Abstract: This paper focuses on the automotive manufacturing process business: infrastructure; Kepware OPC; IT PLC application;Manufacturing execution system analysis and conceptual design related to loose coupling and tight coupling.

Key words: Infrastructure    Kepware OPC   IT PLC application     Loose coupling and tight coupling

【中图分类号】N945.1 【文献标识码】B  文章编号1606-5123（2018）07-0000-00

1 引言

汽车制造MES涵盖了计划、生产、质量、物流、设备等诸多职能领域，它和ERP、WMS、PLM等应用系统有高度集成，和PLC、RFID等自动化设备高度集成，功能繁多，涉及的流程也非常复杂。为了帮助读者从整体上理解，本文将这些功能从业务需求的角度予以拆解，从业务入手，结合流程分析和架构解析，当读者对这些逻辑较为独立的功能点有了理解，慢慢地对整个系统的总体功能就有了综合的印象。同时，为了突出汽车制造MES的特殊性，本部分将不介绍MES的一般功能，而重点介绍汽车制造业务所特有的功能。在具体介绍业务功能点时，同时结合工艺和架构进行分析。MES作为车间现场的执行系统，对稳定性、可靠性提出了很高的要求。这部分将介绍汽车制造MES的典型架构。

此外，还介绍了业内广泛使用的Kepware OPC系列产品。

最后，还基于作者实践，介绍了IT PLC的应用及松耦合的设计。

2 基础架构

2.1 MES应用系统特点

MES是大型的应用系统，其特点是：

(1)实时性高，通常客户端的响应时间在1~5秒内，和PLC通信的响应时间在1~2秒。

(2)功能复杂，包含了计划、生产、工艺、质量、设备等诸多业务模块，逻辑较复杂。

(3)稳定性高，通常会要求达到99.5%以上的在线率，不然会影响现场生产。

(4)和外部系统(如ERP/PLM/WMS)有较多数据交互。

因此，为了保证MES系统稳定、可靠运行，需要通过系统架构设计予以保障。

图1显示了MES系统的典型架构关系。

2.2 应用服务功能

应用服务器是MES的核心，其功能包括：

(1)业务模型的定义。

(2)工艺路线的定义。

(3)业务逻辑的处理。

(4)对于输入、输出数据的处理。

(5)数据的类型转换、格式转换。

(6)计划任务的处理。

(7)OPC客户端，用于和OPC服务器通信。

(8)MQ客户端，用于和MQ服务器通信。

(9)DB客户端，用于执行数据库读写。

通常应用服务器会采用Cluster机制进行冗余处理，以提供高可用性。

数据库用于存储和备份数据，通常采用Oracle/MSSQL等大型成熟关系型数据库，且会划分成生产数据库和历史数据库。

生产库用于实时业务处理，通常只存储较近一段时间如3个月以内的数据。生产库采用DataGuard等技术提供冗余支持。

历史数据库会存储所有的历史数据，数据量大，通常用于报表输出。

因此我们可以在应用服务器上执行实时数据查询，而通过报表服务器执行历史数据统计分析。

2.3 网络服务器功能

网络服务器主要用于处理客户端的输入输出，主要功能有：

(1)图形界面展示。

(2)采集用户输入数据。

(3)对用户键盘、鼠标操作的响应。

(4)本地脚本处理。

(5)本地DLL调用，如.NET框架支持调用本地OPC客户端，从而实现分布式OPC通信。

通常网络服务器会采用Network Load Balance实现负载均衡，以支撑客户端高并发。

由于MES系统中注册的打印机主要以网络打印机为主，因此还需要部署专用打印机服务器以驱动所有的网络打印机。

MES和PLC的通信，目前还是以OPC作为主流的形式。

OPC是一个中间件平台，安装对应的驱动后，OPC服务器能够将PLC数据块中存储的数据映射成内存变量，OPC变量在形式上和普通的IT变量没有区别。

目前应用较广泛的是Kepware OPC Server，其价格较低，提供了几乎所有主流PLC的驱动，此外还有一些功能强大的插件，如IoT Gateway能够将OPC变量封装成Web Service进行调用。

MES和PLC通信的耦合性、实时性都较强，如PLC的扫描周期一般为50~100ms，而OPC的扫描周期通常设置为250~1000ms。

MES和ERP/PLM/WMS有较多的数据交互，但对实时性的要求较低。此外，为了减少系统间的耦合性，通常会采用消息队列的机制在系统间传输数据。

例如ERP部署在集团公司，PLM部署在研究院，而MES部署在工厂，那么通常会在集团公司部署消息队列服务器，然后在集团、工厂、研究院部署MQ客户端，从而实现三地之间的数据交互。

3 Kepware OPC产品介绍

本章介绍在业内应用最广泛的OPC产品：Kepware OPC Server及其插件。

3.1 什么是OPC

OPC即OLE for Process Control，用于过程控制的OLE。而OLE即Object Linking and Embedding，对象链接与嵌入。比如WORD中插入一个EXCEL表格，就利用了OLE技术。

OPC的作用如图2所示。

如图 所示，OPC的作用是将PLC数据块(Data Block)转换成MES(通过OPC客户端)能够直接读写的内存变量(Tag)。

一般来说，如果PLC要和上位系统通信，通常会把数据存储在专用的接口数据块中，并且为每个数据块规划好专有结构，如：

 

但是这些数据块的地址是无法被MES直接访问的。

而经过OPC映射后，这些PLC变量和一般的IT服务器内存变量在形式上已经没有了区别，OPC服务器能够直接对这些PLC变量进行读写操作。

而我们可以在MES上部署OPC客户端，对这些变量进行访问和读写。

目前OPC协议主要有两种：OPC DA和OPC UA。

OPC DA即OPC Data Access，这个协议基于微软的DCOM技术实现，已经用了很多年，非常成熟，但是只能部署在WINDOWS平台。由于DCOM的限制，OPC DA的安全性不高，配置也较繁琐。

OPC UA即OPC Unified Architecture，是跨平台的，可以部署在LINUX+JAVA环境下，但是目前应用还不是很广泛。

3.2 DataLogger

DataLogger是Kepware的一个插件，能够将OPC变量的值自动记录到数据库中。

对于一般的PLC数据采集需求来说，这个插件已经足以满足了，它只需要一些简单的配置，不需要任何的代码开发。

数据存到数据库里以后，可以通过编写数据库存储过程或者应用层逻辑，来对数据进行业务处理。

比如我们要对一个旧工厂的冲压车间实施PMC，采集设备状态信息，那么我们可以利用OPC DA + DataLogger来采集数据，然后在数据库里编写触发器和存储过程来对数据进一步处理。

3.3 ODBC Driver

DataLogger只能对数据库进行写操作，不能进行读操作，因此数据只能从PLC向MES上行传输。

但某些时候，我们需要读数据库。比如我们要对焊装车间增加订单下发和时间同步功能，那么我们可以利用ODBC Driver插件来实现。

ODBC Driver把数据库作为一个设备进行管理，调用ODBC引擎实现数据库连接和读写操作。

我们可以建立两个接口表，一个用于存储当天工单，一个用于存储时间同步信号。

OPC服务器通过这两个表来读取信息，然后将数据通过OPC DA写到PLC中。

3.4 Advanced Tags

Advanced Tags是一组插件，这里介绍应用较多的Link Tag。

Link Tag能够将一个变量的值自动写入另一个Tag。

这里介绍两个应用案例。

案例1：PLC通信。如区域A进行装配，区域B执行检查。当区域B检查出现问题时，通过ANDON系统通知到区域A PLC。由于区域A和区域B之间距离较远，且工艺上没有数据交互。因此，我们可以在不增加硬件设备(如耦合器)的情况下，通过OPC DA + LINK TAG来实现2个区域PLC之间的通信。

案例2：PLC数据上传到MES。DataLogger尽管能够写数据库，但是它有一个很大的限制：只能增加行记录(INSERT)。而ODBC DRIVER能够更新接口表(UPDATE)。因此我们可以通过OPC DA来监控PLC变量，再通过LINK TAG将PLC TAG映射到ODBC DRIVER对应的接口表。详细实现，可参考我的文章《通过KEPWARE ODBC DRIVER和ADVANCED TAG 实现数据库和PLC的双向通信》。

3.5 IoT Gateway

IoT Gateway即Internet of Things Gateway物联网网关。

Kepware以插件的形式提供了4种网关：

(1)MQTT客户端

(2) REST客户端

(3)REST服务器

(4)ThingWorx网关

前3种都可以很方便地配置使用。

MQTT即Message Queuing Telemetry Transport，是一种专门用于远程窄带网络的消息队列服务协议。比如在一些机加车间，网络信号不稳定，那么我们可以在不改造网络的情况下，利用此客户端来采集PLC数据。

REST即Representational State Transfer可重新表达的状态迁移，是一种应用较广泛的实时可靠的IT信息传递方式，目前在很多场合取代了Web Service进行部署。

REST客户端能够侦测PLC变量，一旦发生变化，则自动调用MES REST服务器，将数据上传给MES。比如AVI系统的车辆过站记录，能够通过REST客户端实时上传。

REST服务器提供了一个监听器，将PLC变量暴露出来，MES可通过REST客户端来执行特定的指令。如MES要冻结某个工单，则可通过REST调用将信息实时写入PLC。

4 IT PLC的应用

本章主要介绍IT PLC的作用和架构优点。诸如福特NGAVS系统和沃尔沃ANDON系统都用到IT PLC的架设。此外，象捷豹路虎中国工厂MES在总装车间也搭建了IT PLC，作为AVI和防错的主控PLC。ANDON系统搭建专用PLC非常容易理解：方便硬件连接。以涂装车间为例，拉绳、喇叭、大屏的分布非常分散，要接入线体PLC的话，涉及的PLC非常多。而有了ANDON PLC，再配合远程I/O和光纤环网，我们就可以把所有的外设接入同一网络，不管是安装还是调试都较为独立，实施风险小。下面我们以福特NGAVS为例，来看看IT PLC在软件实施方面起的作用。图3显示了没有IT PLC的架构关系。

经过对比，我们可以看到IT PLC(NGAVS PLC)起到的作用：

首先，从线体实施商的角度来看，由于剥离了NGAVS DB/FC，线体PLC的业务逻辑更加单纯。PN/PN Coupler将NGAVS交换数据映射成I/Q数据，在形式上和一般的外设没有区别，集成非常容易，风险小。项目工程文件中只有业务DB/FC，更加稳定安全，调试时耦合度低。

其次，从NGAVS实施商的角度来看，由于NGAVS DB/FC部署在NGAVS PLC上，不需要考虑OEM PLC的CPU差异，所有工位可以应用同一个版本的软件，也不必考虑DB/FC/计时器/计数器的冲突，开发和调试都非常方便。

此外，IT PLC可以提供一些额外的功能，如数据缓存。考虑到现场控制网络比IT网络更加稳定，我们可以在订单下载后将订单缓存在IT PLC上，也可以将现场的过站记录缓存在IT PLC上，这样现场控制系统和上层执行系统形成松耦合的关系，对生产的影响小。

5 松耦合与紧耦合

MES作为一个执行系统，和车间现场的设备、控制系统有密切的集成关系，这是和一般的IT系统有较大区别的地方。比如ERP下工单是以天为单位的，库存也以天为单位进行结算。但是MES在需要和PLC等现场设备集成的地方，通常要求系统以秒级单位进行响应。因此，车间对MES的可用性就提出了很高的要求。但是另一方面，与PLC相比，MES系统的设备在成本、稳定性、防护等级等方面又有较大差距，因此，业务方对MES的可用性往往抱着怀疑的态度。一些情况下，业务方要求MES高可用，另一方面又要项目组做出“MES当机怎么办”的预案。

在这种情况下，就形成了所谓松耦合的设计。所谓松耦合，是比较紧耦合而言的。紧耦合，有点类似同步通信，当一方系统出现异常时，另一方也无法正常工作。象康明斯NGMES、福特NGAVS、沃尔沃ANDON等系统都采用了紧耦合的设计。而松耦合，类似于异步通信，当一方系统出现短暂异常时，不会影响另一方的正常工作。

5.1 耦合案例一：通过条码缓存数据。

挑战：某整车厂总装车间，混线生产轿车、SUV、MPV，并且生产节拍达到61JPH(61台车/小时)，要怎么保障生产线上设备的防错？

方案：在装车单上打印各设备的防错条码。

当车辆出PBS时，MES系统打印装车单，并为各设备生成防错条码。防错条码由事先定义的字符串组成，包含车型、工艺参数等数据，并且合成一个长字符串。此过程由MES根据工艺配置自动完成，不需要和PLC交互。

当车辆进入防错工位时，工人扫描装车单上的防错条码，设备PLC经由扫描枪识别条码对应的字符串，再对字符串进行拆分、反向解析，得到所需的防错指令。此过程由PLC根据配置自动完成，不需要和MES交互。

5.2 耦合案例二：通过RFID缓存数据。

挑战：某发动机装配车间，变型机较多，且工艺经常调整，因此需要MES能够灵活地处理工艺变更，并且对现场生产的影响要尽可能小。

方案：在大容量RFID TAG上存储工艺数据。

首先，在MES系统设计一个工艺管理模块，可以通过界面灵活地定义各机型在各工位的工艺。

其次，当发动机上线时，MES查询机型的工艺配置数据，得到此发动机在各工位的工艺参数，并且通过PLC写到64KB RFID TAG上。

第三，当发动机到达装配工位，PLC读取RFID TAG上本工位对应的工艺参数，指导设备进行对应的装配、拧紧、检测等作业。作业完成后，PLC把追溯需要的数据追加到RFID TAG上。

最后，当发动机到达下线工位，PLC把RFID TAG上追加的数据上传给MES。

我们可以看到，仅仅在上线、下线工位，PLC需要和MES实时交互；而在大部分的装配工位，作业仅仅通过PLC进行。

此外，由于工艺配置维护在MES系统里，配置数据存储在MES中，可以通过MES客户端界面，非常方便地进行工艺变更的配置。

图5显示了相关流程。

 

5.3 耦合案例三：通过IT PLC缓存数据。

挑战：某整车厂调度系统，能够自动将订单下发给线体PLC，也能够自动从线体PLC同步车辆过站记录。现要求系统提供2个小时的缓存，当系统或网络出现短暂异常时，不会影响现场作业。

方案：通过IT PLC缓存数据。

IT PLC作为现场管理的关键设备，能够和线体PLC实时通信、交换数据。同时，IT PLC提供一定容量的数据存储功能，可以缓存2小时的订单数据和离线过站记录。

每天的生产作业开始之前，计划员在MES中提前“锁定”订单，系统自动将订单数据下发给IT PLC，并缓存在IT PLC内部数据块中。

当生产开始时，线体PLC向IT PLC请求订单，IT PLC检索本地缓存的数据，并转发给线体PLC；当IT PLC本地缓存小于安全值时，则自动向MES请求下发新的订单。当MES系统异常时，由于IT PLC和线体PLC的通信正常，且IT PLC向线体PLC下发的是本地缓存的数据，现场作业短时期内不会受到影响。

在过站记录工位，线体PLC采集RFID TAG信息，并上传给IT PLC。IT PLC判断MES是否在线，如在线则将数据上传给MES；如不在线则将数据缓存在IT PLC本地数据块中；当MES恢复在线后，IT PLC将本地缓存的离线过站记录上传给MES。

6 结束语

本文是《MES在汽车制造中的应用》第三部分：架构篇。架构篇论述汽车制造流程中相关基础架构；Kepware OPC；IT PLC的应用；松耦合与紧耦合等相关架构方面的制造执行系统设计。

《MES在汽车制造中的应用》共由四个部分组成。其余部分将连载于本刊。

《MES在汽车制造中的应用》全文刊载信息：

第一部分 汽车制造系统原理——工艺篇     （2018第3期）

第二部分 汽车制造系统分析——业务篇（上）（2018第4期）

第二部分 汽车制造系统分析——业务篇（中）（2018第5期）

第二部分 汽车制造系统分析——业务篇（下）（2018第6期）

第三部分 汽车制造系统设计——架构篇     （2018第7期）

第四部分 汽车制造系统实现——实施篇     （2018第8期）

参考文献（略）