制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)是美國MESA20世紀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)，目前應用于零售業(yè)產(chǎn)品標簽,，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,、準確的信息,，指導、啟動,、響應并記錄工廠運行,，對條件的變化做出快速的響應，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),，設計理念與生產(chǎn)執(zhí)行,，銷售能力與生產(chǎn)機制，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)實時掌握設備運行狀況和在線物料，記錄生產(chǎn)經(jīng)過的工序,、設備,、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，是負責采集生產(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)，例如機床運行狀態(tài)為運行,、準備,、停機還是空閑；運行過程中,，程序啟動時間,、程序停止時間、程序名稱,、當前刀具號,、主軸轉(zhuǎn)速等；準備狀態(tài)時,，是調(diào)試,、檢驗、還是準備工裝等,；停機狀態(tài)時,，應能夠報告停機原因是設備故障還是設備維護等。
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簽,，讀取/寫入標簽信息的移動/固定式閱讀器，以及在標簽和閱讀器間傳遞射頻信號的天線這3部分組成,。電子標簽附著在待識別物體的表面,。電子標簽中保存有約定格式的電子數(shù)據(jù)。標簽進入磁場后,，接收解讀器發(fā)出的射頻信號,，憑借感應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，被動標簽),，或者主動發(fā)送某一頻率的信號(activetag,，主動標簽)，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,，送至計算機信息系統(tǒng)進行有關(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行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達到目標識別和數(shù)據(jù)交換的目的,。與傳統(tǒng)的條碼相比,，RFID電子標簽具有非接觸、可重復讀寫,、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)行進行精確的比對,，數(shù)據(jù)都要準確記錄,，這需要過程中更多地進行數(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，正從供應鏈進入制造過程的核心,，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)基礎結(jié)構(gòu)(如Profibus)，與配置RFID功能的供應鏈協(xié)調(diào),，向已有的制造執(zhí)行系統(tǒng)可以發(fā)送準確,、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,。
?、?nbsp;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,、機器、工具和部件,，從而實現(xiàn)無紙化生產(chǎn)和減少停機時間,，以保證可靠性和高質(zhì)量；搜集如產(chǎn)品標識符,、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)復雜的批次跟蹤,。特別是在混合裝配線生產(chǎn)中，能準確無誤地將裝配零部件送達指定區(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,。只要零件進入生產(chǎn)線或到達完工區(qū)，將自動記錄工序,、設備和操作者編號,、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,，諸如機床等加工設備上的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)有設備利用率進行車間內(nèi)實時計劃排程,。
④ 在設備管理方面,，操作員可以通過讀取標簽上的信息來檢查設備及其所在位置,，對設備進行保養(yǎng)或維修,，然后寫入最新的數(shù)據(jù)更新RFID標簽，有助于提高設備價值,，優(yōu)化設備性能和最大化設備利用率,。
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)平臺和具體應用之間的通用服務,。這些服務具有標準的程序接口和協(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、定位網(wǎng)絡資源,、消息與要求的優(yōu)先次序以及延伸的除錯工具等服務,。
因此RFID中間件作為連接RFID硬件設備和后臺業(yè)務應用系統(tǒng)的橋梁，是實現(xiàn)RFID與后臺應用軟件(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)絡應用系統(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,、訪問和聚合,。最初的RFID中間件是以應用程序編寫來整合、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,、維護費用高；隨著企業(yè)應用系統(tǒng)的復雜度增高,，數(shù)據(jù)庫軟件改變或讀寫器種類增加,，企業(yè)無法負荷為每個應用軟件編寫適配器，同時存在著面向?qū)ο髽藴驶葐栴},，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)應用的解決方案,。
對于目前RFID架構(gòu)中間件集成方法，從應用層面上理解包括邊緣層,、企業(yè)層,、應用層；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,、服務層,、遺留系統(tǒng)層。從功能層面上核心模塊包括RFID邊緣服務器和RFID企業(yè)服務器,。邊緣服務器直接與各種終端設備相連,，用于控制RFID讀寫設備按照預定的方式工作，保證不同的設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)服務器則集中管理所有的邊緣服務器,，處理各種RFID事件和信息交換，實時工作流管理,，與各種現(xiàn)有應用系統(tǒng)進行很好的集成,，用戶可以圍繞這些數(shù)據(jù)進行業(yè)務流程的創(chuàng)新和新的應用(如圖2所示)。
3.3 RFID與MES集成數(shù)據(jù)流
RFID標簽內(nèi)置編碼是數(shù)據(jù)的載體,，EPCglobal對標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次進行輪詢讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)RS422/RS232接口連接到現(xiàn)場總線,。標簽URI(統(tǒng)一資源標識)數(shù)據(jù)由ALE(應用層事件管理)去除冗余數(shù)據(jù),，被過濾的標簽數(shù)據(jù)經(jīng)ONS(對象名解析服務)把標簽數(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)，還有一部分數(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準化詞匯表,，來描繪和分配Auto-ID激活的實體相關(guān)信息,。EPCIS(電子標簽信息服務)是一種內(nèi)部數(shù)據(jù)交換標準,，定義了基于安全Web服務的數(shù)據(jù)交換機制，以及所有電子標簽內(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標簽，則從后端業(yè)務系統(tǒng)就可以更新其標簽數(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)濟效益更為突出,。目前RFID標簽的數(shù)據(jù)內(nèi)容編碼還未形成統(tǒng)一的全球化標準，區(qū)域性標準已發(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,。
