MES与生产数据集成

MES与生产数据集成(2007年)MES最大的价值就是数据(Data)和信息(Information)的转换。如果把MES比喻为人，那么生产数据集成就相当于人的血液系统。好的生产数据集成是MES得以成功的重要基础。MES建设中应该充分考虑利用计算机、数据网络与通信设备、各种技术标准和实时历史数据库软件的有机组合来实现生产数据集成。MES生产数据集成有如下特点：海量的数据集成。这类数据集成无论是采集范围还是数据规模都是海量的。实时的数据集成。这类数据集成面向实时计算，实时分析，实时应用。而且数据是有时效性的，延时的记录和存储将会导致应用的错误甚至失败。复杂的数据源。这类数据集成往往要考虑到复杂的数据源类型，异构的网络接口等因素。面向多种应用的数据集成。集成目标往往要面对ERP，MES甚至控制系统的应用生产数据集成是利用按照标签点的形式通过定时地收集、存储生产过程带有有时标数据、离线手工数据、或者其他外部应用数据(如消息，报警，生产事件)，并针对这些数据和数据库平台提供实时管理和应用能力。集成过程应该考虑实时分布采集、经济存储、方便管理、可扩展的协同应用。生产数据集成可以参照相关国内外技术标准、行业标准、事实的产品标准。生产数据集成的系统结构设计、系统配置、软件编制应满足企业对生产可靠运行的要求。生产数据集成必须能够保证生产过程数据采集过程的实时性、数据的完整性。从系统安全而言，生产数据集成要充分考虑保证系统及其数据的安全、采用适当的加密防护措施、数据备份措施，提供严格的用户认证、权限管理和审计手段、数据的时效性。从开放性和可扩展性考虑，生产数据集成应采用应开放式体系结构和分布式系统设计，以满足未来MES应用和企业信息综合应用的要求。总的说来，生产数据集成包括分布采集、经济存储、灵活管理、可扩展的协同应用等四个组成部分：数据接口与数据采集(DataAcquisitionandCollection)数据归档与存储(DataArchivesandStorage)数据组态与数据库管理(DataConfigurationandAdministration)数据应用(DataApplicationIntegration)MES的实时数据集成是一个非常重要而且复杂的话题。目前很多MES厂家都推出各自的实时数据库平台。现有很多优秀的分布式生产数据集成平台，可支持现场百万点级现场的采集规模。这些平台通过其标准的0PC采集可以连接各种主流DCS系统和PLC，其采集速率可以达到毫秒级。他们还可以直接支持文件数据导入，XML文件，用户自定义SDK开发工具等，并内置SCADA采集器，同时支持的功能还包括原始数据的各种计算，存储，分布式数据库服务器间数据采集同步等强大功能。以光纤骨干网络为基础，采用控制系统层和管理系统层分开的双层网络结构，控制系统层连接各班组各生产线的控制网络，管理系统层则连接企业骨干网。生产现场的实时数据通过控制系统层通讯传送到实时生产数据库，并根据需要保存为历史数据。实时历史生产数据库则通过管理系统层通讯向骨干网发布信息。异地用户通过挂在骨干网上的客户机实现远程监控、远程维护MES生产数据采集对象包括：带有时标(Time-Stamp)的生产过程数据带有时标的报警、消息、生产事件信息手工实验数据（如果各种理化检测指标）计量数据（如称重数据）批次信息（如批次号码，批次执行状态等）连续数据采集现实应用中有很多种对过程数据的称呼方式：数据标签tag，工位号，I/O点，变量，数据块，数据点。他们的差别在于：I/O点-来自于过程控制系统的，在现场有对应输入输出地址的实际I/O标签点：在组态软件中或者实时数据库中用来标记数据对象的表示。其数目可能包括现场的I/O数目加上内存变量。MES的数据完整性要求采集的数据属性包括如下方面：数据标签名称：标签的名字属性。一般直接继承过程控制系统的名称定义。现场控制系统多的话可能会有标签点重名。在标签点重名的情况下，在数据库数据采集时候最好的命名方式是根据控制系统的位置或者被控对象的特征在原重名的标签点名称加前缀或者后缀。数据标签描述：针对该数据标签的用户自定义描述或者系统描述。工程单元：该数据标签点的工程单元描述。注释：该数据标签点的用户定义注释。数据类型：所采集数据的类型（如二进制数、单精度浮点数、双精度浮点数、单整形数、双整形数、定长字符串、不定长字符串、BLOB二进制对象、时间、未定义数据类型等）。数据地址：该标签点的数据来源地址（如OPC地址、组态软件的地址）。采集周期：两次读取标签的间隔。MES要求针对现场设备运行状态，产量计数，工艺参数等来自控制系统过程数据以及开发接口实现对手工输入数据、手持设备或者其它信息系统的数据采集。在这个过程中控制系统接口是非常重要的一部分。有时现场具备控制系统的接口条件，有些时候要通过控制网络转换与扩展，硬件扩展、升级上位监控计算机甚至新建立接口站等方式完成控制系统数据采集；软件上应支持通过OPC服务器或者XML方式采集控制系统的数据源。离散数据采集典型离散型工业拥有大量的机床和数控设备，随着工厂数控设备的大量增加及日益紧迫的生产压力，客户面临着以下问题现场中的数控设备种类很多，协议与接口类型种类差别很大。通讯接口之间兼容性很差，维护管理不方便。有些数控设备没有网络接口，只提供软驱或者串行口，频繁的热插拔经常烧坏机床和电脑接口。生产管理部门不能及时、准确地得到工件生产数量。不能自动获得机床开工状况和主轴运转情况，不能准确分析机床利用率低等瓶颈问题。无法准确、科学地制定生产计划，无法实现生产管理协同。以上问题导致车间管理混乱，数控机床利用率低。零件废品增多，产品加工成本居咼不下。目前通用的方法是利用DNC方法来集成现场离散的机台设备。DNC分布式数字控制(DistributedNumberControl)，是以计算机技术、通讯技术、数控技术等为基础，把数控机床与上层计算机集成起来，从而实现数控机床的集中控制管理，以及数控机床与上层计算机间的信息交换。它是现代化机械加工车间实现车间自动化的重要模式，是奠定MES系统数据集成的组成部分。几种典型的离散数据集成的方法DNC网卡方式：可采集到机床各类实时信息，操作信息、设备运行状态、故障报告、数控设备的开机时间、主轴运转时间、设备运行参数（XYZ坐标等）、机床使用效率、零件加工工时等所需要的各类机床信息。宏指令的方式：可实当前程序名（零件名称）、加工开始时间、加工结束时间、主轴转速、进给速度、当前刀具号等机床实时信息。PLC通信方式：利用PLC通过RS232/485与机床通信，可以用从PLC直接读取机床加工日志文件的形式，采集各种所需的机床数据，可以获得机床工作记录，包括程序名称、加工时间、进给、转速、刀具信息等各种需要的机床参数。然后再通过PLC的以太网络接口转换信息给数据库。这里PLC相当于一个网关，或者实现协议转换的工作。PLC采集方式：利用PLC直接采集机床的I/O点，然后将信息传递给数据库。这种方法信息集成的内容非常有限。手工方式：操作员或编程员在控制面板上，输入特定的触发程序，经DNC服务器的自动翻译，就可得到机床端的任意信息，从而实现机床的监控。触发程序可根据用户的需要，不受数量限制地进行自定义。手持终端方式：利用专用的手持终端，根据机床运行以及生产的状态利用该终端输入信息，并通过以太网络传递给数据库，该种方式可以用在没有数控系统的老旧的设备上。条码扫描方式：将常用的信息（操作员，产品种类，加工数量，设备起停等）打印在信息卡上，现场的操作工需要输入信息时候，利用条码扫描器直接读取就可了。这种方式减少了操作工人信息输入的工作量。但是信息内容有限制。MES中需要集成有机床的信息的内容包括：机床运行，停工，装夹、拆卸等生产零件数量、加工时间，种类生产数据存储MES生产过程数据存储利用实时历史数据库或者关系型数据库对过程数据和中间数据归档。包括数据文创建、复制、删除、备份的功能。在MES生产过程数据存储部署过程中需要考虑面向过程数据经济存储或者优化存储的手段，数据压缩方法以及用户可对压缩能力选择的途径。面向更为复杂的应用还要考虑到计算引擎或者计算接口，实现二次计算-存储能力。计算引擎以及接口支持统计至少能够满足最大值、最小值、平均值、累计值以及通用统计分析的计算功能。从存储的角度而言既可直接存储过程数据又可存储过程数据中间计算结果。MES生产过程数据存储过程数据应该可以包含如下内容：标签点名称、标签点时间标签、标签点描述、数据源地址、数据点工程单元、数据类型、扫描周期、量程范围、数据时间标志、数据值、数据状态（含数据质量或者其它数据点状态信息）等。除了以上所述，MES生产过程数据存储还要考虑系统扩容和已有历史数据的移植。生产数据管理系统管理员对整个实时历史数据管理和组态包括如下几个方面的内容:用户权限管理：实时历史数据库平台支持基于角色的用户权限管理，可以对每个用户指定具体的操作权限，确保其只能进行权限范围内的操作。数据组态：单独或者批量组态数据点：创建、更新、删除、查询数据点以及相关属性。离线和在线两种方式进行数据库组态和配置，所谓在线方式是指系统运行过程中修改数据库配置避免数据库停机时间（Downtime）和重装（Reload）的修改。运行管理：设置系统参数和系统运行监视。（系统参数如：采集规模、归档文件、压缩策略、采集接口、负载、并发用户、系统报警和系统消息等）。备份与恢复：通过手工方式或者自动方式备份数据库系统配置信息和历史归档数据，并可从备份文件恢复数据。审计功能：记录和追踪数据库配置信息与数据修改。日志功能：记录数据库系统运行中的操作信息、警告信息、错误信息等。远程维护：支持Web方式远程维护。在某些强制性规范约束的行业，MES的生产数据的管理还需要进一步满足行业规范的要求。例如在医药行业的GMP/FDA21CFRPart11,要求生产数据的配置的变更、采集手段的变化、实时数据的手工等调整都要经过严格的许可，并且这种变化是被完整记录并且可以追踪的到的MES的数据应用大致包含以下几个方面：管理数据回取或访问时的权限管理，如根据权限运行服务器、配置标签点、读写数据。提供数据回取时的统计计算能力：计算最大最小值、计算指定时间范围均值、计算累计、计算记录个数或者次数、最大最小值发生时间等。提供采样数据回取能力：指定间隔时间的采样数据回取、指定采样数目的数据回取。为MES的扩展应用提供二次开发工具，以API或者SDK的方式提供函数调用接口，支持的函数应包括：面向服务器管理和状态信息的查询、面向数据点管理和状态信息的查询、面向接口站和数据采集的管理和状态信息的查询、面向数据的查询、更改、统计计算。提供ODBC或OLEDB接口，支持SQLSELECT子集，以SQL语句实现面向服务器信息的查询、面向数据点属性的查询、面向接口站和数据采集信息的查询、面向数据信息的查询(计算方式或者采样方式)。提供具备图形化的应用开发界面，实现生产流程图动态再现、关键性能指标参数(KPI:KeyPerformaneeIndex)动态计算、趋势显示与分析工具。支持Web访问解决方案：生产流程图动态再现、KPI动态再现、趋势显示与分析工具。提供以报表开发手段：专门报表开发工具、Excel加载宏或者其它形式的报表功能。数据采集负载平衡MES建设过程中需要集成和管理大量的现场数据，为了平衡控制系统的数据通讯负载，需要考虑在数据采集端支持针对过程数据特性针对每个标签点采集频率、采集相位进行独立或者批量定义。在数据采集端可以支持多种数据类型的采集包括数字量、模拟量、字符串或者自定义等等。数据采集缓存考虑到网络中断或者数据存储部分因为某些原因无法及时响应数据采集端数据发送请求，数据采集端要求支持数据缓存功能，能够在将过程数据暂存于本地，网络恢复正常或者数据存储端响应后将数据送入数据库。数据缓存区的大小可按需配置。支持同类数据库系统的数据复制功能。MES数据平台的设计与实施在MES系统需求分析过程中，在切实了解目标客户的生产系统情况、信息化应用情况，针对数据集成部分应该做如下考虑。考虑到数据集成成本和时间代价，评估现有控制系统是否符合开放性标准（如提供OPCServer或者ODBC等工具），如果不支持这些开放性标准，则与控制系统提供商协商给出合适的系统数据接口