制造執行系統（MES）所需的設備數據采集研究

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

高質量發展已成為我國經濟發展的共識，隨著工業4.0和兩化融合的推進，越來越多的企業在生產制造過程中融入了數字化科技、信息化科技、大數據分析等方面，嚴密控制和監控整個的生產過程，確保生產過程的穩定和產品質量的可靠。MES（Manufacturing Execution System，制造企業生產過程執行系統）的建立順應了這一發展的需求，但PCB工廠設備種類和數量較多，前幾年引入的設備沒有全面考慮到相關數據的類型、采集和傳輸接口，較多設備沒有配置或預留通訊接口，較多儀表也不具備數據采集的條件。需要通過適當改造才可以采集到相應的數據，以配合到MES系統對數據的需求。

1 設備數據采集的實現

整合工程、品質、生產等部門的信息需求，建立數據采集需求表，需求表中的數據來源主要有設備PC端數據、PLC存儲端數據、儀表傳感器端數據等組成。要取出完整的數據，則需要將以上端口的數據進行采集出來并整合到一起。

下面對此三種數據采集方式進行介紹。

1.1 設備PC端數據采集

PC端的數據采集相對較為容易實現，雖然工業計算機在硬件和軟件上與通用的計算機有些差別，但仍有較多是相近或相似的，通過各種針對性的軟件設置可以較好解決。

1.1.1 設備PC端數據采集的主要流程及說明

設備PC端數據采集的主要流程及說明見圖1。

圖1 設備PC端數據采集的主要流程及說明

1.1.2 設備PC端數據采集主要問題的解決

PC端產生的各種文件較多，經檢查確定需要輸出的數據文件，再解析以配匹到系統的要求，主要解決以下兩個方面的問題。

（1）識別需要的數據。設備PC上自動生成的日志文件繁多，通常不同類型的數據會分布在不同的文件中（如：參數類數據、狀態類數據、警報類數據，先通過篩選文件的更新日期找出實時文件，再對這些文件進行解析。由于文件中的信息量比較大，靠個人每個字段識別是個比較大的工程，需要發揮團隊力量，針對于不同的設備找到具體對應的工程PE和設備商一起參與，快速、有效的識別出需要的數據。

（2）文件亂碼問題的解決。設備存儲生產數據時，文件保存是以PC默認編碼方式保存；在設備PC上打開文件也是以PC默認編碼格式打開，所以不會出現亂碼。當數據采集時（服務器端打開）文檔以服務器端的默認編碼格式打開文件，兩者編碼方式不一致，導致亂碼。

對數據文件進行分析，使用格式轉化工具先對數據文件進行相關轉換，找出數據文件的編碼方式有Big5、GB2312等，然后采集程序中增加對應碼的轉換程序，這樣每次數據采集指令執行都會執行自動轉碼。采集的數據可以正常顯示和識別。

1.2 設備PLC端數據采集

1.2.1 設備PLC端數據采集主要流程及說明

設備PLC端數據采集主要流程及說明見圖2。

圖2 設備PLC端數據采集主要流程及說明

1.2.2 設備PLC聯網通訊問題的解決

雖然不同設備的PLC端數據采集流程相同，但是不同品牌的PLC的通訊端口類型是不一樣的，在通訊模塊的配置方面也需要與之對應，PLC端數據采集工作的重點是解決不同品牌、不同系列的PLC如何聯網和通訊等問題。

（1）解決各設備PLC的IP地址不統一問題。

PLC是連接觸摸屏、工控機等上位機的核心執行機構。對于PLC與PLC的連接、PLC與觸摸屏的連接、PLC與工控機的連接都需要指定的IP地址（同一網段），不同廠家的設備PLC中的IP地址不同、通訊接口也不盡相同，實現各個設備PLC集中聯網難度大。

為了使得各個廠家的PLC IP地址統一化，以不影響其和觸摸屏、工控機之間的通訊，我們根據不同類型PLC的不同接口分別配置了對應的通訊模塊?，F已將各設備的PLC IP統一設置在一個網段，從而實現了不同品牌、不同系列的PLC集中聯網。

（2）PLC與服務器無法通訊問題的解決。

各設備PLC與服務器沒有網絡連接，無法進行通訊，數據不能被采集。采用WIFI串口服務器替代傳統網線的方式，建立PLC與服務器之間的網絡連接；通過對WIFI串口服務器的串口指令設置，將PLC通訊模塊轉換出來的WIFI（STA）信號，接入到WIFI（AP）信號上，實現PLC的聯網和通訊（如圖3）。

圖3 PLC的聯網和通訊

1.3 儀表傳感器端數據采集

1.3.1 儀表傳感器端數據采集主要流程

各種儀表或傳感器RS485端口連接到串口服務器，再通過串口服務器連接到WIFI發射模塊，對WIFI發射模塊進行設置，最終把485信號以WIFI的方式進行直接發送至服務器（如圖4）。

圖4 儀表&傳感器端數據采集主要流程

1.3.2 儀表傳感器端數據采集問題的解決

儀表端數據采集工作的重點是將刻度式、不帶通訊端口式的儀表，分別使用直接更換、替代、等效的方法進行改造，使其數據可被采集。

（1）指針式壓力表數據采集問題的解決。

設備上有些關鍵部位（如：藥水缸）使用的壓力表為指針式，不具備數據采集的條件。采用直接更換法，將指針式壓力表更換為帶RS485通訊接口的數顯壓力表，壓力表的替換相對比較簡單（管道口徑統一，表頭自帶螺紋）。抽產線待料空閑時間直接將表頭進行更換，整個施工過程對產線生產進度基本沒有影響。

（2）刻度式流量計數據采集問題的解決。

目前車間設備上所配置的流量計大多是刻度式，同樣不具備數據采集的條件，需要采集流量數據的位置也比較多。若采用直接更換法施周期長（需要改造管道）對生產計劃進度影響較大，通過與供應商共同評估、確認，對于刻度式流量計的改造采用替代法——超聲波探測技術。

超聲波探測管道流量原理是利用一對超聲波換能器相向交替（或同時）收發超聲波，通過觀測超聲波仔流體中的順向流和逆向流傳播時間差來間接測量流體的流速（如圖5）。進而根據計算公式可得出流量（Q）見圖5中公式。

圖5 超聲波管道流量探測

（3）不帶通訊端口輸出的數顯整流機數據采集問題的解決。

水平除膠沉銅線的化銅缸整流機，電壓/電流的顯示方式雖然采用數字顯示，但經過現場核對和查詢相關資料確認為不帶通訊接口，數顯界面只能供查看，不支持數據采集。

經過現場排查和確認，僅僅更換整流機的顯示界面是行不通的，需要連同主機一起更換。若采用直接更換的方法，不僅需要停線進行施工，還涉及到較多的參數設置（PLC的控制參數、通訊參數等），存在較大的風險。通過討論和評估，在整流機的負載端增加帶通訊的儀表，找到整流機的負載端了解電壓/電流的量程&交/直流類型，利用互感原理進行電壓/電流的轉換與輸出，實現整流機電壓/電流參數的采集（如圖6）。

圖6 整流機電壓/電流參數的采集

2 數據采集系統架構組成

數據采集系統是一套實時采集現場設備制造過程信息。并以報表化和圖表化展示的平臺。是消除“信息孤島”實現企業生產過程數字化、智能化的有效工具。采用網絡系統進行生產設備的聯網，并構建一個車間生產現場綜合數據交換平臺，可以實現生產、管理所需的數據，及設備資源信息的共享，為MES系統提供了強大的數據平臺（如圖7）。

3 結論

對各種設備、儀表儀器的實際情況進行分析，根據需求進行相應的硬件和軟件的配置、調整，基本都可以使用采集MES系統到所需的數據。

（1）通過找出設備PC端數據文件保存時的編碼方式，在數據采集程序中通過增加碼制轉換的方式解決數據采集中出現亂碼的問題。

（2）通過在PLC上增加通訊模塊的方式，在不占用原PLC上接口（串口或以太網口）的情況下，將PLC的集中聯網和數據采集。

（3）通過對原設備上儀表/儀器的改造，使需要監控的參數可以被采集。

通過對工廠原有的設備進行相應的改造，可以實現設備數據的采集，使得MES系統也能覆蓋到原有的設備，從而實現了整個生產運行中所有信息的采集。

圖7 數據采集系統架構