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隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)應(yīng)用的越來越廣泛。數(shù)據(jù)采集作為MES系統(tǒng)的支撐，是構(gòu)建MES的基石。綜述了MES系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)，論述了工業(yè)現(xiàn)場和數(shù)控設(shè)備常用的數(shù)據(jù)采集的方法，簡述了各種方法的優(yōu)缺點，并分析了當(dāng)前數(shù)據(jù)采集存在的問題，最后對數(shù)據(jù)采集技術(shù)的未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
1 引言
近些年來，在工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等熱潮下，全球眾多優(yōu)秀的制造企業(yè)大部分都開始進(jìn)行智能工廠建設(shè)實踐，積極推進(jìn)智能制造技術(shù)，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級和發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變。制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)是位于上層的計劃管理系統(tǒng)與底層的過程控制系統(tǒng)之間的面向車間的管理信息系統(tǒng)，如圖1所示，能通過信息傳遞對從訂單下達(dá)到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化管理。MES在整個管理系統(tǒng)中承擔(dān)著聯(lián)接計劃層與控制層的橋梁作用，向下不僅要具有車間設(shè)備數(shù)據(jù)采集功能，監(jiān)控設(shè)備，而且還具有數(shù)據(jù)的篩選、評估、分析、傳遞功能。
工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集技術(shù)所采集的數(shù)據(jù)，為MES提供及時、詳細(xì)的現(xiàn)場信息，為生產(chǎn)決策、調(diào)度、設(shè)備監(jiān)控提供可靠的依據(jù)。因此，數(shù)據(jù)采集在智能工廠建設(shè)，特別是MES的實施過程中，具有舉足輕重的作用，是實現(xiàn)MES的關(guān)鍵。以下主要從數(shù)據(jù)的內(nèi)容和來源、工業(yè)現(xiàn)場和數(shù)控設(shè)備數(shù)據(jù)的采集方式以及目前數(shù)據(jù)采集存在的問題存在問題以及發(fā)展趨勢等方面進(jìn)行論述。
2數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容分類
MES需要采集的數(shù)據(jù)包括工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)和數(shù)控設(shè)備的數(shù)據(jù)。
工業(yè)現(xiàn)場需要的的數(shù)據(jù)主要包括：人員數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、工票數(shù)據(jù)(如包括工票號、產(chǎn)品編號、工人序號、設(shè)備序號、開票日期、開始日期、定額工時、檢查結(jié)果等)、工位檢測與生產(chǎn)異常數(shù)據(jù)等。
數(shù)控設(shè)備的數(shù)據(jù)主要來源于機(jī)床的電器電路和數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部。主要包括機(jī)床的開關(guān)量信息(即運(yùn)行參數(shù)信息，如主軸的起停、刀具的更換、冷卻液開停、液壓、潤滑系統(tǒng)的電路信息等)、機(jī)床的模擬量信息(運(yùn)行狀態(tài)信息，如溫度、壓力、主軸電流、主軸電壓、主軸轉(zhuǎn)速、點擊轉(zhuǎn)矩、主軸功率)、機(jī)床報警信息、加工相關(guān)的信息(如當(dāng)前加工的程序號、刀具號、坐標(biāo)信息等)。
3 工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集方式
工業(yè)現(xiàn)場常用的數(shù)據(jù)采集方式有：手工采集、半自動采集、自動采集等方式。
(1)自動采集方式包括：配置文件、應(yīng)用程序接口、OPC、RFID、傳感器等。
(2)半自動采集方式包括：條碼掃描、刷卡、手持終端設(shè)備等。
(3)手工采集：比如電子表格導(dǎo)人和數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)、紙質(zhì)文件記錄、數(shù)控面板錄入、觸摸屏或者鍵盤錄入等等，供無法自動及半自動采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工采集使用。生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集主要應(yīng)用如表1所示。
| 采集方式 | 典型研究與應(yīng)用 | 主要應(yīng)用 | 數(shù)據(jù)類型 | 傳輸效率 |
| 手工方式 | 不能自動獲取的數(shù)據(jù)，手工操作便得場所。 | 數(shù)字量 | 低，實時性差 | |
| 條碼方式 | 利用條碼實現(xiàn)了在制品管理和追蹤。 | 掃碼讀取 | 數(shù)字量 | 高 |
| RFID方式 | 利用RFID技術(shù)與MES集成改善了業(yè)務(wù)流程。 | 非接觸自動識別 | 數(shù)字量 | 高 |
| 傳感器 | 設(shè)計了基于ZigRee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。 | 溫度、壓力、速度、位移等物理參數(shù) | 模擬量 | 高 |
| PLC | 以PLC為主控制器、生產(chǎn)線服務(wù)器參與協(xié)同控制的解決方案 | 采集生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù) | 數(shù)字量 | 高 |
| 儀器儀表(DSP、采集模塊、采集板卡、測量儀器)。 | 以MSP430F5438單片機(jī)為核心，設(shè)計了一種基于光電耦合器隔離的無線數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。 | 自動采集：采集設(shè)備、質(zhì)量數(shù)據(jù)等。 | 模擬量/數(shù)字量 | 高 |
| 應(yīng)用程序接口 | 提出一種現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集接口設(shè)計思路，適用于各種節(jié)拍的數(shù)據(jù)采集。 | 采集其他信息系統(tǒng)數(shù)據(jù) | 數(shù)字量 | 高 |
4數(shù)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集技術(shù)
設(shè)備是生產(chǎn)制造的核心資源，所以采集設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，是數(shù)采技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的一個重要組成點。
由于不同廠家的系統(tǒng)和接口不同，采集機(jī)床的工作狀態(tài)時，根據(jù)數(shù)控機(jī)床的接口情況，常用的采集方法有以下幾種。
(1)PLC信號點法。
PLC信號點法，也叫外接硬件法，主要有基于labview和數(shù)據(jù)采集卡的方法、外接PLC法、外接單片機(jī)或DSP法、基于ARM及嵌入式系統(tǒng)的方法。
當(dāng)機(jī)床無通訊接口或者設(shè)備不提供信息對外輸出端口時，可用外接數(shù)據(jù)采集裝置來實現(xiàn)機(jī)床狀態(tài)的采集。采用數(shù)據(jù)采集裝置從PLC直接采集機(jī)床I／0信號點，從而讀取機(jī)床的加工日志文件，采集各種所需的機(jī)床數(shù)據(jù)，這些信息經(jīng)過解釋分析，最后傳給 其它信息化服務(wù)器。
該方法不受數(shù)控系統(tǒng)類型的限制，但是采集的信號少，不能訪問數(shù)控系統(tǒng)相關(guān)信息，而且需要對機(jī)床的控制原理十分清楚，需要額外布線，增加了工作量，因此實施難度非常大。
(2)宏程序法。
對于FANUC、HAAS、三菱系統(tǒng)，通過機(jī)床串口在數(shù)控機(jī)床執(zhí)行的NC代碼中嵌入相關(guān)的宏程序，當(dāng)機(jī)床運(yùn)行被嵌入宏指令的NC代碼時，數(shù)控設(shè)備會根據(jù)宏程序的指令向服務(wù)器發(fā)送機(jī)床的狀態(tài)數(shù)據(jù)，當(dāng)服務(wù)器監(jiān)聽到系統(tǒng)發(fā)送的狀態(tài)數(shù)據(jù)時，便對該數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理、保存。
該方法使用純軟件的方式，不需要進(jìn)行硬件改造，只需要根據(jù)NC代碼中宏程序的不同，實現(xiàn)對數(shù)控設(shè)備的不同信息的提取，因此該方法比較容易實現(xiàn)。但是它需要數(shù)控系統(tǒng)支持用戶宏程序采集，所以它的采集靈活性有限，需要宏程序和DNC系統(tǒng)同時完成，且采集的狀態(tài)信息類型有限，信息采集的實時性較差。
(3)基于DNC接口：
一些大型的數(shù)控廠商針對數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)有專門的DNC接口，可利用該接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用外部計算機(jī)進(jìn)行設(shè)備監(jiān)控，利用基于TCP／IP協(xié)議的以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。
基于DNC接口的采集方法優(yōu)點是開發(fā)起來簡單容易，只需要按照預(yù)先定義的格式調(diào)用函數(shù)就可以，可以獲取的信息量大，幾乎可以采集到所有類型的數(shù)據(jù)。但是各數(shù)控廠商對DNC接口的訪問都設(shè)置了技術(shù)障礙，必須利用自己的系統(tǒng)軟件才能采集，采集軟件只對購買接口軟件的廠家開發(fā)，價格比較高，而且使用范圍比較窄，只針對特定品牌。
(4)基于網(wǎng)絡(luò)接口及OPC規(guī)范。
OPC(OLE for Process Control，用于過程控制的OLE)是一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，基于微軟的OLE(現(xiàn)在的Active X)、COM(部件對象模型)和DCOM(分布式部件對象模型)技術(shù)。它獨(dú)立于平臺，并確保來自多個廠商的設(shè)備之間信息的無縫傳輸。目前通用的標(biāo)準(zhǔn)主要有：數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)(Data Access)、數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)(OPC Data Exchange) 、事件和報警標(biāo)準(zhǔn)(Alarm&Event)、歷史數(shù)據(jù)訪問標(biāo)準(zhǔn)(Historical Data Access)、安全性標(biāo)準(zhǔn)(Security)、過程數(shù)據(jù)的XML標(biāo)準(zhǔn)(0PCxML—DA)。
基于網(wǎng)絡(luò)接口及OPC規(guī)范的數(shù)據(jù)采集方法適用于數(shù)控系統(tǒng)支持網(wǎng)口、支持OPC規(guī)范并提供OPC服務(wù)器的高檔數(shù)控機(jī)床。由于OPC基于統(tǒng)一的接口、方法、數(shù)據(jù)格式，因此降低了設(shè)備間的數(shù)據(jù)不兼容度和集成開發(fā)成本。但是由于OPC基于COM／DCOM，依賴于Windows平臺，且常與防火墻沖突，并且只能依賴于設(shè)備供應(yīng)商提供的Server，難以定制化，因此靈活性受限，并且OPC很難為實時數(shù)據(jù)庫提供緩存。
(5)基于軟件二次開發(fā)的方法。
高端的數(shù)控系統(tǒng)或者品牌機(jī)床都會提供開發(fā)包，開發(fā)人員可以在開發(fā)包的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。對于FANUC 0i系列、0iC、OiD、18i、3li等具備具備以太網(wǎng)功能的硬件系統(tǒng)，可以使用FOCAS開發(fā)包進(jìn)行開發(fā)，基于FOCAS應(yīng)用程序接口(API)與數(shù)控機(jī)床加工參數(shù)管理系統(tǒng)的通信，通過對信號提取，獲取加工狀態(tài)。對于數(shù)控系統(tǒng)(如SIEMENS 840D，配置PCU50及以上)，可利用其OEM軟件的HMI Program Package開發(fā)包對數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，OEM軟件是一種基于OPC和COM接口實現(xiàn)PLC／NC通訊的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。
對于數(shù)控系統(tǒng)可基于SDK軟件開發(fā)包封裝協(xié)議與數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，在windows開發(fā)環(huán)境中，SDK軟件開發(fā)包提供2個軟件組件：COM組件和Active X控件，用TCP／IP協(xié)議通信。三菱系統(tǒng)的MX組件支持PLC與計算機(jī)的所有通訊路徑，通過簡單設(shè)置就能進(jìn)行通信，因此系統(tǒng)的開發(fā)效率大幅提高，MX組件的各個DLL包含不同的ACT控件，通過調(diào)用ACT控件中的函數(shù)來訪問PLC。
基于軟件二次開發(fā)的方法，采集的數(shù)據(jù)比較全面，只需要過調(diào)用應(yīng)用程序接口(API)與數(shù)控機(jī)床加工參數(shù)管理系統(tǒng)的通信，通過對信號的提取，能夠獲取機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)對機(jī)床實時運(yùn)行狀態(tài)的采集，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。但是該方法只針對特定品牌的產(chǎn)品，采用相應(yīng)的開發(fā)包，使用范圍有限。通過以上分析，可以得到如表2所示的結(jié)論。
| 采集方式 | 典型研究與應(yīng)用 | 優(yōu)點 | 缺點 |
| PLC信號點法 | 基于labview進(jìn)行采集。 利用DSP芯片進(jìn)行采集。 利用AT89S51單片機(jī)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集。 | 不受數(shù)控系統(tǒng)種類限制，可對老舊設(shè)備進(jìn)行采集。 | 采集信號少，接線復(fù)雜。 |
| 宏程序 | 利用宏程序?qū)崿F(xiàn)了機(jī)床信息采集。 | 純軟件方法，不用進(jìn)行硬件改造。 | 只針對能用宏程序的機(jī)床，采集數(shù)據(jù)有限。 |
| 基于DNC接口的商業(yè)軟件采集方法 | 采用SinCom軟件實現(xiàn)了是數(shù)控系統(tǒng)組網(wǎng)。 | 采集信息全面，實施簡單。 | 價格昂貴，受限于服務(wù)商。 |
| 基于網(wǎng)絡(luò)接口及OPC規(guī)范 | 基于OPC規(guī)范，機(jī)床實現(xiàn)了實時采集。 | 采集信息全面，解決了不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)不兼容問題，降低了開發(fā)成本。 | 部分機(jī)床無網(wǎng)口，依賴于設(shè)備供應(yīng)商提供的Server，難以定制化，難為實時數(shù)據(jù)庫提供緩存。 |
| 基于軟件干凈開發(fā)的方法 | 利用二次開發(fā)包實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)采集。 | 采集信息全面，只需要過調(diào)用其相關(guān)的功能函數(shù)就可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 | 只針對特定品牌的設(shè)備。 |
5 目前數(shù)據(jù)采集遇到的問題
(1)各企業(yè)數(shù)控設(shè)備存在多源、異構(gòu)的問題，信息化系統(tǒng)無法有效集成。
(2)不同的數(shù)控設(shè)備之間接口多樣、通訊協(xié)議和通訊方式各有差異。具體來說：不同開發(fā)商之間驅(qū)動程序不一致。不支持硬件特征的變化；訪問沖突，兩個軟件包不能同時訪問一個設(shè)備，不同客戶端采用的通信協(xié)議和驅(qū)動程序。
(3)部分高端數(shù)控系統(tǒng)不對外開放，技術(shù)封鎖嚴(yán)重。
(4)數(shù)據(jù)采集的信息不及時，采集的信息具有滯后性。
6發(fā)展趨勢
(1)工業(yè)以太網(wǎng)。
基于工業(yè)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使DNC通信網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)的信息網(wǎng)統(tǒng)一起來，達(dá)到企業(yè)信息傳輸?shù)耐ㄍ感?、一致性和完整性，實現(xiàn)遠(yuǎn)程信息的傳輸，適應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)制造的需要。由于工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為現(xiàn)場通信發(fā)展的趨勢，易于在企業(yè)中推廣和應(yīng)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。
(2)統(tǒng)一協(xié)議的發(fā)展平臺。
目前數(shù)控設(shè)備之間存在多源、異構(gòu)的問題，極大限制了車間設(shè)備數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的發(fā)展。2006年，OPC基金會為解決不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換問題，提出了OPC統(tǒng)一構(gòu)架，使其具有平臺無關(guān)性、面向?qū)ο髠鬏敗⒅С志W(wǎng)絡(luò)訪問等功能。隨著自動化設(shè)備集成通信標(biāo)準(zhǔn)的不斷發(fā)展，解決所有異構(gòu)設(shè)備通信的問題的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議仍是未來的發(fā)展趨勢。
(3)移動式應(yīng)用平臺、大數(shù)據(jù)、云服務(wù)平臺的應(yīng)用。
手機(jī)APP在信息上報和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，將更多的應(yīng)用到生產(chǎn)現(xiàn)場管理當(dāng)中，同時，設(shè)備自身智能化的逐步提高，設(shè)備運(yùn)行信息發(fā)布遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，未來將有更多的移動式設(shè)備應(yīng)用到云服務(wù)平臺中去，以實現(xiàn)其遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程終端、遠(yuǎn)程維護(hù)、可視化應(yīng)用，提高制造設(shè)備核心價值和競爭力。
(4)人工智能技術(shù)的應(yīng)用。
在工業(yè)過程和控制中開發(fā)人工智能的應(yīng)用。例如數(shù)據(jù)預(yù)測、故障預(yù)警、數(shù)據(jù)分析中，通過檢測過程參數(shù)，計算趨向，分析狀態(tài)，提前檢測出要發(fā)生的問題。比較常用的算法有專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊模式識別、遺傳算法故障樹診斷方法等。
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