离散制造企业MES中的生产数据采集实践

作者：张芬 杜朋 杨亚非

欢迎访问e展厅 展厅 3 CIO信息化管理展厅 电子商务/企业门户, IT运维管理, 制造执行系统MES, 流程管理BPR/BPM, SOA/SaaS/云计算, ... 1 引言 车间制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)是面向车间的生产过程管理的实时信息系统。它填补了上层生产计划与底层工业控制之间的鸿沟，可以为用户营造一个可视、实时、精细、可追溯的制造环境，因此近10年来在国际上得到迅速发展。国内，越来越多的企业也认识到MES在企业信息化中举足轻重的地位，开始逐步实施MES系统。 MES最大的价值就是数据和信息的转换。如果把MES比喻为人，那么生产数据就相当于人的血液系统。离开生产数据采集，生产管理部门不能及时、准确地得到工件生产数量；不能自动获得机床开工状况和主轴运转情况；不能准确分析设备利用率等瓶颈问题；无法准确、科学地制定生产计划；无法实现生产管理协同。可见，只有有效的实现生产数据，才能使得MES系统从根本上解决车间管理中计划跟踪迟滞、设备利用率低、产品质量难以提升等问题。本文根据作者在离散制造企业实施MES生产数据采集的实践，总结分析了离散制造企业生产数据采集的特点、内容，提出了采集的原则以及采集方式的选取方法。 2 离散制造企业MES中的生产数据采集的特点 由于连续工业生产与离散工业生产在设备、物料和产品特点的差异。导致了两种类型的工业生产在制造管理中存在诸多差异，进而决定了相应的MES的不同121。离散制造企业的车间制造执行过程中的生产数据采集体现出以下特点： (1)随着企业竞争加剧，越来越多的离散制造企业实现多品种小批量订单生产方式。如航天制造企业，产品品种多达上千种，每种产品的批量较小，多的几十件到上千件，少到几件甚至单件(研制生产)。这给企业的生产数据采集带来挑战。 (2)离散制造企业多品种、多型号的机床并存，导致难以预先设定较为准确设备产能。许多企业员工的能力参差不齐，缺乏—批稳定的技工。生产计划在各种因素的影响下，插单现象频繁(如大型发动机制造)，突发事件多，这加剧了生产数据采集的复杂性。 (3)相对流程制造企业，离散型制造企业设备功能冗余度大，往往拥有大量的机床和数控设备。这些机床和数控设备种类多、品牌杂、新老并存(国有企业这种隋况尤甚)。设备的协议与接口种类差别很大，通讯接口之间兼容性差。有些数控设备没有网络接口、只提供软驱或串行口，因此数据采集难度大。 (4)由于每个操作可能涉及不同的物料、设备、工具及文档等资源，这些资源离散地分布在企业中。因此在异步、并发的离散流程中，需要采集的生产数据种类多，彼此之间关联性高。 (5)许多离散制造企业产品零部件的加工工艺复杂、质量要求高。如航天类产品，质检工作是生产的重要组成部分，需要对质量过程进行全面管理。质量数据采集是数踞采集的重要组成部分。 因此，离散制造企业的生产数据采集实施不同于一般的信息化软件系统的实施，它是一件工程实践性很强的工作。它不仅与MES应用模块需要的数据类型相关，还与车间设备配置、空间布局、人员构成与素质、产品类型、实施成本等因素相关。此外，在实施过程中，还需要涉及设备选型、布线、安装调试、整合PLC控制设备、连接电子看板等诸多细节。 3 离散制造企业MES中数据采集应用方案分析 航空、航天、装备、造船等离散制造企业，将其生产数据分为：(1)带有时标的生产过程数据；(2)带有时标的报警、消息、生产事件信息；(3)手工实验数据(如果各种理化检测指标)；(3)计量数据(如称重数据)；(4)批次信息(如批次号码，批次执行状态等)。为了保证这些数据的成功采集以及在MES中的成功应用，本文采用如图l所示的方案。此方案遵循以下原则： ①完整性、实时性原则。MES系统的有效运行需要数据采集系统提供全面的车间动态数据。部分生产类型数据的缺失、或者部分设备信息的缺少，都将影响MES应用模块作用的发挥。各种带有时标的生产过程数据以及报警、消息、生产事件信息是有时效性的，延时的记录和存储将会导致应用错误甚至失败，因此需要借助实时数据库以及数据引擎实时获取这些数据，并实现实时计算，实时分析，实时报表等应用。 ②多种采集技术综合应用、人机结合原则。离散制造企业生产层既包括大量的复杂制造设备，也具有大量的手工工位，如图1生产层所示。图中：M—车间的设备或工位。任何一种方法均难以覆盖企业的生产数据采集。因此，离散型制造车间数据采集方式必然是多种数据采集技术的综合应用。在工程应用中，为了经济地实现数据采集，离不开人杌结合原则。虽然，人工介入的数据采集具有“不可靠”的隐患，但是，这是保证数据完整性和采集经济性不可避免的手段。人工介入数据采集需要通过制度、考核手段的改进来保证采集数据的实时性和准确性。 ③易于集成应用原则。生产数据采集处于MES应用系统与生产设备控制系统的中间层，MES系统需要基于这些实时数据进行统计分析，实现生产订单管理、计划排产、调度跟踪以及物料管理，并将这些信息通过各种图表等可视化方式在车间实时显示监控。必要时，还需要将某些生产信息通过ERP／MES的集成接口，传递到ERP系统，为企业上层管理部门决策所用。 4 离散制造企业MES中数据采集方式分析 根据离散制造企业MES中生产数据采集特点，其常用的数据采集方式包括DNC网卡采集方式、宏指令采集方式、PLC采集方式以及RIFT)采集方式。在实际应用过程中，需要结合实际企业的个体情况，有选择地综合应用这些方式，以满足离散制造企业MES生产数据采集的各项原则。 4.1 DNC网卡方式 为了设备集中管理和控制的需要，—些大的数控系统厂商针对数控系统都开发有专用的DNC接口，该接口许可利用外部计算机进行远程监控，采用基于TCP/IP协议的以太网传输％DNC网卡方式可以采集到设备各类带时标生产过程信息以及带时标的设备报警信息，包括当前程序名(零件名称)、设备运行状态、故障报告、数控设备的开机时间、主轴运转时间、设备运行参数等。 实践过程中，值得注意的是，为了技术的独占和保密的需要，各家数控系统厂商对DNC接口的访问都设置了技术障碍，必须采用他们提供的接口开发工具包软件才能实现对数控系统内部数据的访问，或者是利用他们提供的用于自己系统的管理软件。而数控系统厂商往往不直接对一般软件厂家授权这些开发工具包，而只对机床厂家授权。因此，DNC网卡的采集方式在实施中往往受到数控系统品牌和版本的制约。 4.2 宏指令方式 一些数控系统可以在加工中向外部数据接口发送数据的“宏指令”，如，FANUC，HAAS，因此可以在加工程序中插入代表一定意义的“宏指令”，在设备执行该加工程序中同步发出代表开始加工、当前主轴转速等的字符串。利用“宏指令”方法可以自动采集部分带时标的生产过程数据，包括：当前程序名(零件名称)、加工开始时间、加工结束时间、主轴转速、进给速度、当前刀具号。实践过程中，值得注意的是，“宏指令”方法只能用于具有宏功能的数控系统，采集的数据内容有限。实施过程中需要约束数控加工程序的编写规范，并防止宏命令被操作工人恶意删除。 4.3 PLC采集方式 PLC采集方式包括两种，一种是将PLC作为—个网关，利用PLC通过RS232／485与机床通信，可以从PLC直接读取设备加工日志文件，采集各种所需的带时标的生产过程数据，包括程序名称、加工时间、进给、转速、刀具信息等，然后再通过PLC的以太网络接口转换信息给数据库。 另一种方式是利用PLC直接采集机床的I／O信号，然后将信息传递给数据库。这种方法采集的信息非常有限。而且这种采集方式需要对PLC进行连线，实施过程中，往往引起企业的设备维修方面的顾虑。 4.4 RFID采集方式 利用射频自动识别技术(Radio Frequency Identification。RFlD)采集手工实验数据、计量数据、物料批次数据等。将常用的信息打印到电子标签上，车间现场工人利用专用的有线或无线扫描器采信息，并通过以太网络传递给数据库，这种方式可以用在没有数控系统的老旧的设备上或手工工位上。这种方式减少了操作工人信息输入的 工作量。 然而，RFID方式在采集的信息需要频繁交互时会受到一定限制，如测量检验中具体的计量数值的采集。因此，作为补充，配合RFID方式，在现场设置终端(如触摸屏终端)，由工人直接在终端中输入一些RFID方式不宜采集的具有较多交互的生产数据，而且这种方式还可以用于生产数据，而且这种方式还可以用于生产数据的现场查询。 此外，录像监控可以进行生产现场视频信息的获取，实现整个车间生产的透明化。 5 小结 实时、准确的生产数据采集并实现集成应用是MES得以成功的重要基础，离散制造企业MES建设中应该充分考虑其数据采集的特点，在采集过程中，根据完整性、实时性原则、多种采集技术综合应用、人机结合原则、易于集成应用原则，运用多种数据采集方式，并利用计算机、数据网络语通信设备、各种技术标准和实时历史数据库软件的有机组合来实现生数据的集成应用。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/29/2011)