聊一聊MES数据采集系统需求分析和总体设计

写在前面

前面我们从ERP、PLM、MES/MOM、SCADA/DCS、工业自动化等各个方向分析了国内或者全球的相关产业和行业：

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今天我们聊一聊MES数据采集系统需求分析和总体设计~

随着社会市场需求的不断变化，传统生产车间内的数据采集技术无法跟上市场变化的需求，容易出现数据记录滞后、实时监控困难等问题，造成了车间的生产效率低、产品质量低。在全球信息化的时代背景下，企业内的信息化管理可有效促进经济的发展。传统的车间管理系统无法适应时代的变化，很难满足消费者的需求。研究一种新的数据采集技术，实时记录生产信息、灵活应对生产需求，对实现智能化的信息管理发挥着重要作用，同时也能够保证生产数据的有效性。

1 MES数据采集系统概述

1.1 MES系统概述Manufacturing Execution System 为生产管理系统，也叫制造执行系统，简称 MES。在刚开始，MES 被人们理解为数字群控（DNC）、生产指挥系统以及数据采集等人力管理资源的集成者，但是随着该技术的发展，MES 已经慢慢能够支持生产中管理的层次，同时还能够汇聚管理的所有主要元素，正式成为生产管理系统。该技术具有先进的生产管理理念，通过计算机技术来实现企业各项业务之间的信息管理功能，并为企业的日常生产管理提供所需要的数据资料，在企业内部 MES 系统信息流通示意图如图 1 所示。

图 1 企业内部 MES 系统信息流通示意图目前 MES 已经处于制造生产企业的核心地位，在生产中作为生产管理层，兼具便捷性、灵活性以及先进性等特点，汇聚生产运行中的所有元素，成为综合性的生产管理系统。在很多制造信息化企业的建设中，大多会优先选择EPR系统，该系统能够满足企业建设的基本需求，但是在 MES 系统内部上层的 EPR 很少有生产管理功能。而 MES 在生产过程中以管理者的视角，向操作人员提供生产所需要的全部数据信息，例如材料、工具、设备以及要求等。将 MES 和 EPR 进行结合，两者之间协同工作，可进一步提高企业系统的智能化建设。MES 系统在企业生产中起着重要作用，可有效提高企业的生产效率，同时还能够和除 EPR 系统外的其他系统协同工作，加快信息流通速度，为企业的进一步发展提供了保障。1.2 MES主要功能MES 系统主要是在企业的生产管理层起作用的，物料移动、生产调度、生产统计、能源管理都归 MES 系统管理。物料移动模块可以分为五个基础子模块，主要包括仓储模块、配料模块、熔炼模块、检测模块以及进出厂模块。

仓储模块主要对库存内所有原材料和在制品成品的出入库、移动等操作进行实时的记录与管理，在完成岗位操作的同时，通过对系统业务进行解析，实现物料移动模块与仓储模块之间的关系解析，使整个管理模块进行的更加规范；配料模块利用数据集成平台，对配料计算，配料操作等进行记录与管理；熔炼模块对装置内的各种操作进行监测与管理，利用数据集成平台修正系统内部的数据，并通过人工确定等手段来增加结果的可靠性；检测装置模块按照企业需求，实时监测数据和化验分析等数据，为企业提供所需要的数据管理业务都可以通过此模块来提供数据；进出厂模块记录原料和成品的出入厂情况，并以班为单位，提供物料移动所需要的数据解析。

生产调度可解析物料移动模块的动态移动关系，描述节点之间的移动类型、原物料、目的物料以及目的节点等，进一步保证检验操作的合理性。通过解析物料移动模块，利用该模块节点之间的关系，求解出节点的拓扑模型并生成相应的生产平衡模型，为实现生产平衡提供了有效的数据支撑。在实现生产平衡的过程中，利用人机交互可有效提高生产平衡的效率，减少平衡的生产周期。生产统计主要是统计物料平衡以及辅料消耗与 ERP 支撑。生产调度模块能够对生产进行计算，找到合适的生产平衡模型，统计物料平衡能够在生产平衡下对生产数据分类和汇总，并对统计层的拓扑模型分析和计算，完成 MES 工厂与企业之间的物料统计平衡，进一步实现“日平衡、旬确认、月结算”，实现统计物料的各种产料统计，为 EPR 和经济统计指标提供数据支撑。能源管理主要有数据采集、计算、产耗平衡、EPR 支撑等功能，它是以各种能源介质为基本对象，能源管网为平衡中心建立起来的能源拓扑模型，为统计产耗和 EPR 数据提供有效的技术保障。1.3 MES数据采集系统的工作流程在企业的生产管理中，需要对多个生产设备进行管理，并对每个设备进行数据采集，其数据采集的工作流程如图 2所示。

图 2 数据采集的工作流程图企业中基于 MES 的车间管理系统有两种生产数据采集方式，分别为自动采集和手动采集。自动采集是系统使用具备二维码采集的功能来采集生产信息，它是在上线前将生产计划和操作人员信息进行初始化关联，在原材料上贴上二维码的标签。工控网和内网其他系统对二维码扫描来记录产品的编号、操作人员信息以及检测的设备，最后由 MES 系统生成产品的质量档案。自动采集使用较为简单，但实际应用起来还有一定的限制，这就需要工作人员对产品进行手动录入，确保生产数据采集的准确性。若是企业想要获得监控设备的运行状态以及对设备工艺等数据进行采集，就需要 MES 系统直接采用 PLC 设备对数据进行采集，这种采集方式比较简单方便，特别适合那些以PLC 设备为主的生产制造车间。

目前 MES 系统的发展还不太完善，很多的控制系统都不是采用以太网的通信方式，容易造成 PLC 采集出现问题。为解决这种问题，部分系统使用 OPC 来连接以太网和 PLC 设备，争取能够通过 OPC 来完成控制系统的数据采集。另外还有一些控制系统不是通过以太网的方式连接，这就需要将这些控制系统连接成一个网，进而形成一个整体的系统来进行数据采集。在数据采集的投资成本上，MES 系统数据采集本身就需要很高的运行成本，其内部存在的问题还需要更多的成本来解决，因此这种数据采集的方式就存在成本浪费的情况，还需要寻求更为有效的成本更低的数据采集方法。

2 需求分析和总体设计

2.1 系统需求分析

MES 中最重要的子系统便有数据采集系统，它可以对车间内产生的各种数据进行采集与整理，实现物料跟踪、产能分析、维护历史记录等功能，为其他的数据信息管理系统提供了基础。以某手工生产型制造车间为例，该车间的加工设备按照加工顺序进行设置，可生产多种类型的配套产品。通过对该车间生产过程的研究，可以发现该车间不同设备加工的零件数量不同，且仅依靠手工来记录生产数据。另外员工对车间生产缺少全面了解，只注重生产的数量，忽略了产品的生产质量，造成产品的废品率上升。为维持整个生产车间的正常运行，数据采集系统需要适应现代化的管理方式，及时准确的采集生产过程中的数据，并将采集到的信息保存到数据库中，供 MES 或其他外部系统调用。随着现代社会的生产需求，企业生产车间的生产模式变得越来越复杂，导致车间管理不能正常运行。越复杂的生产车间就越需要及时进行数据的采集、监控产品的生产状态。根据不同类型的车间选择相应的数据采集方式，如手持人工采集、条形码技术和 RFID 技术等，并将监控到的产品信息、设备运行状态、车间生产状态通过显示屏展示给管理人员，使生产车间能够可视化管理。这就需要企业在信息管理的过程中，积极适应市场变化，根据产品需求选用先进的数据采集技术，避免在企业竞争中淘汰。另外在遇到突发情况时，车间应该具备应对突发情况的能力，保证车间生产的连续性。

2.2 系统总体设计

根据数据采集系统的需求分析，该生产车间主要存在生产过程数据采集不完善、质量分许无法追溯、物料管理落后等问题。生产过程的数据不完善使工作人员很难对加工零件的状态、时间、质检等追踪，无法保证数据的完整与可靠；质量分析无法追溯就很难对客户提供产品信息，导致无法交货或者无法跟踪订单进度的情况；物料管理的不及时、不准确就无法为车间提供物料库存信息，会出现物料挤压、短缺的情况发生，会严重影响企业车间的正常运行。本文设计了一款基于 MES 的数据采集系统，可以解决该车间之前存在的问题，同时还可以完成数据的采集与展示功能。MES数据采集系统中资源状态查询一般包括三个方面，分别为设备状态、工具状态以及物料状态。该系统最重要的子模块就是生产物料进度追踪，它可以查询任务的分配情况、生产过程中的生产进度以及产品的完成量。生产过程统计分析是对生产过程中采集到的数据进行分析和汇总，以便为管理者形成更便捷的管理体系。生产数据采集就是采集设备的工作信息（设备运行参数、设备故障信息）、产品工序信息（产品的过程记录）、人员操作信息（任务下达、接收、开始与结束）、质量检测信息（合格、返修、检测报告数据、合格证）生产过程中的人员、设备、加工时间等数据。

2.3 过程数据采集设计

通过对生产过程中数据采集方式的分析，结合车间的实际生产情况，选择了两类数据采集方法。在车间内采用以太网对数据进行采集，可采集到所需的真空感应熔炼炉的加工数据，而且还能够向监控系统提供设备运行参数。设备在使用时不能够与以太网直接连接，而是需要相应的串口输出模块，通过串口输出模块与以太网的服务器或交换机连接，实现与以太网的通信过程。其他设备只能够通过手工方式对设备进行数据采集，这种方法使用起来较为有限，且只能记录相关设备的基本数据和状态数据，无法完成全部数据的采集工作。由于采集过程中涉及到了人员、物料、进度、质量等数据，管理者需要根据不同的信息来选择合适的采集方式。在该系统的数据采集方案中，主要采用的计算机技术、数控技术等，将数控机床联系起来，并与上层的计算机结合从而实现设备的集中管理控制。

实现该车间的自动化管理控制模式对企业的生产有着重要意义，因此在该车间的数据采集中，需要对具备 DNC 网卡的设备直接进行数据采集，而对于不具备网卡采集条件的需要采用具有宏命令的采集方式，增加相应配置的网口，从而完成自动化控制模块。在车间内部，还存在两种采集方式都不具备的设备，这时候 PLC设备就能够发挥很大的作用，它首先使采集设备的输入输出信号，然后将信号发送给相应的数据库，从而利用翻译工具完成信息的转换与采集。该系统还具备射频识别功能，可有效保证数据采集的完整性，对于无法自动采集的数据，后期添加 RFID 扫描设备补充录入。在生产车间还会配置一定数量的摄像头，对车间现场进行监控，并将信号线与以太网连接，在生产现场异常的情况下向车间报警，提醒工作人员，便于及时处理问题。而电子看板的设置，就能够为上级显示班组的生产情况，使信息能够更加直观、明朗。

3 数据采集应用——以某车间为例

3.1 采集技术分析

生产过程数据的采集实际上就是对监控对象的数据进行采集，这些监控对象都可以使用扫描二维码来监控。在原材料输入经过生产加工至产品完成的过程中，一般都是对产品、人员、物流、设备等进行监控。系统可实时采集生产过程数据，并将数据保存在数据库中，这种监控的目的就是为了及时发现在生产过程中出现的问题，并在事后发现问题时能够得到有效的追溯。在工序的入口、设备、手持式读写器或其他数据采集设备上都可以采用数据采集器，其中工序入口和设备上采用的都是二维码读取头器，使数据采集过程更加连贯。使用这种方式，可增加覆盖面积，覆盖 10-100 米之内的范围。

图 3 MES 生产车间应用过程

将设计的基于 MES 的数据采集系统应用到该生产车间中（图 3），为该企业的信息化管理提供了解决方案。该系统采用 RFID 技术是一种非接触式的自动识别技术，可利用电磁波感应进行快速的数据采集，适用于多种恶劣环境，不用担心由于生产车间环境为数据采集带来的困难。这种通过电磁波感应或传播来实现的数据通信技术，具有体积小、使用灵活、存储量大、安全性高、速度快等优点，可以适应多种无人化的生产模式。而且使用 RFID 技术可以减少人工操作，提高信息的读取度，便于下一步的加工。RFID 技术的实施是在 EPR 的基础上完成的，RFID 扫描的条码信息是由EPR 来提供，并生成能够被唯一识别的电子标签，另外还有ZigBee 数据采集器的帮助，可对旧设备原有的管理系统进行补充，为该系统的实施降低了难度。3.2 数据采集过程在进行数据采集的过程中，主要包括人员数据的采集、物料数据的采集、设备数据的采集以及产品质量数据的采集。

该系统可发放人员的调度任务，通过对人员工作的出行状态、出行时间、产品加工时间等主要信息的采集，来确定人员的生产数据。物料数据的采集是使用二维码标签来进行分区管理，在不同的区间内对产品进行工序号和加工数量等信息的读取。车间的生产设备自动化程度不高，在采集时主要是对设备的运行状态和产品加工的数量进行采集。读写器可读取设备的编号、操作员工的编号、工号以及读取时间等设备信息，在设备运行到一定程度或发生故障时，系统能够及时向相关部门发送信息，以便相关人员对设备进行维修。另外所有设备的运行信息都会被保存到数据库中，每运行一次数据库都会进行一次更新。

生产的产品质量是整个生产管理部门的重点，若生产工序不在控制范围内，就会造成后续一系列加工浪费的情况，及时向管理者反馈生产的产品质量，有利于减少加工的质量问题。在生产过程中一般有自检、互检和专检三个质量检测制度，完成产品的加工后，质检人员需要对产品质量进行检测并记录产品的质量检测情况，可根据产品的具体情况进行相应的处理。在生产过程中发生问题的一般是采用生产自检模式，通过提交质检申请，对编码有问题的板件进行上报，等待审核通过；而他检是在产品的最后环节，待产品生产结束之后，由统一的检查人员产品进行质量检测，并将合格与不合格的都计入产品档案。

产品的这些工序都完成之后，这个产品才算结束，然后才能给用户使用。3.3 车间应用效果将设计的 MES 系统应用在车间上，并进行统计。该车间的生产数据管理方面，数据按照一定的采集规则实行采集，并用四个班来进行比较，可以发现数据采集的更为准确。使用上线对系统进行监控，并查找数据和物料之间的联系，找到数据产生差异的原因，自动对数据进行恢复与纠正。在调度日报生成方面，将之间的人工采集录入改成系统汇总，形成企业的调度总结。该系统在整体上减少了数据汇总时间，之前的调度日报都是在 26 小时之后完成，而该系统只需要两个小时，比之前的调度汇总提前了整整一天时间，大大提高了企业的工作效率。调度日报只是其中的一小部分，而统计业务的变化才更加直观。上线之前的统计业务并不做日平衡，只会在每月的月底进行盘点，使用该系统之后，可实现日累计数据，并进行日、旬、月的平衡。另外由于 EPR 的技术支撑，使统计报表业务更加便捷。在该方案实施的过程中，对于设备数据的采集需要不断调试修改，直到最后能够满足应用要求。由于不同厂家的机床参数不一样，在购买相应硬件设施的时候需要权衡设备的性能以及应用环境，以求能够最大程度的满足该方案的实施标准。在实际的应用中，车间需要考虑 RFID 的扫描尺寸、条形码的大小以及扫描接口等，这些都需要先进行初步的挑选，然后结合调试的最佳结果选择效果最好的扫描设备。

4 结论

一个企业要想在同行业的竞争中取得优势，就必须适应市场的应用需求，掌握最先进的技术，生产高质量的产品。基于MES的生产数据采集系统具有快速、准确、灵活等特点，可进行信息化管理，广泛应用于生产车间，提高生产效率，保证生产质量。本文是在现有的设备数据采集系统基础上改造设计的一款新型 MES 数据采集系统，并在某生产车间进行应用，分析该系统的数据采集状态，为 MES 系统的进一步研究奠定了坚实的基础。

编辑：黄飞