引自：《制造執(zhí)行系統(tǒng)技術(shù)及應用》（作者：饒運清）

以離散制造為例，MES生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的主要目的是通過實時采集生產(chǎn)車間各個工序和機臺的實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)及狀態(tài)，對產(chǎn)品生產(chǎn)過程的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和機臺狀態(tài)進行監(jiān)控，圖形化分析和匯總生產(chǎn)計劃達成情況，以及統(tǒng)計分析機臺的開工效率，通過進行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時分析處理，以反映車間生產(chǎn)的實時狀態(tài)，從而提高企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可控性，改善和優(yōu)化企業(yè)的生產(chǎn)過程及生產(chǎn)管理，進而實現(xiàn)對車間生產(chǎn)系統(tǒng)的生產(chǎn)進行優(yōu)化控制。

「1. MES生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)」

MES生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)通過對車間生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集、處理及分析，實時監(jiān)測和檢查生產(chǎn)進度達成情況，發(fā)現(xiàn)和及時糾正生產(chǎn)進度出現(xiàn)的偏差，達到對生產(chǎn)進行有效控制的目的。車間生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)由底層數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析處理子系統(tǒng)組成。

MES生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的基本功能包括：

（1）數(shù)據(jù)采集功能：提供常見信號的輸入接口，能夠?qū)ιa(chǎn)過程數(shù)據(jù)及機臺狀態(tài)進行實時采集，并進行初步處理。

（2）現(xiàn)場交互功能：生產(chǎn)機臺現(xiàn)場應具有人機交互功能，以便操作人員進行機臺故障報告，接收并選擇生產(chǎn)任務。

（3）圖形化監(jiān)測功能：采用圖形化界面，提供給車間管理人員直觀方便的監(jiān)測手段。

（4）現(xiàn)場組網(wǎng)功能：現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器應具備組網(wǎng)接口，通過其組網(wǎng)功能，可將車間的所有設(shè)備組成一個網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)。通過適配卡連接的上位機 PC 對處于網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進行集中監(jiān)控和管理。

MES生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)架構(gòu)在結(jié)構(gòu)上分為3層：底層數(shù)據(jù)采集層、現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)層、車間生產(chǎn)管理層。數(shù)據(jù)采集層主要通過安裝在設(shè)備上的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器實現(xiàn)對設(shè)備的自動化監(jiān)測，屬于整個系統(tǒng)的最底層。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器節(jié)點對各種輸入信號進行處理，根據(jù)程序的設(shè)定，對各種輸出執(zhí)行機構(gòu)進行控制，以此完成該節(jié)點的監(jiān)控任務。現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)層負責系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)設(shè)備節(jié)點間以及上位機和下位機節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信。車間生產(chǎn)管理層通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)與企業(yè) ERP 相連，以實現(xiàn)與 ERP 系統(tǒng)的無縫連接。同時，車間管理層負責對設(shè)備運行狀況進行實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理，并可根據(jù)生產(chǎn)需求，生成各種生產(chǎn)報表。生產(chǎn)現(xiàn)場電子看板可采用多屏顯示卡或以太網(wǎng)擴展。

圖1 MES生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

「2. MES生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)」

1）車間生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)類型

MES監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是將企業(yè)計劃層和車間執(zhí)行層以及設(shè)備層有機地聯(lián)系在一起的通信網(wǎng)絡(luò)，并通過該網(wǎng)絡(luò)實時采集生產(chǎn)現(xiàn)場的各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)。為保障車間生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)部、車間生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)與企業(yè)管理層之間具有良好的通信，其MES通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應具有滿足系統(tǒng)要求的帶寬，并能實現(xiàn)雙向通信，每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都能獲得其需要的信息，同時也能將節(jié)點采集的生產(chǎn)信息發(fā)布出去。

MES生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應具備滿足以下功能要求：

（1）雙向性。應支持節(jié)點間的雙向通信，即每一個節(jié)點在工作需要時都可以接受和發(fā)送信息

（2）多節(jié)點。應能掛載一定數(shù)量的節(jié)點，車間的特點就是機臺多、人員流動大及物料轉(zhuǎn)移頻繁等，這些都要求現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)能夠掛載足夠的節(jié)點。

（3）優(yōu)先級。在現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)中流通著不同類別的信息，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應該具有裁定各信息的優(yōu)先級的功能，保證重要的信息優(yōu)先處理。

（4）可靠性和實時性。由于信息的錯誤或者延時較大都有可能帶來不必要的損失，因此應保證網(wǎng)絡(luò)安全可靠、及時快速；并且一旦某一節(jié)點發(fā)生故障，網(wǎng)絡(luò)還能正常工作。

（5）可維護性。根據(jù)企業(yè)需要，車間的機臺或生產(chǎn)的產(chǎn)品隨時有可能增加或減少，因此當減少一個節(jié)點，或者有新的節(jié)點需要加入網(wǎng)絡(luò)時，網(wǎng)絡(luò)應不需要或者只需很小的改動。

應用于工業(yè)現(xiàn)場的MES生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)分為有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)兩大類。有線網(wǎng)絡(luò)主要包括：現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)（field bus）、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和 RS485 網(wǎng)絡(luò)等。現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)基于現(xiàn)場總線技術(shù)組建現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場總線是一種應用于工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)字通信技術(shù)。現(xiàn)場總線有40余種，常用的現(xiàn)場總線有基金會現(xiàn)場總線(foundation field bus，F(xiàn)F)、 Lonworks、PROFIBUS、控制器局域網(wǎng)（controller area network，CAN）等。工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)是以太網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應用，由于其低成本和高傳輸速率等特性，在工業(yè)現(xiàn)場中常與現(xiàn)場總線結(jié)合使用。工業(yè)以太網(wǎng)標準與以太網(wǎng) IEEE802.3 標準兼容，但根據(jù)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的應用需求，工業(yè)以太網(wǎng)需滿足實時性、環(huán)境耐受性、可靠性、抗干擾性和數(shù)據(jù)安全性等要求。由于大多數(shù)儀器儀表的接口方式采用 RS-485 或 RS-232，并且價格低廉、實施方便，因此 RS-485 網(wǎng)絡(luò)也是工業(yè)現(xiàn)場應用較為廣泛的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之一。RS-485 是一個物理層的標準協(xié)議，可以承載多種現(xiàn)場總線協(xié)議。RS-485 采用平衡發(fā)送和差分接收，最大的通信距離約為 1200m（在 100Kb/S 傳輸速率下），極限傳輸速率為 10Mb/S。RS-485網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信能力相對于現(xiàn)場總線或工業(yè)以太網(wǎng)較弱，但因具有較強的抗干擾性能，且系統(tǒng)價格低廉，布線操作簡單，因此也廣泛應用與工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集組網(wǎng)中。無線通信網(wǎng)絡(luò)則由于有效避免了有線網(wǎng)絡(luò)的布線難題，為布網(wǎng)復雜區(qū)域?qū)嵤┚W(wǎng)絡(luò)控制提供了解決方案。應用較為廣泛的無線通信技術(shù)包括：Bluetooth（藍牙）、WLAN（無線局域網(wǎng)）、UWB（超寬帶）和 ZigBee 等短距離無線通信技術(shù)，以及 GSM/GPRS移動通信技術(shù)等。

2）基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

Zigbee技術(shù)是一種成熟的應用于短距離和低速率下的無線通信技術(shù)，其特點是小范圍、能耗小，適用于各類智能化控制或者遠程控制。又因為它低復雜度和低成本，在小型無線聯(lián)網(wǎng)且需要控制成本的控制系統(tǒng)中大受歡迎。使用 ZigBee 技術(shù)組網(wǎng)的兩個節(jié)點之間的傳輸距離雖然較近（只有70m左右），但是在一個網(wǎng)絡(luò)中可布置幾千個節(jié)點，每個節(jié)點間可以互相傳遞數(shù)據(jù)。類似一個蜂窩系統(tǒng)，這樣信息在節(jié)點間相互傳遞，使得節(jié)點間通訊距離可以無限擴展。ZigBee網(wǎng)絡(luò)以其較低的功耗、較大的網(wǎng)絡(luò)容量以及可靠的安全性，使得該技術(shù)與RFID結(jié)合時非常適合用于MES車間環(huán)境。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)可采用星型(Star)、樹形(Cluster-tree)、網(wǎng)狀(Mesh)等多種拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

(a)星型結(jié)構(gòu) (b)樹形結(jié)構(gòu) (c)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的三種拓撲結(jié)構(gòu)

（1）星型拓撲結(jié)構(gòu)：由一個節(jié)點呈向外散發(fā)狀，子節(jié)點之間全部圍繞在該節(jié)點周圍。中間的父節(jié)點是協(xié)調(diào)器，周圍的子節(jié)點通信都要通過中間的父節(jié)點。周邊的子節(jié)點可以只用作接受發(fā)送信息的終端設(shè)備，也可以是功能較為完備的路由器。星型網(wǎng)絡(luò)優(yōu)缺點都很明顯，優(yōu)點是構(gòu)造簡單，布點容易，維護也非常方便；缺點則是通信都要通過中心節(jié)點，中心節(jié)點壓力很大，信息交流性不強。

（2）樹形拓撲結(jié)構(gòu)：將多個簡單的星型網(wǎng)絡(luò)呈樹狀連接起來，最上面的中心節(jié)點被用作整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，其余中心節(jié)點用作路由器，這樣就構(gòu)成了樹形拓撲網(wǎng)。樹形的網(wǎng)絡(luò)的特點是易于拓展，尋點便宜。

（3）網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)：較之上述兩種拓撲結(jié)構(gòu)有著更加豐富的選擇和變化，路由器之間可以自由通信。任意節(jié)點間需要通信時可以尋找最優(yōu)化的一條路徑，優(yōu)點是減少了通信時間，缺點是該結(jié)構(gòu)需要配備足夠大的存儲空間。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)由ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端組成，協(xié)調(diào)器和路由器必須為全功能設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器發(fā)起，并由協(xié)調(diào)器分配64位網(wǎng)絡(luò)地址。在MES生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)中，將ZigBee與RFID技術(shù)相結(jié)合，大大擴展RFID的工作范圍與目標對象的讀取距離。圖3所示是與RFID技術(shù)結(jié)合的ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 與RFID技術(shù)結(jié)合的車間ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)

與GPRS/GSM無線網(wǎng)絡(luò)相比，ZigBee的最大優(yōu)勢在于其信號傳遞不需要通過通信基站，ZigBee 的每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（不包括簡單功能的設(shè)備終端節(jié)點）具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和連接網(wǎng)絡(luò)的作用，這在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中起到的與基站類似作用。因此，相較于GPRS/GSM，基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)更適合用于MES車間生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)。GSM/GSM主要用于大型網(wǎng)絡(luò)，造價較高，在工業(yè)領(lǐng)域中較常用于設(shè)備異地的遠程監(jiān)控，或地域分布廣泛的監(jiān)控系統(tǒng)。而ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)使用者的實際需求，在監(jiān)控車間區(qū)域靈活布點，適用于一定范圍的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，并且ZigBee更具有可靠、實時、維護簡單等優(yōu)勢。運行成本方面，現(xiàn)有的GPRS/GSM 網(wǎng)絡(luò)需持續(xù)支付使用費，其終端成本也不低。而ZigBee設(shè)備成本低廉，特別是網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備節(jié)點（只作接受和發(fā)送數(shù)據(jù)用）。此外，ZigBee開發(fā)技術(shù)成熟，且維護更簡單。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與傳感器技術(shù)相結(jié)合就形成了基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一項通過無線通信技術(shù)把大量傳感器節(jié)點以自由式進行組織與結(jié)合進而形成的網(wǎng)絡(luò)形式。傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能，它能夠協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持眾多類型的傳感器，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與制造車間中的各類傳感器結(jié)合形成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以自動采集和監(jiān)測車間生產(chǎn)環(huán)境信息，如溫度、濕度、噪聲、光照、電磁、機床狀態(tài)、物料位置、人員狀態(tài)等，為MES車間生產(chǎn)管理與實時過程管控提供有效支持。