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变化，生产车间传统的数据采集技术跟不上市场需求的变化，容易出现数据记录滞后、难以实时监控等问题，导致车间生产效率低、产品质量低。

在全球信息化的背景下，企业的信息化管理可以有效地促进经济发展。传统的车间管理系统已经不能适应时代的变化，难以满足消费者的需求。

研究一种新的数据采集技术，能够实时记录生产信息，灵活响应生产需求，对实现智能化信息管理具有重要作用，同时也能保证生产数据的有效性。

MES数据采集系统概述

1.1 mes系统概述

制造执行系统是一种生产管理系统，也称为制造执行系统，简称MES。一开始，MES被理解为数字群控(DNC)、生产指挥系统、数据采集等人力管理资源的整合者。但是随着这项技术的发展，MES已经逐渐能够支撑生产管理的层面，同时也已经能够汇聚管理的所有主要要素，正式成为一个生产管理系统。该技术具有先进的生产管理理念，通过计算机技术实现企业各项业务之间的信息管理功能，为企业日常生产管理提供所需数据。企业内部MES系统的信息流转图如图1所示。

目前，MES已经处于制造企业的核心地位。MES作为生产管理层，具有方便、灵活、先进的特点，集合了生产运作中的所有要素，成为一个综合的生产管理系统。在很多制造业信息化企业的建设中，大多会优先考虑能够满足企业建设基本需求的ERP系统。然而，MES系统上层的ERP几乎没有生产管理功能。在生产过程中，MES以管理者的视角为操作者提供生产所需的物料、工具、设备、需求等所有数据信息。将MES与ERP相结合，协同工作，可以进一步提高企业系统的智能化建设。MES系统在企业生产中发挥着重要的作用，可以有效提高企业的生产效率。同时可以与ERP系统以外的其他系统协同工作，加快信息流通，为企业的进一步发展提供保障。

1.2 mes的主要功能

MES系统主要在企业的生产管理中发挥作用。物料移动、生产调度、生产统计和能源管理都由MES系统管理。物料移动模块可分为五个基本子模块，主要包括存储模块、配料模块、熔化模块、检测模块和进出模块。入库模块主要是实时记录和管理库存中所有原材料和产成品的入库和搬运操作。同时，通过对系统业务的分析，分析了物料搬运模块和仓储模块之间的关系，使得整个管理模块更加规范。配料模块使用数据集成平台记录和管理配料计算和配料操作。熔融模块监控和管理设备中的各种操作，利用数据集成平台校正系统内部数据，并通过人工测定的方式增加结果的可靠性。根据企业要求，检测装置模块可以实时监测数据、测试分析数据等。，并为企业提供数据管理服务。所有数据都可以通过该模块提供。出入库模块记录原材料和成品的出入库情况，并按班次提供物料移动所需的数据分析。

生产调度可以分析物料移动模块的动态移动关系，描述节点间的移动类型、原材料、目标物料、目标节点，进一步保证检验作业的合理性。通过对物料搬运模块的分析，利用模块节点之间的关系，求解节点的拓扑模型，生成相应的生产平衡模型，为实现生产平衡提供有效的数据支持。在实现生产平衡的过程中，利用人机交互可以有效提高生产平衡的效率，缩短平衡生产周期。

生产统计主要包括物料平衡、辅助材料消耗和ERP支持。生产调度模块可以计算产量，找到合适的生产平衡模型，对生产平衡下的生产数据进行分类汇总，在统计层面进行拓扑模型的分析计算，完成MES工厂与企业之间的物料统计平衡，进一步实现“日结、旬确认、月结”，实现统计物料的各种生产统计，为ERP和经济统计指标提供数据支持。

能源管理主要有数据采集、计算、产耗平衡、ERP支持等功能。它是以各种能源介质为基本对象，以能源管网为平衡中心建立的能源拓扑模型，为生产和消费的统计以及ERP数据提供有效的技术支持。

1.3 mes数据采集系统的工作流程

在企业的生产管理中，需要管理多个生产设备，并从每个设备收集数据。数据收集的工作流程如图2所示。

基于MES的企业车间管理系统有两种生产数据采集方式，即自动采集和人工采集。自动采集是指系统利用二维码采集功能采集生产信息。它在上线前将生产计划与操作者信息进行初始化和关联，并在原材料上标注二维码。工控网和内网的其他系统扫描二维码记录产品编号、操作人员信息和检测设备，最终由MES系统生成产品质量档案。自动采集和使用相对简单，但在实际应用中仍有一定的局限性，需要工作人员手动输入产品，以保证生产数据采集的准确性。企业要想获得监控设备的运行状态，采集设备工艺数据，就需要MES系统通过PLC设备直接采集数据。这种采集方式相对简单方便，特别适合那些以PLC设备为主的制造车间。目前MES系统发展还不完善，很多控制系统没有采用以太网通信方式，容易造成PLC采集出现问题。为解决这一问题，一些系统使用OPC连接以太网和PLC设备，力争通过OPC完成控制系统的数据采集。其他控制系统没有以太网连接，需要将这些控制系统连接成网络，然后形成一个完整的系统进行数据采集。在数据采集的投资成本上，MES系统数据采集本身需要很高的运行成本，其内部问题需要更多的成本来解决。因此，这种数据收集方法存在成本浪费，需要寻求更有效、成本更低的数据收集方法。

2需求分析和总体设计

2.1系统需求分析

MES最重要的子系统是数据采集系统，它可以收集和整理车间产生的各种数据，实现物料跟踪、产能分析、历史记录维护等功能，为其他数据信息管理系统提供基础。以一个手工制造车间为例，按照加工顺序设置车间的加工设备，可以生产各种类型的配套产品。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，生产数据仅用手工记录。此外，员工对车间生产缺乏全面的了解，只关注生产的数量，忽视产品的质量，导致产品的废品率增加。为了维持整个生产车间的正常运转，数据采集系统需要适应现代化的管理手段，及时准确地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方式越来越复杂，导致车间管理运作异常。越是复杂的生产车间，越需要及时收集数据，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，如手持手工采集、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显示给管理人员，使生产车间得到可视化管理。这就要求企业在信息化管理过程中积极适应市场变化，根据产品要求选择先进的数据采集技术，避免在企业竞争中被淘汰。另外，在紧急情况下，车间要有处理紧急情况的能力，保证车间生产的连续性。

2.2总体系统设计

根据数据采集系统的需求分析，该车间存在数据采集不完善、质量不可追溯、物料管理落后等问题。生产过程中的数据不完善，使得工作人员难以跟踪加工零件的状态、时间和质量检查，无法保证数据的完整性和可靠性；如果质量分析无法追溯，很难向客户提供产品信息，导致交货失败或订单进度跟踪失败；如果物料管理不及时准确，将无法为车间提供物料库存信息，出现物料挤压和短缺，严重影响企业车间的正常运转。本文设计了一种基于MES的数据采集系统，可以解决该车间以往存在的问题，同时完成数据采集和显示功能。

MES数据采集系统中的资源状态查询一般包括三个方面，即设备状态、工具状态和物料状态。系统最重要的子模块是生产物料进度跟踪，可以查询任务的分配，生产过程中的生产进度和产品的完成数量。生产过程统计分析是对生产过程中收集的数据进行分析和总结，从而形成更加方便管理者的管理系统。生产数据采集是指生产过程中设备工作信息(设备运行参数、设备故障信息)、产品过程信息(产品过程记录)、人员操作信息(任务分配、收货、开始和结束)、质量检验信息(合格、维修、检验报告数据、合格证)以及人员、设备、加工时间等数据的采集。

2.3过程数据采集的设计

通过对生产过程中数据采集方法的分析，结合车间的实际生产情况，选择了两种数据采集方法。利用以太网采集车间数据，不仅可以采集真空感应熔炼炉所需的工艺数据，还可以向监控系统提供设备运行参数。设备在使用时，不能直接与以太网连接，需要相应的串行输出模块，可以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。其他设备只能手动收集数据。这种方式使用受限，只能记录相关设备的基础数据和状态数据，不能完成所有的数据采集。由于收集过程中涉及到人员、材料、进度、质量等数据，管理者需要根据不同的信息选择合适的收集方法。

在系统的数据采集方案中，主要利用计算机技术和数控技术连接数控机床，并与上位机结合，实现对设备的集中管理和控制。实现该车间的自动化管理和控制模式对企业的生产具有重要意义。因此，在本车间的数据采集中，需要直接从有DNC网卡的设备上采集数据，而对于没有网卡采集条件的，则需要采用宏命令采集方式，并添加相应配置的网络端口来完成自动控制模块。在车间内，仍有一些设备在两种采集方法中都不可用。这时候PLC设备就可以发挥很大的作用了。它首先采集设备的输入输出信号，然后将信号发送到相应的数据库，从而利用翻译工具完成信息的转换和获取。

该系统还具有射频识别功能，可以有效保证数据采集的完整性。对于无法自动采集的数据，后期会增加RFID扫描设备补充输入。在生产车间会布置一定数量的摄像头对车间现场进行监控，信号线与以太网连接，以便在生产现场出现异常时向车间发出报警，提醒工作人员，便于及时处理问题。电子看板的设置可以为上级展示班组的生产情况，使信息更加直观清晰。

3数据采集的应用——以某车间为例

3.1采集技术分析

生产过程数据的采集，其实就是监控对象的数据采集，通过扫描二维码就可以监控。在从原料投入到生产加工再到产品完成的过程中，一般会对产品、人员、物流、设备进行监控。该系统能够实时采集生产过程数据，并将数据保存在数据库中。这种监控的目的是及时发现生产过程中的问题，事后发现问题时可以有效追溯。

数据采集器可以用在工艺、设备、手持读写器或其他数据采集设备的入口处，二维码阅读器用在工艺、设备的入口处，使数据采集过程更加连贯。这样可以增加覆盖面积，覆盖范围10-100m。

设计的基于MES的数据采集系统应用于生产车间(图3)，为企业的信息化管理提供了解决方案。本系统采用的RFID技术是一种非接触式自动识别技术，可以利用电磁波感应快速采集数据，适用于多种恶劣环境，无需担心生产车间环境给数据采集带来的困难。这种通过电磁波感应或传播实现的数据通信技术，具有体积小、使用灵活、存储容量大、安全性高、速度快等优点。，并能适应多种无人化生产模式。而且使用RFID技术可以减少人工操作，提高信息的读取程度，方便下一步的处理。RFID技术的实施是在ERP的基础上完成的。RFID扫描的条码信息由ERP提供，生成可唯一识别的电子标签。此外，借助ZigBee数据采集器，可以对原有的旧设备管理系统进行补充，降低了该系统的实施难度。

3.2数据采集过程

在数据采集过程中，主要包括人员数据采集、物料数据采集、设备数据采集和产品质量数据采集。系统可以发布员工的排班任务，通过采集员工的出差状态、出差时间、产品加工时间等主要信息，确定员工的生产数据。物料数据采集采用二维码标签管理，可分时段读取产品的工序号、加工数量等信息。

车间生产设备自动化程度不高，采集时主要采集设备运行状态和产品加工数量。读写器可以读取设备编号、操作员编号、作业编号、读取时间等设备信息。当设备运行到一定程度或出现故障时，系统可以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保存在数据库中，每次运行都会更新数据库。

所生产产品的质量是整个生产管理部门关注的焦点。如果生产过程失控，会导致一系列后续加工浪费。将生产出来的产品质量及时反馈给管理者，将有助于减少加工过程中的质量问题。在生产过程中，一般有三种质量检验体系:自检、互检和专检。产品加工后，质检员需要对产品质量进行检验，并记录产品质量检验情况，可以根据产品的具体情况做出相应的处理。当生产过程中出现问题时，一般采用生产自检模式。通过提交质检申请，有编码问题的板卡上报通过。另一个检验是在产品的最后一个环节。产品生产完成后，由统一的检验员对产品质量进行检验，合格和不合格的产品记入产品档案。产品的这些流程全部完成后，产品才能被用户使用，也就完成了。

3.3车间应用效果

将设计的MES系统应用于车间，并进行统计。在本车间生产数据管理方面，按照一定的采集规则采集数据，对比四个班可以发现数据采集更加准确。利用在线对系统进行监控，找到数据和资料的关系，找出数据差异的原因，自动恢复和修正数据。在排产日报表生成方面，将两个公司之间的手工采集和录入改为系统汇总，形成企业的排产汇总。总体而言，系统减少了数据汇总时间。以前的日常排班报表都是26小时后完成，而系统只需要两个小时，比以前的排班汇总提前了一整天，大大提高了企业的工作效率。日常调度只是其中的一小部分，统计业务的变化更直观。上线前，统计业务不做日结，只在每个月底盘点。使用该系统后，可以实现日累计数据，进行日、旬、月平衡。此外，由于ERP的技术支持，统计报表业务更加便捷。

在该方案实施过程中，设备数据的采集需要不断调试和修改，直到最终满足应用要求。由于不同厂家的机床参数不同，在选购相应的硬件设施时，需要权衡设备的性能和应用环境，以最大程度满足方案的实施标准。在实际应用中，车间需要考虑RFID的扫描尺寸、条形码的尺寸、扫描接口等。，这些都需要初步选择，然后根据调试的最佳结果选择效果最好的扫描设备。

4结论

企业要想在同行业竞争中取得优势，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快速、准确、灵活，可用于信息管理。广泛应用于生产车间，提高生产效率，保证生产质量。本文是在现有设备数据采集系统的基础上开发的一种新型MES数据采集系统，并已在某生产车间得到应用。分析了该系统的数据采集现状，为MES系统的进一步研究奠定了基础。