車間制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）是面向車間的生產(chǎn)過(guò)程管理的實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)。它填補(bǔ)了上層生產(chǎn)計(jì)劃與底層工業(yè)控制之間的鴻溝，可以為用戶營(yíng)造一個(gè)可視、實(shí)時(shí)、精細(xì)、可追溯的制造環(huán)境，因此近10年來(lái)在國(guó)際上得到迅速發(fā)展。國(guó)內(nèi)，越來(lái)越多的企業(yè)也認(rèn)識(shí)到MES在企業(yè)信息化中舉足輕重的地位，開(kāi)始逐步實(shí)施MES系統(tǒng)。
MES最大的價(jià)值就是數(shù)據(jù)和信息的轉(zhuǎn)換。如果把MES比喻為人，那么生產(chǎn)數(shù)據(jù)就相當(dāng)于人的血液系統(tǒng)。離開(kāi)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集，生產(chǎn)管理部門(mén)不能及時(shí)、準(zhǔn)確地得到工件生產(chǎn)數(shù)量；不能自動(dòng)獲得機(jī)床開(kāi)工狀況和主軸運(yùn)轉(zhuǎn)情況；不能準(zhǔn)確分析設(shè)備利用率等瓶頸問(wèn)題；無(wú)法準(zhǔn)確、科學(xué)地制定生產(chǎn)計(jì)劃；無(wú)法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理協(xié)同?？梢?jiàn)，只有有效的實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，才能使得MES系統(tǒng)從根本上解決車間管理中計(jì)劃跟蹤遲滯、設(shè)備利用率低、產(chǎn)品質(zhì)量難以提升等問(wèn)題。本文根據(jù)作者在離散制造企業(yè)實(shí)施MES生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的實(shí)踐，總結(jié)分析了離散制造企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)、內(nèi)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(yè)MES中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)
由于連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)與離散工業(yè)生產(chǎn)在設(shè)備、物料和產(chǎn)品特點(diǎn)的差異。導(dǎo)致了兩種類型的工業(yè)生產(chǎn)在制造管理中存在諸多差異，進(jìn)而決定了相應(yīng)的MES的不同。離散制造企業(yè)的車間制造執(zhí)行過(guò)程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集體現(xiàn)出以下特點(diǎn)：
（1）隨著企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇，越來(lái)越多的離散制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)多品種小批量訂單生產(chǎn)方式。如航天制造企業(yè)，產(chǎn)品品種多達(dá)上千種，每種產(chǎn)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(chǎn)）。這給企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集帶來(lái)挑戰(zhàn)。
（2）離散制造企業(yè)多品種、多型號(hào)的機(jī)床并存，導(dǎo)致難以預(yù)先設(shè)定較為準(zhǔn)確設(shè)備產(chǎn)能。許多企業(yè)員工的能力參差不齊，缺乏—批穩(wěn)定的技工。生產(chǎn)計(jì)劃在各種因素的影響下，插單現(xiàn)象頻繁（如大型發(fā)動(dòng)機(jī)制造），突發(fā)事件多，這加劇了生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的復(fù)雜性。
（3）相對(duì)流程制造企業(yè)，離散型制造企業(yè)設(shè)備功能冗余度大，往往擁有大量的機(jī)床和數(shù)控設(shè)備。這些機(jī)床和數(shù)控設(shè)備種類多、品牌雜、新老并存（國(guó)有企業(yè)這種隋況尤甚）。設(shè)備的協(xié)議與接口種類差別很大，通訊接口之間兼容性差。有些數(shù)控設(shè)備沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)接口、只提供軟驅(qū)或串行口，因此數(shù)據(jù)采集難度大。
（4）由于每個(gè)操作可能涉及不同的物料、設(shè)備、工具及文檔等資源，這些資源離散地分布在企業(yè)中。因此在異步、并發(fā)的離散流程中，需要采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)種類多，彼此之間關(guān)聯(lián)性高。
（5）許多離散制造企業(yè)產(chǎn)品零部件的加工工藝復(fù)雜、質(zhì)量要求高。如航天類產(chǎn)品，質(zhì)檢工作是生產(chǎn)的重要組成部分，需要對(duì)質(zhì)量過(guò)程進(jìn)行全面管理。質(zhì)量數(shù)據(jù)采集是數(shù)踞采集的重要組成部分。
因此，離散制造企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集實(shí)施不同于一般的信息化軟件系統(tǒng)的實(shí)施，它是一件工程實(shí)踐性很強(qiáng)的工作。它不僅與MES應(yīng)用模塊需要的數(shù)據(jù)類型相關(guān)，還與車間設(shè)備配置、空間布局、人員構(gòu)成與素質(zhì)、產(chǎn)品類型、實(shí)施成本等因素相關(guān)。此外，在實(shí)施過(guò)程中，還需要涉及設(shè)備選型、布線、安裝調(diào)試、整合PLC控制設(shè)備、連接電子看板等諸多細(xì)節(jié)。
2、離散制造企業(yè)MES中數(shù)據(jù)采集應(yīng)用方案分析
航空、航天、裝備、造船等離散制造企業(yè)，將其生產(chǎn)數(shù)據(jù)分為：（1）帶有時(shí)標(biāo)的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)；（2）帶有時(shí)標(biāo)的報(bào)警、消息、生產(chǎn)事件信息；（3）手工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（如果各種理化檢測(cè)指標(biāo)）；（3）計(jì)量數(shù)據(jù)（如稱重?cái)?shù)據(jù)）；（4）批次信息（如批次號(hào)碼，批次執(zhí)行狀態(tài)等）。為了保證這些數(shù)據(jù)的成功采集以及在MES中的成功應(yīng)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(shí)時(shí)性原則。MES系統(tǒng)的有效運(yùn)行需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供全面的車間動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。部分生產(chǎn)類型數(shù)據(jù)的缺失、或者部分設(shè)備信息的缺少，都將影響MES應(yīng)用模塊作用的發(fā)揮。各種帶有時(shí)標(biāo)的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)以及報(bào)警、消息、生產(chǎn)事件信息是有時(shí)效性的，延時(shí)的記錄和存儲(chǔ)將會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用錯(cuò)誤甚至失敗，因此需要借助實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)以及數(shù)據(jù)引擎實(shí)時(shí)獲取這些數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算，實(shí)時(shí)分析，實(shí)時(shí)報(bào)表等應(yīng)用。
②多種采集技術(shù)綜合應(yīng)用、人機(jī)結(jié)合原則。離散制造企業(yè)生產(chǎn)層既包括大量的復(fù)雜制造設(shè)備，也具有大量的手工工位，如圖1生產(chǎn)層所示。圖中：M—車間的設(shè)備或工位。任何一種方法均難以覆蓋企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集。因此，離散型制造車間數(shù)據(jù)采集方式必然是多種數(shù)據(jù)采集技術(shù)的綜合應(yīng)用。在工程應(yīng)用中，為了經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，離不開(kāi)人杌結(jié)合原則。雖然，人工介入的數(shù)據(jù)采集具有“不可靠”的隱患，但是，這是保證數(shù)據(jù)完整性和采集經(jīng)濟(jì)性不可避免的手段。人工介入數(shù)據(jù)采集需要通過(guò)制度、考核手段的改進(jìn)來(lái)保證采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。
③易于集成應(yīng)用原則。生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集處于MES應(yīng)用系統(tǒng)與生產(chǎn)設(shè)備控制系統(tǒng)的中間層，MES系統(tǒng)需要基于這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)訂單管理、計(jì)劃排產(chǎn)、調(diào)度跟蹤以及物料管理，并將這些信息通過(guò)各種圖表等可視化方式在車間實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控。必要時(shí)，還需要將某些生產(chǎn)信息通過(guò)ERP/MES的集成接口，傳遞到ERP系統(tǒng)，為企業(yè)上層管理部門(mén)決策所用。
4、離散制造企業(yè)MES中數(shù)據(jù)采集方式分析
根據(jù)離散制造企業(yè)MES中生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)，其常用的數(shù)據(jù)采集方式包括DNC網(wǎng)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(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需要結(jié)合實(shí)際企業(yè)的個(gè)體情況，有選擇地綜合應(yīng)用這些方式，以滿足離散制造企業(yè)MES生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的各項(xiàng)原則。
4.1 DNC網(wǎng)卡方式
為了設(shè)備集中管理和控制的需要，—些大的數(shù)控系統(tǒng)廠商針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)都開(kāi)發(fā)有專用的DNC接口，該接口許可利用外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，采用基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)傳輸％DNC網(wǎng)卡方式可以采集到設(shè)備各類帶時(shí)標(biāo)生產(chǎn)過(guò)程信息以及帶時(shí)標(biāo)的設(shè)備報(bào)警信息，包括當(dāng)前程序名（零件名稱）、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障報(bào)告、數(shù)控設(shè)備的開(kāi)機(jī)時(shí)間、主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等。
實(shí)踐過(guò)程中，值得注意的是，為了技術(shù)的獨(dú)占和保密的需要，各家數(shù)控系統(tǒng)廠商對(duì)DNC接口的訪問(wèn)都設(shè)置了技術(shù)障礙，必須采用他們提供的接口開(kāi)發(fā)工具包軟件才能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，或者是利用他們提供的用于自己系統(tǒng)的管理軟件。而數(shù)控系統(tǒng)廠商往往不直接對(duì)一般軟件廠家授權(quán)這些開(kāi)發(fā)工具包，而只對(duì)機(jī)床廠家授權(quán)。因此，DNC網(wǎng)卡的采集方式在實(shí)施中往往受到數(shù)控系統(tǒng)品牌和版本的制約。
4.2 宏指令方式
一些數(shù)控系統(tǒng)可以在加工中向外部數(shù)據(jù)接口發(fā)送數(shù)據(jù)的“宏指令”，如，F(xiàn)ANUC，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(shè)備執(zhí)行該加工程序中同步發(fā)出代表開(kāi)始加工、當(dāng)前主軸轉(zhuǎn)速等的字符串。利用“宏指令”方法可以自動(dòng)采集部分帶時(shí)標(biāo)的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，包括：當(dāng)前程序名（零件名稱）、加工開(kāi)始時(shí)間、加工結(jié)束時(shí)間、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、當(dāng)前刀具號(hào)。實(shí)踐過(guò)程中，值得注意的是，“宏指令”方法只能用于具有宏功能的數(shù)控系統(tǒng)，采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容有限。實(shí)施過(guò)程中需要約束數(shù)控加工程序的編寫(xiě)規(guī)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(gè)網(wǎng)關(guān)，利用PLC通過(guò)RS與機(jī)床通信，可以從PLC直接讀取設(shè)備加工日志文件，采集各種所需的帶時(shí)標(biāo)的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，包括程序名稱、加工時(shí)間、進(jìn)給、轉(zhuǎn)速、刀具信息等，然后再通過(guò)PLC的以太網(wǎng)絡(luò)接口轉(zhuǎn)換信息給數(shù)據(jù)庫(kù)。
另一種方式是利用PLC直接采集機(jī)床的I/O信號(hào)，然后將信息傳遞給數(shù)據(jù)庫(kù)。這種方法采集的信息非常有限。而且這種采集方式需要對(duì)PLC進(jìn)行連線，實(shí)施過(guò)程中，往往引起企業(yè)的設(shè)備維修方面的顧慮。
4.4 RFID采集方式
利用射頻自動(dòng)識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification。RFlD）采集手工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、計(jì)量數(shù)據(jù)、物料批次數(shù)據(jù)等。將常用的信息打印到電子標(biāo)簽上，車間現(xiàn)場(chǎng)工人利用專用的有線或無(wú)線掃描器采信息，并通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)傳遞給數(shù)據(jù)庫(kù)，這種方式可以用在沒(méi)有數(shù)控系統(tǒng)的老舊的設(shè)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(shí)會(huì)受到一定限制，如測(cè)量檢驗(yàn)中具體的計(jì)量數(shù)值的采集。因此，作為補(bǔ)充，配合RFID方式，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(chǎn)數(shù)據(jù)，而且這種方式還可以用于生產(chǎn)數(shù)據(jù)，而且這種方式還可以用于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)查詢。
此外，錄像監(jiān)控可以進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)視頻信息的獲取，實(shí)現(xiàn)整個(gè)車間生產(chǎn)的透明化。
5、小結(jié)
實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集并實(shí)現(xiàn)集成應(yīng)用是MES得以成功的重要基礎(chǔ)，離散制造企業(yè)MES建設(shè)中應(yīng)該充分考慮其數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)，在采集過(guò)程中，根據(jù)完整性、實(shí)時(shí)性原則、多種采集技術(shù)綜合應(yīng)用、人機(jī)結(jié)合原則、易于集成應(yīng)用原則，運(yùn)用多種數(shù)據(jù)采集方式，并利用計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)通信設(shè)備、各種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的有機(jī)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)生數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用。
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