刘征宇，曹路圆，梅 茜

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

0 引言

随着国内“两化”改革的不断加深，生产企业对MES（Manufacturing Execution System，制造执行系统）的要求也进一步提高，虽然国外有很多成熟的MES产品，与进口生产设备配套很好，但由于成本、适用性、保密性等要求，以致近年来自主研发MES在占有的比重增加。目前国内的MES系统虽然在设计上靠近ISA-95标准（Instrumentation, Systems, and Automation Society，仪器、系统与自动化协会），但该标准只从生产业务需求的角度进行了描述，没有具体的技术实现，导致各家在技术层面区别较大。而现场数据采集模块处于MES系统软硬件相接的位置，负责将生产数据稳定、有效的传输到软件系统中，属于不可或缺的重点模块。但是从手工组装到全自动生产线，采集方式和数据量千差万别，糟糕的设计会使MES产品适用性大打折扣。笔者从事MES系统开发实施多年，总结了一种在以太网结构下，能够适应大多数生产节拍的弹性采集接口，在此共享给各位，希望能抛砖引玉，促进自动化行业的发展。

1 功能需求

要实现一个弹性的数据采集接口，就必须在大多数生产企业中找到数据采集的共性，同时为了各企业的个性化需求，还应该留出扩展余地。因此我们需要对目前的各种数据采集手段进行分类和总结。这方面已有很多著作进行过论述，限于篇幅，不作详细说明，只使用一些结论性的知识：

1）数据采集按采集方式来区分，有手动、半自动、全自动三种方式；其中手动指人工录入，半自动指使用专用设备但是需要人工发起传输，全自动指通过OPC（OLE for Process Control，一种工业控制系统数据传输标准）或者公开、私有协议进行传输。

2）按照生产方式、节拍、数据量来区分，可以分为异步采集和同步采集，对于节拍迅速的企业，可能要求具有更高的实时性。

3）按照采集数据的目的不同，可以分为实时分析与数据储备两类。一般情况下，实时分析主要用作生产实时反馈，所需要的数据并不完全进入历史数据库。而数据储备的实时性要求不强，主要用于企业后期进行追溯、报表及产能分析。

在设计数据采集接口的时候，要综合考虑上述各种情况，结合现代计算机技术，合理构造，才能达到性能稳定、扩展性高的设计目标。

2 基本架构

为了适应不同的采集方式，数据采集接口内部采用分层设计（采集层+转发层）的思路，两层之间使用UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）网络协议进行数据传递（极端情况可采用内存数据共享提升速度）。采集层面向输入端，提供人机、OPC、各类协议的采集接口，同时使用统一的内部传输规则向转发层进行数据发送；转发层接收到采集层传来的数据，直接放入数据缓存队列，然后再根据不同的逻辑对缓存的数据队列进行计算、转发和存储。这里有两个技术要点：

1）层之间使用UDP协议：提供更快速的传输和响应，要求采集层收集的数据需要带有时间戳记，以克服UDP传输可能带来的数据顺序错位。

2）转发层的数据缓存：根据不同场合的数据量及实时性要求，建立不同大小的数据缓存队列，一方面在高速数据传输过程中不会丢失数据，另一方面便于计算机对批量数据进行分析处理，降低磁盘I/O。

图1是模块的结构示意图。

图1 模块结构示意图

需要说明的两个部分：

1）如果要实现数据实时分析，那么数据队列建议设计成环形数组，数组大小需要根据实际情况进行设计，既保证实时分析的时间片能够覆盖到足够的数据，又保证分析时间内不会产生数据覆盖。

2）UDP在采集层与转发层之间的数据协议尽量简单，保证一个数据包即可传送完成。在作者开发的MES系统中，使用了“ID+时间戳+数据”的简单格式，保证传输速度和解析速度。

3 扩展支持

数据采集接口设计之初，即充分考虑了其扩展性，图A中标有圆圈数字的部分，就是可以加以扩展的地方，这里针对部分典型情况给出思路：

1）协议扩展：数据采集接口的采集层应具备扩展性，以支持除现有协议之外的数据采集。因此我们在图1①的地方留出了扩展余地，使采集层能够集成多种协议，统一进行数据传送。

2）加密传输：军工和高技术企业对保密性要求较高。数据采集过程中的失密，主要发生在传输阶段。大多数MES用明文在局域网中传输数据，很容易被抓包、存储和分析，因此可以在图1②的地方，使用公私密钥等加密技术，确保数据不被破解。

3）高速数据采集：虽然很少遇到，但有些企业实时分析要求较高。在本文所设计的接口中，可以采用共享内存的方式替代UDP进行数据传输，也就是用图1③的部分替换掉UDP传输，把传输和数据缓存集成到了一起，建立在同一台服务器上，延迟可进一步降低至几毫秒。

4）专业数据方案支持：目前，有很多支持高速度、大容量、分布式的缓存和数据库产品。如果企业有这方面需求，可以扩展前面图1④的部分；如果要用的数据缓存产品替代本方案中的数据队列，可以扩展前面图1⑤的部分。

为了适应更多状况，具体实施过程中，即使是数据采集接口内部，也建议按照模块化、接口化来规划各功能，增加系统弹性，以更大的灵活性应对车间技术升级或者流程改造。

4 结束语

文中所提数据采集接口已在本单位自主研发的MES系统中实现并应用到不同客户群体，既包括低节拍离散型装配车间，也包括高速连续制造企业，即可以采集工序、质量、设备、物料等数据，也可以采集变化频繁的设备信号，且效果良好，运行稳定，扩展简单。这种思路不仅限于MES，也可以用到其他SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，监控和数据采集）采集场合。篇幅所限，未提供硬件部署和伪代码，也没有论述高并发和分布式的相关内容。有兴趣可联系作者，希望得到同行指正。

[1]ISA-95国际标准[S].http://www.isa-95.com/subpages/technology/isa-95.php.

[2]顾荣庆,等.分布式数据缓存技术研究[J].计算机应用与软件,2011(06).