智能化以太网模块优化生产过程金属切割机

智能化以太网模块优化生产过程

智能化以太网模块优化生产过程 2011年12月03日 来源： MES制造执行系统的任务就是对生产过程进行优化。在实践中，把生产现场检测到的数据传送到MES制造执行系统却是一项要求很高的任务：因为没有这方面的标准。尽管如此，但也可以简单而又经济地通过以太网的MSX输入输出模块实现生产现场检测数据向MES生产制造系统的传输。提高企业的效率，就必须最有效地去利用一切可用的信息。而实现这种利用的前提条件就是IT系统的两个层面——计划层面和执行层面，即管理层面和生产层面能够相互联系、相互通信。于是，就诞生了企业资源管理系统，即所谓的ERP系统。而ERP企业资源管理系统的任务中并不包含生产制造环节的管理，因此就出现了连接两个不同层次系统的MES制造执行系统。用于数据交换的标准化数据接口生产过程的接口以准确地掌控生产现场当前的数据为前提，同时也要求在MES制造执行系统与ERP企业资源管理系统之间有标准化的连接接口，从而实现数据在两个系统之间的共享。德国标准化委员会颁布的DIN EN 62264标准奠定了在ERP系统和MES系统之间进行数据交换的前提。这一标准的目的是：不受企业自动化程度高低的影响实现和改进企业内部的数据交换。

由于在生产现场也可以看到IT技术的身影，因此就需要通过以太网把生产数据传送到企业的管理层次中，供企业管理者使用

它带给用户的主要优点是：（1）在引进新产品时节省时间；（2）更好的集成工具；（3）自动化投资费用较低；（4）更好的按照用户要求进行设定的可能性；（5）优化了物资的采购和物流。管理和互联网通信的统一标准提供了控制层和传感器、执行器层次之间无限制的数据通信能力。另外，数据的可用性、通信和信息交流的质量在企业的领域中都得到了提高，从而提供了舒适的生产监控和远程监控的能力。为了在企业不同的各个层次中实现畅通无阻的通信，使用像以太网TCP/IT、网络服务协议（XML格式）或者Modnus传输协议等标准化的通信接口是非常有意义的。在生产加工过程中，最经常使用的数据传输协议是以太网的数据传输协议。由于在IT系统中也能够看到以太网传输协议的身影，因此在企业层次的生产数据传输中也常常使用这一传输协议（图1）。另外，完成检测和控制任务用的传感器和其他硬件的连接采用了工业企业常见的插接连接和螺纹连接的连接模块，这也大大扩展了其可用性。

图1 连接MES制造执行系统和ERP企业资源管理系统的以太网

准确的检测点数据和同步的数据采集在要求检测数据是准确到每一个检测点的检测数据且同步采集这些数据时，对以太网的应用就提出了很高的要求。例如，在汽车工业领域中发动机活塞运动和气缸的检测有大量这样的数据，在气缸和活塞的生产加工中就有着不可忽视的微米级公差。检测点附近的模拟数据数字化解决同步采集的大量检测点数据传输问题的方法利是采用了智能化以太网连接模块的分散式配置方式。其中的重要一步就是尽可能的在检测点处对模拟数据进行数字化处理，以便实现很高的精度，使这些数据具有时间标记。在数据采集点处完成上述处理之后，才把这些数据经以太网传送出去。这样一来，传送到上一级控制系统中与每一个发动机气缸对应的检测数据就不会遗失了。这样，在控制系统中和这些数据的使用设备中，就可以随时调用全部的检测数据，不受数据传送时间和传送先后顺序的影响。例如，某微处理器生产厂希望降低芯片的分辨率，希望对其芯片的生产制造工艺流程进行优化。因此，对生产设备不同地点的温度、压力等参数进行检测并把检测结果传送到MES制造执行系统中进行处理就显得非常有必要了。检测电子元器件应具有与数据接口兼容的能力，以便可以向任一MES制造执行系统传送数据。除此以外还因为安装空间的原因检测元器件应直接安装在机床设备上，而不是在电气控制柜中。大量不同信号数据的采集还应尽可能地同时进行，以保障检测的可靠性。生产现场所用的以太网应用于检测数据的传输。智能化的以太网模块非常节约传统的以太网结构不能满足这种功能扩展的要求。在满足一定条件的情况下，智能化的以太网模块是能够满足这一要求的；这些条件是：它自身具有一定的智能，是基于节约型的和高性能的生产过程的以太网系统。只有这样的系统才能够实现模拟数据的现场数字化；才能够任意地对数据进行预处理。这样就可以以照时间为标记为每一个数据包做卷标，进行计算，进行内插计算或者传输到在线RAM缓存中。最重要的是：这些传输到MES制造执行系统中的大量数据都是有意义的检测数据，不是原始数据。也就是说，智能化的以太网模块应该具有对检测到的温度、压力、长度等原始物理数据进行转换的能力。这样就可以方便地在产品生产过程中识别和评判生产过程的变化了。第二个重要的条件就是这种以太网模块的工业适应性问题。为了提高检测数据的质量，应该直接在机床或者被测工件处采集检测数据。这就要求以太网的输入输出模块具有很强的抗振动性能、很高的抗干扰性能、非常坚固或者很好的抗喷射水的能力。因此，坚固的外壳、螺栓连接、使用大量过滤器、静电隔离和IP 65的安全防护等级，成为安全采集生产数据的前提条件。若电子数据采集设备要通过以太网进行连接，则必须满足第三个条件：因为经以太网采集到的数据要直接传输到MES制造执行系统或者ERP企业资源管理系统（图2）。由Addi-Data公司研发生产的MSX模块是专门为直接在检测现场使用而研发的模块，满足了上述各种要求。为实现这些应用，它可使用多种不同的信号：采集压力、温度和长度的数字输入输出、模拟输入输出以及大量的其他信号。它的设计适合于在恶劣的工作环境中使用，具有IP 65的安全防护等级，具有多种多样的安全防护措施。为了避免支付专利使用费和升级强制，在MSX-E模块中安装了Embedded-Linux操作系统。嵌入的Embedded网络服务器允许用户方便地进行以太网模块配置；使之具有多种多样有意义的调用可能性，例如能够连续地对存储器中寄存的检测数据进行更新，自动刷新模块，能够提供预先设置数据包的排序模块。

图2 智能化以太网输入输出模块在IT层次（ERP）和制造执行系统（MES）之间的连接

保障数据传输性能的以太网模块这种以太网模块配备的是ARM9微处理器。它为用户提供了对所采集数据进行运算的能力、转换为物理数据的能力以及存储数据的能力。最终，这一模块能够把检测到的数据提供给MES制造执行系统或者ERP企业资源管理系统，能够对检测到的数据进行有意义的分类筛选，或者在检测数据更新之后把这些数据传输给上一级控制系统。检测数据的传输由一个软件程序来实现，利用这一软件程序，一方面用户可以自己定义MES制造执行系统所需的参数（通道、数据采集时间），另一方面，也允许用户选择不同的数据格式，例如选择My-SQL、SQL-Server、Access和XML格式的数据。这样，用户就可以直接利用鼠标点击来选择和设置生产过程监控参数。嵌入数据库可以任意扩大，检测数据也能以其他数据格式进行传输。如果采集到的信号有着不同的信号类型，所采集的信号数据量很大，则以太网信号、24V供电电压信号、外部设备的24V硬件触发信号都能从一个模块传输到另一个模块。利用以太网开关，该模块还能够与任意一个以太网硬件相互通信。以太网和TCP/IP协议还能够结合SOAP简单对象访问协议构成远程计算机的标准访问模式，允许简单方便的使用.NET或者其他加工程序。若对硬件有特殊要求时，则以太网输入输出模块能够自动的与之相互匹配。利用其内置的扩展模块可以方便的在一个或者多个MSX-E模块上运行用户自己设计的应用程序。这又给用户提供了自己调试软件程序的可能性，或者委托专业公司研发设计专用程序的可能性。这一模块所使用的软件是利用Addi-Data直接编写的。这样，用户就可以使用源代码，或自己动手编写专用程序了。这就使得用户无需更多的专业合作伙伴来修改专用软件。若把模块的一些智能化功能和自己编写的应用软件结合在一起，就可使以太网模块控制的检测系统具有更多的自主应用功能，通过自动启动调用存储的应用程序，自动做到开机工作。没有IPC也能正常工作利用IPC在生产现场直接处理检测数据是有可能的，但不是必须的。MSX-E模块可以实现一个细长型的检测系统：借助于其自有的智能化功能，在独立工作时，即在使用IPC的情况下也能将有意义的检测数据、而不是将检测后未加处理的原始数据提供给MES生产制造管理系统。在拓展模块（图3）的帮助下，能够保障尺寸检测的精度要求，减少了对工业计算机的依赖。

图3 拓展模块示意图

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