劉征宇，曹路圓，梅 茜

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

隨著國內“兩化”改革的不斷加深，生產(chǎn)企業(yè)對MES（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)）的要求也進一步提高，雖然國外有很多成熟的MES產(chǎn)品，與進口生產(chǎn)設備配套很好，但由于成本、適用性、保密性等要求，以致近年來自主研發(fā)MES在占有的比重增加。目前國內的MES系統(tǒng)雖然在設計上靠近ISA-95標準（Instrumentation, Systems, and Automation Society，儀器、系統(tǒng)與自動化協(xié)會），但該標準只從生產(chǎn)業(yè)務需求的角度進行了描述，沒有具體的技術實現(xiàn)，導致各家在技術層面區(qū)別較大。而現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊處于MES系統(tǒng)軟硬件相接的位置，負責將生產(chǎn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、有效的傳輸?shù)杰浖到y(tǒng)中，屬于不可或缺的重點模塊。但是從手工組裝到全自動生產(chǎn)線，采集方式和數(shù)據(jù)量千差萬別，糟糕的設計會使MES產(chǎn)品適用性大打折扣。筆者從事MES系統(tǒng)開發(fā)實施多年，總結了一種在以太網(wǎng)結構下，能夠適應大多數(shù)生產(chǎn)節(jié)拍的彈性采集接口，在此共享給各位，希望能拋磚引玉，促進自動化行業(yè)的發(fā)展。

1 功能需求

要實現(xiàn)一個彈性的數(shù)據(jù)采集接口，就必須在大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)中找到數(shù)據(jù)采集的共性，同時為了各企業(yè)的個性化需求，還應該留出擴展余地。因此我們需要對目前的各種數(shù)據(jù)采集手段進行分類和總結。這方面已有很多著作進行過論述，限于篇幅，不作詳細說明，只使用一些結論性的知識：

1）數(shù)據(jù)采集按采集方式來區(qū)分，有手動、半自動、全自動三種方式；其中手動指人工錄入，半自動指使用專用設備但是需要人工發(fā)起傳輸，全自動指通過OPC（OLE for Process Control，一種工業(yè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸標準）或者公開、私有協(xié)議進行傳輸。

2）按照生產(chǎn)方式、節(jié)拍、數(shù)據(jù)量來區(qū)分，可以分為異步采集和同步采集，對于節(jié)拍迅速的企業(yè)，可能要求具有更高的實時性。

3）按照采集數(shù)據(jù)的目的不同，可以分為實時分析與數(shù)據(jù)儲備兩類。一般情況下，實時分析主要用作生產(chǎn)實時反饋，所需要的數(shù)據(jù)并不完全進入歷史數(shù)據(jù)庫。而數(shù)據(jù)儲備的實時性要求不強，主要用于企業(yè)后期進行追溯、報表及產(chǎn)能分析。

在設計數(shù)據(jù)采集接口的時候，要綜合考慮上述各種情況，結合現(xiàn)代計算機技術，合理構造，才能達到性能穩(wěn)定、擴展性高的設計目標。

2 基本架構

為了適應不同的采集方式，數(shù)據(jù)采集接口內部采用分層設計（采集層+轉發(fā)層）的思路，兩層之間使用UDP（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議）網(wǎng)絡協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳遞（極端情況可采用內存數(shù)據(jù)共享提升速度）。采集層面向輸入端，提供人機、OPC、各類協(xié)議的采集接口，同時使用統(tǒng)一的內部傳輸規(guī)則向轉發(fā)層進行數(shù)據(jù)發(fā)送；轉發(fā)層接收到采集層傳來的數(shù)據(jù)，直接放入數(shù)據(jù)緩存隊列，然后再根據(jù)不同的邏輯對緩存的數(shù)據(jù)隊列進行計算、轉發(fā)和存儲。這里有兩個技術要點：

1）層之間使用UDP協(xié)議：提供更快速的傳輸和響應，要求采集層收集的數(shù)據(jù)需要帶有時間戳記，以克服UDP傳輸可能帶來的數(shù)據(jù)順序錯位。

2）轉發(fā)層的數(shù)據(jù)緩存：根據(jù)不同場合的數(shù)據(jù)量及實時性要求，建立不同大小的數(shù)據(jù)緩存隊列，一方面在高速數(shù)據(jù)傳輸過程中不會丟失數(shù)據(jù)，另一方面便于計算機對批量數(shù)據(jù)進行分析處理，降低磁盤I/O。

圖1是模塊的結構示意圖。

圖1 模塊結構示意圖

需要說明的兩個部分：

1）如果要實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時分析，那么數(shù)據(jù)隊列建議設計成環(huán)形數(shù)組，數(shù)組大小需要根據(jù)實際情況進行設計，既保證實時分析的時間片能夠覆蓋到足夠的數(shù)據(jù)，又保證分析時間內不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)覆蓋。

2）UDP在采集層與轉發(fā)層之間的數(shù)據(jù)協(xié)議盡量簡單，保證一個數(shù)據(jù)包即可傳送完成。在作者開發(fā)的MES系統(tǒng)中，使用了“ID+時間戳+數(shù)據(jù)”的簡單格式，保證傳輸速度和解析速度。

3 擴展支持

數(shù)據(jù)采集接口設計之初，即充分考慮了其擴展性，圖A中標有圓圈數(shù)字的部分，就是可以加以擴展的地方，這里針對部分典型情況給出思路：

1）協(xié)議擴展：數(shù)據(jù)采集接口的采集層應具備擴展性，以支持除現(xiàn)有協(xié)議之外的數(shù)據(jù)采集。因此我們在圖1①的地方留出了擴展余地，使采集層能夠集成多種協(xié)議，統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)傳送。

2）加密傳輸：軍工和高技術企業(yè)對保密性要求較高。數(shù)據(jù)采集過程中的失密，主要發(fā)生在傳輸階段。大多數(shù)MES用明文在局域網(wǎng)中傳輸數(shù)據(jù)，很容易被抓包、存儲和分析，因此可以在圖1②的地方，使用公私密鑰等加密技術，確保數(shù)據(jù)不被破解。

3）高速數(shù)據(jù)采集：雖然很少遇到，但有些企業(yè)實時分析要求較高。在本文所設計的接口中，可以采用共享內存的方式替代UDP進行數(shù)據(jù)傳輸，也就是用圖1③的部分替換掉UDP傳輸，把傳輸和數(shù)據(jù)緩存集成到了一起，建立在同一臺服務器上，延遲可進一步降低至幾毫秒。

4）專業(yè)數(shù)據(jù)方案支持：目前，有很多支持高速度、大容量、分布式的緩存和數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品。如果企業(yè)有這方面需求，可以擴展前面圖1④的部分；如果要用的數(shù)據(jù)緩存產(chǎn)品替代本方案中的數(shù)據(jù)隊列，可以擴展前面圖1⑤的部分。

為了適應更多狀況，具體實施過程中，即使是數(shù)據(jù)采集接口內部，也建議按照模塊化、接口化來規(guī)劃各功能，增加系統(tǒng)彈性，以更大的靈活性應對車間技術升級或者流程改造。

4 結束語

文中所提數(shù)據(jù)采集接口已在本單位自主研發(fā)的MES系統(tǒng)中實現(xiàn)并應用到不同客戶群體，既包括低節(jié)拍離散型裝配車間，也包括高速連續(xù)制造企業(yè)，即可以采集工序、質量、設備、物料等數(shù)據(jù)，也可以采集變化頻繁的設備信號，且效果良好，運行穩(wěn)定，擴展簡單。這種思路不僅限于MES，也可以用到其他SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集）采集場合。篇幅所限，未提供硬件部署和偽代碼，也沒有論述高并發(fā)和分布式的相關內容。有興趣可聯(lián)系作者，希望得到同行指正。

[1]ISA-95國際標準[S].http://www.isa-95.com/subpages/technology/isa-95.php.

[2]顧榮慶,等.分布式數(shù)據(jù)緩存技術研究[J].計算機應用與軟件,2011(06).