MES数据采集技术
2022-04-19 来源： 智造苑
数据采集是整个MES系统运行管理的基础，针对生产车间不同的数据采集对象，MES需要采用具有针对性的、适当的MES数据采集方法。MES系统中常见的数据采集设备有条码系统、RFID系统、工业级触摸屏、专用工位机（智能终端机）、移动平板电脑以及智能手机等。
「 1. 条码技术 」
1）条码技术原理
条形码自动识别技术（简称条码技术）是在计算机技术与信息技术基础上发展起来的一门集编码、印刷、识别、数据采集和处理于一身的新兴技术。其核心内容是利用光电扫描设备识读条码符号，从而实现机器的自动识别，并快速准确地将信息录入到计算机进行数据处理，以达到自动化管理的目的。
条码技术是为实现对信息的自动扫描而设计的。它是实现快速、准确而可靠地采集数据的有效手段。条码技术的应用解决了数据录入和数据采集的瓶颈问题，为物流和供应链管理提供了有力的技术支持。条码由一组排列规则的条、空和相应的字符组成。
条码分为一维条码和二维条码。一维条码主要有EAN码、39码、库德巴码(Codabar)等。其中EAN是国际物品编码协会制定的一种商品用条码，通用于全世界。我们日常购买的商品包装上所印的条码一般就是EAN码。一维条码所携带的信息量有限，如商品上的条码仅能容纳13位阿拉伯数字(EAN-13码)，更多的信息只能依赖商品数据库的支持，离开了预先建立的数据库，这种条码就没有意义了，因此在一定程度上也限制了条码的应用范围。图1（a）是EAN一维码示例。
（a）EAN一维条码 （b）PDF417二维条码
图1条码示例
20世纪90年代发明了二维条码。它具有信息量大、可靠性高，保密、防伪性强等优点，主要有PDF417码、Code49码、MaxiCode码等。二维条码作为一种新的信息存储和传递技术现已应用在国防、公共安全、交通运输、医疗保健、工业、商业、金融、海关及政府管理等多个领域。图1（b）是PDF417二维条码示例。
条码系统是一种集成式的数据存储系统。条码实际上是有唯一性的一串数字，真正的信息写在数据库里。这种识别方式的优点是成本较低，简单方便。缺点是对通讯的要求很高，因为每个信息读写点都必须从主机获取数据，而且所有的信息都存储在数据库里，要求有大容量的数据库和高速度的主机，此外通讯线路的错误将导致生产的停止。
2）条码技术应用
利用条码技术能有效地解决MES中数据录入和数据采集的瓶颈问题，可以帮助企业极大地提高生产作业效率和管理水平。条码在在制品跟踪与管理上的应用主要包括以下优势：①实时、精确地统计和查询生产数据，为生产调度等提供依据；②快速、准确地跟踪和管理在制品的生产过程，并能在计算机上显示出来，能使我们找到生产中的瓶颈；③减少了生产数据统计人员繁重的数据收集与统计工作；④提供完整的品质跟踪手段，对检验中的不合格产品，能记录下是人为问题还是零件问题，提供实用的分析报告。
条码标签作为物料（外购件，自制零件、部件、成品）在生产过程中唯一识别标识，用于生产过程中的生产报工、质量检测、在制品跟踪、信息查询等。物料条码标签作为库存物料识别标识，用于物料收发和防错等。图2所示列举了三种常见的条码应用场景。
(a)粘贴条码标签 (b)条码标签放置于容器上
(c)打标机直接零件标识
图2三种常见的条码应用场景
MES系统可以根据不同用途的条码，设置不同的条码规则，系统会根据不同规则来生成各式各样的条码。系统可将常量、日期、系统变量、流水号灵活组合形成条码。如：常量+“-”+日期+“-”+流水号，SER-20140429-0000882。通过条码，可将系统所涉及的关键信息条码化，实现快速扫码报工，跟踪物料流转。同时通过系统数据集成传输的方式，减少由于手工输入带来的错误和不能及时同步和更新的问题。
「 2. RFID技术 」
1）RFID技术原理
RFID 是Radio Frequency Identification的缩写，即无线射频识别。RFID常称为感应式电子晶片或接近卡、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码，等等。RFID技术是一种非接触式的自动识别射频技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签，操作快捷方便。作为一种非接触式信息采集技术，采用RFID进行信息采集不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可在这样的环境中替代条码，例如用在仓库中或车间生产流水线上跟踪物体。
如图3(a)所示，一套完整的RFID系统由以下4个部分组成：
（1）标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个RFID标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象，俗称电子标签或智能标签。根据自身是否带有电源是否能够主动发射某一频率的信号，将标签分为有源标签（主动标签）和无源标签（被动标签）。
（2）读取器/读写器(Reader/Writer)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。
（3）天线(Antenna)：在RFID标签和读取器间传递射频信号。
（4）数据传输和处理系统。
(a)RFID系统组成 (b)RFID系统工作原理
图3 RFID系统组成与工作原理
如图3(b)所示，RFID系统的工作原理如下：电子标签进入接收天线的磁场射频范围后，自动接收RFID天线发射的电磁波信号，标签内部生成感应电流，激活标签内置天线的工作状态，反馈出标签芯片中的产品身份信息；RFID 读写器通过读取反馈数据信息并对其进行解码操作后，将整理好的信息传送给信息管理系统进行相关数据的储存与和处理。
2）RFID技术应用
RFID技术在制造业中得到了广泛应用。基于RFID系统可提供不断更新的实时数据流，可用来保证正确使用劳动力、机器、工具和部件，从而实现无纸化生产和减少停机时间，以保证可靠性和高质量；搜集如产品标识符、物理属性、订货号等信息，自动建立支持质量保证体系所要求的质量跟踪和工作历史文档，实现复杂的批次跟踪。特别是在混合装配线生产中，能准确无误地将装配零部件送达指定区域，从而减少了出错率。
RFID在制造车间数据采集、制造过程实时跟踪与产品质量回溯等方面应用的优势日趋显著，被认为是最具潜力且在制造信息化中发挥巨大作用的技术革新。在车间生产制造过程中，RFID主要应用于工件自动识别管理、生产过程控制、智能物件跟踪定位等。工件自动识别管理是指对于按订单生产的制造过程，需及时准确地识别出生产线上的工件信息，以保证在正确的工位装配正确的零部件；生产过程控制可以细分为生产状态监控及可视化、闭环生产计划及控制、车间物理控制优化等几个方面；智能物件跟踪定位指通过RFID技术跟踪这些绑定RFID标签的智能物件的过去、现在和未来的潜在状态信息并加以利用、处理。
应用RFID技术能够实现产品从原材料到最终成品的全面跟踪。例如，基于RFID实现发动机装配过程数据采集与监控。在汽车发动机装配线中，每一个发动机托盘上配有RFID存储器，在每个工位配有RFID读写头，用于记录在各工位获得的装配信息：发动机的唯一序列号(发动机号)、发动机加工生产过程中的事件及其时间、发动机各关键零部件的批次编号、发动机装配过程中的测试数据和拧紧力矩数据等。并在发动机总成的下料工位，由读写头读出存储器中保存的信息，送入中央控制室数据管理服务器进行存储和管理。这样，RFID系统建立的生产过程记录将为今后的查询和检索提供可靠的数据，同时也建立了每台发动机的生产过程及其零部件的追溯体系。在汽车总装生产中的车身识别与跟踪系统(AVI)是RFID技术的另一个典型应用。该系统能够自动识别每辆车所包含的客户要求，以便组织生产。比如白车身来到涂装车间时，控制系统应能够通过基于RFID的车辆识别确定车身被要求的颜色，自动转换喷头。当车身从涂装车间进入总装车间时，车辆识别系统应能够根据车身信息，打印装车清单，提示操作工根据不同的车辆，安装不同的选件；当车辆下线时，车辆识别系统将读取车辆实际被加工的信息，将之制作成报表并汇报给管理层。
根据RFID在MES中的应用模式，可以归纳成以下4种普适的应用场景：
（1）基于固定RFID读写器/天线的固定探测空间控制模式：在固定RFID探测空间内，安装于固定工位处的固定RFID读写器/天线探测RFID贴标物体的“进入/离开”事件。
（2）基于固定RFID读写器/天线的移动探测空间控制模式：在移动RFID探测空间内，安装于运输小车、库存叉车等的车载RFID读写器/天线探测RFID贴标物体的“进入/离开”事件。
（3）RFID读写器/天线的门禁控制模式：在进出门禁或固定探测点，固定的RFID读写器/天线探测RFID贴标物体的“进入/离开门禁”事件。考虑到这两个事件发生的瞬时性，可将其融合成一个“经过门禁”事件。
（4）基于移动RFID读写器/天线的随机探测空间控制模式：利用手持式RFID读写器（含天线）对RFID贴标物体进行随机的状态跟踪，既可以是在固定RFID探测空间（如在固定工位通过手持式RFID读写器扫描获取物体的状态信息），也可以是在移动RFID探测空间（如在仓库中通过手持式RFID读写器扫描定位目标物体并读取其状态信息）。
图4给出了制造车间中对应上述四种场景的RFID应用案例。其中，案例一为固定工位的RFID应用；案例二为AGV或运输小车的RFID应用；案例三为跨企业门禁和传送带固定工位的RFID应用；案例四为库存管理中物料盘点时的RFID应用。
图4 制造车间中对应四种RFID应用场景的典型应用案例
「 3. OPC技术 」
以上介绍的数据采集方式都是针对车间生产信息方面的数据采集。MES还有一类数据采集是针对生产现场设备装置的，即针对设备控制系统（DCS）的数据采集。特别是在流程工业中，针对DCS的数据采集是MES系统运行的重要基础。
OPC是实现DCS数据采集的标准接口与重要技术手段。OPC（ole for process control）技术是指为了给工业控制系统应用程序之间的通信建立一个接口标准，在工业控制设备与控制软件之间建立统一的数据存取规范。它给工业控制领域提供了一种标准数据访问机制，将硬件与应用软件有效地分离开来，是一套与厂商无关的软件数据交换标准接口和规程，主要解决过程控制系统与其数据源的数据交换问题，可以在各个应用之间提供透明的数据访问。OPC诞生以前，硬件的驱动器和与其连接的应用程序之间的接口没有统一的标准。软件开发商需要开发大量的驱动程序来连接这些设备。即使硬件供应商在硬件上做了一些小小改动，应用程序也可能需要重写。自OPC提出以后，这个问题终于得到解决，它实现了不同供应厂商的设备和应用程序之间的软件接口标准化。数据用户不用再为不同厂家的设备数据源开发驱动或服务程序，OPC将数据来源提供的数据以标准方式传输至任何客户机应用程序。
图5展示了基于OPC技术的DCS设备数据访问方式。该方式中，任何一种设备只需要提供一种驱动就可以供任何软件系统使用。系统构建完成后的最终结果是：
（1）M个软件要使用N类硬件设备只需要开发N个驱动。（2）每增加1个新的应用软件不需要另外开发硬件设备的驱动程序。（3）每增加1个新的硬件设备只需要为开发1个新设备的驱动程序。在上图所示的例子中，针对4种控制设备所完成的3个应用系统一共仅需要开发4种驱动程序。新增应用软件或者硬件设备可灵活地扩展系统。另外，基于OPC的数据访问方式还具有如下优点：（1）高速的数据传送性能；（2）基于分布式COM的安全性管理机制；（3）较低的开发成本；（4）高可靠性。
图5 基于OPC技术的DCS设备数据访问方式
图6所示是一个基于OPC技术可以实现MES系统中针对DCS的设备数据采集、MES内部以及MES与上层ERP系统和设备底层PCS的数据交互与信息集成框架。在该框架中，由OPC服务器向COM对象提供标准接口，允许OPC客户端应用以一致的方式交换数据和控制命令，以相同的方式访问OPC服务器，不管这些服务器是连接到PLC、工业网络或其他应用程序．在这个体系结构中，作为核心的OPC就相当于一块“软件主板”，它能够直接连接现场的PLC、工业网络、数据采集和Windows CE设备，通过快速有效的方式从现场获取实时数据。而MES等软件之间按照OPC协议进行通信，它们可以通过OPC 获取现场的实时数据，也可以通过OPC彼此交换信息。所以OPC为企业内部的信息交换提供了一个开放平台。这种基于OPC技术的信息交互不再受设备生产厂家的限制，现场设备中的实时测量控制信息被MES实现共享，经处理后传送至 ERP；而存放于ERP的成品工艺和生产计划信息则由MES处理后写入现场设备，实现管理与控制一体化。
图6基于OPC技术的数据交互方式与信息集成框架
引自：《制造执行系统技术及应用》（作者：饶运清）
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