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前面我們從ERP、PLM、MES/MOM、SCADA/DCS、工業自動化等各個方向分析了國內或者全球的相關產業和行業：

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今天我們聊一聊MES數據采集系統需求分析和總體設計~

隨著社會市場需求的不斷變化，傳統生產車間內的數據采集技術無法跟上市場變化的需求，容易出現數據記錄滯后、實時監控困難等問題，造成了車間的生產效率低、產品質量低。在全球信息化的時代背景下，企業內的信息化管理可有效促進經濟的發展。傳統的車間管理系統無法適應時代的變化，很難滿足消費者的需求。研究一種新的數據采集技術，實時記錄生產信息、靈活應對生產需求，對實現智能化的信息管理發揮著重要作用，同時也能夠保證生產數據的有效性。

1 MES數據采集系統概述

1.1 MES系統概述Manufacturing Execution System 為生產管理系統，也叫制造執行系統，簡稱 MES。在剛開始，MES 被人們理解為數字群控（DNC）、生產指揮系統以及數據采集等人力管理資源的集成者，但是隨著該技術的發展，MES 已經慢慢能夠支持生產中管理的層次，同時還能夠匯聚管理的所有主要元素，正式成為生產管理系統。該技術具有先進的生產管理理念，通過計算機技術來實現企業各項業務之間的信息管理功能，并為企業的日常生產管理提供所需要的數據資料，在企業內部 MES 系統信息流通示意圖如圖 1 所示。

圖 1 企業內部 MES 系統信息流通示意圖目前 MES 已經處于制造生產企業的核心地位，在生產中作為生產管理層，兼具便捷性、靈活性以及先進性等特點，匯聚生產運行中的所有元素，成為綜合性的生產管理系統。在很多制造信息化企業的建設中，大多會優先選擇EPR系統，該系統能夠滿足企業建設的基本需求，但是在 MES 系統內部上層的 EPR 很少有生產管理功能。而 MES 在生產過程中以管理者的視角，向操作人員提供生產所需要的全部數據信息，例如材料、工具、設備以及要求等。將 MES 和 EPR 進行結合，兩者之間協同工作，可進一步提高企業系統的智能化建設。MES 系統在企業生產中起著重要作用，可有效提高企業的生產效率，同時還能夠和除 EPR 系統外的其他系統協同工作，加快信息流通速度，為企業的進一步發展提供了保障。1.2 MES主要功能MES 系統主要是在企業的生產管理層起作用的，物料移動、生產調度、生產統計、能源管理都歸 MES 系統管理。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，通過對系統業務進行解析，實現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范；配料模塊利用數據集成平臺，對配料計算，配料操作等進行記錄與管理；熔煉模塊對裝置內的各種操作進行監測與管理，利用數據集成平臺修正系統內部的數據，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需求，實時監測數據和化驗分析等數據，為企業提供所需要的數據管理業務都可以通過此模塊來提供數據；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據解析。

生產調度可解析物料移動模塊的動態移動關系，描述節點之間的移動類型、原物料、目的物料以及目的節點等，進一步保證檢驗操作的合理性。通過解析物料移動模塊，利用該模塊節點之間的關系，求解出節點的拓撲模型并生成相應的生產平衡模型，為實現生產平衡提供了有效的數據支撐。在實現生產平衡的過程中，利用人機交互可有效提高生產平衡的效率，減少平衡的生產周期。生產統計主要是統計物料平衡以及輔料消耗與 ERP 支撐。生產調度模塊能夠對生產進行計算，找到合適的生產平衡模型，統計物料平衡能夠在生產平衡下對生產數據分類和匯總，并對統計層的拓撲模型分析和計算，完成 MES 工廠與企業之間的物料統計平衡，進一步實現“日平衡、旬確認、月結算”，實現統計物料的各種產料統計，為 EPR 和經濟統計指標提供數據支撐。能源管理主要有數據采集、計算、產耗平衡、EPR 支撐等功能，它是以各種能源介質為基本對象，能源管網為平衡中心建立起來的能源拓撲模型，為統計產耗和 EPR 數據提供有效的技術保障。1.3 MES數據采集系統的工作流程在企業的生產管理中，需要對多個生產設備進行管理，并對每個設備進行數據采集，其數據采集的工作流程如圖 2所示。

圖 2 數據采集的工作流程圖企業中基于 MES 的車間管理系統有兩種生產數據采集方式，分別為自動采集和手動采集。自動采集是系統使用具備二維碼采集的功能來采集生產信息，它是在上線前將生產計劃和操作人員信息進行初始化關聯，在原材料上貼上二維碼的標簽。工控網和內網其他系統對二維碼掃描來記錄產品的編號、操作人員信息以及檢測的設備，最后由 MES 系統生成產品的質量檔案。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品進行手動錄入，確保生產數據采集的準確性。若是企業想要獲得監控設備的運行狀態以及對設備工藝等數據進行采集，就需要 MES 系統直接采用 PLC 設備對數據進行采集，這種采集方式比較簡單方便，特別適合那些以PLC 設備為主的生產制造車間。

目前 MES 系統的發展還不太完善，很多的控制系統都不是采用以太網的通信方式，容易造成 PLC 采集出現問題。為解決這種問題，部分系統使用 OPC 來連接以太網和 PLC 設備，爭取能夠通過 OPC 來完成控制系統的數據采集。另外還有一些控制系統不是通過以太網的方式連接，這就需要將這些控制系統連接成一個網，進而形成一個整體的系統來進行數據采集。在數據采集的投資成本上，MES 系統數據采集本身就需要很高的運行成本，其內部存在的問題還需要更多的成本來解決，因此這種數據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據采集方法。

2 需求分析和總體設計

2.1 系統需求分析

MES 中最重要的子系統便有數據采集系統，它可以對車間內產生的各種數據進行采集與整理，實現物料跟蹤、產能分析、維護歷史記錄等功能，為其他的數據信息管理系統提供了基礎。以某手工生產型制造車間為例，該車間的加工設備按照加工順序進行設置，可生產多種類型的配套產品。通過對該車間生產過程的研究，可以發現該車間不同設備加工的零件數量不同，且僅依靠手工來記錄生產數據。另外員工對車間生產缺少全面了解，只注重生產的數量，忽略了產品的生產質量，造成產品的廢品率上升。為維持整個生產車間的正常運行，數據采集系統需要適應現代化的管理方式，及時準確的采集生產過程中的數據，并將采集到的信息保存到數據庫中，供 MES 或其他外部系統調用。隨著現代社會的生產需求，企業生產車間的生產模式變得越來越復雜，導致車間管理不能正常運行。越復雜的生產車間就越需要及時進行數據的采集、監控產品的生產狀態。根據不同類型的車間選擇相應的數據采集方式，如手持人工采集、條形碼技術和 RFID 技術等，并將監控到的產品信息、設備運行狀態、車間生產狀態通過顯示屏展示給管理人員，使生產車間能夠可視化管理。這就需要企業在信息管理的過程中，積極適應市場變化，根據產品需求選用先進的數據采集技術，避免在企業競爭中淘汰。另外在遇到突發情況時，車間應該具備應對突發情況的能力，保證車間生產的連續性。

2.2 系統總體設計

根據數據采集系統的需求分析，該生產車間主要存在生產過程數據采集不完善、質量分許無法追溯、物料管理落后等問題。生產過程的數據不完善使工作人員很難對加工零件的狀態、時間、質檢等追蹤，無法保證數據的完整與可靠；質量分析無法追溯就很難對客戶提供產品信息，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，會出現物料擠壓、短缺的情況發生，會嚴重影響企業車間的正常運行。本文設計了一款基于 MES 的數據采集系統，可以解決該車間之前存在的問題，同時還可以完成數據的采集與展示功能。MES數據采集系統中資源狀態查詢一般包括三個方面，分別為設備狀態、工具狀態以及物料狀態。該系統最重要的子模塊就是生產物料進度追蹤，它可以查詢任務的分配情況、生產過程中的生產進度以及產品的完成量。生產過程統計分析是對生產過程中采集到的數據進行分析和匯總，以便為管理者形成更便捷的管理體系。生產數據采集就是采集設備的工作信息（設備運行參數、設備故障信息）、產品工序信息（產品的過程記錄）、人員操作信息（任務下達、接收、開始與結束）、質量檢測信息（合格、返修、檢測報告數據、合格證）生產過程中的人員、設備、加工時間等數據。

2.3 過程數據采集設計

通過對生產過程中數據采集方式的分析，結合車間的實際生產情況，選擇了兩類數據采集方法。在車間內采用以太網對數據進行采集，可采集到所需的真空感應熔煉爐的加工數據，而且還能夠向監控系統提供設備運行參數。設備在使用時不能夠與以太網直接連接，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的服務器或交換機連接，實現與以太網的通信過程。其他設備只能夠通過手工方式對設備進行數據采集，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據和狀態數據，無法完成全部數據的采集工作。由于采集過程中涉及到了人員、物料、進度、質量等數據，管理者需要根據不同的信息來選擇合適的采集方式。在該系統的數據采集方案中，主要采用的計算機技術、數控技術等，將數控機床聯系起來，并與上層的計算機結合從而實現設備的集中管理控制。

實現該車間的自動化管理控制模式對企業的生產有著重要意義，因此在該車間的數據采集中，需要對具備 DNC 網卡的設備直接進行數據采集，而對于不具備網卡采集條件的需要采用具有宏命令的采集方式，增加相應配置的網口，從而完成自動化控制模塊。在車間內部，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，然后將信號發送給相應的數據庫，從而利用翻譯工具完成信息的轉換與采集。該系統還具備射頻識別功能，可有效保證數據采集的完整性，對于無法自動采集的數據，后期添加 RFID 掃描設備補充錄入。在生產車間還會配置一定數量的攝像頭，對車間現場進行監控，并將信號線與以太網連接，在生產現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情況，使信息能夠更加直觀、明朗。

3 數據采集應用——以某車間為例

3.1 采集技術分析

生產過程數據的采集實際上就是對監控對象的數據進行采集，這些監控對象都可以使用掃描二維碼來監控。在原材料輸入經過生產加工至產品完成的過程中，一般都是對產品、人員、物流、設備等進行監控。系統可實時采集生產過程數據，并將數據保存在數據庫中，這種監控的目的就是為了及時發現在生產過程中出現的問題，并在事后發現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據采集設備上都可以采用數據采集器，其中工序入口和設備上采用的都是二維碼讀取頭器，使數據采集過程更加連貫。使用這種方式，可增加覆蓋面積，覆蓋 10-100 米之內的范圍。

圖 3 MES 生產車間應用過程

將設計的基于 MES 的數據采集系統應用到該生產車間中（圖 3），為該企業的信息化管理提供了解決方案。該系統采用 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據采集，適用于多種惡劣環境，不用擔心由于生產車間環境為數據采集帶來的困難。這種通過電磁波感應或傳播來實現的數據通信技術，具有體積小、使用靈活、存儲量大、安全性高、速度快等優點，可以適應多種無人化的生產模式。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 數據采集器的幫助，可對舊設備原有的管理系統進行補充，為該系統的實施降低了難度。3.2 數據采集過程在進行數據采集的過程中，主要包括人員數據的采集、物料數據的采集、設備數據的采集以及產品質量數據的采集。

該系統可發放人員的調度任務，通過對人員工作的出行狀態、出行時間、產品加工時間等主要信息的采集，來確定人員的生產數據。物料數據的采集是使用二維碼標簽來進行分區管理，在不同的區間內對產品進行工序號和加工數量等信息的讀取。車間的生產設備自動化程度不高，在采集時主要是對設備的運行狀態和產品加工的數量進行采集。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生故障時，系統能夠及時向相關部門發送信息，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據庫中，每運行一次數據庫都會進行一次更新。

生產的產品質量是整個生產管理部門的重點，若生產工序不在控制范圍內，就會造成后續一系列加工浪費的情況，及時向管理者反饋生產的產品質量，有利于減少加工的質量問題。在生產過程中一般有自檢、互檢和專檢三個質量檢測制度，完成產品的加工后，質檢人員需要對產品質量進行檢測并記錄產品的質量檢測情況，可根據產品的具體情況進行相應的處理。在生產過程中發生問題的一般是采用生產自檢模式，通過提交質檢申請，對編碼有問題的板件進行上報，等待審核通過；而他檢是在產品的最后環節，待產品生產結束之后，由統一的檢查人員產品進行質量檢測，并將合格與不合格的都計入產品檔案。

產品的這些工序都完成之后，這個產品才算結束，然后才能給用戶使用。3.3 車間應用效果將設計的 MES 系統應用在車間上，并進行統計。該車間的生產數據管理方面，數據按照一定的采集規則實行采集，并用四個班來進行比較，可以發現數據采集的更為準確。使用上線對系統進行監控，并查找數據和物料之間的聯系，找到數據產生差異的原因，自動對數據進行恢復與糾正。在調度日報生成方面，將之間的人工采集錄入改成系統匯總，形成企業的調度總結。該系統在整體上減少了數據匯總時間，之前的調度日報都是在 26 小時之后完成，而該系統只需要兩個小時，比之前的調度匯總提前了整整一天時間，大大提高了企業的工作效率。調度日報只是其中的一小部分，而統計業務的變化才更加直觀。上線之前的統計業務并不做日平衡，只會在每月的月底進行盤點，使用該系統之后，可實現日累計數據，并進行日、旬、月的平衡。另外由于 EPR 的技術支撐，使統計報表業務更加便捷。在該方案實施的過程中，對于設備數據的采集需要不斷調試修改，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，然后結合調試的最佳結果選擇效果最好的掃描設備。

4 結論

一個企業要想在同行業的競爭中取得優勢，就必須適應市場的應用需求，掌握最先進的技術，生產高質量的產品。基于MES的生產數據采集系統具有快速、準確、靈活等特點，可進行信息化管理，廣泛應用于生產車間，提高生產效率，保證生產質量。本文是在現有的設備數據采集系統基礎上改造設計的一款新型 MES 數據采集系統，并在某生產車間進行應用，分析該系統的數據采集狀態，為 MES 系統的進一步研究奠定了堅實的基礎。

編輯：黃飛