微締裝備制造MES生產數據采集功能

車間制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）是面向車間的生產過程管理的實時信息系統。它填補了上層生產計劃與底層工業控制之間的鴻溝，可以為用戶營造一個可視、實時、精細、可追溯的制造環境，因此近10年來在國際上得到迅速發展。國內，越來越多的企業也認識到MES在企業信息化中舉足輕重的地位，開始逐步實施MES系統。

MES最大的價值就是數據和信息的轉換。如果把MES比喻為人，那么生產數據就相當于人的血液系統。離開生產數據采集，生產管理部門不能及時、準確地得到工件生產數量；不能自動獲得機床開工狀況和主軸運轉情況；不能準確分析設備利用率等瓶頸問題；無法準確、科學地制定生產計劃；無法實現生產管理協同?？梢?，只有有效的實現生產數據，才能使得MES系統從根本上解決車間管理中計劃跟蹤遲滯、設備利用率低、產品質量難以提升等問題。本文根據作者在離散制造企業實施MES生產數據采集的實踐，總結分析了離散制造企業生產數據采集的特點、內容，提出了采集的原則以及采集方式的選取方法。

1、離散制造企業MES中的生產數據采集的特點

由于連續工業生產與離散工業生產在設備、物料和產品特點的差異。導致了兩種類型的工業生產在制造管理中存在諸多差異，進而決定了相應的MES的不同。離散制造企業的車間制造執行過程中的生產數據采集體現出以下特點：

（1）隨著企業競爭加劇，越來越多的離散制造企業實現多品種小批量訂單生產方式。如航天制造企業，產品品種多達上千種，每種產品的批量較小，多的幾十件到上千件，少到幾件甚至單件（研制生產）。這給企業的生產數據采集帶來挑戰。

（2）離散制造企業多品種、多型號的機床并存，導致難以預先設定較為準確設備產能。許多企業員工的能力參差不齊，缺乏—批穩定的技工。生產計劃在各種因素的影響下，插單現象頻繁（如大型發動機制造），突發事件多，這加劇了生產數據采集的復雜性。

（3）相對流程制造企業，離散型制造企業設備功能冗余度大，往往擁有大量的機床和數控設備。這些機床和數控設備種類多、品牌雜、新老并存（國有企業這種隋況尤甚）。設備的協議與接口種類差別很大，通訊接口之間兼容性差。有些數控設備沒有網絡接口、只提供軟驅或串行口，因此數據采集難度大。

（4）由于每個操作可能涉及不同的物料、設備、工具及文檔等資源，這些資源離散地分布在企業中。因此在異步、并發的離散流程中，需要采集的生產數據種類多，彼此之間關聯性高。

（5）許多離散制造企業產品零部件的加工工藝復雜、質量要求高。如航天類產品，質檢工作是生產的重要組成部分，需要對質量過程進行全面管理。質量數據采集是數踞采集的重要組成部分。

因此，離散制造企業的生產數據采集實施不同于一般的信息化軟件系統的實施，它是一件工程實踐性很強的工作。它不僅與MES應用模塊需要的數據類型相關，還與車間設備配置、空間布局、人員構成與素質、產品類型、實施成本等因素相關。此外，在實施過程中，還需要涉及設備選型、布線、安裝調試、整合PLC控制設備、連接電子看板等諸多細節。

　2、離散制造企業MES中數據采集應用方案分析

航空、航天、裝備、造船等離散制造企業，將其生產數據分為：（1）帶有時標的生產過程數據；（2）帶有時標的報警、消息、生產事件信息；（3）手工實驗數據（如果各種理化檢測指標）；（3）計量數據（如稱重數據）；（4）批次信息（如批次號碼，批次執行狀態等）。為了保證這些數據的成功采集以及在MES中的成功應用，本文采用如圖l所示的方案。此方案遵循以下原則：

①完整性、實時性原則。MES系統的有效運行需要數據采集系統提供全面的車間動態數據。部分生產類型數據的缺失、或者部分設備信息的缺少，都將影響MES應用模塊作用的發揮。各種帶有時標的生產過程數據以及報警、消息、生產事件信息是有時效性的，延時的記錄和存儲將會導致應用錯誤甚至失敗，因此需要借助實時數據庫以及數據引擎實時獲取這些數據，并實現實時計算，實時分析，實時報表等應用。

②多種采集技術綜合應用、人機結合原則。離散制造企業生產層既包括大量的復雜制造設備，也具有大量的手工工位，如圖1生產層所示。圖中：M—車間的設備或工位。任何一種方法均難以覆蓋企業的生產數據采集。因此，離散型制造車間數據采集方式必然是多種數據采集技術的綜合應用。在工程應用中，為了經濟地實現數據采集，離不開人杌結合原則。雖然，人工介入的數據采集具有“不可靠”的隱患，但是，這是保證數據完整性和采集經濟性不可避免的手段。人工介入數據采集需要通過制度、考核手段的改進來保證采集數據的實時性和準確性。

　?、垡子诩蓱迷瓌t。生產數據采集處于MES應用系統與生產設備控制系統的中間層，MES系統需要基于這些實時數據進行統計分析，實現生產訂單管理、計劃排產、調度跟蹤以及物料管理，并將這些信息通過各種圖表等可視化方式在車間實時顯示監控。必要時，還需要將某些生產信息通過ERP/MES的集成接口，傳遞到ERP系統，為企業上層管理部門決策所用。

　　4、離散制造企業MES中數據采集方式分析

　　根據離散制造企業MES中生產數據采集特點，其常用的數據采集方式包括DNC網卡采集方式、宏指令采集方式、PLC采集方式以及RIFT）采集方式。在實際應用過程中，需要結合實際企業的個體情況，有選擇地綜合應用這些方式，以滿足離散制造企業MES生產數據采集的各項原則。

　　4.1 DNC網卡方式

為了設備集中管理和控制的需要，—些大的數控系統廠商針對數控系統都開發有專用的DNC接口，該接口許可利用外部計算機進行遠程監控，采用基于TCP/IP協議的以太網傳輸％DNC網卡方式可以采集到設備各類帶時標生產過程信息以及帶時標的設備報警信息，包括當前程序名（零件名稱）、設備運行狀態、故障報告、數控設備的開機時間、主軸運轉時間、設備運行參數等。

　　實踐過程中，值得注意的是，為了技術的獨占和保密的需要，各家數控系統廠商對DNC接口的訪問都設置了技術障礙，必須采用他們提供的接口開發工具包軟件才能實現對數控系統內部數據的訪問，或者是利用他們提供的用于自己系統的管理軟件。而數控系統廠商往往不直接對一般軟件廠家授權這些開發工具包，而只對機床廠家授權。因此，DNC網卡的采集方式在實施中往往受到數控系統品牌和版本的制約。

　　4.2 宏指令方式

　　一些數控系統可以在加工中向外部數據接口發送數據的“宏指令”，如，FANUC，HAAS，因此可以在加工程序中插入代表一定意義的“宏指令”，在設備執行該加工程序中同步發出代表開始加工、當前主軸轉速等的字符串。利用“宏指令”方法可以自動采集部分帶時標的生產過程數據，包括：當前程序名（零件名稱）、加工開始時間、加工結束時間、主軸轉速、進給速度、當前刀具號。實踐過程中，值得注意的是，“宏指令”方法只能用于具有宏功能的數控系統，采集的數據內容有限。實施過程中需要約束數控加工程序的編寫規范，并防止宏命令被操作工人惡意刪除。

　　4.3 PLC采集方式

　　PLC采集方式包括兩種，一種是將PLC作為—個網關，利用PLC通過RS與機床通信，可以從PLC直接讀取設備加工日志文件，采集各種所需的帶時標的生產過程數據，包括程序名稱、加工時間、進給、轉速、刀具信息等，然后再通過PLC的以太網絡接口轉換信息給數據庫。

另一種方式是利用PLC直接采集機床的I/O信號，然后將信息傳遞給數據庫。這種方法采集的信息非常有限。而且這種采集方式需要對PLC進行連線，實施過程中，往往引起企業的設備維修方面的顧慮。

　　4.4 RFID采集方式

　　利用射頻自動識別技術（Radio Frequency Identification。RFlD）采集手工實驗數據、計量數據、物料批次數據等。將常用的信息打印到電子標簽上，車間現場工人利用專用的有線或無線掃描器采信息，并通過以太網絡傳遞給數據庫，這種方式可以用在沒有數控系統的老舊的設備上或手工工位上。這種方式減少了操作工人信息輸入的工作量。

　　然而，RFID方式在采集的信息需要頻繁交互時會受到一定限制，如測量檢驗中具體的計量數值的采集。因此，作為補充，配合RFID方式，在現場設置終端（如觸摸屏終端），由工人直接在終端中輸入一些RFID方式不宜采集的具有較多交互的生產數據，而且這種方式還可以用于生產數據，而且這種方式還可以用于生產數據的現場查詢。

　　此外，錄像監控可以進行生產現場視頻信息的獲取，實現整個車間生產的透明化。

　　5、小結

　　實時、準確的生產數據采集并實現集成應用是MES得以成功的重要基礎，離散制造企業MES建設中應該充分考慮其數據采集的特點，在采集過程中，根據完整性、實時性原則、多種采集技術綜合應用、人機結合原則、易于集成應用原則，運用多種數據采集方式，并利用計算機、數據網絡語通信設備、各種技術標準和實時歷史數據庫軟件的有機組合來實現生數據的集成應用。

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