0 引言
制造执行系统(MES)是制造系统中的关键环节之一，美国先进制造研究机构AMR(Advanced Manufacturing Research)将MES定义为“位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统”。MES把企业资源计划(ERP)同现场控制系统(PCS)通过执行系统联系起来，MES系统建立在生产现场之上，又为ERP提供数据支撑：在柔性制造系统(FMS)中，通过生产数据的采集，生产管理部门才能及时、准确地得到工件生产数量，准确分析设备利用率等瓶颈问题，科学地制定生产计划，实现生产管理协同。但是PCS产生的数据量庞大，不仅增加了数据采集的难度，而且阻碍了控制系统与其他系统之间的有效数据和信息的交换，限制了对控制系统实时信息的有效利用：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、产品品质难以提升等问题。
本文研究了基于MES管理软件的FMS的数据采集，设计了比较完善的网络控制方案，形成的数据采集系统简便、易行、不干扰生产。
1 基于MES的柔性制造系统的数据采集结构
1.1 柔性制造系统的网络控制
针对某个工厂的具体要求，本课题组设计的柔性制造系统由7个站点组成，分别为中控台、立体仓储平台、品质检测平俞、数控加工平台、零件安装平台、拆卸分检平台、机器人安装平台、自动传输平台。如图1所示。FMS的网络控制主要有上层管理控制网络和子站点之间的互相通讯网络构成。上层管理控制网络由以太网构成，它将中央控制台与6个从站有机地连接在一起，用于控制各站的工作任务的工作安排、工作信息管理，以及工作状态的监控。
图1 柔性制造系统的网络控制方案
下一层的网络为PROFIBUS现场总线，要实现FMS柔性制造生产线各工作站之间的协调运行和信息交流，必须依赖于强大的现场网络支持。FMS柔性制造生产线各工作站的工作信息、运行状态、控制信号等均通过PROFIBUS现场总线传送至中央控制台，由中央控制台连接上位控制计算机，完成各软件的编写和测试。
1.2 MES管理系统的数据采集结构
柔性制造系统正得到越来越广泛的应用，它具有设备可复用性高、运行灵活及产品应变能力强的特点。但柔性生产过程所需物料种类繁多、装配流程复杂多变，物料追踪问题复杂，这些数据处理困难，如何统一将生产设备采集到的数据送入系统数据库，如何把系统中的控制信号快速送到设备从而执行，需要一个良好的数据采集系统，以便搜集和整理数据。
MES系统将各个分散站点的数据集中起来，储存在数据库中，建立信息平台。PCS包括PLC控制器、数据采集器RFID标签、各种检测仪器、机械手、加工机床、存储仓库等。MES可以获取ERP的生产管理信息，处理之后形成工作任务，将上层的操作指令传递给PCS，同时MES可以采集PCS的实时数据，监控生产状态，将PCS与ERP的数据整合反馈至ERP。MES在制造系统中起到了信息整合的作用。如图2所示。
图2 系统数据采集结构
2 MES数据采集内容和方式
2.1 数据采集的内容
柔性制造系统的MES是对整个生产过程的优化，而不是单一解决某一个生产瓶颈，所以它需要搜集大量的实时数据，并进行处理。而这些数据产生于最底层，有生产数据、品质检测数据、设备运行状况数据等。这些需要管理的数据分为三大类，即静态数据、动态数据以及中间数据。静态数据一般指变化的频度较小的数据，如毛坯信息、员工信息、设备信息等。动态数据是指在生产活动中频繁发生变动的数据，如仓库的存储状态、物料的加工情况、成品的品质检验等。系统对这些数据需要随时维护。中间数据是一种经过加工处理的信息，供管理人员掌握生产状态，以便进行分析和决策：
2.2 FMS的数据采集方式
FMS的数据采集主要有几种：1)PLC采集方式，2)RFID采集方式，3)触摸屏采集方式，4)以太网采集方式。其中PLC采集方式、RFID采集方式触摸屏采集方式是从用设备现有的接口，进行访问从而对数据进行采集。如加工运行状态、仓库的存储状态等实时数据采集，但要根据设备的具体情况来定。
1)PLC采集方式
PLC采集方式包括两种，一种是利用PLC直接采集系统各站点的I/O信号，然后将信息传递给MES的数据库，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。一种是使用PC/PPI专用编程电缆连接PC的串行接口与可编程控制器S7-200的编程口，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，包括加工时间、物料信息、加工者等，然后再通过PLC的以太网络接口转换信息给MES的数据库。
2)RFID采集方式
利用无线射频识别技术(RFID)采集加工数据、计量数据、物料批次数据等，通过以太网络传递给数据库，这种方式在采集的信息频繁时会受到一定限制，只适合作为数据采集的补充手段。
3)触摸屏采集方式
在现场设置终端(如触摸屏终端)，由操作人员直接在触摸屏输入一些生产数据，可以用于现场查询，但不能单独完成信息的采集功能，只能依靠与其他的数据采集方式共同作用。
4)以太网采集
以上三种方式都是现场总线的方式，存在总线标准不一，从而导致控制网络间互连以及控制网络与企业上层网络交换数据出现了代价过高等问题。如何统一将生产设备采集到的数据送入MES系统数据库是要解决的问题，使用工业以太网能很好的解决这些问题。
由于FMS使用的是西门子控制器S7-200，配有通讯模块CP243-1。CP243-1是一种通讯处理器，设计用于在S7-200自动化系统中运行。它可用于将S7-200系统连接到工业以太网(IE)中，有助于S7产品通过因特网进行通讯。因此，可以使用STEP 7-MicroWIN对S7-200进行远程组态、编程和诊断。而且，一台S7-200还可通过以太网与其他S7-200、S7-300或S7-400控制器进行通讯，并可于OPC服务器进行通讯。在整个系统的以太网里，CP243-1可以作为服务器，也可以作为客户机，据客户影服务器原理的每个通道运行。每个通道每次只能接收、处理或响应(主动响应或被动响应)一个命令。只有在发送响应后，CP243-1通讯处理器才能接收其他命令。如图3所示。
图3 以太网通讯方式
3 基于OPC技术的数据采集
3.1 OPC技术
不论是直接从设备自动获得数据，还是通过工业以太网获得数据，生产过程实时信息系统的数据采集应该采用一致、标准的数据采集接口。这不但能提高整个系统的通用性，降低系统的复杂度，而且还可以增强系统的可扩展性。因此，系统的实时数据采集接口采用了目前国际上流行的标准OPC接口。OPC(OLE for process control)是嵌入式过程控制标准，是用于服务器/客户端链接的统一而开放的接口标准和技术规范：OLE是微软为Windows系统、应用程序间的数据交换而开发的技术，是Object Linking and Embedding缩写。不同的供应商的硬件存在不同的标准和协议，OPC作为一种工业标准，提供了工业环境中信息交换的统一标准软件接口，数据用户不用再为不同厂家的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。本柔性制造系统使用西门子V1.0 PC Access SP3作为实时数据库，供上位机的其他程序访问，是开放的实时数据库桥梁、中转站：同时PC Access是专为连接S7-200 PLC和S7-200通信模块而设计的OPC服务器，它向OPC客户端提供数据信息，可以与任何标准的OPC Client(客户端)通讯。它支持所有的S7-200数据形式，STEP 7-Micro/WIN PLC编程软件中的符号都可以轻松移植到PC Access项目中，支持多PLC的连接支持所有的S7-200协议。可以在PC机上监控、调用和处理PLC的数据和事件。
PC Access的工作模式是以其为连接S7-200 PLC和S7-200通信模块而设计的OPC服务器，从PROFIBUS现场总线采集设备数据，再通过OPC方式，传送到MES监控服务器，由MES监控服务器组织采集到的数据，进行监控界面的组织，实现数据的可视化、报警等功能。同时PC Access软件自带OPC客户测试端，用户可以方便的检测其项目的通讯及配置的正确性：
3.2 数据采集系统的OPC设计及实现
OPC的自定义接口是一种COM接口，主要用于采用C++语言的应用程序开发。
首先要初始化COM库Colnitialize(NULL)，建立与服务器的连接，OPC客户端采用订阅的方式读取数据适合柔性制造系统信息量大的特点，提高信息处理的速度。如图4所示。
图4 软件设计流程图
下面是通过订阅方式获得数据的部分代码，订阅方式时，OPC客户程序对服务器请求时，OPC客户程序操作后立即返回，不用等待OPC服务器的操作，可以进行其他操作，OPC服务器的Group组在组内有数据发生改变时，自动更新周期刷新相应的客户端数据，客户端只向OPC服务器发送一次请求，之后不再对服务器请求。
结合的数据采集模式，实现自动化生产，并且采用统一的OPC接口，在VC++平台上开发了MES管理软件的数据采集部分。实际结果也表明，基于OPC技术的MES数据采集方式基本符合柔性制造生产线上的要求，但是MES使用的是实时数据库V1.0 PCAccess SP3，面对大规模的生产不能很好的针对FMS在生产过程中大量数据采集情况，适应，且在数据库和通讯方面还有待改进，建立完善的数据信息平台是今后的主要方向。
FMS的数据采集部分是将PCS层的设备信息、物料加工信息、测量信息、品质信息收集到中控台的服务器上，这些数据处理后显示在MES管理软件中。
4 小结
准确、实时获得数据是MES的关键、良好的数据采集系统能够有效的进行企业的综合管理。本文以柔性制造系统为例，通过自动化设备的现场总线与工业以太网相结合的数据采集模式，实现自动化生产，并且采用统一的OPC接口，在VC＋＋平台上开发了MES管理软件的数据采集部分。实际结果也表明，基于OPC技术的MES数据采集方式基本符合柔性制造生产线上的要求，但是MES使用的是实时数据库V1.0 PCAccessSP3，面对大规模的生产不能很好的针对FMS在生产过程中大量数据采集情况，适应，且在数据库和通讯方面还有待改进，建立完善的数据信息平台是今后的主要方向。
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