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摘要：文章基于车间的现代管理思想——制造执行系统（MES），分析了制造执行系统的功能，并阐述了制造执行系统的数据采集的类型和方法。通过对数据采集的研究，提出了基于分布式实时数据采集网络的MES集成架构，最后在理论的基础上进行建模，并在VC平台上开发了一个具有数据采集的系统模型。
关键词：制造执行系统；数据采集；建模
一、数据采集研究的意义
国际制造执行系统协会（Manufacturing Execution System Association，MESA）对MES的定义是：“MES是一些能够完成车间生产活动管理及优化的硬件和软件的集合，这些生产活动覆盖从订单发放到出产成品的全过程。它通过维护和利用实时准确的制造信息来指导、传授、响应并报告车间发生的各项活动，同时向企业决策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息。”
上述的定义给了MES很准确的定位：处于计划层和现场之间的执行层，目的在于优化管理活动，强调精确的实时数据，从而对生产进行调控和协调。而MES作为企业制造信息化的主要管理系统，特别是对于大中型制造企业由于大量的生产设备，它的数据采集量大，是进行物料跟踪、生产计划、产品历史记录维护以及其他生产管理的基础，因而数据的准确性和及时性成为企业实行信息化成败的关键。
二、MES实时数据采集的实现
数据采集模块是制造执行系统的核心模块，也是系统其他模块的数据来源。数据采集模块为生产监控提供的现场实时数据，能够实时把握整个生产过程的状态；为生产调度提供现场实时数据和计划数据，及时发现生产异常并做出相应的调度决策；为生产追踪和性能分析各模块提供生产过程的历史数据，能够再现整个生产过程，支持质量事故事后追踪和生产过程分析。
（一）数据采集类型
车间生产管理的需要采集的数据分为三类：静态数据、动态数据和中间数据。静态数据，一般指生产活动开始前要准备的数据，如毛坯、员工、设备等。这里的静态是相对的，是指变化的频度较小。动态数据是指在企业生产活动中频繁发生变动的数据，如物料的库位状态、物料使用情况、加工检验状态等，系统对这些数据需要随时维护。中间数据也称为中间信息，是根据企业对管理工作的需要，由计算机系统综合上述静态和动态数据，经过运算形成各种数据报表。它是一种经过加上处理的信息，供管理人员掌握生产状态，以便进行分析和决策。
（二）数据采集对象和方法
由上述对数据类型的分析我们可以知道，MES的数据采集不仅包括大量的制造设备，还要采集涉及车间管理的大量生产信息、产品和物料信息以及技术数据。目前对这些数据的采集大致分为两大类：
1、通过自动识别设备进行采集。记录考勤的设备，如ID卡等。记录物料或在制品的设备，如条形码等。现场数据记录以及人机交互设备，如：触摸屏、现场电脑终端等。
2、通过生产设备或测试设备直接获取。利用设备现有的接口，进行访问从而对数据进行采集。如机床的运行时间，加工运行状态等实时数据采集，但要根据机床设备的具体情况来定。可以直接上网、支持OPC的机床，采用基于OPC的状态信息采集方案，通过标准的OPC接口和必要的软件配置，直接读取机床的各种状态信息即可；对于不支持OPC的数控设采集，要通过测量数控设备中的控制面板、机床电气控制电路中有关点的模拟信号及其变化，并进行适当的转换，再利用DNC接口上的I/0接口来实现。
三、实时数据采集网络的MES集成架构
（一）数据交换标准化
通过对MES数据采集的实现分析，我们可以发现车间现场生产的数据采集和处理存在一些特殊性：控制网络大多是PLC、DCS、DNC、SCADA，以及变送器、变频器、阀门、按钮和开关等，且大多数设备往往采用自定义的专用网络和协议，没有统一的接口标准，开放性较差，因此需要首先解决的就是数据集成的问题。
针对MES数据采集中的问题，我们设计采用一个统一的数据通信标准OPC（OLE for Process Control，过程控制的对象链接嵌）是一套工业接口标准。在体系结构上，OPC采用客户端/服务器的通信模式，图1说明了将OPC技术运用到MES系统信息采集的方法。MES作为OPC客户端，可以不包含任何通信接口程序，不必关心底层的硬件设备特性及软硬件如何通信，只要遵循数据接口协议，就能够从数据服务器中取得数据，从而实现数据的灵活配置和多种系统的真正集成。
（二）分布式的数据采集
通过对数据的标准化，MES将现场设备的实时信息采集到MES的数据库服务器，Intranet内的用户可以直接访问数据库内容；在MES的Web服务器上加入数据库读写的模块组件，并以网页形式发布到Internet上，Internet上的计算机也可以方便地以访问网页的形式来读取数据库中的数据，由此构成一个分布式的数据采集系统。
该数据采集模块是以DNC、PLC以及支持OPC接口的数据采集器为主体，加上人机界面输入设备配合的现场数据采集监控单元，构成了覆盖整个车间的分布式网络系统。
四、系统开发
（一）体系结构
目前我们常用的关系数据库应用模式有B/S结构和C/S结构。C/S模式相对B/S模式具有强大的数据操纵和事务处理能力，以及数据的安全性和完整性约束，但是其开发成本高、移植困难、维护复杂、不能适应大量用户。针对MES数据采集的特点——数据采集涉及大量不同的设备、工作在恶劣工业现场，我们选择B/S模式，如图2所示：
（二）MES开发工具选择
1、数据库的选择：SQL Server是Microsoft Windows平台上最流行的关系数据库，也是最流行的Web数据库。它具有高速、高可靠性、高性价比的特点，而且内置Internet功能，能方便地建立其WEB应用在Internet上使用开放的高效方案发布数据，是大中型网络常用的数据库。
2、系统前端开发工具：采用VC#.NET语言和Visual Studio.NET开发工具编程实现。VC#.NET语言是面向Internet和企业分布式应用的新一代语言，几乎综合了目前所有高级语言的优点，具有语法优雅、类型安全、完全面向对象等特点。与Windows操作系统紧密的结合，充分发挥了其强大的基于可视化界面和面向对象的编程方法，满足系统较快的运行速度、良好的操作性能以及较强的图形界面功能。
（三）系统实现
制造执行系统的数据采集模块，本系统将低层的实时制造信息通过OPC收集到数据库服务器，处理后以简单、直观的方式展示出来（如图3），是进入数据采集模块后所显示的实时、经过简单处理后的制造信息。它提供当前车间员工、设备、物料等各方面的综合信息，也有修改、查询等人为核对、修正功能。
五、结论
MES的数据采集涉及从原料分配给车间，到产品入库中所有的实时生产活动信息，数据采集量大且分散，数据采集模块的好坏从根本上决定了MES能否实施成功。本文针对所调研的大量企业现行制造车间管理手段和方法，指出了车间数据采集的主要功能，对采集过程中存在的关键问题提供了相应的解决方法，为MES数据采集模块的实施提供充分的理论基础。然后对现有管理软件整体的研究和比对，提出了基于分布式实时数据采集网络的MES集成架构，而且采用VC#.NET语言开发工具编程实现系统前端，SQL Server为数据库初步实现了数据采集系统功能。
参考文献：
1、MESA International.MES Explained:A High Level Vision White Paper6[Z].Manufacturing Execution System Association,1997.
2、彭显.条码在在制品生产管理中的应用[D].南京航空航天大学,2005.
3、王军强.车间生产管理系统研究与应用[A].MES高级研讨会论文集[C].2006(69).
4、郭兴峰.AsPNET动态网站开发基础教程(C#篇)[M].清华大学出版社,2006.
（作者单位：吴斌方，湖北工业大学机械学院，作者为副教授；陈中瑾，湖北工业大学机械工程学院；汪超台，成都理工大学工程技术学院）
关键词：制造执行系统；数据采集；建模
一、数据采集研究的意义
国际制造执行系统协会（Manufacturing Execution System Association，MESA）对MES的定义是：“MES是一些能够完成车间生产活动管理及优化的硬件和软件的集合，这些生产活动覆盖从订单发放到出产成品的全过程。它通过维护和利用实时准确的制造信息来指导、传授、响应并报告车间发生的各项活动，同时向企业决策支持过程提供有关生产活动的任务评价信息。”
上述的定义给了MES很准确的定位：处于计划层和现场之间的执行层，目的在于优化管理活动，强调精确的实时数据，从而对生产进行调控和协调。而MES作为企业制造信息化的主要管理系统，特别是对于大中型制造企业由于大量的生产设备，它的数据采集量大，是进行物料跟踪、生产计划、产品历史记录维护以及其他生产管理的基础，因而数据的准确性和及时性成为企业实行信息化成败的关键。
二、MES实时数据采集的实现
数据采集模块是制造执行系统的核心模块，也是系统其他模块的数据来源。数据采集模块为生产监控提供的现场实时数据，能够实时把握整个生产过程的状态；为生产调度提供现场实时数据和计划数据，及时发现生产异常并做出相应的调度决策；为生产追踪和性能分析各模块提供生产过程的历史数据，能够再现整个生产过程，支持质量事故事后追踪和生产过程分析。
（一）数据采集类型
车间生产管理的需要采集的数据分为三类：静态数据、动态数据和中间数据。静态数据，一般指生产活动开始前要准备的数据，如毛坯、员工、设备等。这里的静态是相对的，是指变化的频度较小。动态数据是指在企业生产活动中频繁发生变动的数据，如物料的库位状态、物料使用情况、加工检验状态等，系统对这些数据需要随时维护。中间数据也称为中间信息，是根据企业对管理工作的需要，由计算机系统综合上述静态和动态数据，经过运算形成各种数据报表。它是一种经过加上处理的信息，供管理人员掌握生产状态，以便进行分析和决策。
（二）数据采集对象和方法
由上述对数据类型的分析我们可以知道，MES的数据采集不仅包括大量的制造设备，还要采集涉及车间管理的大量生产信息、产品和物料信息以及技术数据。目前对这些数据的采集大致分为两大类：
1、通过自动识别设备进行采集。记录考勤的设备，如ID卡等。记录物料或在制品的设备，如条形码等。现场数据记录以及人机交互设备，如：触摸屏、现场电脑终端等。
2、通过生产设备或测试设备直接获取。利用设备现有的接口，进行访问从而对数据进行采集。如机床的运行时间，加工运行状态等实时数据采集，但要根据机床设备的具体情况来定。可以直接上网、支持OPC的机床，采用基于OPC的状态信息采集方案，通过标准的OPC接口和必要的软件配置，直接读取机床的各种状态信息即可；对于不支持OPC的数控设采集，要通过测量数控设备中的控制面板、机床电气控制电路中有关点的模拟信号及其变化，并进行适当的转换，再利用DNC接口上的I/0接口来实现。
三、实时数据采集网络的MES集成架构
（一）数据交换标准化
通过对MES数据采集的实现分析，我们可以发现车间现场生产的数据采集和处理存在一些特殊性：控制网络大多是PLC、DCS、DNC、SCADA，以及变送器、变频器、阀门、按钮和开关等，且大多数设备往往采用自定义的专用网络和协议，没有统一的接口标准，开放性较差，因此需要首先解决的就是数据集成的问题。
针对MES数据采集中的问题，我们设计采用一个统一的数据通信标准OPC（OLE for Process Control，过程控制的对象链接嵌）是一套工业接口标准。在体系结构上，OPC采用客户端/服务器的通信模式，图1说明了将OPC技术运用到MES系统信息采集的方法。MES作为OPC客户端，可以不包含任何通信接口程序，不必关心底层的硬件设备特性及软硬件如何通信，只要遵循数据接口协议，就能够从数据服务器中取得数据，从而实现数据的灵活配置和多种系统的真正集成。
（二）分布式的数据采集
通过对数据的标准化，MES将现场设备的实时信息采集到MES的数据库服务器，Intranet内的用户可以直接访问数据库内容；在MES的Web服务器上加入数据库读写的模块组件，并以网页形式发布到Internet上，Internet上的计算机也可以方便地以访问网页的形式来读取数据库中的数据，由此构成一个分布式的数据采集系统。
该数据采集模块是以DNC、PLC以及支持OPC接口的数据采集器为主体，加上人机界面输入设备配合的现场数据采集监控单元，构成了覆盖整个车间的分布式网络系统。
四、系统开发
（一）体系结构
目前我们常用的关系数据库应用模式有B/S结构和C/S结构。C/S模式相对B/S模式具有强大的数据操纵和事务处理能力，以及数据的安全性和完整性约束，但是其开发成本高、移植困难、维护复杂、不能适应大量用户。针对MES数据采集的特点——数据采集涉及大量不同的设备、工作在恶劣工业现场，我们选择B/S模式，如图2所示：
（二）MES开发工具选择
1、数据库的选择：SQL Server是Microsoft Windows平台上最流行的关系数据库，也是最流行的Web数据库。它具有高速、高可靠性、高性价比的特点，而且内置Internet功能，能方便地建立其WEB应用在Internet上使用开放的高效方案发布数据，是大中型网络常用的数据库。
2、系统前端开发工具：采用VC#.NET语言和Visual Studio.NET开发工具编程实现。VC#.NET语言是面向Internet和企业分布式应用的新一代语言，几乎综合了目前所有高级语言的优点，具有语法优雅、类型安全、完全面向对象等特点。与Windows操作系统紧密的结合，充分发挥了其强大的基于可视化界面和面向对象的编程方法，满足系统较快的运行速度、良好的操作性能以及较强的图形界面功能。
（三）系统实现
制造执行系统的数据采集模块，本系统将低层的实时制造信息通过OPC收集到数据库服务器，处理后以简单、直观的方式展示出来（如图3），是进入数据采集模块后所显示的实时、经过简单处理后的制造信息。它提供当前车间员工、设备、物料等各方面的综合信息，也有修改、查询等人为核对、修正功能。
五、结论
MES的数据采集涉及从原料分配给车间，到产品入库中所有的实时生产活动信息，数据采集量大且分散，数据采集模块的好坏从根本上决定了MES能否实施成功。本文针对所调研的大量企业现行制造车间管理手段和方法，指出了车间数据采集的主要功能，对采集过程中存在的关键问题提供了相应的解决方法，为MES数据采集模块的实施提供充分的理论基础。然后对现有管理软件整体的研究和比对，提出了基于分布式实时数据采集网络的MES集成架构，而且采用VC#.NET语言开发工具编程实现系统前端，SQL Server为数据库初步实现了数据采集系统功能。
参考文献：
1、MESA International.MES Explained:A High Level Vision White Paper6[Z].Manufacturing Execution System Association,1997.
2、彭显.条码在在制品生产管理中的应用[D].南京航空航天大学,2005.
3、王军强.车间生产管理系统研究与应用[A].MES高级研讨会论文集[C].2006(69).
4、郭兴峰.AsPNET动态网站开发基础教程(C#篇)[M].清华大学出版社,2006.
（作者单位：吴斌方，湖北工业大学机械学院，作者为副教授；陈中瑾，湖北工业大学机械工程学院；汪超台，成都理工大学工程技术学院）