智能制造执行系统—SIMATIC-IT

智能制造执行系统——SIMATICIT西门子的制造执行系统平台的名称是“SIMATICIT”，是一套优秀的工厂生产运行系统，它提供了“模型化”的理念，可用于工厂建模和生产操作过程的模拟；它的整个功能体系都是依照功能以模块和组件的协同工作来执行的。此平台的优点包括，它所实施的MES项目是采用ISA-95国际标准进行整体流程的搭建，可以满足几乎所有生产执行功能的要求；SIMATICIT以“框架+组件”的灵活结构，提供方便和可配置的系统功能来满足客户的需求；在技术层面上采用了以服务为支撑的业务流程，对外接口可以使用标准通信协议；对于需要客制化的功能，提供系统接口和开发环境，对外数据的传输进行客制化开发。简单来说，西门子的企业运维管理系统SIMATICIT完全契合企业系统与控制系统集成的国际标准ISA-95，且由一组专门的组件和软件库组成。图6-1为SIMATICIT在整个企业系统中的层级功能与上下游系统的关系。西门子有世界一流的硬件控制系统，能与自己的SIMATICIT进行无缝连接，而上层的PLM产品也为西门子重要的产品设计软件，能够和SIMATICIT进行工艺文件传递。对于第三方的底层控制系统，SIMATICIT可以使用标准的OPC协议进行数据采集；对于上层的其他业务系统，可以采用B2MML的国际标准数据协议进行通信。工厂的建模体系：SIMATICIT有着一整套建模体系，所有的工作流程都可以在建模器中建立实际的模型，模拟工厂的生产状况。为了实现流程的多样化适应目标，可以在编辑更新流程的时候，使用不同版本来控制，既更新了产品生产的流程，又保留原有的模型不受影响，这就给产品生产增添了许多灵活性。在建模过程中对每一个模块的定义和流程段的说明，更让整个工厂的生产处于透明化监控之下。在SIMATICIT建模器中，每一个图标都是一个功能控件，SIMATICIT提供了丰富的控件来以图形的方式进行设计，并用拖拉和连线的方式快速建立各种流程，以配置内部信息，从而将不同的流程集成为一个系统。这样的生产线建模大大地降低了工程量，提高了部署速度和可扩展性。图1　SIMATICIT架构图1　数据展现和功能系统MES需要尽可能地采集生产线上的数据，以便实际分析整个生产的运行情况。SIMATICIT通过与底层自控系统集成来实现数据采集，借助不同领域的行业库，完成行业规范的各种分析和运算，然后给管理业务部门提供进行决策的重要数据。对于不同的需要，从流程行业到离散行业，SIMATICIT产品都可以提供数据相关的解决方案，实现数据采集与数据交互。在构架数字化工厂的战略之中，西门子在企业管理层的智能套件、研发套件和产品生命周期相关软件都与SIMATICIT对接，并将企业层面上的工艺设计数据、产品研发数据、行业规范数据和工单物料数据都传输给MES。让多方位的系统融入数字化体系，打通封闭的数据孤岛，在MES作为中心通道的框架下共享整体制造的丰厚信息。从图6-2可以看到，SIMATICIT是一个系列产品，包含了几乎整个制造的各个方面和相关系统，其行业库更是覆盖从离散到流程的全行业。其中针对生命科学，因其行业的特殊性和行业合规的严格审查制度，SIMATICIT有特殊的产品和解决方案来满足客户需求。所有这些行业库也都是基于工厂的数据采集，还有其他周边软件系统提供的业务信息，例如订单、物料、工艺等，然后进行数据整合并生成MES需要的结果，当然这些整合后的数据将和其他系统共享。因此原始数据和数据采集的重要性也就成为了MES成功运行的关键。图2　SIMATICIT制造行业产品组合1.1　控制系统的数据管理数字化系统的重要基础就是数据的获取和存储。SIMATICITHistorian是西门子MES解决方案中的重要模块，是专门用于数据采集、数据处理和数据分析的组件，它可以从各种不同的设备中采集数据，也会将来自各种不同系统的数据进行统一使用和存储，以满足企业对数据收集和利用的目的。SIMATICITHistorian可以作为一个独立产品使用，即单为企业提供数据采集、处理和管理的解决方案，但更大的功能是作为生产线数据的收集系统，来为MES项目提供实时和现场的第一手信息。如果你选择了西门子的MES整体解决方案，SIMATICITHistorian就会起到一个信息中心的作用，并通过MES为企业提供高效的关键绩效指标（KPI）分析。在国际标准ISA-95的范围内SIMATICITHistorian可涵盖以下领域：·实时数据采集。·历史数据管理。·生产过程分析。·质量标准监控。模块中主要的名词解释：·数据点（Tag）：每一个数据点就是需要采集、验证和归档的最小单元。·数据获取通道（OPCDAC）：自动配置连接数据点和WinCC无缝连接。·工厂绩效分析器（PPA）：存储采集的各种数据。·历史数据展示（HDD）：把收集起来的数据，进行各种图形曲线展示。·管理工具（PPA-AT）：管理数据采集的项目、数据库，以及数据库备份。·工厂数据备份（PDA）：压缩大量数据到备份数据库。在应用层面，SIMATICITHistorian进行数据连接时，可在网络上直接看到所有的OPC开放服务器。这就简化了不同系统之间的数据连接，因为根据OPC的标准协议，各种不同厂商的数据系统都在使用，都可以接到SIMATICIT的平台上，如此就简化了数据采集的难度，而这些硬件设备和控制系统的供应商需要给出的就是数据点的信息列表。数据连接配置：·自动在网络中寻找OPC服务器。·选择数据采集的OPC服务器。·选择具体的数据点。在连接遵循标准协议的第三方控制系统的时候，SIMATICITHistorian的配置过程非常简便，在网络畅通的情况下，输入几个系统配置参数，数据服务器之间就开通了数据通道。例如自动化设备系统连入OPC服务器后，SIMATICITHistorian就可以对其开放的数据点进行实时读取（见图3）。图3　系统间的通信配置一般来说，自动化设备只保证生产运行正常就可以了，并不保存过往的数据，它们的监控画面主要是实时管理，而MES却可以完整保留生产的历史数据，两者结合，就可以对生产进行追溯，对效率进行分析，起到之前工厂单个系统难以达到的作用（见图4）。在数据接口为标准的状况下，MES对自动化设备的数据采集会成为简单的配置过程。自动化系统原先并不保存的历史数据也将完整地存储在MES里面。这样就给出了针对整个生产线分析的基础数据。而在采集的过程中，实时数据的展示也为SIMATICITHistorian的一大亮点（见图5）。它可以像WinCC的人机界面系统一样，直接监视现场生产的状况。两个数据点在一个图形中的数据展示例子如下：·随机数的曲线展示。·布尔值的周期展示。1.2　业务系统的数据管理对于工厂生产业务来说，物料管理是个典型的范例，它关联了客户的订单、生产的工艺，以及人员和物流的各种信息。在数字化工厂的体系下，整个生产过程中的物料流动带动了生产信息的变化，也把MES大框架内上层和下层的数据整体结合了起来。图4　自动化系统和MES界面展示图5　设备的实时数据库和数据采集（SIMATICITHistorian）物料管理器（MaterialManager）是SIMATICIT系统的主要功能器件，不仅仅存储物料信息，而且会记录物料与整个生产过程中的工单、装配、成品等的一系列关系，这样会对物料在追溯过程中起到整体划一的作用。在SIMATICIT系统中，物料的管理有着非常有规划的结构。物料管理器的功能就是帮助回答ISA-95标准中“什么可以被生产”的问题。针对物料在生产中的应用以及物料的管理，SIMATICIT使用了层级性定义的方式来关联物料，并说明物料之间的各种组合关系。物料的结构：·系统中有层级关系。·按照结构进行定义。·层级和顺序相互关联。对于物料来说，构建物料体系颇为重要，为了区分各种不同的物料，又能在系统中可以顺利地查找物料，SIMATICIT使用了物料类型、物料类别和物料定义的层级构架来定义整个生产过程中的各种物料及其相关属性，如图6-6所示。SIMATICIT要求不能有不归类的物料，如果有了这样的物料，系统对成品的定义将会无法实现，在生产过程中，未定义的物料也将造成无法对物料清单有完整的说明，生产质量无法保证。1.物料类型（Type）·其定义一组物料类别，所有都和某特定生产相关。·对于一个物料类型，可以有多个物料类别与其相对应。2.物料类别（Class）·其定义了一组物料定义，用来在生产排程或生产过程中使用。·对于一个物料类别，可以有多个物料定义与其相对应。3.物料定义（Definition）·其描述生产拥有相似的特性，这些特性可以用来描述生产的产品。·对于一个定义，可以有多个物料批次与其相对应。在物料被定义清楚之后，实际的物料将按照物料定义进行管理，管理的方式以物料批次为概念，以实际物料使用的单位为量度，进行实际生产中需要的批次和子批次的划分。一个批次只能是同一种被定义的物料（见图7）。图6　物料层级构架图图7　物料定义层级架构图4.物料批次（Lot）·其序列号代表了特定数量的物料定义。·对于一个物料批次，可以有多个物料子批次与其相对应。5.物料子批次（Sublot）·其代表物料批次中某一个可管理的部分。·在生产中，可为特殊物料定义的实体。对于数字化工厂来说，物料清单是从工艺设计软件导入MES系统中的。数据在各种系统之间的传递，让生产系统能够自动获取正确的设计信息、工艺信息。整个生产工艺带动了正确的物料需求，而生产则会以物料清单（见图8）为基础进行装配，整个装配信息又存储于MES当中。图8　物料清单示意图6.物料清单·建物料清单包括：物料、名称、数量、单位等信息。例如：汽车的车身、车架、电动机、车轮。·配置物料清单包括：编辑详细物料清单、管理物料清单属性等信息。例如：整车需4个轮子的零部件配置比例、车身颜色的属性。物料在生产过程中不单单是不变的数量，而是不断变化的过程。为了满足对物料处理的说明，SIMATICIT提供了一整套的物料生产的辅助功能，可以对物料的搬运工具进行定义和说明，并对物料在生产区域中的存放和移动进行记录。7.辅助配置·搬运单元：代表某种可以批次装入物料的容器，例如：躲（Pallet）和箱（Box）。可以向其添加物料，也可以从中全部或部分地取出物料。·物料位置（Location）：位置为物理性的区域，用来存放某批次或子批次的物料，例如：工位、线边库。位置信息可以和在建模器中定义的车间（Site）、区域（Area）相关联。物料可以在位置间移动。8.物料管理器——追溯·向前追溯：系统展示对于生成所选择的批次而进行的操作；·向后追溯：系统展示对于使用所选择的批次而进行的操作。SIMATICIT的物料管理器有网页和视窗应用两种界面（见图9），可方便地按照物料的类型进行定义，并且对实际的物料进行批次区分。所有的物料都用唯一序列号进行编码，而相关物料的层级关系与实际物料的对应关系在系统中都给予了结构化的展示。图9　物料显示界面2　生产过程和生产管理传统企业的生产信息（机加工、热处理）大都是通过纸面方式进行记录的，由于生产信息比较多，容易出错，质量检验信息只记录结果，不登记具体数值，质量部门只知道检测结果，而不清楚检测数值。而当产品质量出现问题时，收集当初的生产信息和检验信息就比较困难，尤其是大批量生产的产品，问题更是严重。SIMATICIT使用了一系列的功能产品来保证生产过程中的正确运行。SIMATICIT的优势就是在各类数据被采集之后，这些数据能在系统中按照功能定义，进行相应的联系，从而使生产正常而有效地进行。其中产品定义和人员管理就是生产过程中不可或缺的重要功能。2.1　产品定义和产品生产MES产品定义管理器（ProductDefinitionManager，PDefM）是制造执行系统SIMATICIT中的一个组件，用来更简便地管理产品和生产，让不同产品能被配置在系统中，并让操作人员在生产过程中尽量节省工作，以便提高生产效率。产品定义管理器的功能是在配置过程中定义说明各种产品和生产所需的资源、步骤、过程。