師 寧， 劉 輝， 陳容紅

（1.北京電子科技職業(yè)學院汽車工程學院， 北京 100176；2.中國航空制造技術研究院裝備中心食藥機械產品部， 北京 100024）

0 引言

十九大報告中提出“從2020 年到2050 年，我國要從全面建成小康社會到基本實現(xiàn)現(xiàn)代化， 再到全面建成社會主義現(xiàn)代化強國， 這是新時代中國特色社會主義發(fā)展的戰(zhàn)略安排”。制造業(yè)作為國民經(jīng)濟主體，是立國之本、興國之器、強國之基，在實現(xiàn)現(xiàn)代化的道路上必定要發(fā)揮重要作用。 “工業(yè)4.0” 自2011 年由德國率先提出之后，美國、歐洲以及我國都相繼提出了相關的發(fā)展規(guī)劃，到今年2021 年正好是“工業(yè)4.0”提出的第十個年頭，在這十年里，智能制造得到了蓬勃的發(fā)展機遇，工業(yè)智能化不僅提高了工廠的生產效率，而且降低了生產成本，為企業(yè)帶來更多利益。

當今全球經(jīng)濟競爭如此激烈，要讓企業(yè)保持競爭力，只有加快企業(yè)信息化、 智能化進程， 讓信息化推動工業(yè)化，來加速企業(yè)的智能化，實現(xiàn)社會生產力的持續(xù)發(fā)展。在企業(yè)信息化發(fā)展初期， 用的最多的信息管理系統(tǒng)就是企業(yè)資源計劃（ERP），但是在實際應用中ERP 卻沒有達到起初預想的效果， 歸其根源就在于它對生產車間的底層數(shù)據(jù)很難準確獲取和控制， 為了解決企業(yè)管理層與生產現(xiàn)場之間的數(shù)據(jù)交換， 提高生產計劃的實時性、 靈活性，美國先進制造研究中心AMRC Advanced Manufacturing Research） 最早在90 年代初提出了制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Executing System）的概念[4]。

MES 的出現(xiàn)給制造業(yè)信息化帶來了蓬勃的發(fā)展，但是MES 的基礎是底層生產線及企業(yè)管理過程中產生地大量的基礎數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)必須通過先進的、可靠的數(shù)據(jù)采集技術才能準確實時獲得和傳輸， 只有實時和準確地獲取傳輸基礎數(shù)據(jù)， 才能保證企業(yè)生產管理系統(tǒng)的可靠有效運行，才能實現(xiàn)對設備、物料、員工、產品及其生產過程等的有效監(jiān)管和控制。所以，制造業(yè)底層車間的數(shù)據(jù)采集技術不僅是MES 的數(shù)據(jù)支持，也是制造業(yè)信息化建設的重要基礎。

目前， 在底層車間數(shù)據(jù)采集技術中應用最為廣泛的是條形碼技術和RFID 技術（射頻識別技術）。 其中，條形碼易于制作，使用成本低、可靠性高、靈活實用，多用于近距離數(shù)據(jù)采集，但是數(shù)據(jù)存儲量小、保密性差、抗惡劣環(huán)境能力差、使用周期短，在圖書館、物料管理等方便使用較多。 而RFID 是一種非接觸式數(shù)據(jù)自動識別技術，讀取速度快，利用無線射頻方式對記錄媒體（電子標簽或射頻卡）進行讀寫，從而達到識別目標和數(shù)據(jù)交換的目的，標簽數(shù)據(jù)存儲量大、可多次讀寫、安全保密性高、可用在惡劣生產環(huán)境中[1]。

RFID 技術作為一種先進的自動識別數(shù)據(jù)采集技術，數(shù)據(jù)存儲量大、可非接觸式讀寫、可遠距離識別、環(huán)境適應能力強，將其運用到MES 中，并結合條形碼在制造業(yè)物料管理中的應用優(yōu)勢， 這不僅有效為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，而且極力地促進了信息技術、自動化技術、現(xiàn)代管理技術與制造技術的結合[4]。 本文以我校“基于工業(yè)4.0 的數(shù)字化工廠實訓室”設備為載體，介紹了基于RFID 技術的MES 管理信息系統(tǒng)在數(shù)字化工廠中的應用，該實訓平臺可以完成從下單、智能存儲、產品追蹤、生產及數(shù)據(jù)管理的全自動化過程。

1 MES 系統(tǒng)

2015 年國務院發(fā)布的中國制造2025，部署了全面推進制造業(yè)升級的戰(zhàn)略， 這是我國實施制造業(yè)強國戰(zhàn)略的第一個十年行動綱領。 作為制造車間的數(shù)字信息管理平臺，MES 是實施中國制造2025 戰(zhàn)略的關鍵支持工具，是實現(xiàn)數(shù)字化工廠的關鍵技術之一[5]。

介于管理層和控制層之間的MES 生產信息化管理系統(tǒng)，主要服務于企業(yè)的生產現(xiàn)場管理和調度指揮。它從生產計劃開始，包括之后的生產統(tǒng)計、生產調度，再到產品跟蹤、質量管理、設備管理，最后到生產的數(shù)據(jù)管理及采集、 通信接口及數(shù)據(jù)分析等整個生產及管理過程都離不開它的身影。它還通過網(wǎng)絡聯(lián)接使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，并同時強調制造過程的整體優(yōu)化從而達到了完整的閉環(huán)生產，從而建立了一體化和實時化的全方位信息體系。 MES為用戶提供一個反應快、有彈性、精細化的制造業(yè)環(huán)境，幫助企業(yè)降低成本、提高設備利用率、提高產品的質量和為企業(yè)考核都提供了可靠的依據(jù)[6]。

1990 年，制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Executing System）最早由美國先進制造研究機構AMR（Advanced Manufacturing Research）提出，它將MES 定義為“位于上層的計劃管理系統(tǒng)與底層的工業(yè)控制之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)”，它為操作人員/管理人員提供計劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源（人、設備、物料、客戶需求等）的當前狀態(tài)。 AMR 還提出了MES 三層結構集成模型，見圖1。

圖1 MES 三層結構模型

該模型形象具體地描繪出了MES 在企業(yè)系統(tǒng)中具體對應的位置。

（1）計劃層（ERP）：位于最頂層，它關注整個企業(yè)的管理和計劃。 它根據(jù)市場和客戶需求來制定企業(yè)生產計劃，給下一層執(zhí)行層下訂單，告訴需要生產什么。 該層的主要任務是解決企業(yè)資源的合理利用， 完成生產計劃的編制。 如ERP/MRP 等從生產管理的角度來看，屬于企業(yè)的計劃層。

（2）執(zhí)行層（MES）：位于模型的中間層，它的主要任務是監(jiān)控企業(yè)生產計劃的執(zhí)行，并動態(tài)管理生產過程。本層接收上層下達的計劃任務并按此執(zhí)行， 同時接收底層生產線反饋的結果，并根據(jù)接收信息來優(yōu)化企業(yè)管理，解決生產過程中遇到的不確定性。通過MES 把ERP 與企業(yè)的生產現(xiàn)場控制有機地集成起來。

（3）控制層（（PCS）：位于模型的最底層，它執(zhí)行上一層下達的指令，主要是對設備進行操作控制，并將操作狀態(tài)與結果反饋給上一層。 主要包括典型的生產過程中的控制方法，比如PLC，DCS，SCADA，DNC 等，進而解決設備的控制過程中出現(xiàn)的問題來提高產品質量[1]。

除此之外，制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會（Manufacturing Execution System Association，MESA）也對MES 下了定義，它指出：“MES 能通過信息傳遞對從訂單下達到產品完成的整個生產過程進行優(yōu)化管理。 當工廠發(fā)生實時事件時，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MES 能夠減少企業(yè)內部沒有附加值的活動， 有效地指導工廠的生產過程，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，又能提高生產回報率。MES 還通過雙向的直接通訊在企業(yè)內部和整個產品供應鏈中提供有關產品行為的關鍵任務信息。 ”

在這個定義中，我們可以看到MES 不是用來解決某一個生產瓶頸，而是用來優(yōu)化整個生產過程；同時可以實時采集生產過程中的數(shù)據(jù)， 并根據(jù)這些數(shù)據(jù)來分析、處理，給企業(yè)的生產管理的優(yōu)化提供可靠的依據(jù)。在整個生產過程中，MES 通過實時采集的數(shù)據(jù)流與上層和下層進行信息交換，來實現(xiàn)企業(yè)信息全集成。

在此定義的基礎上，MESA 也給出了MES 主要的功能模塊，它包含了11 個內容[3]，見圖2。

圖2 MES 功能模型

從該模型中我們可以看出，MES 在整個企業(yè)信息系統(tǒng)集成中起著承上啟下的作用，它涵蓋了從采購、生產、維護、到運輸與后勤、客戶管理等企業(yè)的整個管理過程，能根據(jù)數(shù)據(jù)采集和分析， 對產品的整個生產過程進行及時優(yōu)化管理，有效的指導了生產過程，提高了企業(yè)的生產效率及收益。 企業(yè)通過建立MES 管理信息化系統(tǒng)，可以為用戶提供一個安全可靠、靈活高效的制造業(yè)生產環(huán)境，從而幫助企業(yè)節(jié)約成本、提高產品質量、優(yōu)化生產管理及服務質量。

2 RFID 溯源技術

MES 系統(tǒng)主要運用在企業(yè)底層車間， 作用是對生產過程進行實時調度， 所以對生產控制底層的設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行實時采集是MES 系統(tǒng)的基礎。 在目前所有的數(shù)據(jù)信息采集技術中，RFID 技術通過射頻信號來自動識別物體，并獲取相關信息，同時與該產品進行綁定，進而實現(xiàn)對其的跟蹤控制以及管理，為RFID 在離散企業(yè)生產現(xiàn)場的應用提供了技術支撐。 隨著信息技術的發(fā)展，將RFID 與物聯(lián)網(wǎng)技術有效的結合，可以實時采集生產車間的現(xiàn)場數(shù)據(jù)， 并把此數(shù)據(jù)通過指定路徑傳遞給上層系統(tǒng)來處理，來完成對整個車間的生產現(xiàn)場的數(shù)據(jù)處理。以此來取代過去的手工記錄方式， 并解決企業(yè)需投入很大的人力進行繁瑣的統(tǒng)計錄入工作的弊病。 所以，RFID 為MES 提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

RFID 是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術， 該技術被廣泛應用在企業(yè)倉儲管理系統(tǒng)當中。RFID 讀取速度快，可靠性高，非接觸識別，標簽內容可以修改，而且可以多標簽可同時讀取，安全保密性較高。 隨著RFID 技術與互聯(lián)網(wǎng)、通訊等相關技術相結合，它已被應用于物流、供應鏈管理、工業(yè)自動化、公共信息服務、商業(yè)自動化、交通運輸?shù)缺姸囝I域，進而實現(xiàn)全球范圍內信息共享，來降低企業(yè)成本，提高企業(yè)管理與運作效率[3]。

RFID 系統(tǒng)由射頻標簽（Tag）、識讀器和計算機網(wǎng)絡等三部分組成。 射頻標簽由可存儲數(shù)據(jù)的芯片及天線構成，根據(jù)計算機網(wǎng)絡的指令，保存在芯片中的數(shù)據(jù)可由識讀器來進行讀取或擦寫工作。

表1 RFID 主要部件

RFID 系統(tǒng)的基本工作原理是電子標簽進入天線磁場后，若接收到讀寫器發(fā)出的特殊射頻信號，就能憑借感應電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產品信息（無源標簽），或者主動發(fā)送某一頻率的信號（有源標簽），讀寫器讀取信息并解碼后，送至中央信息系統(tǒng)進行有關數(shù)據(jù)處理。

圖3 RFID 工作原理[2]

3 基于RFID 的MES 生產管理系統(tǒng)

智能工廠實訓平臺是我校引進的智能制造生產線實訓，它可以實現(xiàn)多個產品共同生產，利用管理信息化系統(tǒng)根據(jù)生產指令控制系統(tǒng)進行產品的生產。 按照現(xiàn)代智能工廠的生產模式， 根據(jù)用戶需求通過MES 系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)從毛坯件出庫至成品入庫全過程的生產及生產節(jié)拍的智能調度。該生產線整個生產過程全部實現(xiàn)自動控制，不需人工干預，生產過程中的每個環(huán)節(jié)均通過RFID 進行數(shù)據(jù)采集與記錄，全程追蹤產品的生產過程，從訂單下發(fā)、物料傳輸，再到物料加工、物料入庫等所有環(huán)節(jié)，生產管理系統(tǒng)記錄每一個生產過程數(shù)據(jù)，可產品追溯[6]。 該生產線整個工藝流程，見圖4。

（1）MES 方案結構。MES 上位系統(tǒng)采用B/S 的多層結構，采用瀏覽器操作應用系統(tǒng)，無須安裝客戶端程序，方便用戶操作；使用IE6.0 以上的瀏覽器上網(wǎng)，都可以使用本系統(tǒng)處理業(yè)務；系統(tǒng)結構簡便，維護量??；可以共享數(shù)據(jù)、多人協(xié)同工作；采用多層結構的服務器，將業(yè)務邏輯處理和WEB 服務分開，可以明顯提高應用服務的性能。

圖4 工藝流程

MES 下位系統(tǒng)采用C/S 結構， 主要應用于數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)的實時性；數(shù)據(jù)采用跟上位系統(tǒng)共享方式；實現(xiàn)立體倉庫等附屬自動設備的控制。

（2）MES 功能描述。 該智能生產線的MES 的包括用戶管理、數(shù)據(jù)備份、設備維修等功能，具體見表2。

（3）RFID 自動跟蹤系統(tǒng)。 RFID 自動溯源子系統(tǒng)由標準卡、電子標簽、讀寫器、RFID 管理軟件等組成，當工作站與工業(yè)4.0 可視化工廠聯(lián)機運行時， 可以對生產過程中的工位和工序完成情況， 以及對產品的出入庫及托盤信息進行及時記錄，以便能實時的采集產品數(shù)據(jù)信息，通過與生產線聯(lián)網(wǎng)通信，實現(xiàn)與生產線的信息交換。最終數(shù)據(jù)全部發(fā)送給總控制系統(tǒng)保存[6]，見圖6。

表2 MES 總體功能

圖5 MES 系統(tǒng)界面組成及監(jiān)視畫面

圖6 RFID 讀寫卡一體機

把RFID 技術應用于MES 管理系統(tǒng)中，給MES 系統(tǒng)提供準確、可靠的數(shù)據(jù)信息。在倉庫的入口和出口分別放置兩個RFID 讀寫卡一體機， 在所有產品上貼上識別標簽， 當由毛坯件出庫時，RFID 讀寫卡一體機會采集到毛坯件出庫信息， 并把給信息傳遞給MES 系統(tǒng)，MES 系統(tǒng)根據(jù)這些實時數(shù)據(jù)來優(yōu)化整個生產過程， 進而提高管理效率和生產效率，來增加企業(yè)的核心競爭力。

圖7 基于RFID 的MES 功能架構[3]

4 結論

企業(yè)通過建立MES 管理信息化系統(tǒng)，可以為用戶提供一個安全可靠、靈活高效的制造業(yè)生產環(huán)境，從而幫助企業(yè)節(jié)約成本、 提高產品質量、 優(yōu)化生產管理及服務質量。介紹了通過RFID 技術采集物品信息，為WES 提供數(shù)據(jù)基礎，不僅為生產提供實時數(shù)據(jù)信息，同時也為產品的全生命周期管理提供了一個實時的移動數(shù)據(jù)庫。 學生通過該平臺的學習， 可以了解先進技術在智能制造中的具體應用，提高了學生多技術綜合應用的能力，同時也培養(yǎng)了學生數(shù)字化和信息化思想。