高擴展性MES數據采集接口探討

劉征宇，曹路圓，梅 茜

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

0 引言

隨著國內“兩化”改革的不斷加深，生產企業對MES（Manufacturing Execution System，制造執行系統）的要求也進一步提高，雖然國外有很多成熟的MES產品，與進口生產設備配套很好，但由于成本、適用性、保密性等要求，以致近年來自主研發MES在占有的比重增加。目前國內的MES系統雖然在設計上靠近ISA-95標準（Instrumentation, Systems, and Automation Society，儀器、系統與自動化協會），但該標準只從生產業務需求的角度進行了描述，沒有具體的技術實現，導致各家在技術層面區別較大。而現場數據采集模塊處于MES系統軟硬件相接的位置，負責將生產數據穩定、有效的傳輸到軟件系統中，屬于不可或缺的重點模塊。但是從手工組裝到全自動生產線，采集方式和數據量千差萬別，糟糕的設計會使MES產品適用性大打折扣。筆者從事MES系統開發實施多年，總結了一種在以太網結構下，能夠適應大多數生產節拍的彈性采集接口，在此共享給各位，希望能拋磚引玉，促進自動化行業的發展。

1 功能需求

要實現一個彈性的數據采集接口，就必須在大多數生產企業中找到數據采集的共性，同時為了各企業的個性化需求，還應該留出擴展余地。因此我們需要對目前的各種數據采集手段進行分類和總結。這方面已有很多著作進行過論述，限于篇幅，不作詳細說明，只使用一些結論性的知識：

1）數據采集按采集方式來區分，有手動、半自動、全自動三種方式；其中手動指人工錄入，半自動指使用專用設備但是需要人工發起傳輸，全自動指通過OPC（OLE for Process Control，一種工業控制系統數據傳輸標準）或者公開、私有協議進行傳輸。

2）按照生產方式、節拍、數據量來區分，可以分為異步采集和同步采集，對于節拍迅速的企業，可能要求具有更高的實時性。

3）按照采集數據的目的不同，可以分為實時分析與數據儲備兩類。一般情況下，實時分析主要用作生產實時反饋，所需要的數據并不完全進入歷史數據庫。而數據儲備的實時性要求不強，主要用于企業后期進行追溯、報表及產能分析。

在設計數據采集接口的時候，要綜合考慮上述各種情況，結合現代計算機技術，合理構造，才能達到性能穩定、擴展性高的設計目標。

2 基本架構

為了適應不同的采集方式，數據采集接口內部采用分層設計（采集層+轉發層）的思路，兩層之間使用UDP（User Datagram Protocol，用戶數據報協議）網絡協議進行數據傳遞（極端情況可采用內存數據共享提升速度）。采集層面向輸入端，提供人機、OPC、各類協議的采集接口，同時使用統一的內部傳輸規則向轉發層進行數據發送；轉發層接收到采集層傳來的數據，直接放入數據緩存隊列，然后再根據不同的邏輯對緩存的數據隊列進行計算、轉發和存儲。這里有兩個技術要點：

1）層之間使用UDP協議：提供更快速的傳輸和響應，要求采集層收集的數據需要帶有時間戳記，以克服UDP傳輸可能帶來的數據順序錯位。

2）轉發層的數據緩存：根據不同場合的數據量及實時性要求，建立不同大小的數據緩存隊列，一方面在高速數據傳輸過程中不會丟失數據，另一方面便于計算機對批量數據進行分析處理，降低磁盤I/O。

圖1是模塊的結構示意圖。

圖1 模塊結構示意圖

需要說明的兩個部分：

1）如果要實現數據實時分析，那么數據隊列建議設計成環形數組，數組大小需要根據實際情況進行設計，既保證實時分析的時間片能夠覆蓋到足夠的數據，又保證分析時間內不會產生數據覆蓋。

2）UDP在采集層與轉發層之間的數據協議盡量簡單，保證一個數據包即可傳送完成。在作者開發的MES系統中，使用了“ID+時間戳+數據”的簡單格式，保證傳輸速度和解析速度。

3 擴展支持

數據采集接口設計之初，即充分考慮了其擴展性，圖A中標有圓圈數字的部分，就是可以加以擴展的地方，這里針對部分典型情況給出思路：

1）協議擴展：數據采集接口的采集層應具備擴展性，以支持除現有協議之外的數據采集。因此我們在圖1①的地方留出了擴展余地，使采集層能夠集成多種協議，統一進行數據傳送。

2）加密傳輸：軍工和高技術企業對保密性要求較高。數據采集過程中的失密，主要發生在傳輸階段。大多數MES用明文在局域網中傳輸數據，很容易被抓包、存儲和分析，因此可以在圖1②的地方，使用公私密鑰等加密技術，確保數據不被破解。

3）高速數據采集：雖然很少遇到，但有些企業實時分析要求較高。在本文所設計的接口中，可以采用共享內存的方式替代UDP進行數據傳輸，也就是用圖1③的部分替換掉UDP傳輸，把傳輸和數據緩存集成到了一起，建立在同一臺服務器上，延遲可進一步降低至幾毫秒。

4）專業數據方案支持：目前，有很多支持高速度、大容量、分布式的緩存和數據庫產品。如果企業有這方面需求，可以擴展前面圖1④的部分；如果要用的數據緩存產品替代本方案中的數據隊列，可以擴展前面圖1⑤的部分。

為了適應更多狀況，具體實施過程中，即使是數據采集接口內部，也建議按照模塊化、接口化來規劃各功能，增加系統彈性，以更大的靈活性應對車間技術升級或者流程改造。

4 結束語

文中所提數據采集接口已在本單位自主研發的MES系統中實現并應用到不同客戶群體，既包括低節拍離散型裝配車間，也包括高速連續制造企業，即可以采集工序、質量、設備、物料等數據，也可以采集變化頻繁的設備信號，且效果良好，運行穩定，擴展簡單。這種思路不僅限于MES，也可以用到其他SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，監控和數據采集）采集場合。篇幅所限，未提供硬件部署和偽代碼，也沒有論述高并發和分布式的相關內容。有興趣可聯系作者，希望得到同行指正。

[1]ISA-95國際標準[S].http://www.isa-95.com/subpages/technology/isa-95.php.

[2]顧榮慶,等.分布式數據緩存技術研究[J].計算機應用與軟件,2011(06).