車間制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）是面向車間的生產(chǎn)過程管理的實時信息系統(tǒng)。它填補了上層生產(chǎn)計劃與底層工業(yè)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(huán)境，因此近10年來在國際上得到迅速發(fā)展。國內(nèi)，越來越多的企業(yè)也認識到MES在企業(yè)信息化中舉足輕重的地位，開始逐步實施MES系統(tǒng)。
MES最大的價值就是數(shù)據(jù)和信息的轉換。如果把MES比喻為人，那么生產(chǎn)數(shù)據(jù)就相當于人的血液系統(tǒng)。離開生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集，生產(chǎn)管理部門不能及時、準確地得到工件生產(chǎn)數(shù)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(chǎn)計劃；無法實現(xiàn)生產(chǎn)管理協(xié)同。可見，只有有效的實現(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劃跟蹤遲滯、設備利用率低、產(chǎn)品質(zhì)量難以提升等問題。本文根據(jù)作者在離散制造企業(yè)實施MES生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的實踐，總結分析了離散制造企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的特點、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
由于連續(xù)工業(yè)生產(chǎn)與離散工業(yè)生產(chǎn)在設備、物料和產(chǎn)品特點的差異。導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，進而決定了相應的MES的不同。離散制造企業(yè)的車間制造執(zhí)行過程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集體現(xiàn)出以下特點：
（1）隨著企業(yè)競爭加劇，越來越多的離散制造企業(yè)實現(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)采集帶來挑戰(zhàn)。
（2）離散制造企業(yè)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(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)計劃在各種因素的影響下，插單現(xiàn)象頻繁（如大型發(fā)動機制造），突發(fā)事件多，這加劇了生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的復雜性。
（3）相對流程制造企業(yè)，離散型制造企業(yè)設備功能冗余度大，往往擁有大量的機床和數(shù)控設備。這些機床和數(shù)控設備種類多、品牌雜、新老并存（國有企業(yè)這種隋況尤甚）。設備的協(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)控設備沒有網(wǎng)絡接口、只提供軟驅或串行口，因此數(shù)據(jù)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(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，需要對質(zhì)量過程進行全面管理。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)采集實施不同于一般的信息化軟件系統(tǒng)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(shù)據(jù)類型相關，還與車間設備配置、空間布局、人員構成與素質(zhì)、產(chǎn)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(diào)試、整合PLC控制設備、連接電子看板等諸多細節(jié)。
2、離散制造企業(yè)MES中數(shù)據(jù)采集應用方案分析
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）帶有時標的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)；（2）帶有時標的報警、消息、生產(chǎn)事件信息；（3）手工實驗數(shù)據(jù)（如果各種理化檢測指標）；（3）計量數(shù)據(jù)（如稱重數(shù)據(jù)）；（4）批次信息（如批次號碼，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(tǒng)的有效運行需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供全面的車間動態(tài)數(shù)據(jù)。部分生產(chǎn)類型數(shù)據(jù)的缺失、或者部分設備信息的缺少，都將影響MES應用模塊作用的發(fā)揮。各種帶有時標的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)以及報警、消息、生產(chǎn)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(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)引擎實時獲取這些數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)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(yè)生產(chǎn)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(chǎn)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(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)采集技術的綜合應用。在工程應用中，為了經(jīng)濟地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，離不開人杌結合原則。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)濟性不可避免的手段。人工介入數(shù)據(jù)采集需要通過制度、考核手段的改進來保證采集數(shù)據(jù)的實時性和準確性。
?、垡子诩蓱迷瓌t。生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集處于MES應用系統(tǒng)與生產(chǎn)設備控制系統(tǒng)的中間層，MES系統(tǒng)需要基于這些實時數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，實現(xiàn)生產(chǎn)訂單管理、計劃排產(chǎn)、調(diào)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(jiān)控。必要時，還需要將某些生產(chǎn)信息通過ERP/MES的集成接口，傳遞到ERP系統(tǒng)，為企業(yè)上層管理部門決策所用。
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，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。在實際應用過程中，需要結合實際企業(yè)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(yè)MES生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的各項原則。
4.1 DNC網(wǎng)卡方式
為了設備集中管理和控制的需要，—些大的數(shù)控系統(tǒng)廠商針對數(shù)控系統(tǒng)都開發(fā)有專用的DNC接口，該接口許可利用外部計算機進行遠程監(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備各類帶時標生產(chǎn)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(tài)、故障報告、數(shù)控設備的開機時間、主軸運轉時間、設備運行參數(shù)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(shù)控系統(tǒng)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(fā)工具包軟件才能實現(xiàn)對數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的訪問，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)廠商往往不直接對一般軟件廠家授權這些開發(fā)工具包，而只對機床廠家授權。因此，DNC網(wǎng)卡的采集方式在實施中往往受到數(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”，在設備執(zhí)行該加工程序中同步發(fā)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(chǎn)過程數(shù)據(jù)，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(shù)控系統(tǒng)，采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容有限。實施過程中需要約束數(shù)控加工程序的編寫規(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—個網(wǎng)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(chǎn)過程數(shù)據(jù)，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(wǎng)絡接口轉換信息給數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(yè)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(shù)據(jù)、計量數(shù)據(jù)、物料批次數(shù)據(jù)等。將常用的信息打印到電子標簽上，車間現(xiàn)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(wǎng)絡傳遞給數(shù)據(jù)庫，這種方式可以用在沒有數(shù)控系統(tǒng)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(shù)值的采集。因此，作為補充，配合RFID方式，在現(xiàn)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(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)場查詢。
此外，錄像監(jiān)控可以進行生產(chǎn)現(xiàn)場視頻信息的獲取，實現(xiàn)整個車間生產(chǎn)的透明化。
5、小結
實時、準確的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集并實現(xiàn)集成應用是MES得以成功的重要基礎，離散制造企業(yè)MES建設中應該充分考慮其數(shù)據(jù)采集的特點，在采集過程中，根據(jù)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(shù)據(jù)采集方式，并利用計算機、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡語通信設備、各種技術標準和實時歷史數(shù)據(jù)庫軟件的有機組合來實現(xiàn)生數(shù)據(jù)的集成應用。
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