制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）所需的設(shè)備數(shù)據(jù)采集研究

劉 威 崔紅兵 楊建勇

（東莞康源電子有限公司，廣東 東莞 523932 ）

0 前言

高質(zhì)量發(fā)展已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的共識(shí)，隨著工業(yè)4.0和兩化融合的推進(jìn)，越來(lái)越多的企業(yè)在生產(chǎn)制造過(guò)程中融入了數(shù)字化科技、信息化科技、大數(shù)據(jù)分析等方面，嚴(yán)密控制和監(jiān)控整個(gè)的生產(chǎn)過(guò)程，確保生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定和產(chǎn)品質(zhì)量的可靠。MES（Manufacturing Execution System，制造企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程執(zhí)行系統(tǒng)）的建立順應(yīng)了這一發(fā)展的需求，但PCB工廠設(shè)備種類(lèi)和數(shù)量較多，前幾年引入的設(shè)備沒(méi)有全面考慮到相關(guān)數(shù)據(jù)的類(lèi)型、采集和傳輸接口，較多設(shè)備沒(méi)有配置或預(yù)留通訊接口，較多儀表也不具備數(shù)據(jù)采集的條件。需要通過(guò)適當(dāng)改造才可以采集到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，以配合到MES系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的需求。

1 設(shè)備數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)

整合工程、品質(zhì)、生產(chǎn)等部門(mén)的信息需求，建立數(shù)據(jù)采集需求表，需求表中的數(shù)據(jù)來(lái)源主要有設(shè)備PC端數(shù)據(jù)、PLC存儲(chǔ)端數(shù)據(jù)、儀表傳感器端數(shù)據(jù)等組成。要取出完整的數(shù)據(jù)，則需要將以上端口的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集出來(lái)并整合到一起。

下面對(duì)此三種數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行介紹。

1.1 設(shè)備PC端數(shù)據(jù)采集

PC端的數(shù)據(jù)采集相對(duì)較為容易實(shí)現(xiàn)，雖然工業(yè)計(jì)算機(jī)在硬件和軟件上與通用的計(jì)算機(jī)有些差別，但仍有較多是相近或相似的，通過(guò)各種針對(duì)性的軟件設(shè)置可以較好解決。

1.1.1 設(shè)備PC端數(shù)據(jù)采集的主要流程及說(shuō)明

設(shè)備PC端數(shù)據(jù)采集的主要流程及說(shuō)明見(jiàn)圖1。

圖1 設(shè)備PC端數(shù)據(jù)采集的主要流程及說(shuō)明

1.1.2 設(shè)備PC端數(shù)據(jù)采集主要問(wèn)題的解決

PC端產(chǎn)生的各種文件較多，經(jīng)檢查確定需要輸出的數(shù)據(jù)文件，再解析以配匹到系統(tǒng)的要求，主要解決以下兩個(gè)方面的問(wèn)題。

（1）識(shí)別需要的數(shù)據(jù)。設(shè)備PC上自動(dòng)生成的日志文件繁多，通常不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)會(huì)分布在不同的文件中（如：參數(shù)類(lèi)數(shù)據(jù)、狀態(tài)類(lèi)數(shù)據(jù)、警報(bào)類(lèi)數(shù)據(jù)，先通過(guò)篩選文件的更新日期找出實(shí)時(shí)文件，再對(duì)這些文件進(jìn)行解析。由于文件中的信息量比較大，靠個(gè)人每個(gè)字段識(shí)別是個(gè)比較大的工程，需要發(fā)揮團(tuán)隊(duì)力量，針對(duì)于不同的設(shè)備找到具體對(duì)應(yīng)的工程PE和設(shè)備商一起參與，快速、有效的識(shí)別出需要的數(shù)據(jù)。

（2）文件亂碼問(wèn)題的解決。設(shè)備存儲(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，文件保存是以PC默認(rèn)編碼方式保存；在設(shè)備PC上打開(kāi)文件也是以PC默認(rèn)編碼格式打開(kāi)，所以不會(huì)出現(xiàn)亂碼。當(dāng)數(shù)據(jù)采集時(shí)（服務(wù)器端打開(kāi)）文檔以服務(wù)器端的默認(rèn)編碼格式打開(kāi)文件，兩者編碼方式不一致，導(dǎo)致亂碼。

對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分析，使用格式轉(zhuǎn)化工具先對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行相關(guān)轉(zhuǎn)換，找出數(shù)據(jù)文件的編碼方式有Big5、GB2312等，然后采集程序中增加對(duì)應(yīng)碼的轉(zhuǎn)換程序，這樣每次數(shù)據(jù)采集指令執(zhí)行都會(huì)執(zhí)行自動(dòng)轉(zhuǎn)碼。采集的數(shù)據(jù)可以正常顯示和識(shí)別。

1.2 設(shè)備PLC端數(shù)據(jù)采集

1.2.1 設(shè)備PLC端數(shù)據(jù)采集主要流程及說(shuō)明

設(shè)備PLC端數(shù)據(jù)采集主要流程及說(shuō)明見(jiàn)圖2。

圖2 設(shè)備PLC端數(shù)據(jù)采集主要流程及說(shuō)明

1.2.2 設(shè)備PLC聯(lián)網(wǎng)通訊問(wèn)題的解決

雖然不同設(shè)備的PLC端數(shù)據(jù)采集流程相同，但是不同品牌的PLC的通訊端口類(lèi)型是不一樣的，在通訊模塊的配置方面也需要與之對(duì)應(yīng)，PLC端數(shù)據(jù)采集工作的重點(diǎn)是解決不同品牌、不同系列的PLC如何聯(lián)網(wǎng)和通訊等問(wèn)題。

（1）解決各設(shè)備PLC的IP地址不統(tǒng)一問(wèn)題。

PLC是連接觸摸屏、工控機(jī)等上位機(jī)的核心執(zhí)行機(jī)構(gòu)。對(duì)于PLC與PLC的連接、PLC與觸摸屏的連接、PLC與工控機(jī)的連接都需要指定的IP地址（同一網(wǎng)段），不同廠家的設(shè)備PLC中的IP地址不同、通訊接口也不盡相同，實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備PLC集中聯(lián)網(wǎng)難度大。

為了使得各個(gè)廠家的PLC IP地址統(tǒng)一化，以不影響其和觸摸屏、工控機(jī)之間的通訊，我們根據(jù)不同類(lèi)型PLC的不同接口分別配置了對(duì)應(yīng)的通訊模塊。現(xiàn)已將各設(shè)備的PLC IP統(tǒng)一設(shè)置在一個(gè)網(wǎng)段，從而實(shí)現(xiàn)了不同品牌、不同系列的PLC集中聯(lián)網(wǎng)。

（2）PLC與服務(wù)器無(wú)法通訊問(wèn)題的解決。

各設(shè)備PLC與服務(wù)器沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)連接，無(wú)法進(jìn)行通訊，數(shù)據(jù)不能被采集。采用WIFI串口服務(wù)器替代傳統(tǒng)網(wǎng)線的方式，建立PLC與服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)連接；通過(guò)對(duì)WIFI串口服務(wù)器的串口指令設(shè)置，將PLC通訊模塊轉(zhuǎn)換出來(lái)的WIFI（STA）信號(hào)，接入到WIFI（AP）信號(hào)上，實(shí)現(xiàn)PLC的聯(lián)網(wǎng)和通訊（如圖3）。

圖3 PLC的聯(lián)網(wǎng)和通訊

1.3 儀表傳感器端數(shù)據(jù)采集

1.3.1 儀表傳感器端數(shù)據(jù)采集主要流程

各種儀表或傳感器RS485端口連接到串口服務(wù)器，再通過(guò)串口服務(wù)器連接到WIFI發(fā)射模塊，對(duì)WIFI發(fā)射模塊進(jìn)行設(shè)置，最終把485信號(hào)以WIFI的方式進(jìn)行直接發(fā)送至服務(wù)器（如圖4）。

圖4 儀表&傳感器端數(shù)據(jù)采集主要流程

1.3.2 儀表傳感器端數(shù)據(jù)采集問(wèn)題的解決

儀表端數(shù)據(jù)采集工作的重點(diǎn)是將刻度式、不帶通訊端口式的儀表，分別使用直接更換、替代、等效的方法進(jìn)行改造，使其數(shù)據(jù)可被采集。

（1）指針式壓力表數(shù)據(jù)采集問(wèn)題的解決。

設(shè)備上有些關(guān)鍵部位（如：藥水缸）使用的壓力表為指針式，不具備數(shù)據(jù)采集的條件。采用直接更換法，將指針式壓力表更換為帶RS485通訊接口的數(shù)顯壓力表，壓力表的替換相對(duì)比較簡(jiǎn)單（管道口徑統(tǒng)一，表頭自帶螺紋）。抽產(chǎn)線待料空閑時(shí)間直接將表頭進(jìn)行更換，整個(gè)施工過(guò)程對(duì)產(chǎn)線生產(chǎn)進(jìn)度基本沒(méi)有影響。

（2）刻度式流量計(jì)數(shù)據(jù)采集問(wèn)題的解決。

目前車(chē)間設(shè)備上所配置的流量計(jì)大多是刻度式，同樣不具備數(shù)據(jù)采集的條件，需要采集流量數(shù)據(jù)的位置也比較多。若采用直接更換法施周期長(zhǎng)（需要改造管道）對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)度影響較大，通過(guò)與供應(yīng)商共同評(píng)估、確認(rèn)，對(duì)于刻度式流量計(jì)的改造采用替代法——超聲波探測(cè)技術(shù)。

超聲波探測(cè)管道流量原理是利用一對(duì)超聲波換能器相向交替（或同時(shí)）收發(fā)超聲波，通過(guò)觀測(cè)超聲波仔流體中的順向流和逆向流傳播時(shí)間差來(lái)間接測(cè)量流體的流速（如圖5）。進(jìn)而根據(jù)計(jì)算公式可得出流量（Q）見(jiàn)圖5中公式。

圖5 超聲波管道流量探測(cè)

（3）不帶通訊端口輸出的數(shù)顯整流機(jī)數(shù)據(jù)采集問(wèn)題的解決。

水平除膠沉銅線的化銅缸整流機(jī)，電壓/電流的顯示方式雖然采用數(shù)字顯示，但經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)核對(duì)和查詢(xún)相關(guān)資料確認(rèn)為不帶通訊接口，數(shù)顯界面只能供查看，不支持?jǐn)?shù)據(jù)采集。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)排查和確認(rèn)，僅僅更換整流機(jī)的顯示界面是行不通的，需要連同主機(jī)一起更換。若采用直接更換的方法，不僅需要停線進(jìn)行施工，還涉及到較多的參數(shù)設(shè)置（PLC的控制參數(shù)、通訊參數(shù)等），存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)討論和評(píng)估，在整流機(jī)的負(fù)載端增加帶通訊的儀表，找到整流機(jī)的負(fù)載端了解電壓/電流的量程&交/直流類(lèi)型，利用互感原理進(jìn)行電壓/電流的轉(zhuǎn)換與輸出，實(shí)現(xiàn)整流機(jī)電壓/電流參數(shù)的采集（如圖6）。

圖6 整流機(jī)電壓/電流參數(shù)的采集

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)組成

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一套實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備制造過(guò)程信息。并以報(bào)表化和圖表化展示的平臺(tái)。是消除“信息孤島”實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化、智能化的有效工具。采用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，并構(gòu)建一個(gè)車(chē)間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)綜合數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、管理所需的數(shù)據(jù)，及設(shè)備資源信息的共享，為MES系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)平臺(tái)（如圖7）。

3 結(jié)論

對(duì)各種設(shè)備、儀表儀器的實(shí)際情況進(jìn)行分析，根據(jù)需求進(jìn)行相應(yīng)的硬件和軟件的配置、調(diào)整，基本都可以使用采集MES系統(tǒng)到所需的數(shù)據(jù)。

（1）通過(guò)找出設(shè)備PC端數(shù)據(jù)文件保存時(shí)的編碼方式，在數(shù)據(jù)采集程序中通過(guò)增加碼制轉(zhuǎn)換的方式解決數(shù)據(jù)采集中出現(xiàn)亂碼的問(wèn)題。

（2）通過(guò)在PLC上增加通訊模塊的方式，在不占用原PLC上接口（串口或以太網(wǎng)口）的情況下，將PLC的集中聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)采集。

（3）通過(guò)對(duì)原設(shè)備上儀表/儀器的改造，使需要監(jiān)控的參數(shù)可以被采集。

通過(guò)對(duì)工廠原有的設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的改造，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，使得MES系統(tǒng)也能覆蓋到原有的設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)生產(chǎn)運(yùn)行中所有信息的采集。

圖7 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)