1 MES數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述

1.1 MES系統(tǒng)概述

Manufacturing Execution System 為生產(chǎn)管理系統(tǒng)，也叫制造執(zhí)行系統(tǒng)，簡稱 MES。在剛開始，MES 被人們理解為數(shù)字群控（DNC）、生產(chǎn)指揮系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集等人力管理資源的集成者，但是隨著該技術的發(fā)展，MES 已經(jīng)慢慢能夠支持生產(chǎn)中管理的層次，同時還能夠匯聚管理的所有主要元素，正式成為生產(chǎn)管理系統(tǒng)。該技術具有先進的生產(chǎn)管理理念，通過計算機技術來實現(xiàn)企業(yè)各項業(yè)務之間的信息管理功能，并為企業(yè)的日常生產(chǎn)管理提供所需要的數(shù)據(jù)資料，在企業(yè)內(nèi)部 MES 系統(tǒng)信息流通示意圖如圖 1 所示。

目前 MES 已經(jīng)處于制造生產(chǎn)企業(yè)的核心地位，在生產(chǎn)中作為生產(chǎn)管理層，兼具便捷性、靈活性以及先進性等特點，匯聚生產(chǎn)運行中的所有元素，成為綜合性的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。在很多制造信息化企業(yè)的建設中，大多會優(yōu)先選擇EPR系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠滿足企業(yè)建設的基本需求，但是在 MES 系統(tǒng)內(nèi)部上層的 EPR 很少有生產(chǎn)管理功能。而 MES 在生產(chǎn)過程中以管理者的視角，向操作人員提供生產(chǎn)所需要的全部數(shù)據(jù)信息，例如材料、工具、設備以及要求等。將 MES 和 EPR 進行結合，兩者之間協(xié)同工作，可進一步提高企業(yè)系統(tǒng)的智能化建設。MES 系統(tǒng)在企業(yè)生產(chǎn)中起著重要作用，可有效提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，同時還能夠和除 EPR 系統(tǒng)外的其他系統(tǒng)協(xié)同工作，加快信息流通速度，為企業(yè)的進一步發(fā)展提供了保障。

1.2 MES主要功能

MES 系統(tǒng)主要是在企業(yè)的生產(chǎn)管理層起作用的，物料移動、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)統(tǒng)計、能源管理都歸 MES 系統(tǒng)管理。物料移動模塊可以分為五個基礎子模塊，主要包括倉儲模塊、配料模塊、熔煉模塊、檢測模塊以及進出廠模塊。倉儲模塊主要對庫存內(nèi)所有原材料和在制品成品的出入庫、移動等操作進行實時的記錄與管理，在完成崗位操作的同時，通過對系統(tǒng)業(yè)務進行解析，實現(xiàn)物料移動模塊與倉儲模塊之間的關系解析，使整個管理模塊進行的更加規(guī)范；配料模塊利用數(shù)據(jù)集成平臺，對配料計算，配料操作等進行記錄與管理；熔煉模塊對裝置內(nèi)的各種操作進行監(jiān)測與管理，利用數(shù)據(jù)集成平臺修正系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)，并通過人工確定等手段來增加結果的可靠性；檢測裝置模塊按照企業(yè)需求，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和化驗分析等數(shù)據(jù)，為企業(yè)提供所需要的數(shù)據(jù)管理業(yè)務都可以通過此模塊來提供數(shù)據(jù)；進出廠模塊記錄原料和成品的出入廠情況，并以班為單位，提供物料移動所需要的數(shù)據(jù)解析。

生產(chǎn)調(diào)度可解析物料移動模塊的動態(tài)移動關系，描述節(jié)點之間的移動類型、原物料、目的物料以及目的節(jié)點等，進一步保證檢驗操作的合理性。通過解析物料移動模塊，利用該模塊節(jié)點之間的關系，求解出節(jié)點的拓撲模型并生成相應的生產(chǎn)平衡模型，為實現(xiàn)生產(chǎn)平衡提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。在實現(xiàn)生產(chǎn)平衡的過程中，利用人機交互可有效提高生產(chǎn)平衡的效率，減少平衡的生產(chǎn)周期。

生產(chǎn)統(tǒng)計主要是統(tǒng)計物料平衡以及輔料消耗與 ERP 支撐。生產(chǎn)調(diào)度模塊能夠?qū)ιa(chǎn)進行計算，找到合適的生產(chǎn)平衡模型，統(tǒng)計物料平衡能夠在生產(chǎn)平衡下對生產(chǎn)數(shù)據(jù)分類和匯總，并對統(tǒng)計層的拓撲模型分析和計算，完成 MES 工廠與企業(yè)之間的物料統(tǒng)計平衡，進一步實現(xiàn)“日平衡、旬確認、月結算”，實現(xiàn)統(tǒng)計物料的各種產(chǎn)料統(tǒng)計，為 EPR 和經(jīng)濟統(tǒng)計指標提供數(shù)據(jù)支撐。

能源管理主要有數(shù)據(jù)采集、計算、產(chǎn)耗平衡、EPR 支撐等功能，它是以各種能源介質(zhì)為基本對象，能源管網(wǎng)為平衡中心建立起來的能源拓撲模型，為統(tǒng)計產(chǎn)耗和 EPR 數(shù)據(jù)提供有效的技術保障。

1.3 MES數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作流程

在企業(yè)的生產(chǎn)管理中，需要對多個生產(chǎn)設備進行管理，并對每個設備進行數(shù)據(jù)采集，其數(shù)據(jù)采集的工作流程。

圖 2 數(shù)據(jù)采集的工作流程圖

企業(yè)中基于 MES 的車間管理系統(tǒng)有兩種生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集方式，分別為自動采集和手動采集。自動采集是系統(tǒng)使用具備二維碼采集的功能來采集生產(chǎn)信息，它是在上線前將生產(chǎn)計劃和操作人員信息進行初始化關聯(lián)，在原材料上貼上二維碼的標簽。工控網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)其他系統(tǒng)對二維碼掃描來記錄產(chǎn)品的編號、操作人員信息以及檢測的設備，最后由 MES 系統(tǒng)生成產(chǎn)品的質(zhì)量檔案。自動采集使用較為簡單，但實際應用起來還有一定的限制，這就需要工作人員對產(chǎn)品進行手動錄入，確保生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的準確性。

若是企業(yè)想要獲得監(jiān)控設備的運行狀態(tài)以及對設備工藝等數(shù)據(jù)進行采集，就需要 MES 系統(tǒng)直接采用 PLC 設備對數(shù)據(jù)進行采集，這種采集方式比較簡單方便，特別適合那些以PLC 設備為主的生產(chǎn)制造車間。目前 MES 系統(tǒng)的發(fā)展還不太完善，很多的控制系統(tǒng)都不是采用以太網(wǎng)的通信方式，容易造成 PLC 采集出現(xiàn)問題。為解決這種問題，部分系統(tǒng)使用 OPC 來連接以太網(wǎng)和 PLC 設備，爭取能夠通過 OPC 來完成控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。另外還有一些控制系統(tǒng)不是通過以太網(wǎng)的方式連接，這就需要將這些控制系統(tǒng)連接成一個網(wǎng)，進而形成一個整體的系統(tǒng)來進行數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集的投資成本上，MES 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集本身就需要很高的運行成本，其內(nèi)部存在的問題還需要更多的成本來解決，因此這種數(shù)據(jù)采集的方式就存在成本浪費的情況，還需要尋求更為有效的成本更低的數(shù)據(jù)采集方法。

2.1 系統(tǒng)需求分析

MES 中最重要的子系統(tǒng)便有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它可以對車間內(nèi)產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)進行采集與整理，實現(xiàn)物料跟蹤、產(chǎn)能分析、維護歷史記錄等功能，為其他的數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)提供了基礎。以某手工生產(chǎn)型制造車間為例，該車間的加工設備按照加工順序進行設置，可生產(chǎn)多種類型的配套產(chǎn)品。通過對該車間生產(chǎn)過程的研究，可以發(fā)現(xiàn)該車間不同設備加工的零件數(shù)量不同，且僅依靠手工來記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)。另外員工對車間生產(chǎn)缺少全面了解，只注重生產(chǎn)的數(shù)量，忽略了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，造成產(chǎn)品的廢品率上升。

為維持整個生產(chǎn)車間的正常運行，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要適應現(xiàn)代化的管理方式，及時準確的采集生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)，并將采集到的信息保存到數(shù)據(jù)庫中，供 MES 或其他外部系統(tǒng)調(diào)用。隨著現(xiàn)代社會的生產(chǎn)需求，企業(yè)生產(chǎn)車間的生產(chǎn)模式變得越來越復雜，導致車間管理不能正常運行。越復雜的生產(chǎn)車間就越需要及時進行數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)控產(chǎn)品的生產(chǎn)狀態(tài)。根據(jù)不同類型的車間選擇相應的數(shù)據(jù)采集方式，如手持人工采集、條形碼技術和 RFID 技術等，并將監(jiān)控到的產(chǎn)品信息、設備運行狀態(tài)、車間生產(chǎn)狀態(tài)通過顯示屏展示給管理人員，使生產(chǎn)車間能夠可視化管理。這就需要企業(yè)在信息管理的過程中，積極適應市場變化，根據(jù)產(chǎn)品需求選用先進的數(shù)據(jù)采集技術，避免在企業(yè)競爭中淘汰。另外在遇到突發(fā)情況時，車間應該具備應對突發(fā)情況的能力，保證車間生產(chǎn)的連續(xù)性。

2.2 系統(tǒng)總體設計

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求分析，該生產(chǎn)車間主要存在生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集不完善、質(zhì)量分許無法追溯、物料管理落后等問題。生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)不完善使工作人員很難對加工零件的狀態(tài)、時間、質(zhì)檢等追蹤，無法保證數(shù)據(jù)的完整與可靠；質(zhì)量分析無法追溯就很難對客戶提供產(chǎn)品信息，導致無法交貨或者無法跟蹤訂單進度的情況；物料管理的不及時、不準確就無法為車間提供物料庫存信息，會出現(xiàn)物料擠壓、短缺的情況發(fā)生，會嚴重影響企業(yè)車間的正常運行。本文設計了一款基于 MES 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以解決該車間之前存在的問題，同時還可以完成數(shù)據(jù)的采集與展示功能。

MES數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中資源狀態(tài)查詢一般包括三個方面，分別為設備狀態(tài)、工具狀態(tài)以及物料狀態(tài)。該系統(tǒng)最重要的子模塊就是生產(chǎn)物料進度追蹤，它可以查詢?nèi)蝿盏姆峙淝闆r、生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)進度以及產(chǎn)品的完成量。生產(chǎn)過程統(tǒng)計分析是對生產(chǎn)過程中采集到的數(shù)據(jù)進行分析和匯總，以便為管理者形成更便捷的管理體系。生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集就是采集設備的工作信息（設備運行參數(shù)、設備故障信息）、產(chǎn)品工序信息（產(chǎn)品的過程記錄）、人員操作信息（任務下達、接收、開始與結束）、質(zhì)量檢測信息（合格、返修、檢測報告數(shù)據(jù)、合格證）生產(chǎn)過程中的人員、設備、加工時間等數(shù)據(jù)。

2.3 過程數(shù)據(jù)采集設計

通過對生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)采集方式的分析，結合車間的實際生產(chǎn)情況，選擇了兩類數(shù)據(jù)采集方法。在車間內(nèi)采用以太網(wǎng)對數(shù)據(jù)進行采集，可采集到所需的真空感應熔煉爐的加工數(shù)據(jù)，而且還能夠向監(jiān)控系統(tǒng)提供設備運行參數(shù)。設備在使用時不能夠與以太網(wǎng)直接連接，而是需要相應的串口輸出模塊，通過串口輸出模塊與以太網(wǎng)的服務器或交換機連接，實現(xiàn)與以太網(wǎng)的通信過程。其他設備只能夠通過手工方式對設備進行數(shù)據(jù)采集，這種方法使用起來較為有限，且只能記錄相關設備的基本數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，無法完成全部數(shù)據(jù)的采集工作。由于采集過程中涉及到了人員、物料、進度、質(zhì)量等數(shù)據(jù)，管理者需要根據(jù)不同的信息來選擇合適的采集方式。

在該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方案中，主要采用的計算機技術、數(shù)控技術等，將數(shù)控機床聯(lián)系起來，并與上層的計算機結合從而實現(xiàn)設備的集中管理控制。實現(xiàn)該車間的自動化管理控制模式對企業(yè)的生產(chǎn)有著重要意義，因此在該車間的數(shù)據(jù)采集中，需要對具備 DNC 網(wǎng)卡的設備直接進行數(shù)據(jù)采集，而對于不具備網(wǎng)卡采集條件的需要采用具有宏命令的采集方式，增加相應配置的網(wǎng)口，從而完成自動化控制模塊。在車間內(nèi)部，還存在兩種采集方式都不具備的設備，這時候 PLC設備就能夠發(fā)揮很大的作用，它首先使采集設備的輸入輸出信號，然后將信號發(fā)送給相應的數(shù)據(jù)庫，從而利用翻譯工具完成信息的轉(zhuǎn)換與采集。

該系統(tǒng)還具備射頻識別功能，可有效保證數(shù)據(jù)采集的完整性，對于無法自動采集的數(shù)據(jù)，后期添加 RFID 掃描設備補充錄入。在生產(chǎn)車間還會配置一定數(shù)量的攝像頭，對車間現(xiàn)場進行監(jiān)控，并將信號線與以太網(wǎng)連接，在生產(chǎn)現(xiàn)場異常的情況下向車間報警，提醒工作人員，便于及時處理問題。而電子看板的設置，就能夠為上級顯示班組的生產(chǎn)情況，使信息能夠更加直觀、明朗。

3.1 采集技術分析

生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集實際上就是對監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)進行采集，這些監(jiān)控對象都可以使用掃描二維碼來監(jiān)控。在原材料輸入經(jīng)過生產(chǎn)加工至產(chǎn)品完成的過程中，一般都是對產(chǎn)品、人員、物流、設備等進行監(jiān)控。系統(tǒng)可實時采集生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，這種監(jiān)控的目的就是為了及時發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，并在事后發(fā)現(xiàn)問題時能夠得到有效的追溯。

在工序的入口、設備、手持式讀寫器或其他數(shù)據(jù)采集設備上都可以采用數(shù)據(jù)采集器，其中工序入口和設備上采用的都是二維碼讀取頭器，使數(shù)據(jù)采集過程更加連貫。使用這種方式，可增加覆蓋面積，覆蓋 10-100 米之內(nèi)的范圍。

圖 3 MES 生產(chǎn)車間應用過程

將設計的基于 MES 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應用到該生產(chǎn)車間中（圖 3），為該企業(yè)的信息化管理提供了解決方案。該系統(tǒng)采用 RFID 技術是一種非接觸式的自動識別技術，可利用電磁波感應進行快速的數(shù)據(jù)采集，適用于多種惡劣環(huán)境，不用擔心由于生產(chǎn)車間環(huán)境為數(shù)據(jù)采集帶來的困難。這種通過電磁波感應或傳播來實現(xiàn)的數(shù)據(jù)通信技術，具有體積小、使用靈活、存儲量大、安全性高、速度快等優(yōu)點，可以適應多種無人化的生產(chǎn)模式。而且使用 RFID 技術可以減少人工操作，提高信息的讀取度，便于下一步的加工。RFID 技術的實施是在 EPR 的基礎上完成的，RFID 掃描的條碼信息是由EPR 來提供，并生成能夠被唯一識別的電子標簽，另外還有ZigBee 數(shù)據(jù)采集器的幫助，可對舊設備原有的管理系統(tǒng)進行補充，為該系統(tǒng)的實施降低了難度。

3.2 數(shù)據(jù)采集過程

在進行數(shù)據(jù)采集的過程中，主要包括人員數(shù)據(jù)的采集、物料數(shù)據(jù)的采集、設備數(shù)據(jù)的采集以及產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集。該系統(tǒng)可發(fā)放人員的調(diào)度任務，通過對人員工作的出行狀態(tài)、出行時間、產(chǎn)品加工時間等主要信息的采集，來確定人員的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。物料數(shù)據(jù)的采集是使用二維碼標簽來進行分區(qū)管理，在不同的區(qū)間內(nèi)對產(chǎn)品進行工序號和加工數(shù)量等信息的讀取。

車間的生產(chǎn)設備自動化程度不高，在采集時主要是對設備的運行狀態(tài)和產(chǎn)品加工的數(shù)量進行采集。讀寫器可讀取設備的編號、操作員工的編號、工號以及讀取時間等設備信息，在設備運行到一定程度或發(fā)生故障時，系統(tǒng)能夠及時向相關部門發(fā)送信息，以便相關人員對設備進行維修。另外所有設備的運行信息都會被保存到數(shù)據(jù)庫中，每運行一次數(shù)據(jù)庫都會進行一次更新。

生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量是整個生產(chǎn)管理部門的重點，若生產(chǎn)工序不在控制范圍內(nèi)，就會造成后續(xù)一系列加工浪費的情況，及時向管理者反饋生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量，有利于減少加工的質(zhì)量問題。在生產(chǎn)過程中一般有自檢、互檢和專檢三個質(zhì)量檢測制度，完成產(chǎn)品的加工后，質(zhì)檢人員需要對產(chǎn)品質(zhì)量進行檢測并記錄產(chǎn)品的質(zhì)量檢測情況，可根據(jù)產(chǎn)品的具體情況進行相應的處理。在生產(chǎn)過程中發(fā)生問題的一般是采用生產(chǎn)自檢模式，通過提交質(zhì)檢申請，對編碼有問題的板件進行上報，等待審核通過；而他檢是在產(chǎn)品的最后環(huán)節(jié)，待產(chǎn)品生產(chǎn)結束之后，由統(tǒng)一的檢查人員產(chǎn)品進行質(zhì)量檢測，并將合格與不合格的都計入產(chǎn)品檔案。產(chǎn)品的這些工序都完成之后，這個產(chǎn)品才算結束，然后才能給用戶使用。

3.3 車間應用效果

將設計的 MES 系統(tǒng)應用在車間上，并進行統(tǒng)計。該車間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理方面，數(shù)據(jù)按照一定的采集規(guī)則實行采集，并用四個班來進行比較，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的更為準確。使用上線對系統(tǒng)進行監(jiān)控，并查找數(shù)據(jù)和物料之間的聯(lián)系，找到數(shù)據(jù)產(chǎn)生差異的原因，自動對數(shù)據(jù)進行恢復與糾正。在調(diào)度日報生成方面，將之間的人工采集錄入改成系統(tǒng)匯總，形成企業(yè)的調(diào)度總結。該系統(tǒng)在整體上減少了數(shù)據(jù)匯總時間，之前的調(diào)度日報都是在 26 小時之后完成，而該系統(tǒng)只需要兩個小時，比之前的調(diào)度匯總提前了整整一天時間，大大提高了企業(yè)的工作效率。調(diào)度日報只是其中的一小部分，而統(tǒng)計業(yè)務的變化才更加直觀。上線之前的統(tǒng)計業(yè)務并不做日平衡，只會在每月的月底進行盤點，使用該系統(tǒng)之后，可實現(xiàn)日累計數(shù)據(jù)，并進行日、旬、月的平衡。另外由于 EPR 的技術支撐，使統(tǒng)計報表業(yè)務更加便捷。

在該方案實施的過程中，對于設備數(shù)據(jù)的采集需要不斷調(diào)試修改，直到最后能夠滿足應用要求。由于不同廠家的機床參數(shù)不一樣，在購買相應硬件設施的時候需要權衡設備的性能以及應用環(huán)境，以求能夠最大程度的滿足該方案的實施標準。在實際的應用中，車間需要考慮 RFID 的掃描尺寸、條形碼的大小以及掃描接口等，這些都需要先進行初步的挑選，然后結合調(diào)試的最佳結果選擇效果最好的掃描設備。

4 結論

一個企業(yè)要想在同行業(yè)的競爭中取得優(yōu)勢，就必須適應市場的應用需求，掌握最先進的技術，生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品。基于MES的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有快速、準確、靈活等特點，可進行信息化管理，廣泛應用于生產(chǎn)車間，提高生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)質(zhì)量。本文是在現(xiàn)有的設備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基礎上改造設計的一款新型 MES 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并在某生產(chǎn)車間進行應用，分析該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，為 MES 系統(tǒng)的進一步研究奠定了堅實的基礎。

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