車(chē)間制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）是面向車(chē)間的生產(chǎn)過(guò)程管理的實(shí)時(shí)信息系統。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(hù)營(yíng)造一個(gè)可視、實(shí)時(shí)、精細、可追溯的制造環(huán)境，因此近10年來(lái)在國際上得到迅速發(fā)展。國內，越來(lái)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(kāi)始逐步實(shí)施MES系統。

MES最大的價(jià)值就是數據和信息的轉換。如果把MES比喻為人，那么生產(chǎn)數據就相當于人的血液系統。離開(kāi)生產(chǎn)數據采集，生產(chǎn)管理部門(mén)不能及時(shí)、準確地得到工件生產(chǎn)數量；不能自動(dòng)獲得機床開(kāi)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(wèn)題；無(wú)法準確、科學(xué)地制定生產(chǎn)計劃；無(wú)法實(shí)現生產(chǎn)管理協(xié)同?？梢?jiàn)，只有有效的實(shí)現生產(chǎn)數據，才能使得MES系統從根本上解決車(chē)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(wèn)題。本文根據作者在離散制造企業(yè)實(shí)施MES生產(chǎn)數據采集的實(shí)踐，總結分析了離散制造企業(yè)生產(chǎn)數據采集的特點(diǎn)、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(yè)MES中的生產(chǎn)數據采集的特點(diǎn)

由于連續工業(yè)生產(chǎn)與離散工業(yè)生產(chǎn)在設備、物料和產(chǎn)品特點(diǎn)的差異。導致了兩種類(lèi)型的工業(yè)生產(chǎn)在制造管理中存在諸多差異，進(jìn)而決定了相應的MES的不同。離散制造企業(yè)的車(chē)間制造執行過(guò)程中的生產(chǎn)數據采集體現出以下特點(diǎn)：

（1）隨著(zhù)企業(yè)競爭加劇，越來(lái)越多的離散制造企業(yè)實(shí)現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)數據采集帶來(lái)挑戰。

（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—批穩定的技工。生產(chǎn)計劃在各種因素的影響下，插單現象頻繁（如大型發(fā)動(dòng)機制造），突發(fā)事件多，這加劇了生產(chǎn)數據采集的復雜性。

（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控設備。這些機床和數控設備種類(lèi)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(lèi)差別很大，通訊接口之間兼容性差。有些數控設備沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )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(gè)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)數據種類(lèi)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雜、質(zhì)量要求高。如航天類(lèi)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(guò)程進(jìn)行全面管理。質(zhì)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(yè)的生產(chǎn)數據采集實(shí)施不同于一般的信息化軟件系統的實(shí)施，它是一件工程實(shí)踐性很強的工作。它不僅與MES應用模塊需要的數據類(lèi)型相關(guān)，還與車(chē)間設備配置、空間布局、人員構成與素質(zhì)、產(chǎn)品類(lèi)型、實(shí)施成本等因素相關(guān)。此外，在實(shí)施過(guò)程中，還需要涉及設備選型、布線(xiàn)、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(yè)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(yè)，將其生產(chǎn)數據分為：（1）帶有時(shí)標的生產(chǎn)過(guò)程數據；（2）帶有時(shí)標的報警、消息、生產(chǎn)事件信息；（3）手工實(shí)驗數據（如果各種理化檢測指標）；（3）計量數據（如稱(chēng)重數據）；（4）批次信息（如批次號碼，批次執行狀態(tài)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(shí)時(shí)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(chē)間動(dòng)態(tài)數據。部分生產(chǎn)類(lèi)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(fā)揮。各種帶有時(shí)標的生產(chǎn)過(guò)程數據以及報警、消息、生產(chǎn)事件信息是有時(shí)效性的，延時(shí)的記錄和存儲將會(huì )導致應用錯誤甚至失敗，因此需要借助實(shí)時(shí)數據庫以及數據引擎實(shí)時(shí)獲取這些數據，并實(shí)現實(shí)時(shí)計算，實(shí)時(shí)分析，實(shí)時(shí)報表等應用。

②多種采集技術(shù)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(chē)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)數據采集。因此，離散型制造車(chē)間數據采集方式必然是多種數據采集技術(shù)的綜合應用。在工程應用中，為了經(jīng)濟地實(shí)現數據采集，離不開(kāi)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(jīng)濟性不可避免的手段。人工介入數據采集需要通過(guò)制度、考核手段的改進(jìn)來(lái)保證采集數據的實(shí)時(shí)性和準確性。

　?、垡子诩蓱迷瓌t。生產(chǎn)數據采集處于MES應用系統與生產(chǎn)設備控制系統的中間層，MES系統需要基于這些實(shí)時(shí)數據進(jìn)行統計分析，實(shí)現生產(chǎn)訂單管理、計劃排產(chǎn)、調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(chē)間實(shí)時(shí)顯示監控。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，為企業(yè)上層管理部門(mén)決策所用。

　　4、離散制造企業(yè)MES中數據采集方式分析

　　根據離散制造企業(yè)MES中生產(chǎn)數據采集特點(diǎn)，其常用的數據采集方式包括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)際應用過(guò)程中，需要結合實(shí)際企業(yè)的個(gè)體情況，有選擇地綜合應用這些方式，以滿(mǎn)足離散制造企業(yè)MES生產(chǎn)數據采集的各項原則。

　　4.1 DNC網(wǎng)卡方式

為了設備集中管理和控制的需要，—些大的數控系統廠(chǎng)商針對數控系統都開(kāi)發(fā)有專(zhuān)用的DNC接口，該接口許可利用外部計算機進(jìn)行遠程監控，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(lèi)帶時(shí)標生產(chǎn)過(guò)程信息以及帶時(shí)標的設備報警信息，包括當前程序名（零件名稱(chēng)）、設備運行狀態(tài)、故障報告、數控設備的開(kāi)機時(shí)間、主軸運轉時(shí)間、設備運行參數等。

　　實(shí)踐過(guò)程中，值得注意的是，為了技術(shù)的獨占和保密的需要，各家數控系統廠(chǎng)商對DNC接口的訪(fǎng)問(wèn)都設置了技術(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)現對數控系統內部數據的訪(fǎng)問(wèn)，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(chǎng)商往往不直接對一般軟件廠(chǎng)家授權這些開(kāi)發(fā)工具包，而只對機床廠(chǎng)家授權。因此，DNC網(wǎng)卡的采集方式在實(shí)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(fā)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(fā)出代表開(kāi)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(dòng)采集部分帶時(shí)標的生產(chǎn)過(guò)程數據，包括：當前程序名（零件名稱(chēng)）、加工開(kāi)始時(shí)間、加工結束時(shí)間、主軸轉速、進(jìn)給速度、當前刀具號。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控系統，采集的數據內容有限。實(shí)施過(guò)程中需要約束數控加工程序的編寫(xiě)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(gè)網(wǎng)關(guān)，利用PLC通過(guò)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(shí)標的生產(chǎn)過(guò)程數據，包括程序名稱(chēng)、加工時(shí)間、進(jìn)給、轉速、刀具信息等，然后再通過(guò)PLC的以太網(wǎng)絡(luò )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(jìn)行連線(xiàn)，實(shí)施過(guò)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(dòng)識別技術(shù)（Radio Frequency Identification。RFlD）采集手工實(shí)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(chē)間現場(chǎng)工人利用專(zhuān)用的有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)掃描器采信息，并通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò )傳遞給數據庫，這種方式可以用在沒(méi)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(shí)會(huì )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(chǎng)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)數據，而且這種方式還可以用于生產(chǎn)數據，而且這種方式還可以用于生產(chǎn)數據的現場(chǎng)查詢(xún)。

　　此外，錄像監控可以進(jìn)行生產(chǎn)現場(chǎng)視頻信息的獲取，實(shí)現整個(gè)車(chē)間生產(chǎn)的透明化。

　　5、小結

　　實(shí)時(shí)、準確的生產(chǎn)數據采集并實(shí)現集成應用是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據采集的特點(diǎn)，在采集過(guò)程中，根據完整性、實(shí)時(shí)性原則、多種采集技術(shù)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(wǎng)絡(luò )語(yǔ)通信設備、各種技術(shù)標準和實(shí)時(shí)歷史數據庫軟件的有機組合來(lái)實(shí)現生數據的集成應用。

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