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汽车制造业中MES与PLC集成的常见握手方式及特点

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深度解析五种主流通信握手方式的实现机制、应用场景及优缺点,为汽车制造企业提供集成方案选型参考

在汽车制造业中,制造执行系统(MES)与设备层(尤其是PLC)的深度集成至关重要,其中PLC集成是主流形式。本文详细介绍了几种典型的MES与PLC通信握手方式及其特点,帮助工程师根据具体业务需求、数据特性和系统复杂度选择最适合的集成方案。

方式1:定期轮询抓取 (Periodic Polling)

高频读取
数据压缩
实时监控

应用场景

需要高频监控并记录用于实时曲线绘制和长期追溯的关键工艺参数(如热处理炉温度)。这类参数通常是连续变化的模拟量。

实现机制

通过OPC软件从PLC读取数据,以固定时间间隔(如每秒)写入实时数据库(RTDB)。

特点

  • 高频读取:数据获取频率高
  • 变化缓慢:数据值变化相对较慢
  • 数据压缩:实时数据库的数据压缩功能能有效处理大量重复或微小变化记录,节省存储空间

方式2:条件触发 (Condition-based Trigger)

事件驱动
效率高
数据打包

应用场景

收集主要用于质量追溯的工艺参数(如螺栓拧紧扭矩值)。当特定操作完成时触发数据采集。

实现机制

  • PLC在完成某个装配步骤或一组步骤后,将关键质量数据写入预设的数据交换区
  • PLC置位一个标志信号(如 DATA_READY = 1
  • MES持续扫描(轮询)该标志信号(例如每秒一次)
  • 当MES检测到 DATA_READY = 1 时,立即读取数据交换区中的所有质量追溯数据
  • 发动机准备离开工位时,PLC复位所有相关数据和标志位

特点

  • 事件驱动:数据采集由特定工序完成事件触发
  • 效率较高:避免了高频轮询,只在需要时读取数据
  • 数据打包:通常一次读取一组相关参数

方式3:请求-响应(单次握手)

简洁高效
封装性好
通用性强

应用场景

需要MES向PLC下发指令或数据(如下发工单至发动机上线工位),或PLC向MES上报离散数据。类似于IT系统的消息机制。

实现机制

  • (PLC → MES) PLC将请求数据写入 PLC_MSG 区,并置位 REQUEST_SENT
  • (MES → PLC) MES扫描到 REQUEST_SENT 后,读取 PLC_MSG,生成响应数据写入 MES_MSG 区,并置位 RESPONSE_SENT
  • (PLC) PLC扫描到 RESPONSE_SENT 后,读取 MES_MSG 并写入本地使用区,然后复位 REQUEST_SENTPLC_MSG
  • (MES) MES检测到PLC复位操作或超时后,复位 RESPONSE_SENTMES_MSG

特点

  • 简洁高效:核心数据交换仅需一个”请求-响应”来回
  • 封装性好:同一接口可通过不同 MSG 内容处理多种业务
  • 状态清理:后续步骤负责清理本次通信状态,为下次通信准备

方式4:请求-响应(双次握手)

状态清晰
调试友好
过程可见

应用场景

同样适用于工单下发等场景,相比方式3更强调状态确认和过程可见性。

实现机制

  • (PLC → MES) PLC将请求数据写入 PLC_MSG,置位 REQUEST_SENT
  • (MES → PLC) MES扫描到 REQUEST_SENT 后,读取 PLC_MSG,并置位 REQUEST_RECEIVED 作为确认
  • (MES → PLC) MES处理请求,生成响应数据写入 MES_MSG,置位 RESPONSE_SENT
  • (PLC → MES) PLC扫描到 RESPONSE_SENT 后,读取 MES_MSG 并写入本地,置位 RESPONSE_RECEIVED 作为确认
  • (MES) MES扫描到 RESPONSE_RECEIVED 后,复位所有相关数据和标志位
  • (PLC) PLC复位本地数据和标志位

特点

  • 过程清晰:将请求接收确认和响应接收确认分离,形成两次明确的握手
  • 状态指示强:额外的状态位为HMI监控和操作员提供了更明确的中间状态指示
  • 调试友好:中间状态位方便定位通信卡在哪一步
  • 相对繁琐:比方式3步骤更多,通信时序稍长

方式5:基于工位生产周期

高度结构化
强容错性
状态完备

应用场景

在一个工位内包含多个关键业务流程,需要MES与PLC进行多次数据交换(如下发工单 + 上报过站记录),且这些交换与工位的物理生产流程紧密绑定。

实现机制 (简化)

  • 车辆到达:PLC检测到车辆到位,置位 ENGINE_ARRIVAL
  • 工位就绪检查:PLC检查物料、设备等条件满足后,置位 STATION_READY
  • MES接收就绪 & 下发工单
  • PLC接收工单
  • 装配执行:PLC开始装配
  • 装配完成:PLC完成装配,置位 PLC_COMPLETE
  • MES执行过站逻辑
  • PLC确认完成
  • 车辆离开:PLC置位 ENGINE_LEAVE

特点

  • 高度结构化:通信流程严格映射工位的物理生产流程步骤
  • 状态完备:每个关键生产状态都有明确的信号体现,HMI监控极其清晰
  • 强容错性:状态机设计清晰,出错时容易跟踪定位问题环节
  • 最复杂:涉及的状态位和数据交换点最多,开发和维护成本相对较高

握手方式综合对比与选型建议

方式 核心特点 优点 缺点 典型应用场景
1 定期轮询抓取 简单,实时性强 数据量大,冗余多 关键模拟量监控(温度、压力)
2 条件触发 事件驱动,效率较高,数据打包 依赖PLC触发信号 质量追溯数据采集(拧紧结果)
3 请求-响应(单次握手) 简洁高效,封装性好 中间状态指示弱 工单下发、离散数据上报
4 请求-响应(双次握手) 状态指示清晰,调试友好 流程稍长,略复杂 需要明确确认的指令下发/上报
5 基于工位生产周期 流程清晰,容错性强,HMI友好 最复杂,开发维护成本高 复杂工位多步骤交互

选型建议:选择哪种握手方式取决于具体的业务需求、数据特性(实时性、重要性、频率)、对通信过程可见性和调试便利性的要求,以及对系统复杂度的容忍度。方式3和4是通用性较强的核心机制,方式5则在复杂关键工位提供最高的鲁棒性和可追溯性。

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