基于MES的RFID数据采集技术研究

制造执行系统(MES)是美国MESA20世纪90年代提出的面向车间的信息管理系统，是连接计划层和现场控制层之间的纽带，通过提供从订单到产品完成整个制造过程的信息来优化企业管理，协助企业建立一体化和实时化的管理信息体系。因此实时数据传输与共享是MES保证企业执行生产的关键技术，而无线射频技术(RFID)是一种非接触式的数据采集自动识别技术，目前应用于零售业产品标签，交通中车辆运行管理，以及仓储物流业等。随着制造业信息化发展，RFID对制造业来说是极有潜力的技术，与现有MES集成不仅为生产提供实时信息，而且也为产品全生命周期管理(PLM)提供一个移动数据库。 

1 制造执行系统 

1.1 MES含义 

国际制造执行系统协会(MESA，Manufacturing Execution System Association)对MES的定义是，MES提供的信息优化从订单投入到产品完成的整个生产过程。MES运用及时、准确的信息，指导、启动、响应并记录工厂运行，对条件的变化做出快速的响应，减少非增值活动，提高工厂运作过程的效率。MES不但可以改善设备投资回报率，而且有助于及时交货、加快库存周转、提高收益和现金流的绩效。MES在企业和供应链间以双向交互的形式提供生产活动的必备信息。 

MES作为生产信息系统，也就是收集生产过程中大量的实时数据，并对实时事件分析及时处理，同时又与计划层和生产控制层保持双向通信，从上下两层接收相应数据并反馈处理结果和生产指令。确切地说，MES是一系列功能的集成，连接着计划与控制系统，设计理念与生产执行，销售能力与生产机制，客户与供需等。一方面关注生产过程中的即时生产与实时掌握在制品的产量与品质状况，另一方面采集和分析数据实时掌握设备运行状况和在线物料，记录生产经过的工序、设备、所用物料和经手人员。主要功能包括资源分配及状态管理，工序生产计划与调度，文档控制，现场数据采集，人力资源管理，质量管理，过程管理，维护管理，产品跟踪以及性能分析。 

1.2 数据采集 

MES中的数据采集功能，是负责采集生产现场中的各种必要的实时更新的数据信息，并为其他MES功能的数据管理提供数源。数据类型按管理方式分为：工艺资源数据、人力资源数据、产品质量数据，如表1所示。

　　由表1可看出，大部分采集的数据都与工艺资源相关，各种数据之间都或多或少有着关联，例如机床运行状态为运行、准备、停机还是空闲；运行过程中，程序启动时间、程序停止时间、程序名称、当前刀具号、主轴转速等；准备状态时，是调试、检验、还是准备工装等；停机状态时，应能够报告停机原因是设备故障还是设备维护等。  

按行业不同，数据采集方法不尽相同，离散制造行业生产自动化的程度还不是很高，主要用条形码或者其他传感器，甚至人工录入来对生产的数据进行采集。连续制造行业，生产自动化的程度相对比较高，数据采集主要就是通过部署各种现场总线来进行采集。  

2 RFID技术  

2.1 RFID系统  

RFID(射频识别)系统由耦合元件及芯片组成具有惟一电子编码的标签，读取/写入标签信息的移动/固定式阅读器，以及在标签和阅读器间传递射频信号的天线这3部分组成。电子标签附着在待识别物体的表面。电子标签中保存有约定格式的电子数据。标签进入磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passivetag，被动标签)，或者主动发送某一频率的信号(activetag，主动标签)，将记录从价格到生产流程等在内大量信息的芯片贴在产品表面，通过读取器来读取、更新信息，并解码后，送至计算机信息系统进行有关数据处理。  

RFID技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。与传统的条码相比，RFID电子标签具有非接触、可重复读写、速度快、信息量大、不受环境影响、寿命长等优点，能同时处理多张卡片，这些优点使RFID技术更适合于作业环境不确定的制造业。  

2.2 RFID数据采集在MES中应用  

现代化制造业MES是依靠信息管理的一个精确的执行过程，这必然要求对计划和执行进行精确的比对，数据都要准确记录，这需要过程中更多地进行数据采集自动识别，保证计划和执行相符合，并对不符合的及时采取措施调整。因此RFID技术作为一种数据采集与管理的手段，正从供应链进入制造过程的核心，通过在工厂车间层逐步采用RFID技术，可以无缝且不间断地集成从RFID捕获的信息并链接到现有的控制系统基础结构(如Profibus)，与配置RFID功能的供应链协调，向已有的制造执行系统可以发送准确、可靠的实时信息流，从而创造附加值，提高生产率和大幅度地节省投资。  

① 在质量管理方面，RFID可提供不断更新的实时数据流，可用来保证正确使用劳动力、机器、工具和部件，从而实现无纸化生产和减少停机时间，以保证可靠性和高质量；搜集如产品标识符、物理属性、订货号等信息，自动建立支持质量保证体系所要求的质量跟踪和工作历史文档，实现复杂的批次跟踪。特别是在混合装配线生产中，能准确无误地将装配零部件送达指定区域，从而减少了出错率。  

② 在产品追踪方面，能实现从原材料到最终产品的全面跟踪。只要零件进入生产线或到达完工区，将自动记录工序、设备和操作者编号、加工时间，避免了后期人工数据输入、条码扫描等操作产生的不精确数据或误差。  

③ 在计划调度方面，诸如机床等加工设备上的RFID提供运转时间、可用性状态、性能特征，并含有技术参数、使用刀具情况、已进行的生产活动，这样就可以结合产品工艺规程单按现有设备利用率进行车间内实时计划排程。  

④ 在设备管理方面，操作员可以通过读取标签上的信息来检查设备及其所在位置，对设备进行保养或维修，然后写入最新的数据更新RFID标签，有助于提高设备价值，优化设备性能和最大化设备利用率。  

3 RFID与MES集成技术  

3.1 RFID中间件  

为了解决多种硬件系统平台和各种系统软件分布异构问题而产生的中间件技术，它是位于不同操作系统平台和具体应用之间的通用服务。这些服务具有标准的程序接口和协议。RFID中间件是一种面向消息的中间件，信息是以消息的形式在程序之间传输，其功能不仅是传递信息，还必须包括解译数据、安全性、数据广播、错误恢复、定位网络资源、消息与要求的优先次序以及延伸的除错工具等服务。  

因此RFID中间件作为连接RFID硬件设备和后台业务应用系统的桥梁，是实现RFID与后台应用软件(如MES软件等)间数据获取和管理的集成技术。  

3.2 RFID与MES集成方法  

RFID中间件由数据采集和后台数据库网络应用系统组成，历经3个阶段(如图1)，RFID数据采集完成RFID数据从RFID硬件设备的采集、过滤和合并；RFID数据管理完成RFID数据的存储、维护、访问和聚合。最初的RFID中间件是以应用程序编写来整合、串接RFID读写器为目的，适用于采集点不多、同一规格读写器的情况，但效率较低、维护费用高；随着企业应用系统的复杂度增高，数据库软件改变或读写器种类增加，企业无法负荷为每个应用软件编写适配器，同时存在着面向对象标准化等问题，因此产生RFID架构中间件；第3个中间件阶段是各厂商针对不同行业领域提出具体解决方案，如SUN闭公司的Sun Java系统RFID软件包括针对仓储管理、资产追踪、药品鉴定等具体行业应用的解决方案。 

对于目前RFID架构中间件集成方法，从应用层面上理解包括边缘层、企业层、应用层；从物理结构上可分为5层，分别是硬件层、采集数据层、工作流管理层、服务层、遗留系统层。从功能层面上核心模块包括RFID边缘服务器和RFID企业服务器。边缘服务器直接与各种终端设备相连，用于控制RFID读写设备按照预定的方式工作，保证不同的设备之间能很好地配合协调，还能按照一定的规则过滤数据，筛除大部分冗余数据，将真正有效的数据传送给后台的信息系统；企业服务器则集中管理所有的边缘服务器，处理各种RFID事件和信息交换，实时工作流管理，与各种现有应用系统进行很好的集成，用户可以围绕这些数据进行业务流程的创新和新的应用(如图2所示)。  

3.3 RFID与MES集成数据流  

RFID标签内置编码是数据的载体，EPCglobal对标签类别按是否可读写、可读写次数等特点分为0-5类，例如0级标签编码是由4段96位组成，分别代表信息的构成、制造商、产品类、产品名。这些存储在RFID中的编码由读写器每秒120和400次进行轮询读取数据，经RS422/RS232接口连接到现场总线。标签URI(统一资源标识)数据由ALE(应用层事件管理)去除冗余数据，被过滤的标签数据经ONS(对象名解析服务)把标签数据中字节转化为对象数据URL(统一资源定位)，还有一部分数据是代表事件提醒以及报警等信号直接送至后台业务系统。PML(物理实体语言)是一种用于描述物理对象，过程和环境的通用语言，其主要目的是提供通用的标准化词汇表，来描绘和分配Auto-ID激活的实体相关信息。EPCIS(电子标签信息服务)是一种内部数据交换标准，定义了基于安全Web服务的数据交换机制，以及所有电子标签内部数据交换和事件信息。经过PML/EPCIS产品数据就可以被送到后端的MES/ERP/WMS等企业遗留系统中，如果是可写RFID标签，则从后端业务系统就可以更新其标签数据(如图3所示)。  

4 结束语  

随着企业信息化发展，制造执行系统的功能不单单在于企业内部，而是基于产品全生命周期管理的信息交互与共享。RFID技术与MES集成改善了业务流程，使制造过程中的成本和错误大大减少，提高了生产率，经济效益更为突出。目前RFID标签的数据内容编码还未形成统一的全球化标准，区域性标准已发布，这样通过互联网RFID不仅仅实现制造执行系统内的信息交流，而且可实现与企业其他应用系统的集成，从而使产品信息识别和实时信息共享成为可能。