项目8 数据采集管理
项目导读
知识目标
1.了解MES系统数据采集概念；
2.了解生产制造车间数据采集的各种方式；
3.理解数据采集在MES系统中的作用。
技能目标
1.掌握几种常见的数据采集方法，如现场仪表采集、PLC采集、数控机床采集等；
2.学会如何在MES系统中使用采集到的数据。
项目背景
数据采集是MES系统业务进行的根本，也是MES系统进行统计分析的基础。MES系统的最大特点，就是能实时收集生产过程中的各类信息、数据，然后汇集到数据库中，做数据分析及供管理层查询。如何高效地采集车间的各类数据，是决定一个MES项目实施成败的关键环节。MES系统软件应用中根据不同的数据、应用场景、人员能力、设备投入等方面的因素需要采用不同的数据收集方式，选择不同的数据收集设备。
项目描述
一个生产制造型企业常见的车间数据采集有以下几种方式：
1.必须录入的数据
必须录入的数据指系统必须直接从外部获得的数据。系统可以通过规格基础定义功能以及过程数据基础定义功能完全地自行建立属于企业自己的数据收集项目库。例如产品编码、产品流程、工序名称、工艺条件目标等。
2.系统自动生成的数据
生产过程中的部分由事件触发的数据可以由系统在生产过程中自动收集，主要包括：工序开始操作的时间、结束的时间、设备的状态等。这一类的数据，可由时间触发之后，根据原本设定的基础数据，由系统自动收集。
3.通过条码采集的数据
通过条码收集制造数据的方式是最为普遍的方式之一。条码收集数据的前提是信息可以以编码的方式表达或与预设的数据通过编码建立对应关系。条码方式可收集的数据主要包括：产品批号、物料批号、加工资源编号、运输资源编号、人员编号、异常类别、异常现象、设备状态（维修、保养、故障停机等）、作业开始、作业结束等。条码可以提高数据录入的准确性，提高录入速度，且成本较低。因此，尽可能将数据进行分类然后编码处理，转化成条码的方式表达，以便于现场的数据采集。
4.通过RFID采集的数据
随着RFID技术的成熟，此技术已广泛应用于MES系统中，替代条码完成对制造车间生产过程信息的各种采集。制造车间生产过程中的数据包括车间人员、物料、加工设备、工单、工装、加工过程等，涉及车间各个部分。生产现场的数据包括工人、物料、设备、工单、车间加工过程等。而RFID技术能准确、快速、可靠地提供实时数据，使用数据采集器现场采集生产过程中的生产信息比在生产线上放几台电脑手工录入更为方便、简捷、迅速。
通过采用RFID技术，系统能够自动采集生产数据和设备状态数据，为生产管理者提供企业业务流程所有环节的实时数据，允许结合各工序设备的工艺特点和相关的工艺、质量指标参数，进行各生产重要环节的工艺参数和设备运行参数等生产信息的在线监测和分析，帮助企业实现生产过程中半成品工序、成品工序的计量，仓储的出入库管理自动化和信息化集成，供应链的自动实时跟踪，销售及售后服务反馈，让企业领导可实时掌握流程信息，并对企业业务进行监督管理。
5.采集传感器及计量仪表的数据
工业现场存在许多种不同类型的传感器及计量仪表。MES系统的数据采集可以从现场的传感器及计量仪表中获取。采集内容主要为温度传感器、压力传感器、流量传感器、速度传感器、无线数据采集卡和工控机系统等。MES系统可以通过直接采集传感器数据的方式，或者采集生产现场计量仪表的方式，实时地获取车间现场的数据，存储到数据库中，为MES系统提供基础数据支撑。
6.采集车间设备的数据
生产制造类车间的生产线有各种各样的形式，设备控制系统也都各不相同，例如有DCS系统，PLC控制系统，数控系统，工业机器人控制系统等等。如果企业需要管控到这些不同的设备，监控设备的运行状态和设施，就要根据不同的自动化系统，来采取差异化的数据采集方案，例如：DNC网卡方式、宏指令方式、PLC采集方式、DCS采集方式等。
实时、准确的生产数据采集是MES得以成功的重要基础，企业MES建设中应该充分考虑其数据采集的特点，在采集过程中，根据完整性、实时性、多种采集技术综合应用、人机结合、易于集成应用等原则，运用多种数据采集方式，并利用计算机、数据网络通信设备、各种技术标准和实时历史数据库软件的有机组合来实现生产数据的集成应用。
总之，MES制造执行系统的特点即是能实时收集生产过程中的各类信息、数据，然后汇集到数据库中，做数据分析及供管理层查询。如何高效地采集车间的各类数据，是决定一个MES制造执行系统软件项目实施成败的关键环节。
本项目通过两个任务完成模拟车间的MES系统需要的相关数据采集工作。
学习情景1：数据采集方式
学习任务描述
通过分析PLC采集、数控机床采集、传感器采集、现场仪表采集四个部分，学习生产制造型企业车间经常遇到的现场生产数据采集方案。
学习目标
通过学习，希望使学生能够达到以下几点知识、技能与素质目标：
1.了解生产制造车间数据采集的几种常见方式及其数据采集原理；
2.理解采集到的数据在MES系统中的用途；
3.通过小组合作，能够通过实训平台完成几种常见的数据采集任务，包括PLC、数控系统、现场仪表、传感器的数据采集工作，同时培养学生的工程实践能力、团队协作能力。
任务书
本任务需要采集某汽车锻造公司的生产车间现场数据。主要包括以下几个方面：
1.车间数控设备的数控系统中的一些关键数据，例如机床状态（运行、空闲、关机、报警等）、主轴负载、当前程序、当前加工零件、进给速度、主轴倍率等相关数据；
2.PLC控制系统的关键数据，例如温度、压力、流量、液位等相关数据；
3.车间仪表数据，例如电量、用水量、煤气量、氧气量等仪表数据；
4.车间底层传感器数据，例如温度、压力等现场数据。
通过实训平台，使用数据采集网关等采集设备，通过不同的技术手段将现场的数据采集到相关的数据库中，同时可以通过相关的客户端软件对数据进行展示与分析。
任务分组
将班级学生分组，6人或7人为一组。
设置2名数据采集整理人员，负责车间所有数据的整理工作，两名成员保证将用户需求的采集数据以列表的形式整理成文档，以供整个小组进行数据采集技术分析工作；
设置1名数控系统数据采集人员，负责整理数控系统采集工作；
设置1名PLC数据采集人员，负责整理PLC相关数据采集工作；
设置1名仪器仪表数据采集人员，负责整理仪表相关数据采集工作；
设置1名传感器数据采集人员，负责整理传感器采集工作。
由于整个数据采集系统涉及车间级的各个底层控制系统与传感器，需要各组成员发挥每个人的技术特长，群策群力，完成整个实训任务，培养学生的团队协作能力。学生任务分组表见表8-1-1。
表8-1-1 学生任务分组表
获取信息
？引导问题1：自主学习数据采集的基本知识。
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？引导问题2：查询资料，数控系统都有哪些数据可以被采集得到，具体的采集方法有哪些？用到哪些技术？
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？引导问题3：列举几种常见的PLC控制器。查询资料，怎样获取这些PLC中的数据？
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？引导问题4：列举几种常见的仪表。查询资料，怎样获取这些仪表的相关数据？（提示：电表、水表、流量计等）
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？引导问题5：列举几种常见的传感器。查询资料，怎样获取这些传感器的相关数据？（提示：温度、压力、流量、速度等）
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？引导问题6：请思考这些数据经过采集后，是怎样进行存储的？
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？引导问题7：MES系统为什么使用这些数据，MES系统都可以在哪些功能里进行数据集成？
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小组讨论，填写表8-1-2。
表8-1-2 车间数据采集点表
工作计划
按照任务书要求和获取的信息，结合实训平台，进行数据采集过程的执行与记录工作，并填写表8-1-3。
表8-1-3 工作计划表
工作实施
一、PLC采集
PLC为现在制造业应用最广泛的控制器，大部分产线、设备都通过PLC进行控制，实现了对PLC的采集，即可实现对大部分设备数据的采集。常见的PLC有西门子、三菱、欧姆龙等。
如下为西门子PLC数据采集案例：（通过PLC对机器人数据进行采集）
二、机床控制器采集
通过机床控制器采集，可采集机床的轴坐标、进给速度、进给倍率、当前程序号、机床状态、加工时间、运行模式等一系列数据。数据皆为通过modbus 协议直接从机床控制器读取。
如下为KND机床控制器采集案例：
三、仪表采集
在制造企业当中，存在着大量的仪器仪表，包括水表、电表、燃气表等等，都属于能源用表。对此类仪表数据的采集并实时监控，可有效控制能源费用的支出，减少制造成本。
仪表采集方式如图8-1-1所示，串口服务器通过串口线连接带有串口的仪表，通过网线连接PC机，进而通过串口服务器实现串口设备和PC机之间的双向数据传输。
图8-1-1 仪表采集方式
此为通过modbus协议对水电仪表数据进行采集。
检查验收
根据各小组数据采集任务完成情况，按照验收标准进行检查验收和评价，包括数控采集、PLC采集、仪表采集、传感器采集等，将验收问题、整改措施及完成时间进行记录。验收标准及评分表见表8-1-4，验收过程问题记录表见表8-1-5。
表8-1-4 验收标准及评分表
表8-1-5 验收过程问题记录表
评价反馈
各组展示数据采集效果，介绍任务的完成过程并提交阐述材料，进行学生自评、学生组内互评、教师评价，完成考核评价表。考核评价表见表8-1-6。
？引导问题8：在本次完成任务的过程中，给你印象最深的是哪件事？自己的职业能力有哪些明显提高？
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？引导问题9：你对MES数据采集方式了解了多少？还想继续学习关于MES的哪些内容？
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表8-1-6 考核评价表
拓展知识
数据采集是指被测对象的各种参量通过各种传感器做适当转换后，再经过信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤传递到控制器的过程。被采集数据是已被转换为电信号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。在互联网行业快速发展的今天，数据采集已经被广泛应用于互联网并分布到各领域，数据采集领域已经发生了重大的变化。首先，分布式控制应用场合中的智能数据采集系统在国内外已经取得了长足的发展；其次，总线兼容型数据采集插件的数量不断增大，与个人计算机兼容的数据采集系统的数量也在增加。国外各种数据采集机先后问世，将数据采集带进了一个全新的时代。
一、生产数据
智能制造离不开车间生产数据的支撑。在制造过程中，数控机床不仅是生产工具和设备，更是车间信息网络的节点，通过机床数据的自动化采集、统计、分析和反馈，将结果用于改善制造过程，将大大提高制造过程的柔韧性和加工过程的集成性，从而提升产品质量和生产效率。
生产数据及设备状态信息采集分析管理系统MDC（Manufacturing Data Collection & Status Management）主要用于采集数控机床和其他生产设备的工作和运行状态数据，实现对设备的监视与控制，并对采集的数据进行分析处理，也可为MES和ERP等其他软件提供数据支持。MDC系统是机床数据采集系统和机床数据分析处理系统的集成，是具有数据采集，机床监控，数据分析处理，报表输出等功能的车间应用管理和决策支援系统。
MDC通过与数控系统、PLC系统以及机床电控部分的智能化集成，实现对机床数据采集部分的自动化执行，不需要操作人员的手动输入，保障了数据的实时性和准确性。在采集数据的挖掘方面，MDC为企业提供了更为专业化的分析和处理，个性化的数据处理和丰富的图形报表展示，对机床和生产相关的关键数据进行统计和分析，如开机率、主轴运转率、主轴负载率、NC运行率、故障率、设备综合利用率（OEE）、设备生产率、零部件合格率、质量百分比等。精确的数据及时传递并分散到相关流程部门处理，实时引导、响应和报告车间的生产动态，极大地提高了解决问题的能力，推进了企业车间智能制造的进程。
二、数据采集的过程
数据采集系统架构分为设备层、采集层、存储层、应用层，如图8-1-2所示。设备层为生产车间的常见自动化设备及仪器仪表等，如PLC、机床控制器、传感器、仪表等；采集层为与设备对接的数据采集接口，如以太网模块、变送器、串口转网口、IOT GateWay软件网关；存储层为采集数据的存储区域，分为实时存储与持久性数据存储，实时数据存储采用Redis实时存储数据库，主要存储实时性数据。持久数据存储采用MongoDB数据库，可存储数据量庞大的历史运行数据。应用层为最终的功能体现，实现功能的应用，包括设备管理配置、数据处理展示、消息推送等应用。
图8-1-2 数据采集架构图
数据采集过程的原始数据是反映试验结构或试验状态的物理量，如力、温度、线位移、角位移和应变等。这些物理量通过传感器，被转换成为电信号；通过数据采集仪的扫描采集，进入数据采集仪，再通过A/D转换，变成数字量。通过系数换算，变成代表原始物理量的数值，然后把这些数据打印输出、存入磁盘或暂时存在数据采集仪的内存；通过连接采集仪和计算机的接口，存在数据采集仪内存的数据进入计算机，计算机再对这些数据进行计算处理，如把位移换算成挠度、把力换算成应力等。计算机把这些数据存入文件、打印输出，并可以选择其中部分数据显示在屏幕上，如位移与荷载的关系曲线等。如图8-1-3所示。
图8-1-3 数据采集过程图
数据采集过程是由数据采集程序控制的，数据采集程序主要由两部分组成，第一部分的作用是数据采集的准备，第二部分的作用是正式采集。程序的运行有六个步骤，第一步为启动数据采集程序，第二步为进行数据采集的准备工作，第三步为采集初读数，第四步为采集待命，第五步为执行采集（一次采集或连续采集），第六步为终止程序运行。数据采集过程结束后，所有采集到的数据都存在磁盘文件中，数据处理时可直接从这个文件中读取数据。
三、软件架构
数据采集软件包含设备层、采集层、存储层、应用层四个标准层级架构。如图8-1-4所示。
图8-1-4 数据采集软件架构图
1.设备层
系统设备层包括PLC、机床控制器、传感器、仪表等硬件设备。这些设备需本身自带网口或增加网络模块，才能支持网络数据采集。常见的网络附加模块包括PLC以太网口模块、Fanuc PCMCIA转以太网模块、串口转网口模块、串口转WiFi模块等。
2.采集层
系统采集层包括依据设备自身网络通信协议进行数据交互的软件采集功能模块。网络协议包括Modbus/Profinet/MQTT/OPC-UA/MTConnect等。软件采集功能模块将采集的实时秒级数据转发给IOTGateWay网关，由网关向存储层提供数据。
3.存储层
存储层提供设备定义与数据配置信息。将实时数据先存入Redis缓存系统，经过实时数据清洗、计算后，将有效数据存入持久化的MongoDB数据库。
4.应用层
应用层通过与Redis、MongoDB数据库的对接，使用WEB服务获取设备与数据信息，支持网页端的设备管理、数据展示、消息推送等功能。
四、网络架构
数据采集系统要求车间及办公网络支持。建议的网络配置如图8-1-5所示。
图8-1-5 数据采集网络架构图
参数要求：RJ45网线要求：Cat.5e及以上，带金属屏蔽网层，传输速 率≥100 Mbps；无线AP/路由/交换机要求：工业级，传输速率≥100 Mbps。
五、串口知识
串行接口简称串口，也称串行通信接口或串行通信接口（通常指COM接口），是采用串行通信方式的扩展接口。串行接口是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信（可以直接利用电话线作为传输线），从而大大降低了成本，特别适用于远距离通信，但传送速度较慢。
串口的出现是在1980年前后，数据传输率是115 kbps ～ 230 kbps。串口出现的初期是为了实现连接计算机外设的目的，初期串口一般用来连接鼠标和外置Modem以及老式摄像头和写字板等设备。串口也可以应用于两台计算机（或设备）之间的互联及数据传输。由于串口（COM）不支持热插拔及传输速率较低，部分新主板和大部分便携电脑已开始取消该接口。串口多用于工控和测量设备以及部分通信设备中。
接口划分标准
串行接口按电气标准及协议来分，包括RS-232、RS-422、RS485等。RS-232、RS-422与RS-485标准只对接口的电气特性做出规定，不涉及接插件、电缆或协议。
1.RS-232
RS-232也称标准串口，是最常用的一种串行通信接口。它是在1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制订的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。传统的RS-232-C接口标准有22根线，采用标准25芯D型插头座（DB25），后来使用简化为9芯D型插座（DB9），现在应用中25芯插头座已很少采用。
RS-232采取不平衡传输方式，即所谓单端通讯。由于其发送电平与接收电平的差仅为2 ～ 3 V，所以其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离为约15 m，最高速率为20 kb/s。RS-232是为点对点（即只用一对收发设备）通讯而设计的，其驱动器负载为3 ～ 7 kΩ。所以RS-232适合本地设备之间的通信。
2.RS-422
RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，它定义了接口电路的特性。典型的RS-422是四线接口。实际上还有一根信号地线，共5根线。其DB9连接器引脚定义。由于接收器采用高输入阻抗和发送驱动器比RS-232更强，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点。即一个主设备（Master），其余为从设备（Slave），从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。接收器输入阻抗为4k，故发送端最大负载能力是10×4k+100 Ω（终接电阻）。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，各装置之间任何必需的信号交换均可以按软件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一对单独的双绞线）实现。
RS-422的最大传输距离为1 219 m，最大传输速率为10 Mb/s。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100 kb/s速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1 Mb/s。
3.RS-485
RS-485是从RS-422基础上发展而来的，所以RS-485许多电气规定与RS-422相仿。如都采用平衡传输方式，都需要在传输线上接终接电阻等。RS-485可以采用二线与四线方式，二线制可实现真正的多点双向通信，而采用四线连接时，与RS-422一样只能实现点对多的通信，即只能有一个主设备（Master），其余为从设备，但它比RS-422有改进，无论四线还是二线连接方式总线上可多接到32个设备。
RS-485与RS-422的不同还在于其共模输出电压是不同的，RS-485为 -7 ～ +12 V，而RS-422为-7 ～ +7 V；RS-485接收器最小输入阻抗为12 kΩ，RS-422为4 kΩ。由于RS-485满足所有RS-422的规范，所以RS-485的驱动器可以在RS-422网络中应用。
RS-485与RS-422一样，其最大传输距离为1 219 m，最大传输速率为 10 Mb/s。平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100 kb/s速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般100 m长双绞线最大传输速率仅为1 Mb/s。
六、检测报告采集
检测报告采集包括采集一些检测设备的检测数据以及人工质检信息等。检测数据，例如第五章介绍的三坐标检测仪、粗糙度检测仪、视觉影像检测仪等，都属于常见的检测设备。这类设备检测后，都会生成一个检测报告，检测报告的格式根据不同的检测设备及设置方式有不同的形式，例如word、pdf、excel、txt等格式。
检测报告的采集主要有三种方式：
测量报告及日志：系统通过自动定时读取或人工手动导入log文件的方式，采集检测报告。一般检测设备在检测完之后，会生成检测报告文件，保存在指定路径，只要根据指定路径读取该文件，即可获取检测报告。如图8-1-6所示。
图8-1-6 三坐标检测报告
数据通信接口获取：有些设备的检测结果会直接保存至系统控制器内，可以根据设备的通信协议开发对应的接口获取其检测报告。例如机床在线测量头，在测量结束后，会将测量结果保存至机床控制器宏程序内，只要读取对应地址的数据，即可获取检测结果。如图8-1-7所示。
图8-1-7 在线测量头测量结果
人工填写表单：对于一些人工手动检测的报告，可由质检人员手动通过MDC网页端填写相应的质检信息。对于人工手动填写的质检信息，需要按照系统给定填写模板进行填写，方便后期的数据统计及管理。如图8-1-8所示。
图8-1-8 手动录入质检信息
七、设备闭锁控制
设备闭锁控制是指对于一些关键设备，只允许某一固定人员或有特殊订单时才可以开启生产，否则无法启动。这类功能常出现在军工企业以及一些对生产控制较为严格的企业当中。
具体控制流程为：当有特殊生产订单时，通过管理员将订单派发至指定设备和人员；人员登录系统，选择订单；服务器远程解锁该设备；指定人员开启设备并开始加工；机床运行参数实时监控；加工结束，指定人员报工注销并离开；服务器远程锁定设备；加工结束，释放设备。如图8-1-9所示。
图8-1-9 设备闭锁控制流程
八、环境数据采集
环境数据包括温度、湿度、落尘等，对于此类环境数据采集，需要增加相应的温湿度传感器、落尘传感器。通过传感器采集车间的环境数据，并将数据传给MDC数据采集系统，实现对车间环境的采集。如图8-1-10，图8-1-11，图8-1-12所示。
图8-1-10 环境采集数据
图8-1-11 温湿度传感器
图8-1-12 落尘传感器
九、RFID定位采集
RFID定位采集是通过在工人工卡上安装RFID定位卡片的方式定位工人的位置。工人工卡中装有RFID定位卡片，在车间内墙壁上安装射频天线，则射频天线可以接收卡片的位置信息，并将接收到的位置信息利用射频网关接入到网络中，即可定位每个工人的位置，并可生成工人当天的运行轨迹图。如 图8-1-13，图8-1-14，图8-1-15，图8-1-16所示。
(www.xing528.com)
图8-1-13 射频天线
图8-1-14 射频网关
图8-1-15 射频定位卡
图8-1-16 人员定位
十、RFID知识
无线射频识别即射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID），是自动识别技术的一种，通过无线射频方式进行非接触双向数据通信，利用无线射频方式对记录媒体（电子标签或射频卡）进行读写，从而达到识别目标和数据交换的目的，其被认为是21世纪最具发展潜力的信息技术之一。RFID的应用非常广泛，典型应用有动物晶片、汽车晶片防盗器、门禁管制、停车场管制、生产线自动化、物料管理。
无线射频识别技术通过无线电波不接触快速信息交换和存储技术，通过无线通信结合数据访问技术连接数据库系统，加以实现非接触式的双向通信，从而达到识别的目的并用于数据交换，串联起一个极其复杂的系统。在识别系统中，通过电磁波实现电子标签的读写与通信。根据通信距离，可分为近场和远场，为此读/写设备和电子标签之间的数据交换方式也对应地被分为负载调制和反向散射调制。
1.RFID的工作原理
RFID技术的基本工作原理并不复杂，标签进入读写器后，接收读写器发出的射频信号，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（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），读写器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。
一套完整的RFID系统，是由读写器与电子标签也就是所谓的应答器及应用软件系统三个部分所组成，其工作原理是读写器（Reader）发射一特定频率的无线电波能量，用以驱动电路将内部的数据送出，此时Reader便依序接收解读数据，送给应用程序做相应的处理。
以RFID卡片读写器及电子标签之间的通信及能量感应方式来看，大致上可以分成：感应耦合及后向散射耦合两种。一般低频的RFID大都采用第一种方式，而较高频大多采用第二种方式。
读写器根据使用的结构和技术不同可以是读或读/写装置，是RFID系统信息控制和处理中心。读写器通常由耦合模块、收发模块、控制模块和接口单元组成。读写器和标签之间一般采用半双工通信方式进行信息交换，同时读写器通过耦合给无源标签提供能量和时序。在实际应用中，可进一步通过Ethernet或WLAN等实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等管理功能。
2.RFID的组成部分
完整的RFID系统由读写器（Reader）、电子标签（Tag）和数据管理系统三部分组成。
关于读写器
读写器是将标签中的信息读出，或将标签所需要存储的信息写入标签的装置。根据使用的结构和技术不同，读写器可以是读/写装置，也是RFID系统信息控制和处理中心。在RFID系统工作时，由读写器在一个区域内发送射频能量形成电磁场，区域的大小取决于发射功率。在读写器覆盖区域内的标签被触发，发送存储在其中的数据，或根据读写器的指令修改存储在其中的数据，并能通过接口与计算机网络进行通信。读写器的基本构成通常包括：收发天线，频率产生器，锁相环，调制电路，微处理器，存储器，解调电路和外设接口组成。
（1）收发天线：发送射频信号给标签，并接收标签返回的响应信号及标签信息。
（2）频率产生器：产生系统的工作频率。
（3）锁相环：产生所需的载波信号。
（4）调制电路：把发送至标签的信号加载到载波并由射频电路送出。
（5）微处理器：产生要发送往标签的信号，同时对标签返回的信号进行译码，并把译码所得的数据回传给应用程序，若是加密的系统还需要进行解密 操作。
（6）存储器：存储用户程序和数据。
（7）解调电路：解调标签返回的信号，并交给微处理器处理。
（8）外设接口：与计算机进行通信。
关于电子标签
电子标签由收发天线、AC/DC电路、解调电路、逻辑控制电路、存储器和调制电路组成。
（1）收发天线：接收来自读写器的信号，并把所要求的数据送回给阅读器。
（2）AC/DC电路：利用读写器发射的电磁场能量，经稳压电路输出为其他电路提供稳定的电源。
（3）解调电路：从接收的信号中去除载波，解调出原信号。
（4）逻辑控制电路：对来自读写器的信号进行译码，并依读写器的要求回发信号。
（5）存储器：作为系统运作及存放识别数据的位置。
（6）调制电路：逻辑控制电路所送出的数据经调制电路后加载到天线送给读写器。
3.RFID的分类
射频识别技术依据其标签的供电方式可分为三类，即无源RFID，有源RFID与半有源RFID。
1）无源RFID
在三类RFID产品中，无源RFID出现时间最早最成熟，其应用也最为广泛。在无源RFID中，电子标签通过接受射频识别读写器传输来的微波信号，以及通过电磁感应线圈获取能量来对自身短暂供电，从而完成此次信息交换。因为省去了供电系统，所以无源RFID产品的体积可以达到厘米量级甚至更小，而且自身结构简单，成本低，故障率低，使用寿命较长。但作为代价，无源RFID的有效识别距离通常较短，一般用于近距离的接触式识别。无源RFID主要工作在较低频段125 kHz、13.56 MkHz等，其典型应用包括：公交卡、二代身份证、食堂餐卡等。
2）有源RFID
有源RFID兴起的时间不长，但已在各个领域尤其是在高速公路电子不停车收费系统中发挥着不可或缺的作用。有源RFID通过外接电源供电，主动向射频识别读写器发送信号，其体积相对较大。但也因此拥有了较长的传输距离与较高的传输速度。一个典型的有源RFID标签能在百米之外与射频识别读写器建立联系，读取率可达1 700 read/sec。有源RFID主要工作在900 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz等较高频段，且具有可以同时识别多个标签的功能。有源RFID的远距性、高效性，使得它在一些需要高性能、大范围的射频识别应用场合里必不可少。
3）半有源RFID
无源RFID自身不供电，有效识别距离太短。有源RFID识别距离足够长，但需外接电源，体积较大。而半有源RFID就是为这一矛盾而妥协的产物。半有源RFID又叫做低频激活触发技术。在通常情况下，半有源RFID产品处于休眠状态，仅对标签中保持数据的部分进行供电，因此耗电量较小，可维持较长时间。当标签进入射频识别读写器识别范围后，读写器先以125 KHz低频信号在小范围内精确激活标签使之进入工作状态，再通过2.4 GHz微波与其进行信息传递。也就是说，先利用低频信号精确定位，再利用高频信号快速传输数据。其通常应用场景为：在一个高频信号所能覆盖的大范围中，在不同位置安置多个低频读写器用于激活半有源RFID产品。这样既完成了定位，又实现了信息的采集与传递。
学习情景2：采集数据的管理
学习任务描述
通过设备监控模块，查看车间设备实时数据；通过统计分析模块，将得到的大量的车间现场数据进行统计分析，改善车间管理；通过程序管理模块了解数控程序管理方法；通过故障管理模块，了解故障统计功能的实现，分析故障原因，为设备预防性维修提供知识库支撑。
学习目标
通过学习，希望学生能够达到以下几点知识、技能与素质目标：
1.了解采集数据如何在MES系统中进行使用；
2.掌握在MES系统中采集数据与分析数据的方法；
3.掌握在MES系统中相关数据采集统计图表、报表的检索方法；
4.通过小组合作，完成MES采集数据的管理工作，提升学生的数据分析能力，提升小组的团队合作能力，提升学生对MES系统底层数据应用的理解。
任务书
对采集到的某汽车锻造公司的生产车间现场数据进行分析、统计等工作。主要包括以下几个方面：
1.设备监控：在MES系统中对所有车间设备进行在线监控功能；
2.统计分析：对采集到的数据进行一段时间的统计与分析工作；
3.程序管理：在本系统中实现DNC数控代码上传下载功能；
4.故障管理：通过对采集到的设备故障数据，进行统计与分析。
在MES系统，使用已采集到的数据，在客户端软件中对数据进行展示与统计分析工作。
任务分组
将班级学生分组，6人或7人为一组。
设置2名设备监控功能分析人员，负责设备监控功能的结果查看工作。
设置2名统计分析人员，负责对采集到的设备数据进行统计分析工作。
设置2名数控代码管理人员，负责数控程序上传下载测试工作。
设置1名设备故障管理人员，负责设备故障统计分析工作。
各组员需要在各自的工作领域完成任务要求，培养学生的团队协作能力。
学生任务分组表见表8-2-1。
表8-2-1 学生任务分组表
获取信息
？引导问题1：自主学习设备监控方面的基本知识。
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？引导问题2：自主学习统计分析方面的基本知识。
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？引导问题3：自主学习DNC（数控程序传输）方面的基本知识。
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？引导问题4：自主学习设备故障分析方面的基本知识。
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？引导问题5：设备监控都需要监控哪些类别的设备的哪些信息？哪些信息是最关键的数据？
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？引导问题6：数控程序传输主要的作用是什么？你能想到有什么方法能够将数控程序传输到机床的数控系统中？在传输过程中，我们要注意哪些问题？
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？引导问题7：设备故障分析对我们进行设备管理有何指导作用？
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工作计划
按照任务书要求和获取的信息，结合实训平台，进行数据采集过程的执行与记录工作，并填写表8-2-2。
表8-2-2 工作计划表
工作实施
一、设备监控
智能制造数据采集系统软件（MDC）对设备运行数据进行监控，具体包含制程工艺参数、水电气能耗数据、温湿度数据、摄像头监控，根据采集的数据生成运行图表，展示至大屏对设备运行情况进行实时监控，并配置报警信息，出现异常时及时报警。
1.设备列表
设备列表页面支持查看各车间设备图片与对应设备名称、设备编号、设备型号、设备状态。页面支持按班组过滤，支持按编号进行检索。如图8-2-1所示。
图8-2-1 设备列表
2.电子地图
电子地图页面支持根据车间三维平面图查看各车间的所有设备实时运行状态。如图8-2-2所示。
图8-2-2 设备平面图
3.实时参数
实时参数页面支持查看设备实时状态、实时参数数值。实时参数的类别根据设备自身所开放的接口所决定。如图8-2-3所示。
图8-2-3 实时参数
二、统计分析
1.历史记录
历史记录页面支持查看设备各种不同状态的变化时间点，包括开始时间、结束时间与总时长。支持根据开始时间、结束时间、设备、状态类型进行过滤查询。如图8-2-4所示。
图8-2-4 历史记录
2.历史统计
历史统计页面支持查看设备各种不同状态的累计时长，包括运行时间、待机时间、关机时间、报警时间、停水时间、停电时间、停气时间、其他意外时间、计划内停机时间及节假日时间。支持查看设备的计划利用率、设备稼动率、报警故障率、产能利用率、计划停机率。支持根据开始时间、结束时间、设备进行过滤查询。如图8-2-5所示。
图8-2-5 历史统计
3.每日分析
每日分析页面支持按每天为单位查看设备的设备稼动率、报警故障率、产能利用率。支持根据开始时间、结束时间、设备进行过滤查询。如图8-2-6所示。
图8-2-6 每日分析
4.月度分析
月度分析页面支持按月度为单位查看设备的设备稼动率、产能利用率。支持根据开始时间、结束时间、设备进行过滤查询。如图8-2-7所示。
图8-2-7 月度分析
5.年度分析
年度分析页面支持按年度为时间范围查看设备的设备稼动率、产能利用率、设备故障率。支持根据时间、设备进行过滤查询。如图8-2-8所示。
图8-2-8 年度分析
三、程序管理
1.程序下发
程序下发页面支持从文档发放系统调取程序文件，支持页面在线编辑程序，支持向单台或多台机床设备同时下发程序。如图8-2-9，图8-2-10所示。
图8-2-9 代码下发
图8-2-10 选择设备代码下发
2.程序上传
程序上传页面支持从设备调取程序文件，支持页面在线编辑程序，支持复制页面在线编辑的程序，支持将在线编辑的程序以TXT格式进行本地保存。如图8-2-11所示。
图8-2-11 程序上传
3.程序比较
程序上传页面支持在线比较两个程序文件，并以颜色进行标注比较结果不一致的一行。支持从设备或文档发放系统调取程序文件在线显示。如图8-2-12所示。
图8-2-12 程序比较
四、故障管理
1.故障历史
故障历史页面支持查看设备在某个时间段内所发生故障的故障编号、开始时间、结束时间、持续时长等故障信息。支持根据设备编号、时间段进行过滤查询。如图8-2-13所示。
图8-2-13 故障历史
2.故障统计
故障统计页面支持查看设备在某个时间段内所发生的各种故障类型在所有故障中所占百分比。支持根据设备编号、时间段进行过滤查询。如图8-2-14所示。
图8-2-14 故障统计
检查验收
根据各小组数据采集应用任务完成情况，按照验收标准进行检查验收和评价，包括设备监控、统计分析、数控程序传输、故障分析等，将验收问题、整改措施及完成时间进行记录。验收标准及评分表见表8-2-3，验收过程问题记录表见表8-2-4。
表8-2-3 验收标准及评分表
表8-2-4 验收过程问题记录表
评价反馈
各组展示各项任务应用效果，介绍任务的完成过程并提交阐述材料，进行学生自评、学生组内互评、教师评价，完成考核评价表。考核评价表见表8-2-5。
？引导问题8：在本次完成任务的过程中，给你印象最深的是哪件事？自己的职业能力有哪些明显提高？
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？引导问题9：你对MES数据采集应用了解了多少？还想继续学习关于MES的哪些内容？
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表8-2-5 考核评价表
拓展知识
MDC （Manufacturing Data Collection & Status Management）是一套实时采集、并报表化和图表化车间的详细制造数据和过程的软硬件解决方案。
MDC通过多种灵活的方法获取生产现场的实时数据（包括设备、人员和生产任务等），将其存储在Access，SQL 和 Oracle 等数据库，并以精益制造（Lean Manufacturing）管理理念为基础，结合系统自带的专用计算、分析和统计方法，以多种报告和图表直观地反映当前或过去某段时间的生产状况，帮助企业生产部门通过反馈信息做出科学、有效的决策。
MDC通过与数控系统、PLC系统以及机床电控部分的集成，实现对机床数据采集部分的自动化执行，不需要操作人员的手动操作，这样既保证了数据的实时性，也减少了人工操作产生的失误，保证数据的真实性和准确性。
一、设备监控
设备监控是指通过可视化的方式，监控采集设备的运行状态与数据，是数据采集系统最基础也是最根本的功能。通过采集设备的运行状态及详细运行信息，可分析设备的运行效率、工作状态，结合订单可一并分析订单派发的合理性，优化订单派发规则。如图8-2-15所示。
图8-2-15 监控列表
设备状态展示具有列表、3D电子地图等多种展现方式。列表方式较为简单直接，可直接查看设备的运行状态，3D电子地图的方式则是通过设备在车间的布局，动态查看设备的运行数据。如图8-2-16所示。
图8-2-16 3D电子地图
二、代码管理
代码上传可将NC代码上传至MDC系统代码库中进行统一管理，管理界面如图8-2-17所示，代码库中的代码可进行浏览、修改以及代码比较，并可直接选择代码库的代码下发至机床控制器如图8-2-18所示。
图8-2-17 数控程序代码管理界面
图8-2-18 数控程序代码下发界面
通过MDC系统中的代码管理系统，可对NC代码进行统一管理，并可在线替换机床代码，减轻工艺人员的管理压力。
三、设备运行效率
设备运行效率采集分析是数据采集系统的另一主要功能，通过采集分析设备的开机时间和运行加工时间，即可分析出设备的运行效率；通过采集分析设备的开机时间和生产数量，即可分析出设备的生产效率；通过采集分析设备的故障时间和频率，即可分析出设备的故障率。通过多种采集分析方式，即可以年、月、周、日等任意时间为单位，综合分析设备的历史运行数据。如图8-2-19所示。
图8-2-19 设备运行效率界面
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