摘 要：數(shù)字工廠是一種新興的制造模式，其靈活的生產方式及高自動化水平，為世界各大制造企業(yè)所認可。而傳統(tǒng)制造業(yè)管理信息系統(tǒng)往往與制造設備不能良好的對接，造成計劃不能準確的下達和監(jiān)控。文章介紹的數(shù)字工廠信息管理系統(tǒng)的數(shù)據交換方法是將數(shù)據按照指定的格式編制成數(shù)據交換代碼存入數(shù)據表中，再由下一層組態(tài)軟件讀取并解析，按照解析后得到的信息驅動各設備進行生產，并將生產狀態(tài)通過數(shù)據表反饋給數(shù)字工廠信息管理系統(tǒng)，從而使生產計劃準確的下達給了設備。

關鍵詞：數(shù)字工廠 管理信息系統(tǒng) 數(shù)據交換 數(shù)據庫

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（a）-0002-02

信息化在如今的許多大制造企業(yè)中已經有一定的基礎。在生產上已經基本上實現(xiàn)了數(shù)字化控制，先進的管理系統(tǒng)與生產車間的高自動化設備卻沒有有效的結合，在生產計劃的組織實施方式上相脫節(jié)，所形成的短板效應嚴重的制約了制造企業(yè)數(shù)字化設計與數(shù)字化控制優(yōu)勢的發(fā)揮，使制造企業(yè)不能發(fā)揮其應具有高效率，形成了信息化鏈條中最弱的一個環(huán)節(jié)[1]。具備可直接將生產計劃下達到生產設備的數(shù)字工廠管理信息系統(tǒng)將是一座連通企業(yè)所有信息孤島的一座橋梁，使孤立的數(shù)據信息匯集成一個有機的信息整體。要實現(xiàn)上層管理軟件與下層生產設備的互動，就必須實現(xiàn)上層管理信息系統(tǒng)與控制設備的組態(tài)軟件之間的數(shù)據交換[2]。

1 數(shù)字工廠的三層結構模型

為了解決生產計劃的適應性以及增加底層生產過程的信息流動，提高計劃的實時性和靈活性。制造企業(yè)的數(shù)字工廠建成如圖1的三層集成模型，這種模型符合CIMS的遞階控制思想。

計劃層：強調企業(yè)的計劃性。充分利用企業(yè)內的各種資源，進行全理調配，可以根據訂單進行物料需求運算，安排生產計劃。數(shù)字工廠管理信息系統(tǒng)從生產管理的角度來看，屬于企業(yè)的計劃層。

控制層：控制層強調計劃的執(zhí)行和控制。數(shù)字工廠的控制系統(tǒng)通過組態(tài)軟件來實現(xiàn)對生產設備層進行控制。

執(zhí)行層：是指由生產計劃的最終執(zhí)行者，即由工廠內所有的生產設備所組成，這些生產設備都通過線纜與控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件相連接。

2 數(shù)據交換接口

數(shù)字工廠在使用組態(tài)軟件來開發(fā)生產設備控制系統(tǒng)。為了實現(xiàn)兩系統(tǒng)的集成和信息共享，必須進行基于兩系統(tǒng)功能的對接，分別進行數(shù)據接口的設計開發(fā)，使數(shù)字工廠管理信息系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相對獨立，提高系統(tǒng)的靈活性，減少數(shù)字工廠管理信息系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的內部耦合度。根據企業(yè)自己的實際應用環(huán)境和目標需求確定解決方案[3]。選擇數(shù)據庫作為數(shù)據交換的媒介，而數(shù)字工廠管理信息系統(tǒng)與控制系統(tǒng)數(shù)據交互接口的具體功能則是管理信息系統(tǒng)與控制系統(tǒng)同時維護著一個數(shù)據表。

數(shù)字工廠管理信息系統(tǒng)中接口模塊的設計原理如圖2所示。

位于最上層-計劃層的數(shù)字工廠信息管理系統(tǒng)開放一個數(shù)據表可供控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件訪問，這張表稱為接口表。管理信息系統(tǒng)向組態(tài)軟件傳遞指令時，可以將要傳遞給的數(shù)據生成指令字符串存入緩存表中，并把緩存表中最早存入的指令字符串放入接口表中，狀態(tài)設為“new”；控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件每0.5 s讀取一次接口表，當表中的指令狀態(tài)為“new”時，讀取這條數(shù)據，并將狀態(tài)置為“old”；生產計劃調度系統(tǒng)的接口模塊也設置每0.5 s訪問一次接口表，當發(fā)現(xiàn)狀態(tài)為“old”時，就從緩存表中按順序取出一條新的字符串數(shù)據放入到接口表中，到此完成了一次管理信息系統(tǒng)向組態(tài)軟件傳遞數(shù)據?？刂葡到y(tǒng)組態(tài)軟件的信息反饋與此過程相似，從而實現(xiàn)數(shù)據的雙向流通。

在系統(tǒng)中設計緩沖表的原因在于機械動作需要時間，控制系統(tǒng)控制生產設備執(zhí)行動作相對于計算機的運算比較緩慢，在生產設備沒有完成某指令時，管理信息系統(tǒng)可能又生成一新指令信息等待執(zhí)行，這時就要在接口表前面加上一個接口緩沖表，用來存放暫時無法放入接口表的指令信息。管理信息系統(tǒng)生成的指令字符串依時間先后存入接口緩沖表中，此時這些指令的狀態(tài)都是“未進入接口表”。生產計劃調度系統(tǒng)的接口模塊可以對接口表進行監(jiān)視，如果發(fā)現(xiàn)接口表的數(shù)據已經被讀取則立刻從接口緩沖表中取出時間最靠前的“未進入接口表”的指令放入接口表中，同時將位于接口緩沖表中的這條指令的狀態(tài)改為“已進入接口表”，等待控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件讀取。同時管理信息系統(tǒng)的接口模塊還要監(jiān)視控制系統(tǒng)的組態(tài)軟件傳入數(shù)據，一旦發(fā)現(xiàn)新數(shù)據（即此數(shù)據的狀態(tài)為“new”時）就立刻讀取并進行處理，處理完成后還在將位于接口表中的數(shù)據狀態(tài)改為“old”表示已讀。

3 數(shù)據交換編碼

管理信息系統(tǒng)向控制系統(tǒng)傳遞的數(shù)據以指令形式放入接口，在管理信息系統(tǒng)與控制系統(tǒng)間已經建立完整的信息格式協(xié)議。所有的指令都是長度不超過60個字符的字符串，以便于接口整條的讀取和寫入。指令主要有為庫位指令，加工指令等。

3.1 庫位指令

數(shù)字工廠立體倉庫的貨架是并列的貨架，在立體倉庫貨架中間有一臺堆垛機，堆垛機可以在貨架中間任意移動，取放放置物料的周轉箱。關于庫位指令只有三種，單點入庫、單點出庫、單點移庫。批量操作時系統(tǒng)會將自動將批量動轉化為許多單點操作。

例如，控制系統(tǒng)從接口中獲得的單點移庫指令為：

YK001B1213A0102

其中YK001指的移庫單號碼，當移動動作完成后控制系統(tǒng)將通過接口把這個號碼反饋給管理信息系統(tǒng)；

B1213：堆垛機取周轉箱的位置代碼，其中B表示是第2排，12表示第12層，13表示第13列；

A0102：堆垛機放周轉箱的位置代碼，其中A表示是第1排，01表示第1層，02表示第2列；

組態(tài)軟件會將指令解析成MOVE B1213 A0102并將這個字符串發(fā)送到堆垛機上。堆垛機就會從將B1213處的周轉箱移動到A0102庫位。

3.2 加工指令

管理信息系統(tǒng)中生成了生產計劃后，針對每一個零件都會產生一條加工指令放入緩沖表，并由接口模塊適時地從緩沖表中取出加工指令填入接口表中。加工指令格式如下：

9FEA0101LA0102A0103LA0104A1B2 C3D4A5D6A7E8F9A1B2C3D4A5D6

指令包含了一個零件的毛壞所在庫位，制成成品存放的庫位，以及每一道工序所在工位和對應的程序等信息。指令的具體意義可以參考表1。

根據表1可知，控制系統(tǒng)獲取這條指令后從A0101L處取出物料，并為其分配零件號9FE（用于跟蹤物料的加工進度），物料經過生產線到第一個加工工位，進行第一道工序的加工，使用機器編號為A，加工所用程序為1；之后，物料經過生產線到第二個加工工位，進行第二道工序的加工，使用機器編號為B，加工所用程序為2；……；指令字符串的所工序完成后成品將送回A0103L這個庫位中去。

4 結論

通過文章所介紹的數(shù)據交換方法，只需在數(shù)字工廠的管理信息系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間分別開發(fā)數(shù)據接口模塊，進行數(shù)據傳遞格式的設計，就能保障企業(yè)頂層與底層信息的流通性。從數(shù)字工廠管理信息系統(tǒng)產生的生產計劃可以通過接口直接傳遞給控制系統(tǒng)，從而驅動生產設備進行生產。在數(shù)據交換的編碼格式上還可以進一步的抽象，使編碼可以包含更多信息，例如裝配，涂裝等操作的信息。文中提出數(shù)據交換方法，允許數(shù)字工廠的管理信息與控制系統(tǒng)進行獨立的開發(fā)，降低了數(shù)字工廠軟件部署實施的難度和時間，具有一定的應用前景。

參考文獻

[1]胡鑫.MES與ERP系統(tǒng)集成接口的研究與設計[D].長沙：湖南大學，2006.

[2]倪海鷗.制造業(yè)ERP項目實施全過程風險管理[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2012，323（5）：6-9.

[3]蔡瀟雨.基于MES實時數(shù)據采集與控制系統(tǒng)的研究與設計[D].上海：上海交通大學，2012.