引自：《制造執行系統技術及應用》（作者：饒運清）

以離散制造為例，MES生產監控系統的主要目的是通過實時采集生產車間各個工序和機臺的實時生產數據及狀態，對產品生產過程的生產數據和機臺狀態進行監控，圖形化分析和匯總生產計劃達成情況，以及統計分析機臺的開工效率，通過進行生產數據的實時分析處理，以反映車間生產的實時狀態，從而提高企業生產系統的可控性，改善和優化企業的生產過程及生產管理，進而實現對車間生產系統的生產進行優化控制。

「1. MES生產監控系統架構」

MES生產監控系統通過對車間生產現場數據進行采集、處理及分析，實時監測和檢查生產進度達成情況，發現和及時糾正生產進度出現的偏差，達到對生產進行有效控制的目的。車間生產監控系統由底層數據采集子系統、通信網絡子系統、數據存儲子系統和數據分析處理子系統組成。

MES生產監控系統的基本功能包括：

（1）數據采集功能：提供常見信號的輸入接口，能夠對生產過程數據及機臺狀態進行實時采集，并進行初步處理。

（2）現場交互功能：生產機臺現場應具有人機交互功能，以便操作人員進行機臺故障報告，接收并選擇生產任務。

（3）圖形化監測功能：采用圖形化界面，提供給車間管理人員直觀方便的監測手段。

（4）現場組網功能：現場數據采集器應具備組網接口，通過其組網功能，可將車間的所有設備組成一個網絡化的設備監控系統。通過適配卡連接的上位機 PC 對處于網絡中的設備進行集中監控和管理。

MES生產監控系統架構如圖1所示。該系統架構在結構上分為3層：底層數據采集層、現場通信網絡層、車間生產管理層。數據采集層主要通過安裝在設備上的現場數據采集器實現對設備的自動化監測，屬于整個系統的最底層。現場數據采集器節點對各種輸入信號進行處理，根據程序的設定，對各種輸出執行機構進行控制，以此完成該節點的監控任務。現場通信網絡層負責系統的現場數據通信，實現設備節點間以及上位機和下位機節點間的數據通信。車間生產管理層通過企業內部網與企業 ERP 相連，以實現與 ERP 系統的無縫連接。同時，車間管理層負責對設備運行狀況進行實時監控和數據處理，并可根據生產需求，生成各種生產報表。生產現場電子看板可采用多屏顯示卡或以太網擴展。

圖1 MES生產監控系統架構

「2. MES生產監控網絡技術」

1）車間生產監控網絡類型

MES監控系統網絡是將企業計劃層和車間執行層以及設備層有機地聯系在一起的通信網絡，并通過該網絡實時采集生產現場的各類生產數據。為保障車間生產監控系統的內部、車間生產監控系統與企業管理層之間具有良好的通信，其MES通信網絡系統應具有滿足系統要求的帶寬，并能實現雙向通信，每一個網絡節點都能獲得其需要的信息，同時也能將節點采集的生產信息發布出去。

MES生產監控系統網絡應具備滿足以下功能要求：

（1）雙向性。應支持節點間的雙向通信，即每一個節點在工作需要時都可以接受和發送信息

（2）多節點。應能掛載一定數量的節點，車間的特點就是機臺多、人員流動大及物料轉移頻繁等，這些都要求現場通信網絡能夠掛載足夠的節點。

（3）優先級。在現場通信網絡中流通著不同類別的信息，網絡結構應該具有裁定各信息的優先級的功能，保證重要的信息優先處理。

（4）可靠性和實時性。由于信息的錯誤或者延時較大都有可能帶來不必要的損失，因此應保證網絡安全可靠、及時快速；并且一旦某一節點發生故障，網絡還能正常工作。

（5）可維護性。根據企業需要，車間的機臺或生產的產品隨時有可能增加或減少，因此當減少一個節點，或者有新的節點需要加入網絡時，網絡應不需要或者只需很小的改動。

應用于工業現場的MES生產監控網絡分為有線網絡和無線網絡兩大類。有線網絡主要包括：現場總線網絡（field bus）、工業以太網絡和 RS485 網絡等。現場總線網絡基于現場總線技術組建現場測控網絡，現場總線是一種應用于工業現場的數字通信技術。現場總線有40余種，常用的現場總線有基金會現場總線(foundation field bus，FF)、 Lonworks、PROFIBUS、控制器局域網（controller area network，CAN）等。工業以太網絡是以太網技術在工業領域的應用，由于其低成本和高傳輸速率等特性，在工業現場中常與現場總線結合使用。工業以太網標準與以太網 IEEE802.3 標準兼容，但根據工業網絡的應用需求，工業以太網需滿足實時性、環境耐受性、可靠性、抗干擾性和數據安全性等要求。由于大多數儀器儀表的接口方式采用 RS-485 或 RS-232，并且價格低廉、實施方便，因此 RS-485 網絡也是工業現場應用較為廣泛的網絡系統之一。RS-485 是一個物理層的標準協議，可以承載多種現場總線協議。RS-485 采用平衡發送和差分接收，最大的通信距離約為 1200m（在 100Kb/S 傳輸速率下），極限傳輸速率為 10Mb/S。RS-485網絡數據通信能力相對于現場總線或工業以太網較弱，但因具有較強的抗干擾性能，且系統價格低廉，布線操作簡單，因此也廣泛應用與工業現場的數據采集組網中。無線通信網絡則由于有效避免了有線網絡的布線難題，為布網復雜區域實施網絡控制提供了解決方案。應用較為廣泛的無線通信技術包括：Bluetooth（藍牙）、WLAN（無線局域網）、UWB（超寬帶）和 ZigBee 等短距離無線通信技術，以及 GSM/GPRS移動通信技術等。

2）基于ZigBee的無線傳感器網絡

Zigbee技術是一種成熟的應用于短距離和低速率下的無線通信技術，其特點是小范圍、能耗小，適用于各類智能化控制或者遠程控制。又因為它低復雜度和低成本，在小型無線聯網且需要控制成本的控制系統中大受歡迎。使用 ZigBee 技術組網的兩個節點之間的傳輸距離雖然較近（只有70m左右），但是在一個網絡中可布置幾千個節點，每個節點間可以互相傳遞數據。類似一個蜂窩系統，這樣信息在節點間相互傳遞，使得節點間通訊距離可以無限擴展。ZigBee網絡以其較低的功耗、較大的網絡容量以及可靠的安全性，使得該技術與RFID結合時非常適合用于MES車間環境。

ZigBee網絡可采用星型(Star)、樹形(Cluster-tree)、網狀(Mesh)等多種拓撲結構，如圖2所示。

(a)星型結構 (b)樹形結構 (c)網狀結構

圖2 ZigBee網絡的三種拓撲結構

（1）星型拓撲結構：由一個節點呈向外散發狀，子節點之間全部圍繞在該節點周圍。中間的父節點是協調器，周圍的子節點通信都要通過中間的父節點。周邊的子節點可以只用作接受發送信息的終端設備，也可以是功能較為完備的路由器。星型網絡優缺點都很明顯，優點是構造簡單，布點容易，維護也非常方便；缺點則是通信都要通過中心節點，中心節點壓力很大，信息交流性不強。

（2）樹形拓撲結構：將多個簡單的星型網絡呈樹狀連接起來，最上面的中心節點被用作整個網絡的協調器，其余中心節點用作路由器，這樣就構成了樹形拓撲網。樹形的網絡的特點是易于拓展，尋點便宜。

（3）網狀拓撲結構：較之上述兩種拓撲結構有著更加豐富的選擇和變化，路由器之間可以自由通信。任意節點間需要通信時可以尋找最優化的一條路徑，優點是減少了通信時間，缺點是該結構需要配備足夠大的存儲空間。

ZigBee網絡由ZigBee協調器、ZigBee路由器和ZigBee終端組成，協調器和路由器必須為全功能設備，網絡由協調器發起，并由協調器分配64位網絡地址。在MES生產監控系統中，將ZigBee與RFID技術相結合，大大擴展RFID的工作范圍與目標對象的讀取距離。圖3所示是與RFID技術結合的ZigBee網絡結構圖。

圖3 與RFID技術結合的車間ZigBee無線網絡

與GPRS/GSM無線網絡相比，ZigBee的最大優勢在于其信號傳遞不需要通過通信基站，ZigBee 的每一個網絡節點（不包括簡單功能的設備終端節點）具有數據轉發和連接網絡的作用，這在 ZigBee 網絡中起到的與基站類似作用。因此，相較于GPRS/GSM，基于ZigBee的無線網絡更適合用于MES車間生產監控系統。GSM/GSM主要用于大型網絡，造價較高，在工業領域中較常用于設備異地的遠程監控，或地域分布廣泛的監控系統。而ZigBee網絡可以根據使用者的實際需求，在監控車間區域靈活布點，適用于一定范圍的網絡設計，并且ZigBee更具有可靠、實時、維護簡單等優勢。運行成本方面，現有的GPRS/GSM 網絡需持續支付使用費，其終端成本也不低。而ZigBee設備成本低廉，特別是網絡中的終端設備節點（只作接受和發送數據用）。此外，ZigBee開發技術成熟，且維護更簡單。

ZigBee無線網絡與傳感器技術相結合就形成了基于ZigBee的無線傳感器網絡(WSN)。無線傳感器網絡是一項通過無線通信技術把大量傳感器節點以自由式進行組織與結合進而形成的網絡形式。傳感器網絡實現了數據的采集、處理和傳輸三種功能，它能夠協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋區域內被感知對象的信息，并最終把這些信息發送給網絡的所有者。無線傳感器網絡支持眾多類型的傳感器，ZigBee無線網絡與制造車間中的各類傳感器結合形成的無線傳感器網絡，可以自動采集和監測車間生產環境信息，如溫度、濕度、噪聲、光照、電磁、機床狀態、物料位置、人員狀態等，為MES車間生產管理與實時過程管控提供有效支持。