张新军 常小明

（济源职业技术学院，济源 459000）

数字化车间是装备制造业发展的必然趋势。数字化车间的建设重点是对车间内的设备、系统进行联网，实现对车间内的设备、系统数据的实时采集和分析。制造车间的数字化可以最大限度地利用信息技术和工业技术之间的交互作用。其中，工业技术是信息化技术的支撑和基础，而信息技术对工业技术具有引导和决策作用。工业机器人是机电一体化的重要产品，代表着工业机械自动化的最高程度。利用工业机器人取代人工，可以减少人工失误，降低操作风险，提高产品质量，为企业创造良好的经济效益[1]。所以，在工业机器人制造过程中，必须进行数字化车间体系结构的设计。

2 数字化车间联网通信

数字化车间要建立基本的通信网络，实现各层次间的信息传输，在此基础上建立工业机器人制造企业的数字通信网络，将各个层次的车间网络连接起来，然后与广域网（Wide Area Network，WAN）相连。详细的网络拓扑结构见图1。

图1 网络拓扑结构

车间执行层使用高性能的万兆核心交换机，构建了一个数字化的车间骨干网络，并安装了一道防火墙，以保护工厂内部的工业互联网和物联网的信息安全。车间的控制层和下层的设备层，利用数据网关采集运行服务器上的数据，构成了车间的底层数据。车间的网络结构确保了各种设备的无缝对接和数据的实时采集与反馈。生产区的条件比较苛刻，因此所有的接入开关选择更加可靠的工业开关。同时，合理配置工业双频段的无线网络，包含自动导引运输车（Automated Guided Vehicle，AGV）、RFID系统、移动设备、手持设备、生产线控制一体机以及带有网卡的加工设备。对于没有网卡但配备RS-232的设备，采取有线访问的方法[3]。每个装置都有自己的网际互连协议（Internet Protocol，IP）地址，并在管理端的服务器上进行数据交换。

3 系统之间的协作整合

MES是企业信息化建设的核心，也是企业信息化建设的重点。MES是连接底层智能设备的控制层和管理层的桥梁，可以被看作是一种沟通手段，弥补了高层管理决策和生产管理的断层。MES与其他系统相比，与生产有更紧密的联系，更加专业化。MES能够与生产计划、质量、设备等多个方面的信息进行全面协调，从而达到对生产的集中控制和生产总量的综合分析。基于工业机器人制造车间的实际情况，决定MES系统的具体实现，其中主要有ERP系统、PLM系统以及SCADA系统等。本文对MES与ERP、PLM及其他系统的整合进行研究，不涉及MES的内部功能。

3.1 MES的功能框架

基于对工业机器人制造车间的需求分析，给出MES系统的基本结构。如图2所示，MES的功能必须与PLM等其他系统有机结合，才能满足企业对MES的功能需求[4]。ERP将PLM系统的产品设计资料相结合，将流程、机床状态等上传到ERP系统，将物料管理、计划管理与生产调度和其他物料清单（Bill of Material，BOM）表格按用户的要求制订生产计划，并将生产计划分发给MES，然后将生产任务分配给仓库、装配调试车间和数控机床。

图2 MES功能架构

3.2 ERP与MES的整合

通过ERP系统信息可以看到各个部门的状态，以作为企业的管理和决策基础。接口1至接口6的信息流方向为ERP→MES，接口内容依次为供应商代码、人员主数据、生产订单信息、库存信息、采购执行信息以及物料主数据。接口7至接口9的信息流方向为MES→ERP，接口内容依次为物料消耗数据、工单任务信息、物料损耗信息。

ERP与MES的信息流动是双向的。MES能够获取供应商代码、人员主数据和生产订单信息。ERP系统通过库存信息、采购执行信息等，通过MES系统获取物料消耗、工单任务、物料损耗等。MES和ERP系统的整合，有利于企业资源、生产计划和原料供应等方面的信息相互交流，提高了企业的生产效率和成本，使企业在市场上获得更大的优势。

3.3 MES和PLM的整合

图3显示了PLM的核心功能，包括流程计划和品质管理。

图3 PLM系统的主要功能

PLM系统的目标是实现项目管理、样机管理以及BOM表单管理等。它涵盖了从产品研制阶段的论证、方案、工程开发阶段，是从定型到最终的维保全过程。PLM系统数字化研发、数字化制造、数字化测试，使得系统在数字化维护下实现多层面的信息交互，确保了企业各个部门的数据一致性和可跟踪性。这种闭环管理可以有效提高生产效率，控制产品品质，并显示了PLM与MES的界面和信息流向。接口10至接口14的信息流方向为PLM→MES，接口内容依次为产品BOM、产品工艺路线、技术图纸、工艺规范以及工艺文件。接口15的信息流方向为MES→PLM，接口内容为工时定额。

MES可以从PLM系统中直接获得产品BOM、产品工艺路线以及技术图纸，通过分析工艺参数，有效解决手工输入缺陷的问题。

3.4 MES和SCADA的整合

MES通过SCADA实现了车间、检验、生产设备的全网络化，实现了对设备状态、关键参数、故障数据的实时采集，实现了MES中生产信息的自动关联，为生产过程控制、设备监控、过程质量控制等提供了实时数据支持[5]。MES与SCADA系统整合的主要功能如下所述。

3.4.1 平台可视化

建立生产运行中心控制室，实时采集数控机床生产过程中的数据，并对装配调试过程的数据进行处理，通过发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）显示屏、计算机终端等向管理者提供生产进度跟踪、进度异常预警、线性库存监控、库存异常预警以及设备状态监控，对设备故障报警、过程质量监控、质量异常预警等进行远程实时监测与测量，使生产过程的管理更加透明。它可与高清产线监控录像相结合，在管理人员遇到异常情况时进行精确分析，并及时做出反应。

3.4.2 工艺质量控制

MES与SCADA技术相结合，可以实时收集工业机器人各个工序的品质参数，并进行统计和分析，从而达到对产品质量的控制和管理。企业可以利用MES系统来管理、比较生产工艺的质量信息和检验标准，从而实现对生产过程的实时监控与追溯，对生产工艺的操作进行规范化。MES与SCADA系统集成后，可以实时获取和提取与生产质量有关的关键工艺参数，并且在参数数值曲线发生变化或者逐渐增大到有可能超过预定的处理参数限制范围时，将其与SCADA系统整合。系统会自动发出警报，以通知管理人员做出反应。

4 结语

本文在构建数字化车间信息模型后，按照5个层次进行分层内部网络通信，实现全数字化车间的网络通信，并对MES与ERP、PLM、SCADA等进行集成。数字化车间的信息化建设是实现数字化车间高效运作的重要手段。文章实现了5级之间的网络化通信，可以防止由于数据传递和不及时导致企业无法正常运转，从而避免决策失误而造成经济损失。