隨著社會市場需求的變化，生產(chǎn)車間傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)跟不上市場需求的變化，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄滯后、難以實時監(jiān)控等問題，導(dǎo)致車間生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品質(zhì)量低。

在全球信息化的背景下，企業(yè)的信息化管理可以有效地促進經(jīng)濟發(fā)展。傳統(tǒng)的車間管理系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)時代的變化，難以滿足消費者的需求。

研究一種新的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，能夠?qū)崟r記錄生產(chǎn)信息，靈活響應(yīng)生產(chǎn)需求，對實現(xiàn)智能化信息管理具有重要作用，同時也能保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)的有效性。

MES數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述

1.1 mes系統(tǒng)概述

制造執(zhí)行系統(tǒng)是一種生產(chǎn)管理系統(tǒng)，也稱為制造執(zhí)行系統(tǒng)，簡稱MES。一開始，MES被理解為數(shù)字群控(DNC)、生產(chǎn)指揮系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集等人力管理資源的整合者。但是隨著這項技術(shù)的發(fā)展，MES已經(jīng)逐漸能夠支撐生產(chǎn)管理的層面，同時也已經(jīng)能夠匯聚管理的所有主要要素，正式成為一個生產(chǎn)管理系統(tǒng)。該技術(shù)具有先進的生產(chǎn)管理理念，通過計算機技術(shù)實現(xiàn)企業(yè)各項業(yè)務(wù)之間的信息管理功能，為企業(yè)日常生產(chǎn)管理提供所需數(shù)據(jù)。企業(yè)內(nèi)部MES系統(tǒng)的信息流轉(zhuǎn)圖如圖1所示。

目前，MES已經(jīng)處于制造企業(yè)的核心地位。MES作為生產(chǎn)管理層，具有方便、靈活、先進的特點，集合了生產(chǎn)運作中的所有要素，成為一個綜合的生產(chǎn)管理系統(tǒng)。在很多制造業(yè)信息化企業(yè)的建設(shè)中，大多會優(yōu)先考慮能夠滿足企業(yè)建設(shè)基本需求的ERP系統(tǒng)。然而，MES系統(tǒng)上層的ERP幾乎沒有生產(chǎn)管理功能。在生產(chǎn)過程中，MES以管理者的視角為操作者提供生產(chǎn)所需的物料、工具、設(shè)備、需求等所有數(shù)據(jù)信息。將MES與ERP相結(jié)合，協(xié)同工作，可以進一步提高企業(yè)系統(tǒng)的智能化建設(shè)。MES系統(tǒng)在企業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，可以有效提高企業(yè)的生產(chǎn)效率。同時可以與ERP系統(tǒng)以外的其他系統(tǒng)協(xié)同工作，加快信息流通，為企業(yè)的進一步發(fā)展提供保障。

1.2 mes的主要功能

MES系統(tǒng)主要在企業(yè)的生產(chǎn)管理中發(fā)揮作用。物料移動、生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)統(tǒng)計和能源管理都由MES系統(tǒng)管理。物料移動模塊可分為五個基本子模塊，主要包括存儲模塊、配料模塊、熔化模塊、檢測模塊和進出模塊。入庫模塊主要是實時記錄和管理庫存中所有原材料和產(chǎn)成品的入庫和搬運操作。同時，通過對系統(tǒng)業(yè)務(wù)的分析，分析了物料搬運模塊和倉儲模塊之間的關(guān)系，使得整個管理模塊更加規(guī)范。配料模塊使用數(shù)據(jù)集成平臺記錄和管理配料計算和配料操作。熔融模塊監(jiān)控和管理設(shè)備中的各種操作，利用數(shù)據(jù)集成平臺校正系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)，并通過人工測定的方式增加結(jié)果的可靠性。根據(jù)企業(yè)要求，檢測裝置模塊可以實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、測試分析數(shù)據(jù)等。，并為企業(yè)提供數(shù)據(jù)管理服務(wù)。所有數(shù)據(jù)都可以通過該模塊提供。出入庫模塊記錄原材料和成品的出入庫情況，并按班次提供物料移動所需的數(shù)據(jù)分析。

生產(chǎn)調(diào)度可以分析物料移動模塊的動態(tài)移動關(guān)系，描述節(jié)點間的移動類型、原材料、目標(biāo)物料、目標(biāo)節(jié)點，進一步保證檢驗作業(yè)的合理性。通過對物料搬運模塊的分析，利用模塊節(jié)點之間的關(guān)系，求解節(jié)點的拓撲模型，生成相應(yīng)的生產(chǎn)平衡模型，為實現(xiàn)生產(chǎn)平衡提供有效的數(shù)據(jù)支持。在實現(xiàn)生產(chǎn)平衡的過程中，利用人機交互可以有效提高生產(chǎn)平衡的效率，縮短平衡生產(chǎn)周期。

生產(chǎn)統(tǒng)計主要包括物料平衡、輔助材料消耗和ERP支持。生產(chǎn)調(diào)度模塊可以計算產(chǎn)量，找到合適的生產(chǎn)平衡模型，對生產(chǎn)平衡下的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分類匯總，在統(tǒng)計層面進行拓撲模型的分析計算，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)“日結(jié)、旬確認、月結(jié)”，實現(xiàn)統(tǒng)計物料的各種生產(chǎn)統(tǒng)計，為ERP和經(jīng)濟統(tǒng)計指標(biāo)提供數(shù)據(jù)支持。

能源管理主要有數(shù)據(jù)采集、計算、產(chǎn)耗平衡、ERP支持等功能。它是以各種能源介質(zhì)為基本對象，以能源管網(wǎng)為平衡中心建立的能源拓撲模型，為生產(chǎn)和消費的統(tǒng)計以及ERP數(shù)據(jù)提供有效的技術(shù)支持。

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，需要管理多個生產(chǎn)設(shè)備，并從每個設(shè)備收集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)收集的工作流程如圖2所示。

基于MES的企業(yè)車間管理系統(tǒng)有兩種生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集方式，即自動采集和人工采集。自動采集是指系統(tǒng)利用二維碼采集功能采集生產(chǎn)信息。它在上線前將生產(chǎn)計劃與操作者信息進行初始化和關(guān)聯(lián)，并在原材料上標(biāo)注二維碼。工控網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)的其他系統(tǒng)掃描二維碼記錄產(chǎn)品編號、操作人員信息和檢測設(shè)備，最終由MES系統(tǒng)生成產(chǎn)品質(zhì)量檔案。自動采集和使用相對簡單，但在實際應(yīng)用中仍有一定的局限性，需要工作人員手動輸入產(chǎn)品，以保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。企業(yè)要想獲得監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)，采集設(shè)備工藝數(shù)據(jù)，就需要MES系統(tǒng)通過PLC設(shè)備直接采集數(shù)據(jù)。這種采集方式相對簡單方便，特別適合那些以PLC設(shè)備為主的制造車間。目前MES系統(tǒng)發(fā)展還不完善，很多控制系統(tǒng)沒有采用以太網(wǎng)通信方式，容易造成PLC采集出現(xiàn)問題。為解決這一問題，一些系統(tǒng)使用OPC連接以太網(wǎng)和PLC設(shè)備，力爭通過OPC完成控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。其他控制系統(tǒng)沒有以太網(wǎng)連接，需要將這些控制系統(tǒng)連接成網(wǎng)絡(luò)，然后形成一個完整的系統(tǒng)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)采集本身需要很高的運行成本，其內(nèi)部問題需要更多的成本來解決。因此，這種數(shù)據(jù)收集方法存在成本浪費，需要尋求更有效、成本更低的數(shù)據(jù)收集方法。

2需求分析和總體設(shè)計

2.1系統(tǒng)需求分析

MES最重要的子系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它可以收集和整理車間產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，實現(xiàn)物料跟蹤、產(chǎn)能分析、歷史記錄維護等功能，為其他數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。以一個手工制造車間為例，按照加工順序設(shè)置車間的加工設(shè)備，可以生產(chǎn)各種類型的配套產(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(shè)備加工的零件數(shù)量不同，生產(chǎn)數(shù)據(jù)僅用手工記錄。此外，員工對車間生產(chǎn)缺乏全面的了解，只關(guān)注生產(chǎn)的數(shù)量，忽視產(chǎn)品的質(zhì)量，導(dǎo)致產(chǎn)品的廢品率增加。為了維持整個生產(chǎn)車間的正常運轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要適應(yīng)現(xiàn)代化的管理手段，及時準(zhǔn)確地采集生產(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)方式越來越復(fù)雜，導(dǎo)致車間管理運作異常。越是復(fù)雜的生產(chǎn)車間，越需要及時收集數(shù)據(jù)，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(yīng)的數(shù)據(jù)采集方式，如手持手工采集、條形碼技術(shù)和RFID技術(shù)等。，并將監(jiān)控到的產(chǎn)品信息、設(shè)備運行狀態(tài)、車間生產(chǎn)狀態(tài)通過顯示屏顯示給管理人員，使生產(chǎn)車間得到可視化管理。這就要求企業(yè)在信息化管理過程中積極適應(yīng)市場變化，根據(jù)產(chǎn)品要求選擇先進的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，避免在企業(yè)競爭中被淘汰。另外，在緊急情況下，車間要有處理緊急情況的能力，保證車間生產(chǎn)的連續(xù)性。

2.2總體系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求分析，該車間存在數(shù)據(jù)采集不完善、質(zhì)量不可追溯、物料管理落后等問題。生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)不完善，使得工作人員難以跟蹤加工零件的狀態(tài)、時間和質(zhì)量檢查，無法保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性；如果質(zhì)量分析無法追溯，很難向客戶提供產(chǎn)品信息，導(dǎo)致交貨失敗或訂單進度跟蹤失?。蝗绻锪瞎芾聿患皶r準(zhǔn)確，將無法為車間提供物料庫存信息，出現(xiàn)物料擠壓和短缺，嚴重影響企業(yè)車間的正常運轉(zhuǎn)。本文設(shè)計了一種基于MES的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以解決該車間以往存在的問題，同時完成數(shù)據(jù)采集和顯示功能。

MES數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的資源狀態(tài)查詢一般包括三個方面，即設(shè)備狀態(tài)、工具狀態(tài)和物料狀態(tài)。系統(tǒng)最重要的子模塊是生產(chǎn)物料進度跟蹤，可以查詢?nèi)蝿?wù)的分配，生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)進度和產(chǎn)品的完成數(shù)量。生產(chǎn)過程統(tǒng)計分析是對生產(chǎn)過程中收集的數(shù)據(jù)進行分析和總結(jié)，從而形成更加方便管理者的管理系統(tǒng)。生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集是指生產(chǎn)過程中設(shè)備工作信息(設(shè)備運行參數(shù)、設(shè)備故障信息)、產(chǎn)品過程信息(產(chǎn)品過程記錄)、人員操作信息(任務(wù)分配、收貨、開始和結(jié)束)、質(zhì)量檢驗信息(合格、維修、檢驗報告數(shù)據(jù)、合格證)以及人員、設(shè)備、加工時間等數(shù)據(jù)的采集。

2.3過程數(shù)據(jù)采集的設(shè)計

通過對生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)采集方法的分析，結(jié)合車間的實際生產(chǎn)情況，選擇了兩種數(shù)據(jù)采集方法。利用以太網(wǎng)采集車間數(shù)據(jù)，不僅可以采集真空感應(yīng)熔煉爐所需的工藝數(shù)據(jù)，還可以向監(jiān)控系統(tǒng)提供設(shè)備運行參數(shù)。設(shè)備在使用時，不能直接與以太網(wǎng)連接，需要相應(yīng)的串行輸出模塊，可以與以太網(wǎng)的服務(wù)器或交換機連接，實現(xiàn)與以太網(wǎng)的通信過程。其他設(shè)備只能手動收集數(shù)據(jù)。這種方式使用受限，只能記錄相關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，不能完成所有的數(shù)據(jù)采集。由于收集過程中涉及到人員、材料、進度、質(zhì)量等數(shù)據(jù)，管理者需要根據(jù)不同的信息選擇合適的收集方法。

在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方案中，主要利用計算機技術(shù)和數(shù)控技術(shù)連接數(shù)控機床，并與上位機結(jié)合，實現(xiàn)對設(shè)備的集中管理和控制。實現(xiàn)該車間的自動化管理和控制模式對企業(yè)的生產(chǎn)具有重要意義。因此，在本車間的數(shù)據(jù)采集中，需要直接從有DNC網(wǎng)卡的設(shè)備上采集數(shù)據(jù)，而對于沒有網(wǎng)卡采集條件的，則需要采用宏命令采集方式，并添加相應(yīng)配置的網(wǎng)絡(luò)端口來完成自動控制模塊。在車間內(nèi)，仍有一些設(shè)備在兩種采集方法中都不可用。這時候PLC設(shè)備就可以發(fā)揮很大的作用了。它首先采集設(shè)備的輸入輸出信號，然后將信號發(fā)送到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，從而利用翻譯工具完成信息的轉(zhuǎn)換和獲取。

該系統(tǒng)還具有射頻識別功能，可以有效保證數(shù)據(jù)采集的完整性。對于無法自動采集的數(shù)據(jù)，后期會增加RFID掃描設(shè)備補充輸入。在生產(chǎn)車間會布置一定數(shù)量的攝像頭對車間現(xiàn)場進行監(jiān)控，信號線與以太網(wǎng)連接，以便在生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)異常時向車間發(fā)出報警，提醒工作人員，便于及時處理問題。電子看板的設(shè)置可以為上級展示班組的生產(chǎn)情況，使信息更加直觀清晰。

3數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用——以某車間為例

3.1采集技術(shù)分析

生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集，其實就是監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)采集，通過掃描二維碼就可以監(jiān)控。在從原料投入到生產(chǎn)加工再到產(chǎn)品完成的過程中，一般會對產(chǎn)品、人員、物流、設(shè)備進行監(jiān)控。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r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)控的目的是及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的問題，事后發(fā)現(xiàn)問題時可以有效追溯。

數(shù)據(jù)采集器可以用在工藝、設(shè)備、手持讀寫器或其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備的入口處，二維碼閱讀器用在工藝、設(shè)備的入口處，使數(shù)據(jù)采集過程更加連貫。這樣可以增加覆蓋面積，覆蓋范圍10-100m。

設(shè)計的基于MES的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用于生產(chǎn)車間(圖3)，為企業(yè)的信息化管理提供了解決方案。本系統(tǒng)采用的RFID技術(shù)是一種非接觸式自動識別技術(shù)，可以利用電磁波感應(yīng)快速采集數(shù)據(jù)，適用于多種惡劣環(huán)境，無需擔(dān)心生產(chǎn)車間環(huán)境給數(shù)據(jù)采集帶來的困難。這種通過電磁波感應(yīng)或傳播實現(xiàn)的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，具有體積小、使用靈活、存儲容量大、安全性高、速度快等優(yōu)點。，并能適應(yīng)多種無人化生產(chǎn)模式。而且使用RFID技術(shù)可以減少人工操作，提高信息的讀取程度，方便下一步的處理。RFID技術(shù)的實施是在ERP的基礎(chǔ)上完成的。RFID掃描的條碼信息由ERP提供，生成可唯一識別的電子標(biāo)簽。此外，借助ZigBee數(shù)據(jù)采集器，可以對原有的舊設(shè)備管理系統(tǒng)進行補充，降低了該系統(tǒng)的實施難度。

3.2數(shù)據(jù)采集過程

在數(shù)據(jù)采集過程中，主要包括人員數(shù)據(jù)采集、物料數(shù)據(jù)采集、設(shè)備數(shù)據(jù)采集和產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)可以發(fā)布員工的排班任務(wù)，通過采集員工的出差狀態(tài)、出差時間、產(chǎn)品加工時間等主要信息，確定員工的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。物料數(shù)據(jù)采集采用二維碼標(biāo)簽管理，可分時段讀取產(chǎn)品的工序號、加工數(shù)量等信息。

車間生產(chǎn)設(shè)備自動化程度不高，采集時主要采集設(shè)備運行狀態(tài)和產(chǎn)品加工數(shù)量。讀寫器可以讀取設(shè)備編號、操作員編號、作業(yè)編號、讀取時間等設(shè)備信息。當(dāng)設(shè)備運行到一定程度或出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可以及時向相關(guān)部門發(fā)送信息，以便相關(guān)人員對設(shè)備進行維修。另外，所有設(shè)備的運行信息都會保存在數(shù)據(jù)庫中，每次運行都會更新數(shù)據(jù)庫。

所生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量是整個生產(chǎn)管理部門關(guān)注的焦點。如果生產(chǎn)過程失控，會導(dǎo)致一系列后續(xù)加工浪費。將生產(chǎn)出來的產(chǎn)品質(zhì)量及時反饋給管理者，將有助于減少加工過程中的質(zhì)量問題。在生產(chǎn)過程中，一般有三種質(zhì)量檢驗體系:自檢、互檢和專檢。產(chǎn)品加工后，質(zhì)檢員需要對產(chǎn)品質(zhì)量進行檢驗，并記錄產(chǎn)品質(zhì)量檢驗情況，可以根據(jù)產(chǎn)品的具體情況做出相應(yīng)的處理。當(dāng)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)問題時，一般采用生產(chǎn)自檢模式。通過提交質(zhì)檢申請，有編碼問題的板卡上報通過。另一個檢驗是在產(chǎn)品的最后一個環(huán)節(jié)。產(chǎn)品生產(chǎn)完成后，由統(tǒng)一的檢驗員對產(chǎn)品質(zhì)量進行檢驗，合格和不合格的產(chǎn)品記入產(chǎn)品檔案。產(chǎn)品的這些流程全部完成后，產(chǎn)品才能被用戶使用，也就完成了。

3.3車間應(yīng)用效果

將設(shè)計的MES系統(tǒng)應(yīng)用于車間，并進行統(tǒng)計。在本車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理方面，按照一定的采集規(guī)則采集數(shù)據(jù)，對比四個班可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集更加準(zhǔn)確。利用在線對系統(tǒng)進行監(jiān)控，找到數(shù)據(jù)和資料的關(guān)系，找出數(shù)據(jù)差異的原因，自動恢復(fù)和修正數(shù)據(jù)。在排產(chǎn)日報表生成方面，將兩個公司之間的手工采集和錄入改為系統(tǒng)匯總，形成企業(yè)的排產(chǎn)匯總?？傮w而言，系統(tǒng)減少了數(shù)據(jù)匯總時間。以前的日常排班報表都是26小時后完成，而系統(tǒng)只需要兩個小時，比以前的排班匯總提前了一整天，大大提高了企業(yè)的工作效率。日常調(diào)度只是其中的一小部分，統(tǒng)計業(yè)務(wù)的變化更直觀。上線前，統(tǒng)計業(yè)務(wù)不做日結(jié)，只在每個月底盤點。使用該系統(tǒng)后，可以實現(xiàn)日累計數(shù)據(jù)，進行日、旬、月平衡。此外，由于ERP的技術(shù)支持，統(tǒng)計報表業(yè)務(wù)更加便捷。

在該方案實施過程中，設(shè)備數(shù)據(jù)的采集需要不斷調(diào)試和修改，直到最終滿足應(yīng)用要求。由于不同廠家的機床參數(shù)不同，在選購相應(yīng)的硬件設(shè)施時，需要權(quán)衡設(shè)備的性能和應(yīng)用環(huán)境，以最大程度滿足方案的實施標(biāo)準(zhǔn)。在實際應(yīng)用中，車間需要考慮RFID的掃描尺寸、條形碼的尺寸、掃描接口等。，這些都需要初步選擇，然后根據(jù)調(diào)試的最佳結(jié)果選擇效果最好的掃描設(shè)備。

4結(jié)論

企業(yè)要想在同行業(yè)競爭中取得優(yōu)勢，就必須適應(yīng)市場的應(yīng)用需求，掌握最先進的技術(shù)，生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品?；贛ES的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確、靈活，可用于信息管理。廣泛應(yīng)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)有設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新型MES數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并已在某生產(chǎn)車間得到應(yīng)用。分析了該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀，為MES系統(tǒng)的進一步研究奠定了基礎(chǔ)。