发送给特定的智能制造设备端，设备只能在就绪态时才能正确读取排产信息，进展相应消费。图6MES系统端排产信息下达4.1.3工艺参数处理MES系统接收到智能制造设备恳求工艺参数表的指令后，先判断智能制造设备是否

12、处于运行态，只有在运行态下才会根据指令内容从数据库中提取相应的工艺参数表，下到达相应恳求的智能制造设备中，如智能制造设备不在运行态，那么MES会提示相应的报警信息到消费车间进展排查核实。4.1.4实时数据处理智能制造设备在消费经过中，需要实时将局部重要的消费数据上传到MES系统数据库中，实现MES系统对智能制造设备的监控，也利于后期数据查询，进而更完善智慧工厂的智能化管理。智能制造设备处于运行态时，恳求数据实时更新，MES系统在对设备状态及所传数据内容判断无误后，连接数据库新建信息列表，根据时间顺序依次存入所接收的数据，如所接收数据有误或者设备状态异常，那么会将相应的报警信息提交到消费车间进展

13、排查。4.1.5报警故障处理智能制造设备在消费经过中，报警处理和故障处理是两种不同的处理方式。由于智能制造设备的报警处理很多都能现场报警，车间现场处理就能现场去除，不用向MES系统申请维修，故MES系统针对报警处理只采用存储记录而不报警的方式。如报警发生后车间现场无法处理去除，需申请维修进展处理时，操作人员需按下申请维修键进展故障申请，通知MES系统安排维修人员进展维修处理，智能制造设备此时进入报警态。4.1.6排产完毕后处理智能制造设备在完成排产任务后，需要通知MES系统进展下一步安排，此时，工作人员可以按下申请参加排产键，通知MES系统进展新一轮排产安排，如此时设备有新的排产安排，那么进入

14、排产信息下达模块，如此时设备无新的排产安排，那么根据MES系统安排，人工操作使设备进入停机态、睡眠态或保持就绪态。4.2通信协议与智能制造设备数据交互协议一般情况下，有新的订单任务分给空闲的智能制造设备时，MES系统先通过车间看板通知工作人员将设备从停机态或者睡眠态开机，智能制造设备先进入开机态，待工作人员确认设备状态正常后，按下申请参加排产键，收到指令的MES系统那么开场向智能制造设备发送排产任务。智能制造设备跟数据通信层进展数据交互时，主循环处理的数据内容如图7所示，详细交互的数据内容包括指令解析、排产任务处理、工艺参数处理、实时数据上传、报警故障处理及排产完毕后处理等6个局部。图7设备端

15、通信交互主循环4.2.1指令解析智能制造设备端与数据通信层进展数据交互时，同样也需要对接收的MES系统指令进展指令解析，才能根据指令需求进展相关操作。设备端所接收的指令也包括两种，一种是MES系统发送过来的数据指令，一种是MES系统应答的前期智能制造设备所发送的指令。如同MES控制系统所发送的指令一样，智能制造设备端所发送的数据也需要经过异常指令排查和应答校验后，才能正常使用。智能制造设备端指令解析详细流程见图8所示。图8智能制造设备接收指令解析4.2.2排产信息下达MES系统在安排智能制造设备进展排产任务前，需先解析设备状态，通过设备状态位来判断是否能进展排产，设备只有在就绪态时才能进展排产

16、，其他状态时MES控制系统会提示相应处理。MES系统将排产信息下到达智能制造设备端后，经校验指令有效后，即可人为将排产信息导入设备控制器PLC中。4.2.3工艺参数恳求智能制造设备在导入排产数据到PLC中后，需要继续导入消费相关工艺参数到PLC中，才能正常工作，此时，设备向MES系统发送工艺参数恳求指令，MES系统在接收到恳求指令并校验后，从数据库中提取所恳求的工艺参数发送给智能制造设备。4.2.4实时数据上传智能制造设备在正常消费经过中，每打一次产品，需要按数据格式将相关工艺参数进展打包上传，以便MES控制系统实时掌握设备的运行数据，实现对智能制造设备的监控。4.2.4报警故障处理智能制造设

17、备在消费经过中，如遇到报警信号，设备自身会发生报警，设备转入报警态，并实时将报警序号传给MES控制中心进展存储。车间工作人员会根据现场报警提示对设备进展处理，如发现设备发生故障需要进展维修，手动按下设备面板端的申请维修键，通知MES系统安排维修人员进展维修处理。4.2.5排产完毕后处理智能制造设备按照排产任务进展完所有消费后，自身发生报警提示工作人员消费完毕，此时排产完毕信号也会同步发给MES系统。此时工作人员需先核实排产是否完毕，如排产确实完毕，那么判断机器此时状态是否正常，如假设正常，那么可以手动按下申请排产键，向MES系统确定排产确实完毕，可以给设备安排下次排产，MES系统也会根据订单要

18、求安排设备状态，如无订单要求，会下达指令给设备通知工作人员将设备电气局部断电进入睡眠态或者整体设备断电进入停机态。5通信指令由于所命名的通信指令是基于应用层协议的，此处不给出指令的物理层运行环境。数据发送和接收款式为：#Data0，Data1:Data2:Datan#Data0为头指令，用于定义Data1:Data2:Datan数据包的详细内容。本文以MES系统端发送指令及接收指令为例，简述头指令Data0的内容，如表1和表2所示。表1MES系统端发送指令表2MES系统端接收指令6结语本文所拟定的适用于智慧工厂消费车间的数据通信协议，是将MES系统与智能设备进展连接通信的中间层数据通信协议，其实现经过主要在MES系统及智能设备控制器的应用层，具有良好的扩展性及移植性，能实现与倍福PLC、西门子注塑机控制器PLC进展通信，目前也将此种通信协议成功应用于瓦楞纸车间改造工程中，实操数据交互应用性较好。