基于三菱SFC 顺序功能图的CIM 系统的设计及实现

王 毅， 张辰星

（中电科风华信息装备股份有限公司， 山西 太原 030024）

引言

工业从1.0 时代发展到4.0 时代，已经远远超出了生产制造本身，更多表现为企业如何精准控制成本，按需、快速、个性化地完成定制生产，实现生产、管理和营销方式的变革，逐步增强市场竞争能力。综合来看，工业应用体现出网络化、数字化、智能化的三大特点，这对整个生产制造周期提出了诸多方面的挑战。随着海量的设备接入使得身份鉴定、设备管理等成为工业安全的隐患。当前智能生产线中，高度协同的生产单元涉及各种生产设备，这些设备的身份辨识可信、身份管理可信、设备访问控制可信是多方协作的基础，也是实现人与设备、设备与设备之间的高效、可信、安全地交换设备信息的关键，同时，这也对设备全生命周期的管理过程及企业智能化管理提出了新的要求。

CIM生产智能采集系统，是一种专门针对在区块链工业化生产中，实现全方位管理的智能处理方案，其终端可以实现数据识别、数据采集、数据备份以及信息传输等多种功能，还可以通过控制中心实现对大量终端设备的管理和控制。通过终端与MES（后台管理系统）的配合，实现流水线控制、物料跟踪及可追溯等管理功能，被越来越多的现代企业重视及应用。

1 目前CIM 系统设计现状及SFC 优势

1.1 CIM系统设计现状

目前针对CIM系统的设计，就编程载体来说，主要分为工控机及可编程控制器（PLC）两种方式，其中又以PLC 编程最为多见。PLC 编程逻辑性强，但对软件工程师要求较高，对于需要存储、处理、传输大量信息的CIM系统设计来说，若按照常规思路设计程序，会产生大量繁杂的工作，同时又不利于后期系统的维护[1]。

以面板生产厂家所使用的自动化生产线为统计对象，在用PLC 设计CIM 系统时，目前很少有人采用顺序功能图（Sequential Function Chart，SFC）的设计方式，究其原因，一来是因为CIM系统属于智能制造下的新产物，在行业内并没有形成统一的规范及标准；二来是CIM程序载体繁多，有三菱、欧姆龙、松下及其他可编程控制器等，其中有些可编程控制器是不支持SFC 功能的。传统编程方法如图1 所示。

图1 传统编程方法

CIM系统要求具备极高的通讯速度，在信息处理中，若采用传统梯形图或结构化编程，往往在监控时不容易捕捉目标点；同时，对于逻辑规范明显的项目，从头至尾的编程方式，又突显了传统方法的不足，因此在程序设计时，采用一种既能方便设计，又方便监控，同时又具可维护性的设计方法，显得尤为重要。

1.2 SFC 在CIM设计中的优势

顺序功能图(Sequential Function Chart，SFC)是分析和设计电气控制系统顺控程序的重要工具，同时又是一种PLC 编程语言。它主要由步、动作和转换组成。通过将一个复杂的顺控过程分解为一些小的工作步序，对每个工步的功能分别处理后再将它们依顺序连接，组合成整体的控制程序。它提供了一种组织程序的图形方法，体现了一种编程思路，主要表述为是由一个状态在满足一定的转换条件时转移到另一个状态。状态即为“步”。所以，顺序功能图也称为状态转移图，如图2 所示。

图2 SFC 示意图

CIM系统主要分为三个部分：一是区块链节点设备向CIMPC 上报事件；二是CIM PC 向节点设备下发指令；三是节点设备与CIM PC 之间的数据交互。无论哪一种形式的信息交互，都有时序固定、逻辑清晰这两个特点，而SFC 编程方式，本身又适用于时序固定及逻辑性强的大型程序的设计，因此，SFC 为CIM系统提供了一种很好的设计方法。

2 程序设计

本设计基于三菱 Q06UDV CPU， 使用MELSOFT GX Works2 进行编程，实现了对区块链中某节点设备数据包的上报及控制。本文以某项目CIM 系统中的一部分—上料Port 为例，阐述设计思想及相应成果[2-3]。

上料Port 主要实现对物料的接收，根据某智能工厂关于CIM 的通用规格，上料Port 处，主要根据不同的节点实时更新Port 状态，并上报给CIMPC，CIMPC 根据Port 口状态及其信息流，给对应设备下发指令及信息，从而实现设备Port 口的管控及上料进程。CIM信息上报设计流程图，如图3 所示。

上料请求后，本区块链设备向CIM PC 报送“Port No Cassette Exist”状态，待MES 系统回复后，执行扫码流程，并报送“VCR Read Result Report”事件，MES 确认回复后，报“Port Cassette Exist”状态，MES收到Exist 状态后，给设备回复，设备向MES 请求“Port Tray Quantity Request”，MES 根据设备请求内容，查询数据库，并下发相应信息给请求者，若查询OK，区块链设备切成“Waiting for data”状态，并执行信息下载；若查询NG，区块链报警，并跳转离开。

当区块链设备得到产品信息后，将设备状态切成“Waiting for start”状态，MES 下发PPID 信息，区块链设备自动分析查询PPID，若符合本机Recipe，切设备状态为“Waiting for processing”并Receive；若PPID 中所含信息可以在本区块设备中找到，且是合法信息，区块设备自动切换Recipe，并跳转执行相应流程；若MES 直接Cancel，区块链设备停止进料，并跳转到下料流程。程序设计如图4 所示[4]。

图3 Port 处CIM 信息设计流程图

图4 程序设计界面

3 结论

1）通过本设计可以看出，SFC 编程方法在应用时，程序不同于传统梯形图的设计，而是通过绘制功能流程图实现。SFC 编程方法富有逻辑性且直观，易于在复杂逻辑程序中高效编程、检查、调试和修改，而时下在工业生产中最热门的CIM 系统，对上报信息的时序性要求相对固定，正好符合SFC 编程的特点。

2）将三菱SFC 编程的方法应用在某智能工厂CIM系统的开发实践中，项目实践结果表明：通过采用SFC 编程方法，很大程度上提高了CIM系统设计的效率；该控制系统功能稳定，使用方便，又具有良好的可维护性；若可编程控制器不支持SFC 功能，亦可在梯形图程序的设计中采用此思想，对CIM 系统的开发会大有帮助。