摘要：MES系统是专门针对车间信息管理的系统，它涵盖从原料购进直至成品入库的整个生产流程，并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。针对汽车零部件装配生产中MES数据采集功能的开发实现进行研究，并对零部件装配作业进行了概述，进一步探讨了车间内数据采集类型与MES功能模块，同时重点分析了此项功能的开发过程。

关键词：汽车零部件；装配车间；数据采集

中图分类号：U468.4  收稿日期：2023-03-21

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.07.019

1 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（见图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。

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[1]。

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，涉及到上料与下料的环节，这会引起诸多原料、半成品与成品放置堆积，致使车间内环境复杂，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。整体上来讲，MES系统主要分成三个层次：一是数据采集层。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。二是数据层，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。三是应用层。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。

2 装配车间的数据采集类型及MES功能模块

2.1 数据采集类型

车间运行中，需要关注工人、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[2]。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。

2.2 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，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。

3 装配车间MES的数据采集功能开发剖析

3.1 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。在該过程中，信息传输是利用TCP协议实现。根据基本编程思路，PLC通信期间主要涉及到以下几个对象：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；d.响应报文，由PLC侧发出的报文，内容有：报警、读取返回的信息[3]。

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。

3.2 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；协议内涉及到诸多指令代码，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。

3.3 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，涉及到状态及版本等数据，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，这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]。

3.4 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，将通信期间涉及到的各项操作，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。

3.5 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。但在進一步对比分析中，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。系统程序侧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，“275 Word 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实例对应的通信类运行。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。

4 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。

参考文献：

[1]欧其北.汽车与零部件装配的质量控制及优化措施[J].汽车与新动力，2022（1）：64-66.

[2]卢炳荣，罗浩云.基于公差设计的汽车零部件装配尺寸控制方法[J].质量与认证，2021（S1）：75-77.

[3]张淮东.无线射频技术在汽车零部件装配线上的应用[J].汽车工艺师，2021（9）：40-41.

[4]于泓聿.基于MES的F汽车零部件公司生产管理改进研究[D].长春：吉林大学，2020.

作者简介：

杨雪飞，男，1976年生，研究方向为非标自动化设备开发、上位机、下位机程序编写与调试。