基于Holon思想的自動信息采集系統*

呂紀偉 宋豫川

（重慶大學機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030）

制造執行系統（MES，Manufacturing Eexecution System）是由美國先進制造研究中心（AMR，Advanced Manufacturing Research）于20世紀90年代初提出的支持企業信息集成的先進管理模型。它介于ERP與DCS之間面向車間層的計算機輔助信息管理系統，是實現企業信息集成和制造過程自動化的關鍵技術之一，對提高整個企業制造系統的經濟效益具有重要意義。

國際制造執行協會（MESA，Manufacturing Execution System Association）對 MES 的定義是［1］：“MES 能通過信息傳遞，對從訂單下達到產品完成整個的生產過程進行優化管理。當工廠里面有實時事件發生時，MES能對此及時做出反應、報告，并用當前的準確數據對它們進行指導和處理。這種對狀態變化的迅速響應使得MES能夠減少企業內部沒有附加值的活動，有效地指導工廠的生產運作過程，從而使其既能提高工廠及時交貨能力、改善物料的流通性能，又能提高生產回報率。MES還通過雙向的直接通訊在企業內部和整個產品供應鏈中提供有關產品行為的關鍵任務信息。”

因而，MES的內涵可以概括為：!MES不是解決某一個生產瓶頸，而是強調整個生產過程的優化；"MES收集生產過程中大量的實時數據，并作出相應的分析和處理；③MES需要同時與上層的計劃層和底層的控制層保持雙向通信，從上下兩層接收相應數據并反饋處理結果和生產指令；④通過制造系統連續的信息流實現制造系統的信息集成［2］。

信息自動采集系統就是實現上述第二點的系統，它是整個MES系統的核心模塊，也是系統其他模塊的信息來源，是保證整個系統順利運行的關鍵所在。有學者稱信息是將整個企業結構聯合起來的粘合劑［3］，非常簡潔地指出了信息對企業的重要作用。然而許多企業的生產管理部門都是采用人工錄入的方式獲取車間關鍵設備有關信息，這樣一來就會產生以下幾點弊端：

（1）信息實時性不強。人工獲取的方法需要填表、檢查、轉交、上報等一系列過程和步驟延遲了信息到達管理層的時間。

（2）信息完整性差。一般關鍵設備所載的信息量比較大且比較復雜，很多信息不可能同時采集到。

（3）信息使用價值降低。由于到達管理層的信息量不全面且速度慢，無法及時了解整個工廠的生產狀況，及時制定和下達計劃指令，難保整個工廠的各個生產環節處于最優狀態。

（4）準確性不高。人工采集的信息常常出錯，有時甚至會影響到決策的制定。

1 采集系統的研究

在我國，目前大多數離散制造車間的數控加工設備種類不同且大部分關鍵設備都依賴進口。由于不同設備廠商提供的數據接口和格式各不相同，這樣就造成了不同設備的采集沒有統一的標準，實現這些關鍵設備實時信息的采集是眾多企業的當務之急。然而要解決這個問題的費用不菲，有的還需向設備廠家購買專用軟件。

針對這個問題及人工采集的種種弊端，本文提出一種基于Holon（合弄）思想的低成本、可重構的自動信息采集系統。其基本功能模型如圖1所示。

基于Holon思想的自動信息采集系統是MES系統不可或缺的一個關鍵模塊，它不僅僅與MES系統保持相互通信，還要與ERP系統和CAD/CAE系統之間實現信息傳遞，協同工作，共同組成企業的整個信息化系統的集成。由Holon思想的基本屬性可以得出本文所提出的自動信息采集系統有以下特點：

（1）自律性：各個基本Holon單元都有在受到外界干擾的情況下保持自己穩定性，完成自己工作任務的功能；同時也能分析和處理本身系統故障和錯誤。

（2）協作性：一組Holon有共同規劃和實施能共同接受計劃或任務的能力。當遇到單個Holon不能解決的問題時幾個Holon可以通過協調機制來共同完成。

（3）可重構性：系統能重組或增加新的Holon的能力。整個信息采集系統允許其他新子Holon的加入，移除不必要的Holon或對原來系統重新組合后不影響其功能的實現。

2 采集系統的實現

2.1 車間機床信息采集方法

對某增壓器廠車間20多臺數控機床進行考察后得知，目前車間機床的通信接口可分為無通信接口、串行口和以太網口3種。根據機床接口的不同分別采用PLC信號點法、用戶宏程序法和軟件二次開發法來獲取機床的運行信息及狀況。

2.1.1 PLC信號點法

由于數控機床通過PLC來完成對執行元件的控制，PLC要監控各個信號并對其做出相應的處理，所以整個加工過程的運行狀態參數在PLC中都有儲存［4］。所以想辦法利用相應的PLC信號點就可獲取機床的運行狀態參數信息。如圖2所示，從PLC上采集到的信號經DSP芯片的處理后通過串行口傳輸模塊與PC機連接，經PC機分析、處理后經局域網上傳到服務器上的數據庫中完成對相應機床的信息采集。這種方法主要實現了機床的開/關、主軸啟動、機床換刀、主軸速度、冷卻和潤滑液打開、主軸溫度、油泵壓力及軸超限警報等信息的采集。

2.1.2 用戶宏程序法

具有通信串口的數控機床的信息采集相對無通信接口的數控機床要方便得多，可以利用用戶宏程序法來實現。由于從CAM上傳到服務器上的NC代碼不能直接用于加工，需要在NC代碼編輯模塊進行修改，所以可在此過程中實現用戶程序在NC代碼中的鑲嵌，從而實現對相應機床信息的采集。

其工作原理是：利用用戶宏程序的外部輸出指令和系統變量，向DNC服務器輸出機床信息，DNC系統收到信號后進行相應的處理［5］。

在數控機床的加工過程中，當遇到鑲嵌有用戶宏程序的外部輸出指令和系統變量的NC代碼時就會主動發送機床狀態信息。系統一旦監聽到，DNC系統中的相關軟件就會對傳來的信號進行判斷，然后做出相應的處理，并把各種信息顯示在軟件界面上呈現給管理層，并且可以把信息儲存起來待日后利用。可以實現以下信息的采集：當前程序名、加工開始時間、加工結束時間、主軸轉速、進給速度、當前刀具號等等。其工作流程如圖3所示。

2.1.3 軟件二次開發法

具有以太網口的數控機床相當于一臺PC機，同時也具備OPC通訊模式，所以對其采集就方便得多，只需要用相應機床廠商開發的基于機床的配套軟件和通過安裝PCI/ISA適配器及標準Ethernet網卡就可像普通PC機一樣進行通訊。應用這種方法幾乎可以獲取所有想要的機床信息。

2.2 系統網絡結構的實現

2.2.1 機床聯網方式的設計

由于在對無接口機床進行采集方法設計時已對其進行了改造，使其也具有了串行輸出模塊。這樣一來所有的機床就可以看成只有串行口和網口兩種的數控機床。由于制造車間噪聲、振動等環境因素的影響及串行口機床與PC機連接距離的限制，對應用PLC信號點法和用戶宏程序法采集的機床與PC機的連接采取帶串口服務器的方式，通過企業局域網實現兩者之間的通信。這種連接方式相對比較靈活，使PC機與數控機床的通信距離大大增加，實現車間現場不必放PC機而放到車間辦公室。結構如圖4所示。

2.2.2 系統總體結構的實現

根據某增壓器廠制造系統的規模及復雜程度，系統的總體結構采用分布式采集、集中式控制的形式［6］。這種結構形式實用和維護方便且具有網絡功能，是目前大多數制造系統廣泛應用的信息采集方式之一。如圖5所示，以車間為單位設立采集工作站，每個車間的采集系統看作整個信息采集Holon的一個子Holon，在一個車間內構成一個完整的局域網，完成對本車間數控設備運行信息的采集與輸送；工作站負責對從車間采集到的信息進行管理、分析、上傳及對本車間下達工作計劃或指令等。同時，管理層也可以利用服務器存儲的各設備歷史信息進行分析，進而判斷各設備的運行狀態良好與否，合理制定各設備的維護、檢修和保養等，盡量避免或減少設備運行故障的出現以免影響工作效率。

另外，結合圖5可以看出各個工作站之間具有協作和重構機制，當一個工作站所需信息量不夠時可以與其他相應的工作站進行協調來共同完成采集任務。另外，整個系統是開放的，當制造系統需要重新組合或構建新的制造單元時可以隨時配置和擴展系統的結構。從而可以增加系統柔性，提高整個制造系統運行效率，降低不必要的資源浪費以節省成本，增強企業競爭力。

3 結語

本文結合某增壓器廠MES項目的實施，研究并提出了一種基于Holon思想的低成本、可重構的信息自動采集系統模型。實踐證明，此系統在該增壓器廠取得了很好的應用效果，成功解決了生產現場關鍵設備運行信息的采集、監控以及上傳，克服了傳統的人工采集的種種弊端，提高了信息在企業中的傳輸速度及時效性，提高了信息采集的正確率，減少了人為因素對信息采集過程的干預，基本上實現加工過程中車間關鍵設備運行的回放。從而有利于管理層對車間加工概況進行深入了解、分析、比較，進而制定合理的生產計劃，提高工作效率。

［1］曹江輝，王寧生，解放.制造執行系統現狀與發展趨勢［J］.高技術通訊，2003（6）：100-105.

［2］王隆太，吉衛喜，等.制造系統工程［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［3］R.B.Evans，T.S.Wurster.Strategy and the new economics of information.Harvard Business Review［J］，1997（9/10）：71-82.

［4］金東明.制造執行系統MES中數據采集與傳送的研究應用［D］.上海：上海交通大學，2007.

［5］陳國金，王召鵬.數控設備數據采集方法研究［J］.機電工程，2005，22（9）：29-32.

［6］胡友民，杜潤生，楊叔子.制造系統數據采集技術研究［J］.制造業自動化，2002，24（3）：23-27.