制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）是美國MESA20世紀(jì)90年代提出的面向車間的信息管理系統(tǒng)，是連接計劃層和現(xiàn)場控制層之間的紐帶，通過提供從訂單到產(chǎn)品完成整個制造過程的信息來優(yōu)化企業(yè)管理，協(xié)助企業(yè)建立一體化和實時化的管理信息體系。因此實時數(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)，而無線射頻技術(shù)（RFID）是一種非接觸式的數(shù)據(jù)采集自動識別技術(shù)，目前應(yīng)用于零售業(yè)產(chǎn)品標(biāo)簽，交通中車輛運行管理，以及倉儲物流業(yè)等。隨著制造業(yè)信息化發(fā)展，RFID對制造業(yè)來說是極有潛力的技術(shù)，與現(xiàn)有MES集成不僅為生產(chǎn)提供實時信息，而且也為產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）提供一個移動數(shù)據(jù)庫。

1 制造執(zhí)行系統(tǒng)

1.1 MES含義

國際制造執(zhí)行系統(tǒng)協(xié)會（MESA，Manufacturing Execution System Association）對MES的定義是，MES提供的信息優(yōu)化從訂單投入到產(chǎn)品完成的整個生產(chǎn)過程。MES運用及時、準(zhǔn)確的信息，指導(dǎo)、啟動、響應(yīng)并記錄工廠運行，對條件的變化做出快速的響應(yīng)，減少非增值活動，提高工廠運作過程的效率。MES不但可以改善設(shè)備投資回報率，而且有助于及時交貨、加快庫存周轉(zhuǎn)、提高收益和現(xiàn)金流的績效。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)過程中大量的實時數(shù)據(jù)，并對實時事件分析及時處理，同時又與計劃層和生產(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，MES是一系列功能的集成，連接著計劃與控制系統(tǒng)，設(shè)計理念與生產(chǎn)執(zhí)行，銷售能力與生產(chǎn)機(jī)制，客戶與供需等。一方面關(guān)注生產(chǎn)過程中的即時生產(chǎn)與實時掌握在制品的產(chǎn)量與品質(zhì)狀況，另一方面采集和分析數(shù)據(jù)實時掌握設(shè)備運行狀況和在線物料，記錄生產(chǎn)經(jīng)過的工序、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)計劃與調(diào)度，文檔控制，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，人力資源管理，質(zhì)量管理，過程管理，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)場中的各種必要的實時更新的數(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)床運行狀態(tài)為運行、準(zhǔn)備、停機(jī)還是空閑；運行過程中，程序啟動時間、程序停止時間、程序名稱、當(dāng)前刀具號、主軸轉(zhuǎn)速等；準(zhǔn)備狀態(tài)時，是調(diào)試、檢驗、還是準(zhǔn)備工裝等；停機(jī)狀態(tài)時，應(yīng)能夠報告停機(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，甚至人工錄入來對生產(chǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。連續(xù)制造行業(yè)，生產(chǎn)自動化的程度相對比較高，數(shù)據(jù)采集主要就是通過部署各種現(xiàn)場總線來進(jìn)行采集。

2 RFID技術(shù)

2.1 RFID系統(tǒng)

RFID（射頻識別）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/寫入標(biāo)簽信息的移動/固定式閱讀器，以及在標(biāo)簽和閱讀器間傳遞射頻信號的天線這3部分組成。電子標(biāo)簽附著在待識別物體的表面。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)入磁場后，接收解讀器發(fā)出的射頻信號，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲在芯片中的產(chǎn)品信息（Passivetag，被動標(biāo)簽），或者主動發(fā)送某一頻率的信號（activetag，主動標(biāo)簽），將記錄從價格到生產(chǎn)流程等在內(nèi)大量信息的芯片貼在產(chǎn)品表面，通過讀取器來讀取、更新信息，并解碼后，送至計算機(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、速度快、信息量大、不受環(huán)境影響、壽命長等優(yōu)點，能同時處理多張卡片，這些優(yōu)點使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精確的執(zhí)行過程，這必然要求對計劃和執(zhí)行進(jìn)行精確的比對，數(shù)據(jù)都要準(zhǔn)確記錄，這需要過程中更多地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集自動識別，保證計劃和執(zhí)行相符合，并對不符合的及時采取措施調(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)入制造過程的核心，通過在工廠車間層逐步采用RFID技術(shù)，可以無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、可靠的實時信息流，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時數(shù)據(jù)流，可用來保證正確使用勞動力、機(jī)器、工具和部件，從而實現(xiàn)無紙化生產(chǎn)和減少停機(jī)時間，以保證可靠性和高質(zhì)量；搜集如產(chǎn)品標(biāo)識符、物理屬性、訂貨號等信息，自動建立支持質(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)確無誤地將裝配零部件送達(dá)指定區(qū)域，從而減少了出錯率。

② 在產(chǎn)品追蹤方面，能實現(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)，將自動記錄工序、設(shè)備和操作者編號、加工時間，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 在計劃調(diào)度方面，諸如機(jī)床等加工設(shè)備上的RFID提供運轉(zhuǎn)時間、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，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)行車間內(nèi)實時計劃排程。

④ 在設(shè)備管理方面，操作員可以通過讀取標(biāo)簽上的信息來檢查設(shè)備及其所在位置，對設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)或維修，然后寫入最新的數(shù)據(jù)更新RFID標(biāo)簽，有助于提高設(shè)備價值，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)平臺和各種系統(tǒng)軟件分布異構(gòu)問題而產(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)備和后臺業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的橋梁，是實現(xiàn)RFID與后臺應(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)采集和后臺數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)組成，歷經(jīng)3個階段（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、過濾和合并；RFID數(shù)據(jù)管理完成RFID數(shù)據(jù)的存儲、維護(hù)、訪問和聚合。最初的RFID中間件是以應(yīng)用程序編寫來整合、串接RFID讀寫器為目的，適用于采集點不多、同一規(guī)格讀寫器的情況，但效率較低、維護(hù)費用高；隨著企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜度增高，數(shù)據(jù)庫軟件改變或讀寫器種類增加，企業(yè)無法負(fù)荷為每個應(yīng)用軟件編寫適配器，同時存在著面向?qū)ο髽?biāo)準(zhǔn)化等問題，因此產(chǎn)生RFID架構(gòu)中間件；第3個中間件階段是各廠商針對不同行業(yè)領(lǐng)域提出具體解決方案，如SUN閉公司的Sun Java系統(tǒng)RFID軟件包括針對倉儲管理、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，實時工作流管理，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對標(biāo)簽類別按是否可讀寫、可讀寫次數(shù)等特點分為0-5類，例如0級標(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、產(chǎn)品名。這些存儲在RFID中的編碼由讀寫器每秒120和400次進(jìn)行輪詢讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)RS422/RS232接口連接到現(xiàn)場總線。標(biāo)簽URI（統(tǒng)一資源標(biāo)識）數(shù)據(jù)由ALE（應(yīng)用層事件管理）去除冗余數(shù)據(jù)，被過濾的標(biāo)簽數(shù)據(jù)經(jīng)ONS（對象名解析服務(wù)）把標(biāo)簽數(shù)據(jù)中字節(jié)轉(zhuǎn)化為對象數(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警等信號直接送至后臺業(yè)務(wù)系統(tǒng)。PML（物理實體語言）是一種用于描述物理對象，過程和環(huán)境的通用語言，其主要目的是提供通用的標(biāo)準(zhǔn)化詞匯表，來描繪和分配Auto-ID激活的實體相關(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

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，使制造過程中的成本和錯誤大大減少，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，這樣通過互聯(lián)網(wǎng)RFID不僅僅實現(xiàn)制造執(zhí)行系統(tǒng)內(nèi)的信息交流，而且可實現(xiàn)與企業(yè)其他應(yīng)用系統(tǒng)的集成，從而使產(chǎn)品信息識別和實時信息共享成為可能。

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