消費者對產(chǎn)品訴求也是不斷提高，也就是對產(chǎn)品生產(chǎn)過程中工藝的一致、設(shè)備的狀態(tài)、器具的有效、質(zhì)量的符合、操作的規(guī)范，都提出了更高要求。既要利潤又有符合各方要求，這就需要制造過程的各類信息能有效搜集，以支持并判斷是否符合預(yù)定。各類制造技術(shù)的快速發(fā)展，為制造過程中各類數(shù)據(jù)的全面采集提供了可能并結(jié)合MES中固化的流程和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行快速判斷成為可能。
數(shù)據(jù)的采集技術(shù)近年快速發(fā)展，不僅功能強大且成本也逐步降低，比較突出的就有CNC、PLC、RFID、EOS、機器視覺、人工輸入6個大類。通過這些技術(shù)方案，能快速、實時、高效、準(zhǔn)確、客觀的搜集各類制造數(shù)據(jù)，動態(tài)的反應(yīng)生產(chǎn)制造的實際過程，真正實現(xiàn)制造大數(shù)據(jù)，讓數(shù)據(jù)真正服務(wù)于生產(chǎn)提效和質(zhì)量提升。
數(shù)控技術(shù)也叫計算機數(shù)控技術(shù)是采用最多的方式。1.1.1 原有DNC，稱為分布式數(shù)控。一般是成套的數(shù)控加工中心，都會用有CNC作為操作系統(tǒng)來控制數(shù)控加工和制造整個過程。車、鉆、銑、磨...諸多工藝,可能都會融于一臺數(shù)控加工中心。數(shù)控機床在CNC的指揮下完成，不僅集成度高，精度和可靠程度也非常好。CNC作為整個控制中心在程序不但會指引了完成各種工藝動作，也會不斷利用各類傳感器獲取到的回饋快速做細(xì)微調(diào)整。各類傳感器所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，實際就是某個零部件某個生產(chǎn)工藝過程的實際過程的數(shù)字描述。CNC一般會由于機加工中心廠商不一樣會有不同，行業(yè)內(nèi)并沒有形成完全統(tǒng)一一致的標(biāo)準(zhǔn)或者協(xié)議，各家都要自由的數(shù)通信接口和讀取標(biāo)準(zhǔn)，但均支持RJ45、232等標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，用合法授權(quán)的軟件連接，均可以讀取到所需的數(shù)據(jù)。1.1.2 二次開發(fā)。目前常見的數(shù)據(jù)采集廠家都采用數(shù)控系統(tǒng)廠商提供的數(shù)據(jù)采集軟件或系統(tǒng)二次開發(fā)軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。其典型的系統(tǒng)采集方式如下幾種：1.1.2.1 FANUC。一般是通過FANUC的FOCAS開發(fā)軟件包進(jìn)行開發(fā)數(shù)據(jù)采集軟件，通過以太網(wǎng)的方式是采集。采集的數(shù)據(jù)量比較大。對機床配置要求比較高，不適應(yīng)于大量無網(wǎng)卡的機床。另外還有采用宏程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該方式需要在加工宏程序中加入FANUC的串口打印輸出指令將數(shù)據(jù)從串口輸出，這種方式輸出的數(shù)據(jù)有限、數(shù)據(jù)并非真正的實時數(shù)據(jù)，在加工程序中加入采集指令效率不高，仍屬于有限半自動式數(shù)據(jù)采集，其數(shù)據(jù)的有效性受到很大的影響。1.1.2.2 西門子。通常要求西門子840D系列系統(tǒng)采用PCU50的人機計算機，采用以太網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在PCU50上安裝MCIS（運動控制信息系統(tǒng)）或者采用OPC接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這種方式采集的數(shù)據(jù)比較多但對系統(tǒng)配置要求比較高。對于老840D/810D和FM-NC等系統(tǒng)受到限制。1.1.2.3 海德漢。常見的對iTNC530系統(tǒng)采用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通常采用DNCRemoTools軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該方式采集的數(shù)據(jù)量比較大需要向廠家購買授權(quán)。1.1.2.4 日系：三菱M70/M700/M80、MAZAK 640，F(xiàn)IDIAC2/C20等。采用系統(tǒng)廠商的數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，均能采集比較多的數(shù)據(jù)。對于多數(shù)日系數(shù)控系統(tǒng)，大多支持串口打印輸出的NC指令，因而可使用宏程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。可編程邏輯控制器，PLC在工業(yè)自動化和工業(yè)機器人中應(yīng)用廣泛，PLC作為自動化和機器人的控制中心，通過程序完成各類動作。該方式相比CNC更加靈活，但是相對要求也更高，通常采用數(shù)字量和模擬量的數(shù)據(jù)采集模塊，采集機床的IO信號從而實現(xiàn)對機床狀態(tài)的監(jiān)控。該方式的優(yōu)點是不受系統(tǒng)的限制，使用廣泛。缺點是采集的數(shù)據(jù)比較少，具體采集的數(shù)據(jù)受到機床電氣設(shè)計的限制，另外現(xiàn)場接線改動比較大，對機床和采集系統(tǒng)的維護(hù)帶來一定的風(fēng)險。該方式與數(shù)控系統(tǒng)的人機單元沒有要求。但機床的PLC與具體的機床相關(guān)聯(lián)，需要對每一臺機床的PLC都比較熟悉，才能保證機床的正常運轉(zhuǎn)不受影響。1.2.1 PLC編程，建立與外部建立以太網(wǎng)連接，通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。需要通過硬件配置來建立連接通道，然后自編程進(jìn)行收發(fā)。要想順利完成這種通訊和調(diào)試，需要一位既懂計算機編程，又懂PLC編程調(diào)試的人員。電文發(fā)送是由PLC程序控制，節(jié)奏可控。1.2.2 PLC提供訪問協(xié)議，不需要編程的外部訪問協(xié)議。比如，OPC-UA、MODBUS TCP等，OPC-UA是目前是開放協(xié)議，但需要從底層開始開發(fā)或者購買的SDK進(jìn)行二次開發(fā)。MODBUS TCP需要在PLC里進(jìn)行編程、配置,但是兼容性不足。1.2.3 通過通訊的中間件或者中間軟件進(jìn)行中轉(zhuǎn)。一般指OPC軟件，一端訪問PLC，另外一端對外提供數(shù)據(jù)。OPC軟件有的是廠家提供，還有專業(yè)的中間軟件，比如kepware，可同時訪問的PLC和協(xié)議非常多，兼容性好。國內(nèi)也有很多出色的軟件，如PLC-Recorder。射頻識別，閱讀器與標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸式的數(shù)據(jù)通信，達(dá)到識別目標(biāo)的目的。RFID數(shù)據(jù)存儲和讀取的高效率，技術(shù)成熟，商業(yè)化案例豐富。RFID封裝后可以生產(chǎn)過程伴隨產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程，能在高速、高溫、高壓、噪音、輻射等工況下有效工作。在通信網(wǎng)絡(luò)不好敷設(shè)，日常難以維護(hù)的工位，比如電泳，就非常適合。RFID能完成信息的分散采集集中讀取，還可以做加密所以信息安全也很有保障，離散制造業(yè)中作為過程信息存儲非常合適，所以實際運用得也非常多。RFID與之前CNC、PLC方式最大的區(qū)別在于RFID完成信息的存儲和傳輸任務(wù)，RFID本身并不產(chǎn)生數(shù)據(jù)。而RFID又是開放的架構(gòu)，電子標(biāo)簽存儲分區(qū)、格式、內(nèi)容都可以自己定義，跟CNC、PLC相對封閉的商業(yè)模式不一樣。典型的RFID系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由閱讀器、電子標(biāo)簽、控制器、天線4個部分構(gòu)成。第一部分是電子標(biāo)簽，是一個微型的無線收發(fā)裝置，主要由內(nèi)置天線和芯片組成，天線負(fù)責(zé)讀取信號和獲取能量，芯片負(fù)責(zé)處理和存儲信息是整個RFID的核心。第二部分是讀寫器，是一個捕捉和處理RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)的設(shè)備，一般會嵌入到其他系統(tǒng)之中，是構(gòu)成RFID系統(tǒng)的重要部件之一，由于它能夠?qū)?shù)據(jù)寫到RFID標(biāo)簽中因此稱為讀寫器。第三部分控制器，是讀寫器芯片有序工作的指揮中心，主要作用是與應(yīng)用系統(tǒng)軟件進(jìn)行通信，執(zhí)行動作指令；控制與標(biāo)簽的通信，基帶信號的編碼與解碼，傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密等等。第四部分是天線，電磁波把前端射頻信號功率接收或輻射出去的設(shè)備，是電路與空間的界面器件，用來實現(xiàn)導(dǎo)行波與自由空間波能量的轉(zhuǎn)化，分為電子標(biāo)簽天線和讀寫器天線兩大類。一般會利用RFID作為信息容器，一般會將生產(chǎn)所需的信息（SN、型號、關(guān)鍵工藝、關(guān)鍵參數(shù)等）初始化寫入RFID，伴隨生產(chǎn)流水線序列流動到各個加工生產(chǎn)工位時候，讀取這些信息完成相應(yīng)制造環(huán)節(jié)，又將該制造環(huán)節(jié)中的產(chǎn)生的關(guān)鍵信息寫入到RFID中，也可以將產(chǎn)品信息提前推送到下一工序做好前饋準(zhǔn)備，然后在流水線結(jié)束前上傳采集數(shù)據(jù)到上位系統(tǒng)中去。EOS（嵌入式操作系統(tǒng)）用在專用設(shè)備上，主要任務(wù)是控制硬件底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面等。負(fù)責(zé)軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動，與底層設(shè)備有很強的針對性和適用性。uC/OS，Nucleus，ThreadX，Windows CE，是有代表性嵌入式操作系統(tǒng)。借用這些OS的成熟架構(gòu)且只保留需要的功能，再通過輕量化的方式植入相關(guān)的硬件調(diào)用方法以達(dá)到快速實現(xiàn)硬件控制調(diào)度的目的。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁減的，適用于對功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。具有軟件代碼小、高度自動化、響應(yīng)速度快等特點，特別適合于要求實時和多任務(wù)的體系。嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式處理器、相關(guān)支撐硬件、嵌入式操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等組成，它是可獨立工作的“器件”。常用的通信協(xié)議有SPI、I2C、CAN、USB、UART。EOS方式的數(shù)據(jù)一般在EOS內(nèi)部得到封裝，大多也有支持TCP/IP協(xié)議，只要根據(jù)約定的協(xié)議讀取即可。機器視覺在國內(nèi)的運用方興未艾。機器視覺就是用機器來代替人做檢查和判斷，屬于人工智能一個分支。整個過程實質(zhì)是模擬人在工作中的某些行為。即通過攝像頭等設(shè)備，獲取到目標(biāo)的圖像，然后通過圖像處理技術(shù)快速的清洗并分離出，所需的特征信息，再根據(jù)這些信息與標(biāo)準(zhǔn)特征做比對，做出支持檢查和判斷，然后給出結(jié)果。非常適合在高危環(huán)境下、重復(fù)大批量長時間的簡單檢查等場景下替代人工完成作業(yè)。一般應(yīng)用場景有：有無判斷、光寫字符識別（OCR）、數(shù)量判斷、色彩判斷等。機器視覺能快速的輸出有無、字符串、數(shù)量、顏色等抑或者組合信息。機器視覺國外有成熟解決方案，國內(nèi)也有很多實踐經(jīng)驗豐富的廠商能提供產(chǎn)品和服務(wù)。機器視覺數(shù)據(jù)讀取，基本都是采用TCP/IP協(xié)議，只要根據(jù)約定的協(xié)議讀取即可。人工的數(shù)據(jù)采集方式，是采用最普遍方式。實質(zhì)就是由人完成響應(yīng)的判斷后，借助電腦、手持終端、智能終端，將信息記錄到信息管理系統(tǒng)中去的一種方式。這種方式最大的優(yōu)點是靈活度大，缺點就是過分依賴人的判斷在某些疲勞或者執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的情況下結(jié)果容易失真。應(yīng)用系統(tǒng)一般會以B/S或C/S方式交互，底層都是支持TCP/IP的通信協(xié)議，此類采集難點一般不在技術(shù)。CNC、PLC、RFID、EOS、機器視覺、人工這個六大類數(shù)據(jù)采集方式。除人工方式外的五種，都屬于是 設(shè)備+傳感器+傳輸 的客觀數(shù)據(jù)采集的非人工模式，無人生產(chǎn)、人工干擾少、可靠性高，可信度高，數(shù)據(jù)量大，容易獲得海量數(shù)據(jù)，只要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化和分析建模的能力建立，就能快速得出各類分析結(jié)果，非常適合大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)模式下的質(zhì)量和一致性的控制。這五種模式的共同的缺點之一就是前期投入大，如果是初次投入最好是在投資規(guī)劃的時候一并考慮，投入產(chǎn)出比為最佳，如CNC的投入基本都是百萬元級別的，如果是二次改造還會涉及生產(chǎn)工藝和模式的變化投資會更大，所以一定要有要有長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略考量；缺點之二是后期維護(hù)的技術(shù)難度高，這五種方式都是現(xiàn)代裝備制造業(yè)在數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的分支，牽涉到機械、機電、電控、圖像等很多領(lǐng)域，需要培養(yǎng)專門的人才和做必要的技術(shù)儲備；缺點之三，技術(shù)迭代更新快，當(dāng)前先進(jìn)成熟的技術(shù)可能若干年后就被淘汰而無法找到有效的第三方支持而逼不得已更新?lián)Q代。雖然有諸多的缺點，但自動化和少人化是整個制造業(yè)的發(fā)展大趨勢，也是制造大國向制造強國的必經(jīng)之路，關(guān)鍵在于做好總體規(guī)劃，體系設(shè)計，人才培養(yǎng)、技術(shù)迭代。人工方式更多是一種人工作業(yè)的行為記錄，這種方式靈活度高，適應(yīng)面廣，投入的成本相對較低。缺點也很明顯，受精神、身體、情緒、認(rèn)知的影響比較明顯，作業(yè)的頻率不可能很高，操作的輸入的效率等也是明顯的短板。綜合以上，技術(shù)本身并沒有好壞，更多要看它適合用在哪些場景下。不同的設(shè)備，不同的場景，不同的工藝需求、質(zhì)量控制和成本考慮，就需要選擇適合的數(shù)據(jù)采集方法。盡量用流程化標(biāo)準(zhǔn)化，減少人為因素干擾，盡可能多地采集各類數(shù)據(jù)。3 MES數(shù)據(jù)采集在汽車制造實際案例分析汽車生產(chǎn)制造，不僅生產(chǎn)流程長、工藝要求多，各類機加工、裝配、調(diào)整工位也很多，借助MES對各類設(shè)備的采集，不僅能對生產(chǎn)計劃完成情況、質(zhì)量情況、設(shè)備情況獲取一手?jǐn)?shù)據(jù)，真實反應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況，更能結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)清洗匯聚出變化點和發(fā)展趨勢，為后續(xù)改進(jìn)提供依據(jù)。六種采集方式，在汽車生產(chǎn)制造過程中都有應(yīng)用。一般來說，CNC更多會用在各類機加工設(shè)備上借助已有的協(xié)議快速采集，例如缸體缸蓋的機加工。PLC更多會用在裝配工位的機器人以及裝配工裝上做數(shù)據(jù)采集，例如車身的焊接機器人和夾具。RFID一般是根據(jù)它的移動存儲可跟線移動快速讀取擦寫的特點多用在各類機運上，例如總裝內(nèi)飾的地板鏈和底盤的空中鏈。EOS是各類專用設(shè)備的默認(rèn)方式，例如檢測線的燈光和四輪定位。機器視覺更多會用在目前傳統(tǒng)手段無法檢測和重復(fù)性的，例如總裝車身外觀件錯漏裝檢查。人工的方式多在需要人工參與的地方，例如檢測線環(huán)路測試是依靠人工檢測的。六種采集方式采用哪種，主要是看需求場景、設(shè)備和成本的投入、人員技能和流程等綜合因素確定。一般來說，流程標(biāo)準(zhǔn)化后再實施自動化的路線是制造業(yè)，特別是汽車生產(chǎn)制造的大趨勢。自動化的采集對現(xiàn)場操作人員的技能的要求是降低了，對專業(yè)技術(shù)人才的技術(shù)能力的大大增加了，對人才的培養(yǎng)和提升是非常重要的。無人化、自動化、信息化是大趨勢，充分的利用底層采集的數(shù)據(jù)，集成各類生產(chǎn)、質(zhì)量、物流等信息融合到制造執(zhí)行的大數(shù)據(jù)中去，是整個汽車制造的潮流。下位數(shù)據(jù)采集技術(shù)與上位信息管理系統(tǒng)之間的關(guān)系進(jìn)一步分析。下位數(shù)據(jù)采集技術(shù)越是高效快速，對上位信息系統(tǒng)的并發(fā)處理數(shù)據(jù)的能力就會更高，對算力和存儲都是以幾何級數(shù)的增長，這個方面的投入也是要跟上的，如果不能及時處理這些海量數(shù)據(jù)，那么這些數(shù)據(jù)產(chǎn)生的價值就會大打折扣。從另外一個角度說，也需要產(chǎn)品、工廠、工藝、車間、質(zhì)量，甚至生產(chǎn)計劃、人力資源、財務(wù)等使用數(shù)據(jù)的部門，很清楚地知道自己需要什么數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)從哪里來，通過什么算法得到什么，又能到哪里去，整個脈絡(luò)很清楚，真正做到知其然，更加知其所以然。而不是為了采集而采集，為了數(shù)據(jù)而數(shù)據(jù)，舍本逐末。數(shù)據(jù)采集和最后的利用這是一個公司管理經(jīng)驗的問題，不僅僅只是一個信息化技術(shù)部門的問題。近年IoT興起，IoT更多是一種通信方式和商業(yè)模式，借助4G或5G通信技術(shù)技術(shù)，采集的成本進(jìn)一步降低。但它是不能取代以上六大類底層采集方式。IoT能與這六大類方法結(jié)合，更高效的完成各項任務(wù)。以上六種方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，是實現(xiàn)數(shù)字工廠的第一步，采集只是MES整個工作和數(shù)據(jù)流的一部分。MES要完成采集、分析、處理、反饋、存儲等多項任務(wù)。除了要跟下位結(jié)合，更要與管理要求和指標(biāo)結(jié)合，使得生產(chǎn)更符合管理目標(biāo)。從人機料法環(huán)測六個方面反應(yīng)實際狀態(tài)，更好給生產(chǎn)現(xiàn)場五個W一個H的明確指令指揮生產(chǎn)。采集這個環(huán)節(jié)當(dāng)然是很重要的，是實現(xiàn)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的第一步。后續(xù)需要結(jié)合工廠數(shù)字建模、數(shù)字孿生等數(shù)字化技術(shù)，與PLM/ERP/DMS/CRM/LES/MES/EMS進(jìn)一步跨界融合實現(xiàn)，開啟真正意義的智能制造。
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