制造执行系统（MES）所需的设备数据采集研究

刘 威 崔红兵 杨建勇

（东莞康源电子有限公司，广东 东莞 523932 ）

0 前言

高质量发展已成为我国经济发展的共识，随着工业4.0和两化融合的推进，越来越多的企业在生产制造过程中融入了数字化科技、信息化科技、大数据分析等方面，严密控制和监控整个的生产过程，确保生产过程的稳定和产品质量的可靠。MES（Manufacturing Execution System，制造企业生产过程执行系统）的建立顺应了这一发展的需求，但PCB工厂设备种类和数量较多，前几年引入的设备没有全面考虑到相关数据的类型、采集和传输接口，较多设备没有配置或预留通讯接口，较多仪表也不具备数据采集的条件。需要通过适当改造才可以采集到相应的数据，以配合到MES系统对数据的需求。

1 设备数据采集的实现

整合工程、品质、生产等部门的信息需求，建立数据采集需求表，需求表中的数据来源主要有设备PC端数据、PLC存储端数据、仪表传感器端数据等组成。要取出完整的数据，则需要将以上端口的数据进行采集出来并整合到一起。

下面对此三种数据采集方式进行介绍。

1.1 设备PC端数据采集

PC端的数据采集相对较为容易实现，虽然工业计算机在硬件和软件上与通用的计算机有些差别，但仍有较多是相近或相似的，通过各种针对性的软件设置可以较好解决。

1.1.1 设备PC端数据采集的主要流程及说明

设备PC端数据采集的主要流程及说明见图1。

图1 设备PC端数据采集的主要流程及说明

1.1.2 设备PC端数据采集主要问题的解决

PC端产生的各种文件较多，经检查确定需要输出的数据文件，再解析以配匹到系统的要求，主要解决以下两个方面的问题。

（1）识别需要的数据。设备PC上自动生成的日志文件繁多，通常不同类型的数据会分布在不同的文件中（如：参数类数据、状态类数据、警报类数据，先通过筛选文件的更新日期找出实时文件，再对这些文件进行解析。由于文件中的信息量比较大，靠个人每个字段识别是个比较大的工程，需要发挥团队力量，针对于不同的设备找到具体对应的工程PE和设备商一起参与，快速、有效的识别出需要的数据。

（2）文件乱码问题的解决。设备存储生产数据时，文件保存是以PC默认编码方式保存；在设备PC上打开文件也是以PC默认编码格式打开，所以不会出现乱码。当数据采集时（服务器端打开）文档以服务器端的默认编码格式打开文件，两者编码方式不一致，导致乱码。

对数据文件进行分析，使用格式转化工具先对数据文件进行相关转换，找出数据文件的编码方式有Big5、GB2312等，然后采集程序中增加对应码的转换程序，这样每次数据采集指令执行都会执行自动转码。采集的数据可以正常显示和识别。

1.2 设备PLC端数据采集

1.2.1 设备PLC端数据采集主要流程及说明

设备PLC端数据采集主要流程及说明见图2。

图2 设备PLC端数据采集主要流程及说明

1.2.2 设备PLC联网通讯问题的解决

虽然不同设备的PLC端数据采集流程相同，但是不同品牌的PLC的通讯端口类型是不一样的，在通讯模块的配置方面也需要与之对应，PLC端数据采集工作的重点是解决不同品牌、不同系列的PLC如何联网和通讯等问题。

（1）解决各设备PLC的IP地址不统一问题。

PLC是连接触摸屏、工控机等上位机的核心执行机构。对于PLC与PLC的连接、PLC与触摸屏的连接、PLC与工控机的连接都需要指定的IP地址（同一网段），不同厂家的设备PLC中的IP地址不同、通讯接口也不尽相同，实现各个设备PLC集中联网难度大。

为了使得各个厂家的PLC IP地址统一化，以不影响其和触摸屏、工控机之间的通讯，我们根据不同类型PLC的不同接口分别配置了对应的通讯模块。现已将各设备的PLC IP统一设置在一个网段，从而实现了不同品牌、不同系列的PLC集中联网。

（2）PLC与服务器无法通讯问题的解决。

各设备PLC与服务器没有网络连接，无法进行通讯，数据不能被采集。采用WIFI串口服务器替代传统网线的方式，建立PLC与服务器之间的网络连接；通过对WIFI串口服务器的串口指令设置，将PLC通讯模块转换出来的WIFI（STA）信号，接入到WIFI（AP）信号上，实现PLC的联网和通讯（如图3）。

图3 PLC的联网和通讯

1.3 仪表传感器端数据采集

1.3.1 仪表传感器端数据采集主要流程

各种仪表或传感器RS485端口连接到串口服务器，再通过串口服务器连接到WIFI发射模块，对WIFI发射模块进行设置，最终把485信号以WIFI的方式进行直接发送至服务器（如图4）。

图4 仪表&传感器端数据采集主要流程

1.3.2 仪表传感器端数据采集问题的解决

仪表端数据采集工作的重点是将刻度式、不带通讯端口式的仪表，分别使用直接更换、替代、等效的方法进行改造，使其数据可被采集。

（1）指针式压力表数据采集问题的解决。

设备上有些关键部位（如：药水缸）使用的压力表为指针式，不具备数据采集的条件。采用直接更换法，将指针式压力表更换为带RS485通讯接口的数显压力表，压力表的替换相对比较简单（管道口径统一，表头自带螺纹）。抽产线待料空闲时间直接将表头进行更换，整个施工过程对产线生产进度基本没有影响。

（2）刻度式流量计数据采集问题的解决。

目前车间设备上所配置的流量计大多是刻度式，同样不具备数据采集的条件，需要采集流量数据的位置也比较多。若采用直接更换法施周期长（需要改造管道）对生产计划进度影响较大，通过与供应商共同评估、确认，对于刻度式流量计的改造采用替代法——超声波探测技术。

超声波探测管道流量原理是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波仔流体中的顺向流和逆向流传播时间差来间接测量流体的流速（如图5）。进而根据计算公式可得出流量（Q）见图5中公式。

图5 超声波管道流量探测

（3）不带通讯端口输出的数显整流机数据采集问题的解决。

水平除胶沉铜线的化铜缸整流机，电压/电流的显示方式虽然采用数字显示，但经过现场核对和查询相关资料确认为不带通讯接口，数显界面只能供查看，不支持数据采集。

经过现场排查和确认，仅仅更换整流机的显示界面是行不通的，需要连同主机一起更换。若采用直接更换的方法，不仅需要停线进行施工，还涉及到较多的参数设置（PLC的控制参数、通讯参数等），存在较大的风险。通过讨论和评估，在整流机的负载端增加带通讯的仪表，找到整流机的负载端了解电压/电流的量程&交/直流类型，利用互感原理进行电压/电流的转换与输出，实现整流机电压/电流参数的采集（如图6）。

图6 整流机电压/电流参数的采集

2 数据采集系统架构组成

数据采集系统是一套实时采集现场设备制造过程信息。并以报表化和图表化展示的平台。是消除“信息孤岛”实现企业生产过程数字化、智能化的有效工具。采用网络系统进行生产设备的联网，并构建一个车间生产现场综合数据交换平台，可以实现生产、管理所需的数据，及设备资源信息的共享，为MES系统提供了强大的数据平台（如图7）。

3 结论

对各种设备、仪表仪器的实际情况进行分析，根据需求进行相应的硬件和软件的配置、调整，基本都可以使用采集MES系统到所需的数据。

（1）通过找出设备PC端数据文件保存时的编码方式，在数据采集程序中通过增加码制转换的方式解决数据采集中出现乱码的问题。

（2）通过在PLC上增加通讯模块的方式，在不占用原PLC上接口（串口或以太网口）的情况下，将PLC的集中联网和数据采集。

（3）通过对原设备上仪表/仪器的改造，使需要监控的参数可以被采集。

通过对工厂原有的设备进行相应的改造，可以实现设备数据的采集，使得MES系统也能覆盖到原有的设备，从而实现了整个生产运行中所有信息的采集。

图7 数据采集系统架构