【MES】如何通过MES实现机床联网;DNC在MES设备管理系统中的设计与实现;MES应用研究报告（2018）正式发布！

2018 年 6 月 25 日 产业智能官

如何通过MES实现机床联网？

✎导读

机床联网项目的实施，为设备层级的有效管控提供了技术支撑，作为底层设备的信息化，是实施数字化制造的基础手段是公司推行数字化制造技术的基础。

为了满足企业对于各生产制造部门对生产过程进行实时管理的要求，通过MES平台的建设，将公司对于生产过程的核心流程及管理方法进行优化和固化，实现对核心生产制造过程的管理和传承。机床联网项目在于搭建一个设备层(数控机床)的车间级分布式控制网络，并且实时采集机床数据和其它生产类数据，实现数控程序及相关联的生产要素(零件图纸、加工工艺、刀夹量具列表等)的有效管理，同时实现机床状态等的可视化展示等，将为接下来MES平台的有效搭建奠定下良好的基础。

机床联网项目概述

机床联网项目，一般包含四大系统：DNC(Distributed Numeric Control分布式控制网络)系统、MDC(Manufacturing Data Collection 生产数据采集)系统、NC(Numerical Control数字控制，简称数控)程序管理系统、可视化数据展示系统。

（一）DNC(Distributed Numeric Control分布式控制网络)系统。DNC系统是用于生产设备及工位智能化联网管理的系统。机床联网项目所采用的DNC系统赋予了比以往工业传统DNC(程序传输)更深更广的意义：不仅能够联网所有的CNC数控加工设备，同时还能对自动化生产线PLC工作中心和其他所有的普通工位及测量工位进行联网管理。

DNC系统所采用的网络连接方案：在车间每台数控设备内部都配备一个“串口联网设备”，通过每个数控设备内部的串口联网设备，将数控设备的程序传输数据流、条码传输数据流、以及MDC信号反馈数据流都汇总成一个TCP/IP协议数据传输线，然后通过公司车间内部光线机柜再汇总到公司的企业内网中。方案优点：无视数控设备相互之间的间隔距离，无论设备分隔有多远都能够用最直接的网络布线方式解决，并且传输稳定，适用于车间设备比较离散的企业。DNC服务器也能够远离车间现场。

DNC系统所采用的条码使用方案：为每台数控设备配备条码枪，通过操作人员在机床端用条码枪扫描条码的方式来调用程序。做法是在已有的派工单上，在程序名称(程序名称与零件、工序等任务信息是相关联的)旁增加对应条形码。在生产过程中由设备操作人员根据实际情况，用条形码扫描枪扫描条形码，扫描到的命令即可通过DNC网络传送到服务器，此时服务器会自动将与其相关的程序及生产要素(零件图纸、加工工艺、刀夹量具列表等)发送给现场设备端，现场操作员此时只需按设备控制系统上的“接收”按钮即可。

（二）MDC系统是一套通过多种灵活方法采集生产现场的实时状态数据(包括设备、人员和生产任务等)，将其存储在数据库中，并以先进的精益制造管理理念为基础，结合自带的专用计算、分析和统计方法，以报表和图表直观反映当前或过去某段时间车间的详细制造数据和生产状况的系统。

MDC系统通过向决策者提供真实的车间数据报表和图表，来帮助企业生产部门做出科学和有效的决策，帮助企业改善生产制造过程。MDC系统解决方案的整个系统网络是基于机床联网项目的DNC和TCP/IP网络的。系统采用了多种生产数据采集方式：有标准条码采集、设备PLC自动数据采集、国际标准OPC接口自动采集。

MDC系统通过实时采集到的生产数据，可以监控机床的实时工作状态(包括装夹调试、加工、停机、空闲等)，并生成图报表，便于计划调度人员安排生产计划；对生产率、工作时间、设备利用率、生产趋势及生产计划执行度等进行分析并生成报表，帮助负责生产和设备管理的决策者回答很多现场制造方面的疑难问题，从而帮助改善和优化生产工艺过程。

（三）NC(Numerical Control数字控制，简称数控)程序管理系统。NC程序管理系统能够实现对于数控程序编制、上传、审查、校对、批准、版本升级、覆盖和重命名、备份、加工现场调用等流程的管理。另外，系统还可以把数控程序及其说明文档进行集中管理，更好的保证了两者的同步性。可以把生产要素(零件图纸、加工工艺、刀夹量具列表等)集中管理、安全存储、部门共享、方便查阅。为车间流程无纸化管理奠定基础，消除或减少部分纸制文档管理，提高效率。

（四）可视化数据展示。在实现机床数据实时采集的基础上，对车间机床进行三维建模，实时三维展示机床状态。通过动态浏览该界面，用户还可以轻而易举地了解整个车间的生产状况，还能定位到指定的一台设备，查询有关这台设备的生产细节。车间配置大屏幕和触摸屏等展示设备，实时展示设备状态、机床开机率、零件完工率等。每台数控设备旁配置的触摸屏工控机，还可以作为MDC系统数据采集的补充备用手段，设备操作人员还可以利用其查询现场数据反馈的正确与否，以及用其在现场无纸化查询浏览加工作业指导书(程序、图纸、刀具清单、装夹图示等。

应用系统集成

MES(制造执行系统)作为一种业务性很强的管理系统，需要无数来自底层的数据支撑。工单、零件、工序、设备、人员等所有和现场有关的数据首先通过DNC-MDC系统的整合，采集得到真正和现场生产有关的数据，通过多种集成手段对数据进行客户化的分类汇总，最终反馈到MES中。

在集成过程中，DNC-MDC系统将接收来自MES系统的生产任务。新的生产任务被识别时，首先在DNC-MDC系统内建立新的生产任务以及对应的零件信息和工序信息，然后以工单(工票)的形式被派发到现场，最后通过设备操作人员扫描工票上的条码来实现数控程序调用、对任务的跟踪，并实时把任务的进度反馈回MES(例如：工单实际开始、结束时间等数据)。

实施难点

NC程序错综多样：主体生产模式是以车间加工人员为生产中心，技术开发部为辅，几乎所有的NC程序的管理都是发生在车间现场。这就导致了在机床内部存贮有大量的NC程序。机床联网项目所采用的管理方案是将现场设备内所有的NC程序通过DNC网络统一归档至NC程序管理系统服务器进行有效管理。为此提出了三项管理措施：

1.NC程序命名必须遵守公司统一制定的NC程序命名规则。

2.将NC程序的标准命名，添加到程序内部的备注中，这样当程序完成加工回传到DNC服务器进行备份、统一管理时，DNC系统将自动以该备注的标准名进行保存。

3.在完成前两项措施的基础上，逐步将现场数控设备内固化的NC程序进行备份、导出。统一由NC程序管理系统进行管理、调配。

机床项目的实施完成了以下目标：

1.DNC系统：建立覆盖加工车间的分布式控制网络，实现NC程序的有效调用、稳定有效传输和在线加工等，实现刀补参数文件从对刀仪到机床端的有效传输。

2.MDC系统：实现对数控机床的实时数据和其它生产类数据的有效采集，并将采集的数据以报表或统计图表的形式供决策者参考分析。同时采集的数据对以后MES平台的生产调度和管理起到有效地指导作用。

3.NC程序管理系统：实现对NC程序的统一流程管理，并且在系统内实现NC程序与其关联生产要素文件统一管理。

4.可视化数据展示：在实现机床数据采集的基础上，对车间机床进行三维建模，通过现场的展示大屏幕、数控设备旁的触摸屏以及相关管理人员的PC终端对设备状态、设备开机率、零件完工率等进行有效展示。

综上所述，机床联网项目的建设，是推行数字化制造技术的基础，对数字化工厂的建设起到举足轻重的作用。

DNC在MES设备管理系统中的设计与实现

常晓芳夏筱筠 MES百科

✎导读

本文分析了MES设备管理系统对网络化DNC的需求，针对工业现场的数控设备管理，提出了融入网络化DNC的MES设备管理系统体系结构。

作者：常晓芳夏筱筠李鑫

随着科学技术的不断提高，设备管理系统作为制造执行系统MES中一个重要的子系统，是现代企业物质技术的基础，是生产经营顺利进行的前提以及提高经济效益的保证。目前，我国大部分企业的数控设备信息化程度不高，导致在企业执行层的MES设备管理系统不能及时、准确的获取设备控制层的相关信息，造成管理鸿沟。其次，现有的MES设备管理系统虽然方便了数控设备台帐管理、基本信息记录等一些静态信息管理，但不能针对数控设备的实时状态变化进行动态管理。

网络化分布式数字控制DNC可以把数控设备作为一个信息节点连接到企业的信息管网中，实时、准确、自动的为整个信息系统提供及时、有效的数据，为网络化制造提供技术支撑。本文将网络化DNC融入到MES设备管理系统的目的在于可以使企业执行层与控制层无缝连接，消除底层设备的信息孤岛，同时获取数控设备的实时状态信息，对控制层设备进行动态管理，实现企业执行层与控制层之间的信息交换和协同工作。

1 系统总体框架结构及功能设计

系统主要是针对工业现场的数控设备开发的，选用的网络主要用于承载数控加工程序、设备运行状态等信息，为了满足高实时性、可靠性和可扩展性的网络要求，系统通过工业以太网与企业管理层进行连接，采用TCP/IP协议，很容易集成到管理办公网络。同时，系统通过串口服务器与数控系统的RS-2232串行口进行连接通信。串口服务器将来自TCP/IP协议的数据包解析为串口数据流；反之也可以将串口数据流打成TCP/IP协议的数据包，从而实现数据的网络传输。系统利用串口服务器虚拟串口的功能，可将数控系统的数据信息透明的传输到上位机。也就是说，将串口服务器连接到网络中，上位机对数控系统的串口通信就相当于对上位机本身的串口通信一样。

系统采用客户端/服务器的通讯方式，上位机为融入网络化DNC的MES设备管理系统的客户端，系统的服务器端安装在数控系统上。系统结构如图1所示。

系统结构图

图1 系统结构图

由图1可以看出，系统由通讯管理模块、机床状态监控模块、设备数据查询模块、设备故障维修管理模块和系统资料管理模块这五大模块组成，数据库为整个系统提供数据支持。

通讯管理模块和机床状态监控模块属于网络化DNC的控制层模块。通讯管理模块主要对控制命令及数控程序进行传输和管理。控制命令的传输主要是当客户端需要对数控设备下达命令时，先从客户端传送命令到服务器端，当服务器端接收到该命令后，利用数控系统的内部命令控制数控设备。数控程序的传输是双向的，可以从客户端向服务器端传输，也可以将服务器端的数控程序传输到客户端。

机床状态监控模块主要是客户端对数控设备运行状态的数据采集、控制。此功能模块的实现可以及时快速地使执行层和管理层全面了解设备状态信息和加工操作信息，并合理的做出决策控制。另外机床状态监控模块也为企业生产的统计分析工作提供了重要的数据来源。

机床数据查询模块从数据库中获取机床状态监控模块采集来的数据，根据用户需要将数据进行统计分析，生成报表，并完成打印和管理功能。

设备故障维修管理模块对设备维修计划进行管理、对设备维修情况进行录入，并保存在数据库之中。

系统资料管理模块主要是对数控设备资料、参数资料、部门资料和人员资料进行录入及日常管理。

2 关键技术的研究与实现

由于控制命令传输的信息数据较短，可以一次性的将控制命令传送给系统的服务器端，因此控制命令的传输相对简单。只需把控制命令信息转换成二进制数据后，在其前后加上特定的标识信息，然后发送给服务器端。服务器端辨识到首尾标识后按照约定提取二进制数据信息，再转换为控制命令控制数控设备。

数控文件的传输相对比较复杂。数控文件的长度较长，超出了通信链路的限制，因此要将数控文件拆分成若干个数据包。在传输的时候，首先将文件名、文件长度等与文件有关的相关信息打成一个包，发送给服务器端。服务器端接收到该信息包后，将收到的信息保存起来并根据文件名创建对应的文件。接下来客户端将要传输的文件转换成二进制数据，按数据包的限定长度将文件分为若干个数据块，再将数据块按一定的格式打成数据包，一包一包地发送给服务器端。服务器端将接收来的数据包进行拆包，提取数据块信息，保存到对应的文件中，直到文件传输完成。服务器端发送数据的方法类似，不再详述。整个传输过程是按照事先规定好的通信协议执行的，发送与接收数据的流程图如图2、图3所示。

通讯管理模块发送数据流程图

图2 通讯管理模块发送数据流程图

通讯管理模块接收数据流程图

图3 通讯管理模块接收数据流程图

考虑到客户端和服务器端同时互传数据的情况，为了避免单线程不能及时处理连接请求，系统采用多线程技术。系统设置主线程为监视线程，负责响应连接请求。当有请求连接时，创建一个新的线程负责发送或接收数据，这样便可使两端同时进行数据传输，提高传输效率。

对数控程序的管理是MES设备管理系统中网络化DNC的核心功能之一，有效的数控程序管理，可以保证程序的准确性，避免事故损坏机床，提高生产效率，达到安全生产的目的。本系统对在生命周期内的数控程序进行内部信息管理。数控程序管理流程图如图4所示。

数控程序管理流程图

图4 数控程序管理流程图

从程序的生成到程序的消亡，系统对数控程序有一套严格的管理方法。编程人员首先编辑数控程序，然后将程序相关信息填入数据库中作为备份，此状态下的数控程序是不能上传到数控系统的。管理人员有权查看数控程序，若程序有错误，则重新编辑；若程序正确，则可以进行试切。如果试切失败需返回重新编辑，如果试切成功，管理人员将程序定型，程序一旦定型便无法修改，需要在数据库中更新程序相关信息，此时的程序可以上传到数控系统。数控程序的相关信息主要通过数据库进行管理，包括程序号、程序名称、所加工的零件号、零件图号、加工工序号、机床信息、程序状态等信息。

机床状态监控功能是网络化DNC中不可缺少的一部分，是MES设备管理的核心内容之一。本系统的机床状态监控主要是通过用于过程控制的OLE技术实现的。用于过程控制的OLE(OLE for Process Control，OPC)是工控行业的软件接口标准，它试图按照标准的方法完成不同设备之间数据的交换。OPC规范提供了两套接口方案，即定制化接口和自动化接口。由于OPC的定制化接口效率高，可以使OPC服务器发挥其最佳性能，因此系统采用定制化接口。

OPC数据访问可以提供一种通过OPC客户端读取和写入数控系统特定数据的手段。利用OPC技术，机床状态监控模块的开发流程如图5所示。

机床状态监控模块OPC类模型的开发流程

图5 机床状态监控模块OPC类模型的开发流程

在开发过程中，首先要在工程中包含四个OPC基金会提供的OPC标准库文件，对开发环境进行相关配置；OPC是基于COM技术制定的，接着初始化COM库用以使用其接口类；通过OPC服务器的ProgID得到其唯一的CLSID；只有当用户连接到OPC服务器后才能对组对象和项对象进行操作，因此连接OPC服务器是获取机床状态数据的必要过程；应用QueryInterface()方法请求IOPCSever接口指针，创建OPC组对象；通过AddItem()添加想要访问的特定数据项；添加数据项后，便可获取机床状态数据或对机床状态进行控制；最后，需要删除对象、释放内存，值得一提的是，删除对象要先删除项对象，最后删除OPC服务器对象。

MES应用研究报告（2018）正式发布！

e-works研究院 MES百科

✎导读

为了解中国MES应用的最新动态、未来趋势，e-works面向全国制造企业发起调研问卷，问卷涉及MES应用行业、MES应用现状、MES应用难点、企业需求、未来展望等内容，最终收到企业问卷共计1700余份。

作者：e-works研究院

e-works研究院在对有效问卷深入分析的基础上，立足e-works多年跟踪行业发展趋势和对行业的深入理解，结合《中国制造执行系统（MES）市场研究发展报告（2014版）》，撰写了《中国制造执行系统（MES）应用研究报告（2018版）》。

样本情况说明

MES投资分析

调查显示，在547家已实施MES企业中，有531家企业提出了MES下一步投资计划，占比高达 97%，MES升级需求大。在企业下一步投资计划中，42%的企业表示，未来MES的升级投资额将会超过200万。其中，23%的企业对MES的升级投资将超过500万。

调查显示，1120家未实施MES系统的企业，1032家企业对MES有潜在需求，占比高达92%，比2014年增长了8个百分点。由此可见，MES市场仍具有很大增长潜力。在未应用MES企业的拟投资计划中，对MES实施的首次投资预期，相比已应用MES的企业的二次投资预期更为谨慎。

MES应用模式分析

调查结果显示，MES系统的产品化程度还较低，与购买成熟商品化软件相比，企业更多以自主开发或合作开发的方式实施MES系统，且比例呈现上升的趋势。

MES选型要素分析

在众多选型核心要素中，与自动化系统的集成、行业的匹配度以及软件平台的开放性是企业MES选型所考虑的三大核心要素，与2014年数据一致。离散和流程各行业均将与自动化系统的集成以及行业匹配度放在选型核心要素的前两位。

MES系统需求分析

当前，企业实施MES系统主要考虑对产线的控制、生产过程的透明以及对制造质量的提升方面，因此，实现生产过程控制、产品追溯与追踪、质量控制、物料信息及时反馈、及时防错与预警是企业实施MES系统的五大核心需求。

MES应用现状分析

e-works认为，目前中国制造企业的MES软件应用仍处于“功能普及、能力提升”的阶段。各行业MES各功能模块的应用效果有所不同，MES数据采集方式方法仍然比较单一，MES应用成功率不高，企业对MES系统认识不足、需求难以准确把握、企业MES人才匮乏是MES系统实施过程中的突出难点。

未来市场的整体评价

未来技术的发展趋势

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