基于MES的RFID數(shù)據(jù)采集你了解嗎

制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）是美國(guó)MESA20世紀(jì)90年代提出的面向車(chē)間的信息管理系統(tǒng)，是連接計(jì)劃層和現(xiàn)場(chǎng)控制層之間的紐帶，通過(guò)提供從訂單到產(chǎn)品完成整個(gè)制造過(guò)程的信息來(lái)優(yōu)化企業(yè)管理，協(xié)助企業(yè)建立一體化和實(shí)時(shí)化的管理信息體系。因此實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與共享是MES保證企業(yè)執(zhí)行生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，而無(wú)線射頻技術(shù)（RFID）是一種非接觸式的數(shù)據(jù)采集自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，目前應(yīng)用于零售業(yè)產(chǎn)品標(biāo)簽，交通中車(chē)輛運(yùn)行管理，以及倉(cāng)儲(chǔ)物流業(yè)等。隨著制造業(yè)信息化發(fā)展，RFID對(duì)制造業(yè)來(lái)說(shuō)是極有潛力的技術(shù)，與現(xiàn)有MES集成不僅為生產(chǎn)提供實(shí)時(shí)信息，而且也為產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）提供一個(gè)移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

1 制造執(zhí)行系統(tǒng)

1.1 MES含義

國(guó)際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會(huì)（MESA，Manufacturing Execution System Association）對(duì)MES的定義是，MES提供的信息優(yōu)化從訂單投入到產(chǎn)品完成的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。MES運(yùn)用及時(shí)、準(zhǔn)確的信息，指導(dǎo)、啟動(dòng)、響應(yīng)并記錄工廠運(yùn)行，對(duì)條件的變化做出快速的響應(yīng)，減少非增值活動(dòng)，提高工廠運(yùn)作過(guò)程的效率。MES不但可以改善設(shè)備投資回報(bào)率，而且有助于及時(shí)交貨、加快庫(kù)存周轉(zhuǎn)、提高收益和現(xiàn)金流的績(jī)效。MES在企業(yè)和供應(yīng)鏈間以雙向交互的形式提供生產(chǎn)活動(dòng)的必備信息。

MES作為生產(chǎn)信息系統(tǒng)，也就是收集生產(chǎn)過(guò)程中大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)實(shí)時(shí)事件分析及時(shí)處理，同時(shí)又與計(jì)劃層和生產(chǎn)控制層保持雙向通信，從上下兩層接收相應(yīng)數(shù)據(jù)并反饋處理結(jié)果和生產(chǎn)指令。確切地說(shuō)，MES是一系列功能的集成，連接著計(jì)劃與控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)理念與生產(chǎn)執(zhí)行，銷(xiāo)售能力與生產(chǎn)機(jī)制，客戶與供需等。一方面關(guān)注生產(chǎn)過(guò)程中的即時(shí)生產(chǎn)與實(shí)時(shí)掌握在制品的產(chǎn)量與品質(zhì)狀況，另一方面采集和分析數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀況和在線物料，記錄生產(chǎn)經(jīng)過(guò)的工序、設(shè)備、所用物料和經(jīng)手人員。主要功能包括資源分配及狀態(tài)管理，工序生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度，文檔控制，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，人力資源管理，質(zhì)量管理，過(guò)程管理，維護(hù)管理，產(chǎn)品跟蹤以及性能分析。

1.2 數(shù)據(jù)采集

MES中的數(shù)據(jù)采集功能，是負(fù)責(zé)采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中的各種必要的實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)信息，并為其他MES功能的數(shù)據(jù)管理提供數(shù)源。數(shù)據(jù)類(lèi)型按管理方式分為：工藝資源數(shù)據(jù)、人力資源數(shù)據(jù)、產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)，如表1所示。

由表1可看出，大部分采集的數(shù)據(jù)都與工藝資源相關(guān)，各種數(shù)據(jù)之間都或多或少有著關(guān)聯(lián)，例如機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)為運(yùn)行、準(zhǔn)備、停機(jī)還是空閑；運(yùn)行過(guò)程中，程序啟動(dòng)時(shí)間、程序停止時(shí)間、程序名稱(chēng)、當(dāng)前刀具號(hào)、主軸轉(zhuǎn)速等；準(zhǔn)備狀態(tài)時(shí)，是調(diào)試、檢驗(yàn)、還是準(zhǔn)備工裝等；停機(jī)狀態(tài)時(shí)，應(yīng)能夠報(bào)告停機(jī)原因是設(shè)備故障還是設(shè)備維護(hù)等。

按行業(yè)不同，數(shù)據(jù)采集方法不盡相同，離散制造行業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的程度還不是很高，主要用條形碼或者其他傳感器，甚至人工錄入來(lái)對(duì)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。連續(xù)制造行業(yè)，生產(chǎn)自動(dòng)化的程度相對(duì)比較高，數(shù)據(jù)采集主要就是通過(guò)部署各種現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)進(jìn)行采集。

2 RFID技術(shù)

2.1 RFID系統(tǒng)

RFID（射頻識(shí)別）系統(tǒng)由耦合元件及芯片組成具有惟一電子編碼的標(biāo)簽，讀取/寫(xiě)入標(biāo)簽信息的移動(dòng)/固定式閱讀器，以及在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號(hào)的天線這3部分組成。電子標(biāo)簽附著在待識(shí)別物體的表面。電子標(biāo)簽中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)。標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在芯片中的產(chǎn)品信息（Passivetag，被動(dòng)標(biāo)簽），或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)（activetag，主動(dòng)標(biāo)簽），將記錄從價(jià)格到生產(chǎn)流程等在內(nèi)大量信息的芯片貼在產(chǎn)品表面，通過(guò)讀取器來(lái)讀取、更新信息，并解碼后，送至計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理。

RFID技術(shù)利用無(wú)線射頻方式在閱讀器和射頻卡之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達(dá)到目標(biāo)識(shí)別和數(shù)據(jù)交換的目的。與傳統(tǒng)的條碼相比，RFID電子標(biāo)簽具有非接觸、可重復(fù)讀寫(xiě)、速度快、信息量大、不受環(huán)境影響、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，能同時(shí)處理多張卡片，這些優(yōu)點(diǎn)使RFID技術(shù)更適合于作業(yè)環(huán)境不確定的制造業(yè)。

2.2 RFID數(shù)據(jù)采集在MES中應(yīng)用

現(xiàn)代化制造業(yè)MES是依靠信息管理的一個(gè)精確的執(zhí)行過(guò)程，這必然要求對(duì)計(jì)劃和執(zhí)行進(jìn)行精確的比對(duì)，數(shù)據(jù)都要準(zhǔn)確記錄，這需要過(guò)程中更多地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集自動(dòng)識(shí)別，保證計(jì)劃和執(zhí)行相符合，并對(duì)不符合的及時(shí)采取措施調(diào)整。因此RFID技術(shù)作為一種數(shù)據(jù)采集與管理的手段，正從供應(yīng)鏈進(jìn)入制造過(guò)程的核心，通過(guò)在工廠車(chē)間層逐步采用RFID技術(shù)，可以無(wú)縫且不間斷地集成從RFID捕獲的信息并鏈接到現(xiàn)有的控制系統(tǒng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（如Profibus），與配置RFID功能的供應(yīng)鏈協(xié)調(diào)，向已有的制造執(zhí)行系統(tǒng)可以發(fā)送準(zhǔn)確、可靠的實(shí)時(shí)信息流，從而創(chuàng)造附加值，提高生產(chǎn)率和大幅度地節(jié)省投資。

① 在質(zhì)量管理方面，RFID可提供不斷更新的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，可用來(lái)保證正確使用勞動(dòng)力、機(jī)器、工具和部件，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化生產(chǎn)和減少停機(jī)時(shí)間，以保證可靠性和高質(zhì)量；搜集如產(chǎn)品標(biāo)識(shí)符、物理屬性、訂貨號(hào)等信息，自動(dòng)建立支持質(zhì)量保證體系所要求的質(zhì)量跟蹤和工作歷史文檔，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的批次跟蹤。特別是在混合裝配線生產(chǎn)中，能準(zhǔn)確無(wú)誤地將裝配零部件送達(dá)指定區(qū)域，從而減少了出錯(cuò)率。

② 在產(chǎn)品追蹤方面，能實(shí)現(xiàn)從原材料到最終產(chǎn)品的全面跟蹤。只要零件進(jìn)入生產(chǎn)線或到達(dá)完工區(qū)，將自動(dòng)記錄工序、設(shè)備和操作者編號(hào)、加工時(shí)間，避免了后期人工數(shù)據(jù)輸入、條碼掃描等操作產(chǎn)生的不精確數(shù)據(jù)或誤差。

③ 在計(jì)劃調(diào)度方面，諸如機(jī)床等加工設(shè)備上的RFID提供運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間、可用性狀態(tài)、性能特征，并含有技術(shù)參數(shù)、使用刀具情況、已進(jìn)行的生產(chǎn)活動(dòng)，這樣就可以結(jié)合產(chǎn)品工藝規(guī)程單按現(xiàn)有設(shè)備利用率進(jìn)行車(chē)間內(nèi)實(shí)時(shí)計(jì)劃排程。

④ 在設(shè)備管理方面，操作員可以通過(guò)讀取標(biāo)簽上的信息來(lái)檢查設(shè)備及其所在位置，對(duì)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)或維修，然后寫(xiě)入最新的數(shù)據(jù)更新RFID標(biāo)簽，有助于提高設(shè)備價(jià)值，優(yōu)化設(shè)備性能和最大化設(shè)備利用率。

3 RFID與MES集成技術(shù)

3.1 RFID中間件

為了解決多種硬件系統(tǒng)平臺(tái)和各種系統(tǒng)軟件分布異構(gòu)問(wèn)題而產(chǎn)生的中間件技術(shù)，它是位于不同操作系統(tǒng)平臺(tái)和具體應(yīng)用之間的通用服務(wù)。這些服務(wù)具有標(biāo)準(zhǔn)的程序接口和協(xié)議。RFID中間件是一種面向消息的中間件，信息是以消息的形式在程序之間傳輸，其功能不僅是傳遞信息，還必須包括解譯數(shù)據(jù)、安全性、數(shù)據(jù)廣播、錯(cuò)誤恢復(fù)、定位網(wǎng)絡(luò)資源、消息與要求的優(yōu)先次序以及延伸的除錯(cuò)工具等服務(wù)。

因此RFID中間件作為連接RFID硬件設(shè)備和后臺(tái)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的橋梁，是實(shí)現(xiàn)RFID與后臺(tái)應(yīng)用軟件（如MES軟件等）間數(shù)據(jù)獲取和管理的集成技術(shù)。

3.2 RFID與MES集成方法

RFID中間件由數(shù)據(jù)采集和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)組成，歷經(jīng)3個(gè)階段（如圖1），RFID數(shù)據(jù)采集完成RFID數(shù)據(jù)從RFID硬件設(shè)備的采集、過(guò)濾和合并；RFID數(shù)據(jù)管理完成RFID數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、維護(hù)、訪問(wèn)和聚合。最初的RFID中間件是以應(yīng)用程序編寫(xiě)來(lái)整合、串接RFID讀寫(xiě)器為目的，適用于采集點(diǎn)不多、同一規(guī)格讀寫(xiě)器的情況，但效率較低、維護(hù)費(fèi)用高；隨著企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜度增高，數(shù)據(jù)庫(kù)軟件改變或讀寫(xiě)器種類(lèi)增加，企業(yè)無(wú)法負(fù)荷為每個(gè)應(yīng)用軟件編寫(xiě)適配器，同時(shí)存在著面向?qū)ο髽?biāo)準(zhǔn)化等問(wèn)題，因此產(chǎn)生RFID架構(gòu)中間件；第3個(gè)中間件階段是各廠商針對(duì)不同行業(yè)領(lǐng)域提出具體解決方案，如SUN閉公司的Sun Java系統(tǒng)RFID軟件包括針對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)管理、資產(chǎn)追蹤、藥品鑒定等具體行業(yè)應(yīng)用的解決方案。

對(duì)于目前RFID架構(gòu)中間件集成方法，從應(yīng)用層面上理解包括邊緣層、企業(yè)層、應(yīng)用層；從物理結(jié)構(gòu)上可分為5層，分別是硬件層、采集數(shù)據(jù)層、工作流管理層、服務(wù)層、遺留系統(tǒng)層。從功能層面上核心模塊包括RFID邊緣服務(wù)器和RFID企業(yè)服務(wù)器。邊緣服務(wù)器直接與各種終端設(shè)備相連，用于控制RFID讀寫(xiě)設(shè)備按照預(yù)定的方式工作，保證不同的設(shè)備之間能很好地配合協(xié)調(diào)，還能按照一定的規(guī)則過(guò)濾數(shù)據(jù)，篩除大部分冗余數(shù)據(jù)，將真正有效的數(shù)據(jù)傳送給后臺(tái)的信息系統(tǒng)；企業(yè)服務(wù)器則集中管理所有的邊緣服務(wù)器，處理各種RFID事件和信息交換，實(shí)時(shí)工作流管理，與各種現(xiàn)有應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行很好的集成，用戶可以圍繞這些數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)流程的創(chuàng)新和新的應(yīng)用（如圖2所示）。

3.3 RFID與MES集成數(shù)據(jù)流

RFID標(biāo)簽內(nèi)置編碼是數(shù)據(jù)的載體，EPCglobal對(duì)標(biāo)簽類(lèi)別按是否可讀寫(xiě)、可讀寫(xiě)次數(shù)等特點(diǎn)分為0-5類(lèi)，例如0級(jí)標(biāo)簽編碼是由4段96位組成，分別代表信息的構(gòu)成、制造商、產(chǎn)品類(lèi)、產(chǎn)品名。這些存儲(chǔ)在RFID中的編碼由讀寫(xiě)器每秒120和400次進(jìn)行輪詢(xún)讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)RS422/RS232接口連接到現(xiàn)場(chǎng)總線。標(biāo)簽URI（統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)）數(shù)據(jù)由ALE（應(yīng)用層事件管理）去除冗余數(shù)據(jù)，被過(guò)濾的標(biāo)簽數(shù)據(jù)經(jīng)ONS（對(duì)象名解析服務(wù)）把標(biāo)簽數(shù)據(jù)中字節(jié)轉(zhuǎn)化為對(duì)象數(shù)據(jù)URL（統(tǒng)一資源定位），還有一部分?jǐn)?shù)據(jù)是代表事件提醒以及報(bào)警等信號(hào)直接送至后臺(tái)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。PML（物理實(shí)體語(yǔ)言）是一種用于描述物理對(duì)象，過(guò)程和環(huán)境的通用語(yǔ)言，其主要目的是提供通用的標(biāo)準(zhǔn)化詞匯表，來(lái)描繪和分配Auto-ID激活的實(shí)體相關(guān)信息。EPCIS（電子標(biāo)簽信息服務(wù)）是一種內(nèi)部數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，定義了基于安全Web服務(wù)的數(shù)據(jù)交換機(jī)制，以及所有電子標(biāo)簽內(nèi)部數(shù)據(jù)交換和事件信息。經(jīng)過(guò)PML/EPCIS產(chǎn)品數(shù)據(jù)就可以被送到后端的MES/ERP/WMS等企業(yè)遺留系統(tǒng)中，如果是可寫(xiě)RFID標(biāo)簽，則從后端業(yè)務(wù)系統(tǒng)就可以更新其標(biāo)簽數(shù)據(jù)（如圖3所示）。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著企業(yè)信息化發(fā)展，制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能不單單在于企業(yè)內(nèi)部，而是基于產(chǎn)品全生命周期管理的信息交互與共享。RFID技術(shù)與MES集成改善了業(yè)務(wù)流程，使制造過(guò)程中的成本和錯(cuò)誤大大減少，提高了生產(chǎn)率，經(jīng)濟(jì)效益更為突出。目前RFID標(biāo)簽的數(shù)據(jù)內(nèi)容編碼還未形成統(tǒng)一的全球化標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)域性標(biāo)準(zhǔn)已發(fā)布，這樣通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)RFID不僅僅實(shí)現(xiàn)制造執(zhí)行系統(tǒng)內(nèi)的信息交流，而且可實(shí)現(xiàn)與企業(yè)其他應(yīng)用系統(tǒng)的集成，從而使產(chǎn)品信息識(shí)別和實(shí)時(shí)信息共享成為可能。

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