制造執(zhí)行系統（MES）是美國MESA20世紀90年代提出的面向車間的信息管理系統，是連接計劃層和現場控制層之間的紐帶，通過提供從訂單到產品完成整個制造過程的信息來優(yōu)化企業(yè)管理，協助企業(yè)建立一體化和實時化的管理信息體系。因此實時數據傳輸與共享是MES保證企業(yè)執(zhí)行生產的關鍵技術，而無線射頻技術（RFID）是一種非接觸式的數據采集自動識別技術，目前應用于零售業(yè)產品標簽，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，與現有MES集成不僅為生產提供實時信息，而且也為產品全生命周期管理（PLM）提供一個移動數據庫。

1 制造執(zhí)行系統

1.1 MES含義

國際制造執(zhí)行系統協會（MESA，Manufacturing Execution System Association）對MES的定義是，MES提供的信息優(yōu)化從訂單投入到產品完成的整個生產過程。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、提高收益和現金流的績效。MES在企業(yè)和供應鏈間以雙向交互的形式提供生產活動的必備信息。

MES作為生產信息系統，也就是收集生產過程中大量的實時數據，并對實時事件分析及時處理，同時又與計劃層和生產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。確切地說，MES是一系列功能的集成，連接著計劃與控制系統，設計理念與生產執(zhí)行，銷售能力與生產機制，客戶與供需等。一方面關注生產過程中的即時生產與實時掌握在制品的產量與品質狀況，另一方面采集和分析數據實時掌握設備運行狀況和在線物料，記錄生產經過的工序、設備、所用物料和經手人員。主要功能包括資源分配及狀態(tài)管理，工序生產計劃與調度，文檔控制，現場數據采集，人力資源管理，質量管理，過程管理，維護管理，產品跟蹤以及性能分析。

1.2 數據采集

MES中的數據采集功能，是負責采集生產現場中的各種必要的實時更新的數據信息，并為其他MES功能的數據管理提供數源。數據類型按管理方式分為：工藝資源數據、人力資源數據、產品質量數據，如表1所示。

由表1可看出，大部分采集的數據都與工藝資源相關，各種數據之間都或多或少有著關聯，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、主軸轉速等；準備狀態(tài)時，是調試、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，數據采集方法不盡相同，離散制造行業(yè)生產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的數據進行采集。連續(xù)制造行業(yè)，生產自動化的程度相對比較高，數據采集主要就是通過部署各種現場總線來進行采集。

2 RFID技術

2.1 RFID系統

RFID（射頻識別）系統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據。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流程等在內大量信息的芯片貼在產品表面，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進行有關數據處理。

RFID技術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據傳輸，以達到目標識別和數據交換的目的。與傳統的條碼相比，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技術更適合于作業(yè)環(huán)境不確定的制造業(yè)。

2.2 RFID數據采集在MES中應用

現代化制造業(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，數據都要準確記錄，這需要過程中更多地進行數據采集自動識別，保證計劃和執(zhí)行相符合，并對不符合的及時采取措施調整。因此RFID技術作為一種數據采集與管理的手段，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，可以無縫且不間斷地集成從RFID捕獲的信息并鏈接到現有的控制系統基礎結構（如Profibus），與配置RFID功能的供應鏈協調，向已有的制造執(zhí)行系統可以發(fā)送準確、可靠的實時信息流，從而創(chuàng)造附加值，提高生產率和大幅度地節(jié)省投資。

① 在質量管理方面，RFID可提供不斷更新的實時數據流，可用來保證正確使用勞動力、機器、工具和部件，從而實現無紙化生產和減少停機時間，以保證可靠性和高質量；搜集如產品標識符、物理屬性、訂貨號等信息，自動建立支持質量保證體系所要求的質量跟蹤和工作歷史文檔，實現復雜的批次跟蹤。特別是在混合裝配線生產中，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 在產品追蹤方面，能實現從原材料到最終產品的全面跟蹤。只要零件進入生產線或到達完工區(qū)，將自動記錄工序、設備和操作者編號、加工時間，避免了后期人工數據輸入、條碼掃描等操作產生的不精確數據或誤差。

③ 在計劃調度方面，諸如機床等加工設備上的RFID提供運轉時間、可用性狀態(tài)、性能特征，并含有技術參數、使用刀具情況、已進行的生產活動，這樣就可以結合產品工藝規(guī)程單按現有設備利用率進行車間內實時計劃排程。

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，然后寫入最新的數據更新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

3.1 RFID中間件

為了解決多種硬件系統平臺和各種系統軟件分布異構問題而產生的中間件技術，它是位于不同操作系統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，還必須包括解譯數據、安全性、數據廣播、錯誤恢復、定位網絡資源、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)務應用系統的橋梁，是實現RFID與后臺應用軟件（如MES軟件等）間數據獲取和管理的集成技術。

3.2 RFID與MES集成方法

RFID中間件由數據采集和后臺數據庫網絡應用系統組成，歷經3個階段（如圖1），RFID數據采集完成RFID數據從RFID硬件設備的采集、過濾和合并；RFID數據管理完成RFID數據的存儲、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)應用系統的復雜度增高，數據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，同時存在著面向對象標準化等問題，因此產生RFID架構中間件；第3個中間件階段是各廠商針對不同行業(yè)領域提出具體解決方案，如SUN閉公司的Sun Java系統RFID軟件包括針對倉儲管理、資產追蹤、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；從物理結構上可分為5層，分別是硬件層、采集數據層、工作流管理層、服務層、遺留系統層。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調，還能按照一定的規(guī)則過濾數據，篩除大部分冗余數據，將真正有效的數據傳送給后臺的信息系統；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，與各種現有應用系統進行很好的集成，用戶可以圍繞這些數據進行業(yè)務流程的創(chuàng)新和新的應用（如圖2所示）。

3.3 RFID與MES集成數據流

RFID標簽內置編碼是數據的載體，EPCglobal對標簽類別按是否可讀寫、可讀寫次數等特點分為0-5類，例如0級標簽編碼是由4段96位組成，分別代表信息的構成、制造商、產品類、產品名。這些存儲在RFID中的編碼由讀寫器每秒120和400次進行輪詢讀取數據，經RS422/RS232接口連接到現場總線。標簽URI（統一資源標識）數據由ALE（應用層事件管理）去除冗余數據，被過濾的標簽數據經ONS（對象名解析服務）把標簽數據中字節(jié)轉化為對象數據URL（統一資源定位），還有一部分數據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。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激活的實體相關信息。EPCIS（電子標簽信息服務）是一種內部數據交換標準，定義了基于安全Web服務的數據交換機制，以及所有電子標簽內部數據交換和事件信息。經過PML/EPCIS產品數據就可以被送到后端的MES/ERP/WMS等企業(yè)遺留系統中，如果是可寫RFID標簽，則從后端業(yè)務系統就可以更新其標簽數據（如圖3所示）。

4 結束語

隨著企業(yè)信息化發(fā)展，制造執(zhí)行系統的功能不單單在于企業(yè)內部，而是基于產品全生命周期管理的信息交互與共享。RFID技術與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，提高了生產率，經濟效益更為突出。目前RFID標簽的數據內容編碼還未形成統一的全球化標準，區(qū)域性標準已發(fā)布，這樣通過互聯網RFID不僅僅實現制造執(zhí)行系統內的信息交流，而且可實現與企業(yè)其他應用系統的集成，從而使產品信息識別和實時信息共享成為可能。

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