1 引言

　　智慧工廠是現(xiàn)代化工廠信息化發(fā)展的新階段，是智能工業(yè)發(fā)展的新方向。智慧工廠的智能化運(yùn)作，是基于MES制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing execution system;后簡(jiǎn)稱MES系統(tǒng))與智能制造設(shè)備控制器通訊對(duì)接進(jìn)行運(yùn)作的，是為了實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)排產(chǎn)、數(shù)量統(tǒng)計(jì)、過(guò)程數(shù)據(jù)監(jiān)控、報(bào)警故障管理到設(shè)備智能化管理等工廠工藝一體化的管理模式，從而使管理人員清晰地掌握生產(chǎn)流程[1]。同時(shí)，智能制造設(shè)備控制器能接收來(lái)自MES系統(tǒng)下達(dá)的數(shù)字作業(yè)指導(dǎo)書，包括機(jī)器編號(hào)、排產(chǎn)安排、模板編號(hào)、工藝參數(shù)下達(dá)等用來(lái)保證智能制造設(shè)備正常工作的重要參數(shù);MES系統(tǒng)亦能即時(shí)正確地讀取生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，提高生產(chǎn)過(guò)程的可控性，減少生產(chǎn)線上人工的干預(yù)，從而實(shí)現(xiàn)智能制造[2-3]。

　　基于此，如要實(shí)現(xiàn)這種以數(shù)字制造和智能制造為基石的智慧工廠管理模式，則需要在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線布局、MES控制中心及智能制造設(shè)備控制器等硬件設(shè)備就位后，定制相關(guān)穩(wěn)定可靠的通訊協(xié)議來(lái)統(tǒng)一MES系統(tǒng)控制中心與多機(jī)器設(shè)備終端的通訊方式及通信內(nèi)容。

　　圖1智慧工廠數(shù)據(jù)傳輸框圖

　　智慧工廠數(shù)據(jù)通訊傳輸圖如圖1所示，數(shù)據(jù)通信協(xié)議是連接MES系統(tǒng)與智能設(shè)備終端之間通信的紐帶，能夠?qū)崿F(xiàn)MES系統(tǒng)控制中心與智慧工廠內(nèi)智能制造設(shè)備控制器之間數(shù)據(jù)正常通信。一方面，MES系統(tǒng)能夠給智慧工廠內(nèi)智能制造設(shè)備控制器下達(dá)任務(wù)書及排產(chǎn)指令并驗(yàn)證智能制造設(shè)備的響應(yīng)，智能制造設(shè)備控制器接收任務(wù)書及排產(chǎn)指令后及時(shí)響應(yīng)，并進(jìn)行工作;另一方面，智能制造設(shè)備控制器在其工作過(guò)程中能夠向MES系統(tǒng)上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并驗(yàn)證MES系統(tǒng)的響應(yīng)，如智能制造設(shè)備遇到報(bào)警信息或故障信息，控制器都會(huì)及時(shí)向MES系統(tǒng)發(fā)送報(bào)警提醒，MES系統(tǒng)在收到報(bào)警信息后，會(huì)根據(jù)智能制造設(shè)備上傳的報(bào)警編號(hào)安排相關(guān)人員進(jìn)行相關(guān)處理。

　　2 智慧工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)交互

　　智慧工廠正常運(yùn)作需要MES系統(tǒng)與智能制造設(shè)備兩者能有條不紊的工作，通信協(xié)議模塊作為連接MES系統(tǒng)與智能制造設(shè)備數(shù)據(jù)交互的重要組成部分，力求結(jié)構(gòu)分層清晰，各模塊之間也需要交互明確，易擴(kuò)張，易移植，易維護(hù)，使性能穩(wěn)定可靠，同時(shí)應(yīng)具有良好的可集成性及應(yīng)用層的魯棒性，具有更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和智能化。

　　2.1智慧工廠生產(chǎn)車間管理流程

　　智慧工廠車間管理是指對(duì)車間所從事的各項(xiàng)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)劃、組織、指揮、協(xié)調(diào)和控制的一系列管理工作。

　　圖2智慧工廠車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)流圖

　　智慧工廠車間的一切作業(yè)都是根據(jù)MES系統(tǒng)發(fā)送的指令來(lái)進(jìn)行的，MES系統(tǒng)根據(jù)訂單需求，結(jié)合智能制造設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，給智能制造設(shè)備安排作業(yè)。MES控制系統(tǒng)在接收到新的訂單后，會(huì)同各個(gè)倉(cāng)庫(kù)對(duì)訂單所需原材料、包材、耗材等是否充足進(jìn)行分析匯總，如有短缺則通知采購(gòu)部在規(guī)定期限內(nèi)采購(gòu)，而在原材料采購(gòu)質(zhì)檢期間，通知生產(chǎn)部做好生產(chǎn)前的準(zhǔn)備工作，檢查制造設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)施等的實(shí)際情況，并根據(jù)智慧工廠內(nèi)設(shè)備的排產(chǎn)情況及剩余訂單合理的給相應(yīng)設(shè)備安排作業(yè)任務(wù)書。排產(chǎn)作業(yè)下達(dá)到智慧工廠后，智能制造設(shè)備在開機(jī)生產(chǎn)第一步，需要人為參與根據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書的排產(chǎn)安排導(dǎo)入相應(yīng)的工藝參數(shù)，進(jìn)行調(diào)試并首件確認(rèn)后，將微調(diào)的工藝參數(shù)上傳入MES控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，才能開始自動(dòng)作業(yè)[4-5]。

　　所有的數(shù)據(jù)交互要求數(shù)據(jù)通信層必須穩(wěn)定可靠，確保MES系統(tǒng)與智能制造設(shè)備能穩(wěn)定通信。智慧工廠正常運(yùn)作所需交互的數(shù)據(jù)部分可以參見(jiàn)圖2，圖2中具體說(shuō)明了MES系統(tǒng)與智能設(shè)備控制器生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的流程，首件確認(rèn)之前仍然需要操作工人參與進(jìn)行人為確認(rèn)，首件確認(rèn)后參數(shù)固定模式下，能進(jìn)行自動(dòng)化作業(yè)。

　　2.2 數(shù)據(jù)通信模塊劃分

　　本文設(shè)計(jì)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議遵循模塊化、層次化的設(shè)計(jì)思想，力求高內(nèi)聚低耦合，為后期應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用XML格式對(duì)數(shù)據(jù)打包進(jìn)行傳輸，其模塊的交互數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3 數(shù)據(jù)通信協(xié)議交互數(shù)據(jù)流

　　從圖3的交互數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)圖中可見(jiàn)，數(shù)據(jù)通信協(xié)議層為獨(dú)立的模塊，即為MES與PLC控制器之間數(shù)據(jù)通信層的內(nèi)容，通信層1所涉及的內(nèi)容需自主開發(fā)，為MES系統(tǒng)與數(shù)據(jù)通信層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)所定義的應(yīng)用層協(xié)議。通信層2支持目前主流的PLC通信協(xié)議，如PLCHandler、OPC-UA等國(guó)際主流通信協(xié)議，針對(duì)不同PLC設(shè)備，支持不同的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[6]。本文提出的生產(chǎn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議即為通信層1與通信層2的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，其數(shù)據(jù)格式都為協(xié)議統(tǒng)一進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)容。

　　3 智能制造設(shè)備狀態(tài)機(jī)

　　本文提出的生產(chǎn)數(shù)據(jù)通信協(xié)議定義了智能設(shè)備端的狀態(tài)機(jī)部分，用來(lái)準(zhǔn)確的向MES系統(tǒng)傳輸智能制造設(shè)備的工作狀態(tài)，以利于MES系統(tǒng)精準(zhǔn)的控制智能制造設(shè)備進(jìn)行工作，同時(shí)也利用MES系統(tǒng)對(duì)所控制的智能制造設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行掌握，從而真正實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)。在智慧工廠的所有車間中，其智能制造設(shè)備的狀態(tài)主要可以分為七種，包括開機(jī)態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、掛起態(tài)、報(bào)警態(tài)、睡眠態(tài)、停機(jī)態(tài)。本文提出的通信協(xié)議對(duì)各個(gè)設(shè)備狀態(tài)都進(jìn)行了定義，并詳細(xì)描述智能制造設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件，MES系統(tǒng)只有在對(duì)智能制造設(shè)備狀態(tài)機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取后，才能對(duì)整個(gè)智慧工廠的所有智能設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)的了解。

　　4 通信協(xié)議運(yùn)行流程

　　本文提出的通信協(xié)議被定義用來(lái)實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)與智能制造設(shè)備控制器兩者正常通信上，其數(shù)據(jù)流通與通信協(xié)議應(yīng)該在MES系統(tǒng)與智能制造設(shè)備兩者上同步運(yùn)行[7]。下面分別闡述通信協(xié)議對(duì)MES系統(tǒng)端與智能制造設(shè)備端所運(yùn)行的流程及數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議規(guī)范，本協(xié)議定于應(yīng)用層上，暫不限定物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的范圍。

　　4.1 通信協(xié)議與MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互協(xié)議

　　MES系統(tǒng)跟數(shù)據(jù)通信層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，主循環(huán)處理的主要數(shù)據(jù)內(nèi)容如圖4所示，具體交互的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括指令解析、排產(chǎn)信息下達(dá)、工藝參數(shù)處理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、報(bào)警故障處理及排產(chǎn)結(jié)束后處理等6個(gè)部分。

　　圖4 MES系統(tǒng)端數(shù)據(jù)交互協(xié)議主循環(huán)

　　4.1.1 指令解析

　　MES系統(tǒng)首先需要對(duì)智能制造設(shè)備傳送過(guò)來(lái)的指令進(jìn)行命令解析，才能根據(jù)指令需求進(jìn)行進(jìn)一步的操作，所接收的指令包括兩種，一種是智能制造設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)指令，一種是智能制造設(shè)備應(yīng)答前期MES系統(tǒng)所發(fā)送的指令。指令具體解析流程見(jiàn)圖5所示。

　　圖5 MES系統(tǒng)接收指令解析

　　智能制造設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)指令以及智能制造設(shè)備應(yīng)答的MES系統(tǒng)所發(fā)送的指令都需進(jìn)行異常指令排除，如發(fā)送指令是異常指令，則回復(fù)指令異常信息給智能制造設(shè)備，并清空所接收的指令相應(yīng)內(nèi)存;如應(yīng)答指令中接收到應(yīng)答指令異常，則找出所發(fā)送的相關(guān)指令，并重新發(fā)送一次。指令解析模塊中會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)連接、通信指令是否異常進(jìn)行排查，從而保證后續(xù)模塊的正常運(yùn)行。

　　4.1.2 排產(chǎn)信息下達(dá)

　　本文擬定的通信協(xié)議層中MES系統(tǒng)對(duì)車間內(nèi)智能制造設(shè)備進(jìn)行排產(chǎn)信息下達(dá)時(shí)的流程如圖6所示。此處MES系統(tǒng)已經(jīng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中已有數(shù)據(jù)給相應(yīng)智能制造設(shè)備分配好作業(yè)內(nèi)容，行成相應(yīng)的排產(chǎn)安排，按照通信協(xié)議制定的規(guī)范，將所生成的排產(chǎn)安排發(fā)送給特定的智能制造設(shè)備端，設(shè)備只能在就緒態(tài)時(shí)才能正確讀取排產(chǎn)信息，進(jìn)行相應(yīng)生產(chǎn)。

　　圖6 MES系統(tǒng)端排產(chǎn)信息下達(dá)

　　4.1.3 工藝參數(shù)處理

　　MES系統(tǒng)接收到智能制造設(shè)備請(qǐng)求工藝參數(shù)表的指令后，先判斷智能制造設(shè)備是否處于運(yùn)行態(tài)，只有在運(yùn)行態(tài)下才會(huì)根據(jù)指令內(nèi)容從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取相應(yīng)的工藝參數(shù)表，下達(dá)到相應(yīng)請(qǐng)求的智能制造設(shè)備中，如智能制造設(shè)備不在運(yùn)行態(tài)，則MES會(huì)提示相應(yīng)的報(bào)警信息到生產(chǎn)車間進(jìn)行排查核實(shí)。

　　4.1.4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理

　　智能制造設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)將部分重要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳到MES系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)MES系統(tǒng)對(duì)智能制造設(shè)備的監(jiān)控，也利于后期數(shù)據(jù)查詢，從而更完善智慧工廠的智能化管理。智能制造設(shè)備處于運(yùn)行態(tài)時(shí)，請(qǐng)求數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，MES系統(tǒng)在對(duì)設(shè)備狀態(tài)及所傳數(shù)據(jù)內(nèi)容判斷無(wú)誤后，連接數(shù)據(jù)庫(kù)新建信息列表，根據(jù)時(shí)間順序依次存入所接收的數(shù)據(jù)，如所接收數(shù)據(jù)有誤或設(shè)備狀態(tài)異常，則會(huì)將相應(yīng)的報(bào)警信息提交到生產(chǎn)車間進(jìn)行排查。

　　4.1.5報(bào)警故障處理

　　智能制造設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中，報(bào)警處理和故障處理是兩種不同的處理方式。由于智能制造設(shè)備的報(bào)警處理很多都能現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警，車間現(xiàn)場(chǎng)處理就能現(xiàn)場(chǎng)清除，不用向MES系統(tǒng)申請(qǐng)維修，故MES系統(tǒng)針對(duì)報(bào)警處理只采用存儲(chǔ)記錄而不報(bào)警的方式。如報(bào)警發(fā)生后車間現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法處理清除，需申請(qǐng)維修進(jìn)行處理時(shí)，操作人員需按下申請(qǐng)維修鍵進(jìn)行故障申請(qǐng)，通知MES系統(tǒng)安排維修人員進(jìn)行維修處理，智能制造設(shè)備此時(shí)進(jìn)入報(bào)警態(tài)。

　　4.1.6 排產(chǎn)結(jié)束后處理

　　智能制造設(shè)備在完成排產(chǎn)任務(wù)后，需要通知MES系統(tǒng)進(jìn)行下一步安排，此時(shí)，工作人員可以按下申請(qǐng)加入排產(chǎn)鍵，通知MES系統(tǒng)進(jìn)行新一輪排產(chǎn)安排，如此時(shí)設(shè)備有新的排產(chǎn)安排，則進(jìn)入排產(chǎn)信息下達(dá)模塊，如此時(shí)設(shè)備無(wú)新的排產(chǎn)安排，則根據(jù)MES系統(tǒng)安排，人工操作使設(shè)備進(jìn)入停機(jī)態(tài)、睡眠態(tài)或者保持就緒態(tài)。

　　4.2 通信協(xié)議與智能制造設(shè)備數(shù)據(jù)交互協(xié)議

　　一般情況下，有新的訂單任務(wù)分給空閑的智能制造設(shè)備時(shí)，MES系統(tǒng)先通過(guò)車間看板通知工作人員將設(shè)備從停機(jī)態(tài)或睡眠態(tài)開機(jī)，智能制造設(shè)備先進(jìn)入開機(jī)態(tài)，待工作人員確認(rèn)設(shè)備狀態(tài)正常后，按下申請(qǐng)加入排產(chǎn)鍵，收到指令的MES系統(tǒng)則開始向智能制造設(shè)備發(fā)送排產(chǎn)任務(wù)。智能制造設(shè)備跟數(shù)據(jù)通信層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，主循環(huán)處理的數(shù)據(jù)內(nèi)容如圖7所示，具體交互的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括指令解析、排產(chǎn)任務(wù)處理、工藝參數(shù)處理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳、報(bào)警故障處理及排產(chǎn)結(jié)束后處理等6個(gè)部分。

圖7 設(shè)備端通信交互主循環(huán)

　　4.2.1 指令解析

　　智能制造設(shè)備端與數(shù)據(jù)通信層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，同樣也需要對(duì)接收的MES系統(tǒng)指令進(jìn)行指令解析，才能根據(jù)指令需求進(jìn)行相關(guān)操作。設(shè)備端所接收的指令也包括兩種，一種是MES系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)指令，一種是MES系統(tǒng)應(yīng)答的前期智能制造設(shè)備所發(fā)送的指令。

　　如同MES控制系統(tǒng)所發(fā)送的指令一樣，智能制造設(shè)備端所發(fā)送的數(shù)據(jù)也需要經(jīng)過(guò)異常指令排查和應(yīng)答校驗(yàn)后，才能正常使用。

　　智能制造設(shè)備端指令解析具體流程見(jiàn)圖8所示。

　　圖8 智能制造設(shè)備接收指令解析

　　4.2.2 排產(chǎn)信息下達(dá)

　　MES系統(tǒng)在安排智能制造設(shè)備進(jìn)行排產(chǎn)任務(wù)前，需先了解設(shè)備狀態(tài)，通過(guò)設(shè)備狀態(tài)位來(lái)判斷是否能進(jìn)行排產(chǎn)，設(shè)備只有在就緒態(tài)時(shí)才能進(jìn)行排產(chǎn)，其他狀態(tài)時(shí)MES控制系統(tǒng)會(huì)提示相應(yīng)處理。MES系統(tǒng)將排產(chǎn)信息下達(dá)到智能制造設(shè)備端后，經(jīng)校驗(yàn)指令有效后，即可人為將排產(chǎn)信息導(dǎo)入設(shè)備控制器PLC中。

　　4.2.3 工藝參數(shù)請(qǐng)求

　　智能制造設(shè)備在導(dǎo)入排產(chǎn)數(shù)據(jù)到PLC中后，需要繼續(xù)導(dǎo)入生產(chǎn)相關(guān)工藝參數(shù)到PLC中，才能正常工作，此時(shí)，設(shè)備向MES系統(tǒng)發(fā)送工藝參數(shù)請(qǐng)求指令，MES系統(tǒng)在接收到請(qǐng)求指令并校驗(yàn)后，從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取所請(qǐng)求的工藝參數(shù)發(fā)送給智能制造設(shè)備。

　　4.2.4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳

　　智能制造設(shè)備在正常生產(chǎn)過(guò)程中，每打一次產(chǎn)品，需要按數(shù)據(jù)格式將相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行打包上傳，以便MES控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能制造設(shè)備的監(jiān)控。

       4.2.4報(bào)警故障處理

　　智能制造設(shè)備在生產(chǎn)過(guò)程中，如遇到報(bào)警信號(hào)，設(shè)備自身會(huì)發(fā)生報(bào)警，設(shè)備轉(zhuǎn)入報(bào)警態(tài)，并實(shí)時(shí)將報(bào)警序號(hào)傳給MES控制中心進(jìn)行存儲(chǔ)。車間工作人員會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警提示對(duì)設(shè)備進(jìn)行處理，如發(fā)現(xiàn)設(shè)備發(fā)生故障需要進(jìn)行維修，手動(dòng)按下設(shè)備面板端的申請(qǐng)維修鍵，通知MES系統(tǒng)安排維修人員進(jìn)行維修處理。

　　4.2.5排產(chǎn)結(jié)束后處理

　　智能制造設(shè)備按照排產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行完所有生產(chǎn)后，自身發(fā)生報(bào)警提示工作人員生產(chǎn)結(jié)束，此時(shí)排產(chǎn)結(jié)束信號(hào)也會(huì)同步發(fā)給MES系統(tǒng)。此時(shí)工作人員需先核實(shí)排產(chǎn)是否結(jié)束，如排產(chǎn)的確結(jié)束，則判斷機(jī)器此時(shí)狀態(tài)是否正常，如若正常，則可以手動(dòng)按下申請(qǐng)排產(chǎn)鍵，向MES系統(tǒng)確定排產(chǎn)的確結(jié)束，可以給設(shè)備安排下次排產(chǎn)，MES系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)訂單要求安排設(shè)備狀態(tài)，如無(wú)訂單要求，會(huì)下達(dá)指令給設(shè)備通知工作人員將設(shè)備電氣部分?jǐn)嚯娺M(jìn)入睡眠態(tài)或整體設(shè)備斷電進(jìn)入停機(jī)態(tài)。

　　5 通信指令

　　由于所命名的通信指令是基于應(yīng)用層協(xié)議的，此處不給出指令的物理層運(yùn)行環(huán)境。數(shù)據(jù)發(fā)送和接收樣式為：

　　#Data0，Data1:Data2:…Datan#

　　Data0為頭指令，用于定義Data1:Data2:…Datan數(shù)據(jù)包的具體內(nèi)容。

　　本文以MES系統(tǒng)端發(fā)送指令及接收指令為例，簡(jiǎn)述頭指令Data0的內(nèi)容，如表1和表2所示。

　　表1 MES系統(tǒng)端發(fā)送指令

　　表2 MES系統(tǒng)端接收指令

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　本文所擬定的適用于智慧工廠生產(chǎn)車間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，是將MES系統(tǒng)與智能設(shè)備進(jìn)行連接通信的中間層數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要在MES系統(tǒng)及智能設(shè)備控制器的應(yīng)用層，具有良好的擴(kuò)展性及移植性，能實(shí)現(xiàn)與倍福PLC、西門子注塑機(jī)控制器PLC進(jìn)行通信，目前也將此種通信協(xié)議成功應(yīng)用于瓦楞紙車間改造工程中，實(shí)操數(shù)據(jù)交互應(yīng)用性較好。