呂紀偉 宋豫川

（重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030）

制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES，Manufacturing Eexecution System）是由美國先進制造研究中心（AMR，Advanced Manufacturing Research）于20世紀90年代初提出的支持企業(yè)信息集成的先進管理模型。它介于ERP與DCS之間面向車間層的計算機輔助信息管理系統(tǒng)，是實現(xiàn)企業(yè)信息集成和制造過程自動化的關(guān)鍵技術(shù)之一，對提高整個企業(yè)制造系統(tǒng)的經(jīng)濟效益具有重要意義。

國際制造執(zhí)行協(xié)會（MESA，Manufacturing Execution System Association）對 MES 的定義是［1］：“MES 能通過信息傳遞，對從訂單下達到產(chǎn)品完成整個的生產(chǎn)過程進行優(yōu)化管理。當工廠里面有實時事件發(fā)生時，MES能對此及時做出反應、報告，并用當前的準確數(shù)據(jù)對它們進行指導和處理。這種對狀態(tài)變化的迅速響應使得MES能夠減少企業(yè)內(nèi)部沒有附加值的活動，有效地指導工廠的生產(chǎn)運作過程，從而使其既能提高工廠及時交貨能力、改善物料的流通性能，又能提高生產(chǎn)回報率。MES還通過雙向的直接通訊在企業(yè)內(nèi)部和整個產(chǎn)品供應鏈中提供有關(guān)產(chǎn)品行為的關(guān)鍵任務信息?！?/p>

因而，MES的內(nèi)涵可以概括為：!MES不是解決某一個生產(chǎn)瓶頸，而是強調(diào)整個生產(chǎn)過程的優(yōu)化；"MES收集生產(chǎn)過程中大量的實時數(shù)據(jù)，并作出相應的分析和處理；③MES需要同時與上層的計劃層和底層的控制層保持雙向通信，從上下兩層接收相應數(shù)據(jù)并反饋處理結(jié)果和生產(chǎn)指令；④通過制造系統(tǒng)連續(xù)的信息流實現(xiàn)制造系統(tǒng)的信息集成［2］。

信息自動采集系統(tǒng)就是實現(xiàn)上述第二點的系統(tǒng)，它是整個MES系統(tǒng)的核心模塊，也是系統(tǒng)其他模塊的信息來源，是保證整個系統(tǒng)順利運行的關(guān)鍵所在。有學者稱信息是將整個企業(yè)結(jié)構(gòu)聯(lián)合起來的粘合劑［3］，非常簡潔地指出了信息對企業(yè)的重要作用。然而許多企業(yè)的生產(chǎn)管理部門都是采用人工錄入的方式獲取車間關(guān)鍵設備有關(guān)信息，這樣一來就會產(chǎn)生以下幾點弊端：

（1）信息實時性不強。人工獲取的方法需要填表、檢查、轉(zhuǎn)交、上報等一系列過程和步驟延遲了信息到達管理層的時間。

（2）信息完整性差。一般關(guān)鍵設備所載的信息量比較大且比較復雜，很多信息不可能同時采集到。

（3）信息使用價值降低。由于到達管理層的信息量不全面且速度慢，無法及時了解整個工廠的生產(chǎn)狀況，及時制定和下達計劃指令，難保整個工廠的各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)處于最優(yōu)狀態(tài)。

（4）準確性不高。人工采集的信息常常出錯，有時甚至會影響到?jīng)Q策的制定。

1 采集系統(tǒng)的研究

在我國，目前大多數(shù)離散制造車間的數(shù)控加工設備種類不同且大部分關(guān)鍵設備都依賴進口。由于不同設備廠商提供的數(shù)據(jù)接口和格式各不相同，這樣就造成了不同設備的采集沒有統(tǒng)一的標準，實現(xiàn)這些關(guān)鍵設備實時信息的采集是眾多企業(yè)的當務之急。然而要解決這個問題的費用不菲，有的還需向設備廠家購買專用軟件。

針對這個問題及人工采集的種種弊端，本文提出一種基于Holon（合弄）思想的低成本、可重構(gòu)的自動信息采集系統(tǒng)。其基本功能模型如圖1所示。

基于Holon思想的自動信息采集系統(tǒng)是MES系統(tǒng)不可或缺的一個關(guān)鍵模塊，它不僅僅與MES系統(tǒng)保持相互通信，還要與ERP系統(tǒng)和CAD/CAE系統(tǒng)之間實現(xiàn)信息傳遞，協(xié)同工作，共同組成企業(yè)的整個信息化系統(tǒng)的集成。由Holon思想的基本屬性可以得出本文所提出的自動信息采集系統(tǒng)有以下特點：

（1）自律性：各個基本Holon單元都有在受到外界干擾的情況下保持自己穩(wěn)定性，完成自己工作任務的功能；同時也能分析和處理本身系統(tǒng)故障和錯誤。

（2）協(xié)作性：一組Holon有共同規(guī)劃和實施能共同接受計劃或任務的能力。當遇到單個Holon不能解決的問題時幾個Holon可以通過協(xié)調(diào)機制來共同完成。

（3）可重構(gòu)性：系統(tǒng)能重組或增加新的Holon的能力。整個信息采集系統(tǒng)允許其他新子Holon的加入，移除不必要的Holon或?qū)υ瓉硐到y(tǒng)重新組合后不影響其功能的實現(xiàn)。

2 采集系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 車間機床信息采集方法

對某增壓器廠車間20多臺數(shù)控機床進行考察后得知，目前車間機床的通信接口可分為無通信接口、串行口和以太網(wǎng)口3種。根據(jù)機床接口的不同分別采用PLC信號點法、用戶宏程序法和軟件二次開發(fā)法來獲取機床的運行信息及狀況。

2.1.1 PLC信號點法

由于數(shù)控機床通過PLC來完成對執(zhí)行元件的控制，PLC要監(jiān)控各個信號并對其做出相應的處理，所以整個加工過程的運行狀態(tài)參數(shù)在PLC中都有儲存［4］。所以想辦法利用相應的PLC信號點就可獲取機床的運行狀態(tài)參數(shù)信息。如圖2所示，從PLC上采集到的信號經(jīng)DSP芯片的處理后通過串行口傳輸模塊與PC機連接，經(jīng)PC機分析、處理后經(jīng)局域網(wǎng)上傳到服務器上的數(shù)據(jù)庫中完成對相應機床的信息采集。這種方法主要實現(xiàn)了機床的開/關(guān)、主軸啟動、機床換刀、主軸速度、冷卻和潤滑液打開、主軸溫度、油泵壓力及軸超限警報等信息的采集。

2.1.2 用戶宏程序法

具有通信串口的數(shù)控機床的信息采集相對無通信接口的數(shù)控機床要方便得多，可以利用用戶宏程序法來實現(xiàn)。由于從CAM上傳到服務器上的NC代碼不能直接用于加工，需要在NC代碼編輯模塊進行修改，所以可在此過程中實現(xiàn)用戶程序在NC代碼中的鑲嵌，從而實現(xiàn)對相應機床信息的采集。

其工作原理是：利用用戶宏程序的外部輸出指令和系統(tǒng)變量，向DNC服務器輸出機床信息，DNC系統(tǒng)收到信號后進行相應的處理［5］。

在數(shù)控機床的加工過程中，當遇到鑲嵌有用戶宏程序的外部輸出指令和系統(tǒng)變量的NC代碼時就會主動發(fā)送機床狀態(tài)信息。系統(tǒng)一旦監(jiān)聽到，DNC系統(tǒng)中的相關(guān)軟件就會對傳來的信號進行判斷，然后做出相應的處理，并把各種信息顯示在軟件界面上呈現(xiàn)給管理層，并且可以把信息儲存起來待日后利用?？梢詫崿F(xiàn)以下信息的采集：當前程序名、加工開始時間、加工結(jié)束時間、主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、當前刀具號等等。其工作流程如圖3所示。

2.1.3 軟件二次開發(fā)法

具有以太網(wǎng)口的數(shù)控機床相當于一臺PC機，同時也具備OPC通訊模式，所以對其采集就方便得多，只需要用相應機床廠商開發(fā)的基于機床的配套軟件和通過安裝PCI/ISA適配器及標準Ethernet網(wǎng)卡就可像普通PC機一樣進行通訊。應用這種方法幾乎可以獲取所有想要的機床信息。

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)

2.2.1 機床聯(lián)網(wǎng)方式的設計

由于在對無接口機床進行采集方法設計時已對其進行了改造，使其也具有了串行輸出模塊。這樣一來所有的機床就可以看成只有串行口和網(wǎng)口兩種的數(shù)控機床。由于制造車間噪聲、振動等環(huán)境因素的影響及串行口機床與PC機連接距離的限制，對應用PLC信號點法和用戶宏程序法采集的機床與PC機的連接采取帶串口服務器的方式，通過企業(yè)局域網(wǎng)實現(xiàn)兩者之間的通信。這種連接方式相對比較靈活，使PC機與數(shù)控機床的通信距離大大增加，實現(xiàn)車間現(xiàn)場不必放PC機而放到車間辦公室。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)

根據(jù)某增壓器廠制造系統(tǒng)的規(guī)模及復雜程度，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)采用分布式采集、集中式控制的形式［6］。這種結(jié)構(gòu)形式實用和維護方便且具有網(wǎng)絡功能，是目前大多數(shù)制造系統(tǒng)廣泛應用的信息采集方式之一。如圖5所示，以車間為單位設立采集工作站，每個車間的采集系統(tǒng)看作整個信息采集Holon的一個子Holon，在一個車間內(nèi)構(gòu)成一個完整的局域網(wǎng)，完成對本車間數(shù)控設備運行信息的采集與輸送；工作站負責對從車間采集到的信息進行管理、分析、上傳及對本車間下達工作計劃或指令等。同時，管理層也可以利用服務器存儲的各設備歷史信息進行分析，進而判斷各設備的運行狀態(tài)良好與否，合理制定各設備的維護、檢修和保養(yǎng)等，盡量避免或減少設備運行故障的出現(xiàn)以免影響工作效率。

另外，結(jié)合圖5可以看出各個工作站之間具有協(xié)作和重構(gòu)機制，當一個工作站所需信息量不夠時可以與其他相應的工作站進行協(xié)調(diào)來共同完成采集任務。另外，整個系統(tǒng)是開放的，當制造系統(tǒng)需要重新組合或構(gòu)建新的制造單元時可以隨時配置和擴展系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。從而可以增加系統(tǒng)柔性，提高整個制造系統(tǒng)運行效率，降低不必要的資源浪費以節(jié)省成本，增強企業(yè)競爭力。

3 結(jié)語

本文結(jié)合某增壓器廠MES項目的實施，研究并提出了一種基于Holon思想的低成本、可重構(gòu)的信息自動采集系統(tǒng)模型。實踐證明，此系統(tǒng)在該增壓器廠取得了很好的應用效果，成功解決了生產(chǎn)現(xiàn)場關(guān)鍵設備運行信息的采集、監(jiān)控以及上傳，克服了傳統(tǒng)的人工采集的種種弊端，提高了信息在企業(yè)中的傳輸速度及時效性，提高了信息采集的正確率，減少了人為因素對信息采集過程的干預，基本上實現(xiàn)加工過程中車間關(guān)鍵設備運行的回放。從而有利于管理層對車間加工概況進行深入了解、分析、比較，進而制定合理的生產(chǎn)計劃，提高工作效率。

［1］曹江輝，王寧生，解放.制造執(zhí)行系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.高技術(shù)通訊，2003（6）：100-105.

［2］王隆太，吉衛(wèi)喜，等.制造系統(tǒng)工程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［3］R.B.Evans，T.S.Wurster.Strategy and the new economics of information.Harvard Business Review［J］，1997（9/10）：71-82.

［4］金東明.制造執(zhí)行系統(tǒng)MES中數(shù)據(jù)采集與傳送的研究應用［D］.上海：上海交通大學，2007.

［5］陳國金，王召鵬.數(shù)控設備數(shù)據(jù)采集方法研究［J］.機電工程，2005，22（9）：29-32.

［6］胡友民，杜潤生，楊叔子.制造系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究［J］.制造業(yè)自動化，2002，24（3）：23-27.