制造執行系統(MES)是美國MESA20世紀90年代提出的面向車(chē)間的信息管理系統，是連接計劃層和現場(chǎng)控制層之間的紐帶，通過(guò)提供從訂單到產(chǎn)品完成整個(gè)制造過(guò)程的信息來(lái)優(yōu)化企業(yè)管理，協(xié)助企業(yè)建立一體化和實(shí)時(shí)化的管理信息體系。因此實(shí)時(shí)數據傳輸與共享是MES保證企業(yè)執行生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)，而無(wú)線(xiàn)射頻技術(shù)(RFID)是一種非接觸式的數據采集自動(dòng)識別技術(shù)，目前應用于零售業(yè)產(chǎn)品標簽，交通中車(chē)輛運行管理，以及倉儲物流業(yè)等。隨著(zhù)制造業(yè)信息化發(fā)展，RFID對制造業(yè)來(lái)說(shuō)是極有潛力的技術(shù)，與現有MES集成不僅為生產(chǎn)提供實(shí)時(shí)信息，而且也為產(chǎn)品全生命周期管理(PLM)提供一個(gè)移動(dòng)數據庫。 

1 制造執行系統 

　　1.1 MES含義 

　　國際制造執行系統協(xié)會(huì )(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(chǎn)品完成的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。MES運用及時(shí)、準確的信息，指導、啟動(dòng)、響應并記錄工廠(chǎng)運行，對條件的變化做出快速的響應，減少非增值活動(dòng)，提高工廠(chǎng)運作過(guò)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(shí)交貨、加快庫存周轉、提高收益和現金流的績(jì)效。MES在企業(yè)和供應鏈間以雙向交互的形式提供生產(chǎn)活動(dòng)的必備信息。 

　　MES作為生產(chǎn)信息系統，也就是收集生產(chǎn)過(guò)程中大量的實(shí)時(shí)數據，并對實(shí)時(shí)事件分析及時(shí)處理，同時(shí)又與計劃層和生產(chǎn)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(chǎn)指令。確切地說(shuō)，MES是一系列功能的集成，連接著(zhù)計劃與控制系統，設計理念與生產(chǎn)執行，銷(xiāo)售能力與生產(chǎn)機制，客戶(hù)與供需等。一方面關(guān)注生產(chǎn)過(guò)程中的即時(shí)生產(chǎn)與實(shí)時(shí)掌握在制品的產(chǎn)量與品質(zhì)狀況，另一方面采集和分析數據實(shí)時(shí)掌握設備運行狀況和在線(xiàn)物料，記錄生產(chǎn)經(jīng)過(guò)的工序、設備、所用物料和經(jīng)手人員。主要功能包括資源分配及狀態(tài)管理，工序生產(chǎn)計劃與調度，文檔控制，現場(chǎng)數據采集，人力資源管理，質(zhì)量管理，過(guò)程管理，維護管理，產(chǎn)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(chǎn)現場(chǎng)中的各種必要的實(shí)時(shí)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(lèi)型按管理方式分為：工藝資源數據、人力資源數據、產(chǎn)品質(zhì)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(guān)，各種數據之間都或多或少有著(zhù)關(guān)聯(lián)，例如機床運行狀態(tài)為運行、準備、停機還是空閑；運行過(guò)程中，程序啟動(dòng)時(shí)間、程序停止時(shí)間、程序名稱(chēng)、當前刀具號、主軸轉速等；準備狀態(tài)時(shí)，是調試、檢驗、還是準備工裝等；停機狀態(tài)時(shí)，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(chǎn)自動(dòng)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(lái)對生產(chǎn)的數據進(jìn)行采集。連續制造行業(yè)，生產(chǎn)自動(dòng)化的程度相對比較高，數據采集主要就是通過(guò)部署各種現場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)進(jìn)行采集。  

2 RFID技術(shù)  

　　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(xiě)入標簽信息的移動(dòng)/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(xiàn)這3部分組成。電子標簽附著(zhù)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(jìn)入磁場(chǎng)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(chǎn)品信息(Passivetag，被動(dòng)標簽)，或者主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(activetag，主動(dòng)標簽)，將記錄從價(jià)格到生產(chǎn)流程等在內大量信息的芯片貼在產(chǎn)品表面，通過(guò)讀取器來(lái)讀取、更新信息，并解碼后，送至計算機信息系統進(jìn)行有關(guān)數據處理。  

　　RFID技術(shù)利用無(wú)線(xiàn)射頻方式在閱讀器和射頻卡之間進(jìn)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(xiě)、速度快、信息量大、不受環(huán)境影響、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，能同時(shí)處理多張卡片，這些優(yōu)點(diǎn)使RFID技術(shù)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(gè)精確的執行過(guò)程，這必然要求對計劃和執行進(jìn)行精確的比對，數據都要準確記錄，這需要過(guò)程中更多地進(jìn)行數據采集自動(dòng)識別，保證計劃和執行相符合，并對不符合的及時(shí)采取措施調整。因此RFID技術(shù)作為一種數據采集與管理的手段，正從供應鏈進(jìn)入制造過(guò)程的核心，通過(guò)在工廠(chǎng)車(chē)間層逐步采用RFID技術(shù)，可以無(wú)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(xié)調，向已有的制造執行系統可以發(fā)送準確、可靠的實(shí)時(shí)信息流，從而創(chuàng )造附加值，提高生產(chǎn)率和大幅度地節省投資。  

　?、?nbsp;在質(zhì)量管理方面，RFID可提供不斷更新的實(shí)時(shí)數據流，可用來(lái)保證正確使用勞動(dòng)力、機器、工具和部件，從而實(shí)現無(wú)紙化生產(chǎn)和減少停機時(shí)間，以保證可靠性和高質(zhì)量；搜集如產(chǎn)品標識符、物理屬性、訂貨號等信息，自動(dòng)建立支持質(zhì)量保證體系所要求的質(zhì)量跟蹤和工作歷史文檔，實(shí)現復雜的批次跟蹤。特別是在混合裝配線(xiàn)生產(chǎn)中，能準確無(wú)誤地將裝配零部件送達指定區域，從而減少了出錯率。  

　?、?nbsp;在產(chǎn)品追蹤方面，能實(shí)現從原材料到最終產(chǎn)品的全面跟蹤。只要零件進(jìn)入生產(chǎn)線(xiàn)或到達完工區，將自動(dòng)記錄工序、設備和操作者編號、加工時(shí)間，避免了后期人工數據輸入、條碼掃描等操作產(chǎn)生的不精確數據或誤差。  

　?、?nbsp;在計劃調度方面，諸如機床等加工設備上的RFID提供運轉時(shí)間、可用性狀態(tài)、性能特征，并含有技術(shù)參數、使用刀具情況、已進(jìn)行的生產(chǎn)活動(dòng)，這樣就可以結合產(chǎn)品工藝規程單按現有設備利用率進(jìn)行車(chē)間內實(shí)時(shí)計劃排程。  

　?、?nbsp;在設備管理方面，操作員可以通過(guò)讀取標簽上的信息來(lái)檢查設備及其所在位置，對設備進(jìn)行保養或維修，然后寫(xiě)入最新的數據更新RFID標簽，有助于提高設備價(jià)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(shù)  

　　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(wèn)題而產(chǎn)生的中間件技術(shù)，它是位于不同操作系統平臺和具體應用之間的通用服務(wù)。這些服務(wù)具有標準的程序接口和協(xié)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(wǎng)絡(luò )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(wù)。  

　　因此RFID中間件作為連接RFID硬件設備和后臺業(yè)務(wù)應用系統的橋梁，是實(shí)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(shù)。  

　　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(wǎng)絡(luò )應用系統組成，歷經(jīng)3個(gè)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(guò)濾和合并；RFID數據管理完成RFID數據的存儲、維護、訪(fǎng)問(wèn)和聚合。最初的RFID中間件是以應用程序編寫(xiě)來(lái)整合、串接RFID讀寫(xiě)器為目的，適用于采集點(diǎn)不多、同一規格讀寫(xiě)器的情況，但效率較低、維護費用高；隨著(zhù)企業(yè)應用系統的復雜度增高，數據庫軟件改變或讀寫(xiě)器種類(lèi)增加，企業(yè)無(wú)法負荷為每個(gè)應用軟件編寫(xiě)適配器，同時(shí)存在著(zhù)面向對象標準化等問(wèn)題，因此產(chǎn)生RFID架構中間件；第3個(gè)中間件階段是各廠(chǎng)商針對不同行業(yè)領(lǐng)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(chǎn)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(wù)層、遺留系統層。從功能層面上核心模塊包括RFID邊緣服務(wù)器和RFID企業(yè)服務(wù)器。邊緣服務(wù)器直接與各種終端設備相連，用于控制RFID讀寫(xiě)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(xié)調，還能按照一定的規則過(guò)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(wù)器則集中管理所有的邊緣服務(wù)器，處理各種RFID事件和信息交換，實(shí)時(shí)工作流管理，與各種現有應用系統進(jìn)行很好的集成，用戶(hù)可以圍繞這些數據進(jìn)行業(yè)務(wù)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(lèi)別按是否可讀寫(xiě)、可讀寫(xiě)次數等特點(diǎn)分為0-5類(lèi)，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(chǎn)品類(lèi)、產(chǎn)品名。這些存儲在RFID中的編碼由讀寫(xiě)器每秒120和400次進(jìn)行輪詢(xún)讀取數據，經(jīng)RS422/RS232接口連接到現場(chǎng)總線(xiàn)。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(guò)濾的標簽數據經(jīng)ONS(對象名解析服務(wù))把標簽數據中字節轉化為對象數據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(wù)系統。PML(物理實(shí)體語(yǔ)言)是一種用于描述物理對象，過(guò)程和環(huán)境的通用語(yǔ)言，其主要目的是提供通用的標準化詞匯表，來(lái)描繪和分配Auto-ID激活的實(shí)體相關(guān)信息。EPCIS(電子標簽信息服務(wù))是一種內部數據交換標準，定義了基于安全Web服務(wù)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(jīng)過(guò)PML/EPCIS產(chǎn)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(xiě)RFID標簽，則從后端業(yè)務(wù)系統就可以更新其標簽數據(如圖3所示)。  

　　4 結束語(yǔ)  

　　隨著(zhù)企業(yè)信息化發(fā)展，制造執行系統的功能不單單在于企業(yè)內部，而是基于產(chǎn)品全生命周期管理的信息交互與共享。RFID技術(shù)與MES集成改善了業(yè)務(wù)流程，使制造過(guò)程中的成本和錯誤大大減少，提高了生產(chǎn)率，經(jīng)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，區域性標準已發(fā)布，這樣通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)RFID不僅僅實(shí)現制造執行系統內的信息交流，而且可實(shí)現與企業(yè)其他應用系統的集成，從而使產(chǎn)品信息識別和實(shí)時(shí)信息共享成為可能。