1 前言

MES 系统是专门针对车间信息管理的，其从原料购进直至成品入库的整个生产流程中实施动态化的数据采集与监控，由此满足产品追溯、装配状态监控等多项管理需要。

2 汽车零部件装配

a.制造形式。零部件装配通常是“离散型”加工模式(图 1)，物料流动在多个工位上，通过加工与组装，得到最终的产品。实际生产中，在确认零部件种类的前提下，选择相应的物料清单。

图 1“离散型”制造模式

b. 生产程序。汽车行业的零部件装配通常是“订单式”生产形式，加工环节包括物料上线、制作组装与质检等，而装配操作一般是交给自动化系统。在订单要求调整后，生产线能利用调整模具与技术参数，达到柔性制造的效果。但如果调整前后的产品有明显差异，就要通过改变工序满足订单要求。

c. 自动化操作。汽车零部件生产中，因为存在人工配料的行为，所以很难达到全自动的水平。每个工位都选择人工加料的方法，在某处工位任务结束，半成品转移至下一个工位，加工基本上均借助 PLC 智能装置进行控制。总的来看，零部件装配的自动化程度还不足，基本上都要有人为辅助。

d. 生产车间。在加工制作中，涉及上料与下料的环节，这会引起诸多原料、半成品与成品放置堆积。车间内环境复杂，管理难度大。考虑到“离散型”的装配作业，数据采集应当面向工人、物料与技术参数等，把车间生产全过程采集到的数据，用作 MES 系统基础。

对于MES 系统的整体来说，主要分成三个层次：

第一层，数据采集。装配车间运行中，需对采集到的数据加以识别，通常配置条形码、读写器等功能模块。与 PLC 连接，对寄存装置信息进行动态监控，当成分析装配制造与机组状态的依据。

第二层，数据层，负责保存由采集层传来的信息，内容呈现形式有视图及表，主要包含工人资料与权限、技术信息等。

第三层，应用层。在 MES 系统中，该层属于外在表现。在保障数据真实、及时的前提下加以分析，并支持查询、设置、可视化等。

3 装配车间的数据采集类型及MES 功能模块

3.1 数据采集类型

车间运行中，包含工人、物料与机组等若干生产要素。其中，工人信息主要有基本资料、功能权限;物料数据则由前期采购环节开始记录，包含供应商资料、物料可用项目范围、出入库信息等。而零部件装配中用到的弹簧及螺钉等物料，由于不能个体标识，所以直接保存箱号信息。工人与物料都属于可识别的数据，能选择扫码枪以及读写器获取，并且此类信息是相对固定的，可以长时间存储。

机组设备状态就是对装配车间生产线状态的采集与记录。整个过程重点是采集及保存各个类型产品在加工中的工序，所谓的加工状态就是在常规生产中，生产工件、数目及模具等资料。零部件制作中，数据来源是机组运行参数，需要长时间积累。另外，各类工件加工中产生的数据会有不同，结合加工及装配期间采集到的动态信息，把工件状态设置成完工、制作中、返工等。而成品工件连带的信息，应当包括物料、工人等多项数据，相关人员能按照工件 ID，查找到有关资料。

3.2 MES 功能模块

MES 选择模块化的设计模式，结合具体使用需要，开发若干个功能模块，各部分独立运行，操作人员能直接挑选相应模块，进入所需的界面。数据采集包含标签识别与信息采集，对其的开发应当配备合适硬件，并把采集信息传送到数据库内。关于该功能的子模块设定如下：

a.识别标签。基于选择的标识形式，在对象设置相应标签的情况下，零部件装配全过程均能对其进行识别，采集对象信息。此模块能与其他功能组合应用，比如查找工件中，能直接在查询单元中导入识别出的标签，这样能节省人工录入的时间，并保障查询的准确度。

b. 员工资料录入。拥有高权限的管理员能通过系统对员工资料进行更改、新增等操作，并保存好后，可调用形成的标签。

c. 员工权限。在完成资料录入后，就可由高权限管理者赋予下层职工操作权限。

d. 物料入库及出库。

e. 生产流程，相同类型的零部件制造、装配，设置固定的工序流程。除上述功能模块外，还有机器采集点、信息查询与复检等。

4 装配车间MES 的数据采集功能开发剖析

4.1 欧姆龙 PLC

借助 FINS 协议，能完成欧姆龙 PLC 信息作业。基 于 IP、端口以及其他连接参数的设定，把 PLC 当成 TCP Server，由上位机发出连接申请。在该过程中，信息传输是利用 TCP 协议实现。根据基本编程思路，PLC 通信期间主要涉及以下几个对象：

a.TCP Client，其能和 PLC 连接、收发报文;b. 发出报文，根据 FINS 协议要求的格式，生成包含地质、保存位置、操作类别在内的报文，主要用在通信传输上;c. 操作参数，涉及到报警码、指令代码与点位数据，其中前两种涵盖内容多，不适合保存于系统程序内，应放置本地文件里，方便增加与管理;c. 响应报文，由 PLC 侧发出的报文，内容有报警、读取返回的信息。系统运行中，读取与改动 PLC 信息，需要和 PLC 连 接，把读写指令、改动信息、地址等当作生成报文的依据。其中，读取与写入环节的数据格式没有变化，后者仅需在 TXT 段增添新内容。系统中的响应报文部分，其的报警码是“00”，说明操作完成。而读取环节中，响应代码中 cmd 段是“0101”，之后生成的报文应将读取内容包括在内。通过分析响应报文的各个部分，就能了解到操作情况。

4.2 三菱 Q 系列 PLC

MELSEC 协议(后文简称“MC”)可用在外端设备通过可编程的控制器实现通信。该协议和 FINS 存在相似之处，PLC 都是当成 TCP 服务器，通过报文传输，满足通信的需要。在 MC 协议下，通过半双工通信形式，完成数据交互。在上位机访问 CPU 期间，仅可以在收到PLC 响应报文后，才能下达其他指令。但和 FINS 相比，MC 省略连接的步骤，能提升通信运行效率。

MC 协议支持 ASCII 以及二进制的报文格式，此处重点讨论前者。指令报文的头部为 TCP/IP 与 UDP/IP，实际传送中，能自动增加;副头部，根据报文类型有不同的参数，其中指令报文是“5000”、响应报文是“D000”;可编程控制器与网络编号，在本站访问中，前者编号是“FF”、后者编号是“00”;请求目标的 I/O 编号默认值是“03FF”，站号默认参数是“00”;请求数据的长度是指报文数量之和，是十六进制;协议内涉及诸多指令代码，能进行读写等多项操作。在 MC 协议下，请求数据主要有点位参数，如软元件代码与数量、地址等。在进行读取作业中，响应代码包括数据信息;写入环节中，指令报文内添加相应数值。鉴于选择 ASCII 码支持通信，生成报文中，软元件能通过字符信息，在报文上呈现出存储位置，不用改成设定对应码。

4.3 西门子 PLC

西门子 PLC 和上位机之间的信息传送，借助多项协议，但相应内容是加密的。运用西门子中的 OPC 服务，包含若干对象，涉及状态及版本等数据，并带有管理群对象的方式函数。在一个服务对象内，存有数个群对象，而在群对象中则有组属性与管理 Item 方式。后者在 OPC 里是最小模块，实质上不属于数据项，应当是具体点位的映射形式，可视为系统程序内的指针地址。其共有三个重要属性，即质量、时间戳与值。常规客户端能读写 Item 值。客户端和 OPC 服务间的通信，有三类形式可选。

a. 同步通信，相当于“等待问答”的过程，客户端把需要访问的内容传送至服务器，后者收到请求信息后，把访问结果反馈给客户端。而客户端从发送请求到接收信息这段时间，均是在等待中。

b.异步通信，客户端将会访问的内容传送到服务器后快速退出，此时客户端能继续开展其他操作，无需等待服务器的反馈。在服务器整理好访问信息后，把结果反馈给客户端。

c. 订阅，其和前两类的明显差别是，客户端不用发出访问申请，直接把需监控访问的信息归纳到Group 内。服务器会自动对其中的信息实施动态监视，在数值有变化时，相当于触发事件，随即把相应信息发送给客户端。利用 OPC 技术达到 PLC 通信的目的，先要考虑的是服务器配置。

此处选择借助以太网构建服务器。相应的配置流程为：

a. 安装编程与服务软件，操作界面上形成快捷键;

b. 启动 TIA 软件，设置有待监控及数据采集的 PLC 程序，并把以太网 IP 换成本地 IP;

c. 开启“空间站布局”，更改名称，而且在组态相应插槽内设置服务器与 IE general;

d. 组态下载至计算机本地;控制界面上，把通信参数设置中关于安全性的模块，开启远程基本通信与 OPC 通信，并设置需要采集数据的变量。

4.4 统一接口

零部件装配车间中可用的 PLC 形式较多，而且通信形式不尽相同，实际提供的功能集中在服务器、读取信息、更改信息、连接等。结合装配车间的数据采集需要，应当进行接口整合。对于连接与点位读取参数有区别的情况，可通过把全部写入参数均设置成同一字符型实现。实践中，可加入字符串解析器，利用分割处理，把字符串分成若干子字符，转化成统一的参数形式。MC 与FINS 协议对应实现类，需在解析报文格式的前提下，把TCP Client 当成收发报文的媒介;报警码说明和数据信息对应码当成配置内容，支持操作人员查询。OPC 相应的实现类，要加入引用 OPC 关联的 DLL 内容。接口的同步读取与写入操作形式不变，额外设置订阅采集数据的方式函数。而参数字符串的连接，则可作为服务器名称与对应安装工控机的 IP。

实现接口整合的前提下，将通信期间涉及的各项操作，统一函数名称与参数。针对各类通信方式，做好接口继承与封装。基于该调整思路，仅需调取具体接口方法，就能进行相应的通信操作。系统运行过程中，按照PLC 类型与通信方法，挑选适宜的类方法支持操作，借此达到统一接口的目的。

4.5 采集功能实现

汽车零部件的生产线上，有不同类型的设备，通过实现统一接口，就能选择更为高效的通信方式。但在进一步对比分析中，连接与点位参数对应的个数模式也有区别。比如说，在 FINS 协议中，应结合软元件存储内容与数据种类，转化成报文码，但 Item 地址则会形成字符串。假设对各种 PLC 的不同点位参数，均单独设置属性段，难免会引发属性段偏多的运行缺陷，而且在系统运行后期，如果产生新参数，同样需增设属性段，这种显然不利于生产线管理。

对于该问题，可把数据库内的表结构进行集约化设置，把分析及处理参数全部交由软件进行。比如点位地址，其字符长度可设置成 50 个，把全部参数汇集成一行数据。数据采集期间，仅需分析提取出来的参数。系统程序则选择字符分离的方法，各字符串之间，借助“-”、“_”以及空格进行简单分隔，例如，“275Word M 2”是指加工数量。

在接口、写入参数得以统一后，根据 PLC 类型，选择通信方法。该种数据采集功能的开发方式，突出优势体现在：

a. 不同的 PLC 通信，能够通过统一接口完成信息传输，根据 PLC 实例对应的通讯类运行。借此可有效消除软件程序中的冗杂问题，在保障基本功能的前提下，简化程序结构。

b. 终端连接参数与监控点位内容都集中在系统数据库内，还把呈现形成事实统一处理。在形成其他连接形式以及点位后，不用重复调整表结构，仅需在原有结构的基础上，额外设置参数解释器就能正常调用运行。

c. 数据采集功能下，无论是采集环节或是设备连接，均支持管理操作。在车间生产线上安装一台新装置后，直接在数据表上新增设备信息，并设置通信与参数处理方法，就能完成添加生产机械的工作。

5 结语

在汽车零部件的装配车间中，开发数据采集功能，可基于多个传输协议与 OPC 技术，进行接口集约化处理，并根据数据库内点位表，实现统一参数格式。如此可提高数据采集操作的灵活度与可扩展度，能够适应装配车间的信息管理诉求，达到动态化监控的目的。