摘 要：数字工厂是一种新兴的制造模式，其灵活的生产方式及高自动化水平，为世界各大制造企业所认可。而传统制造业管理信息系统往往与制造设备不能良好的对接，造成计划不能准确的下达和监控。文章介绍的数字工厂信息管理系统的数据交换方法是将数据按照指定的格式编制成数据交换代码存入数据表中，再由下一层组态软件读取并解析，按照解析后得到的信息驱动各设备进行生产，并将生产状态通过数据表反馈给数字工厂信息管理系统，从而使生产计划准确的下达给了设备。
关键词：数字工厂 管理信息系统 数据交换 数据库
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（a）-0002-02
信息化在如今的许多大制造企业中已经有一定的基础。在生产上已经基本上实现了数字化控制，先进的管理系统与生产车间的高自动化设备却没有有效的结合，在生产计划的组织实施方式上相脱节，所形成的短板效应严重的制约了制造企业数字化设计与数字化控制优势的发挥，使制造企业不能发挥其应具有高效率，形成了信息化链条中最弱的一个环节[1]。具备可直接将生产计划下达到生产设备的数字工厂管理信息系统将是一座连通企业所有信息孤岛的一座桥梁，使孤立的数据信息汇集成一个有机的信息整体。要实现上层管理软件与下层生产设备的互动，就必须实现上层管理信息系统与控制设备的组态软件之间的数据交换[2]。
1 数字工厂的三层结构模型
为了解决生产计划的适应性以及增加底层生产过程的信息流动，提高计划的实时性和灵活性。制造企业的数字工厂建成如图1的三层集成模型，这种模型符合CIMS的递阶控制思想。
计划层：强调企业的计划性。充分利用企业内的各种资源，进行全理调配，可以根据订单进行物料需求运算，安排生产计划。数字工厂管理信息系统从生产管理的角度来看，属于企业的计划层。
控制层：控制层强调计划的执行和控制。数字工厂的控制系统通过组态软件来实现对生产设备层进行控制。
执行层：是指由生产计划的最终执行者，即由工厂内所有的生产设备所组成，这些生产设备都通过线缆与控制系统的组态软件相连接。
2 数据交换接口
数字工厂在使用组态软件来开发生产设备控制系统。为了实现两系统的集成和信息共享，必须进行基于两系统功能的对接，分别进行数据接口的设计开发，使数字工厂管理信息系统与控制系统相对独立，提高系统的灵活性，减少数字工厂管理信息系统与控制系统的内部耦合度。根据企业自己的实际应用环境和目标需求确定解决方案[3]。选择数据库作为数据交换的媒介，而数字工厂管理信息系统与控制系统数据交互接口的具体功能则是管理信息系统与控制系统同时维护着一个数据表。
数字工厂管理信息系统中接口模块的设计原理如图2所示。
位于最上层-计划层的数字工厂信息管理系统开放一个数据表可供控制系统的组态软件访问，这张表称为接口表。管理信息系统向组态软件传递指令时，可以将要传递给的数据生成指令字符串存入缓存表中，并把缓存表中最早存入的指令字符串放入接口表中，状态设为“new”；控制系统的组态软件每0.5 s读取一次接口表，当表中的指令状态为“new”时，读取这条数据，并将状态置为“old”；生产计划调度系统的接口模块也设置每0.5 s访问一次接口表，当发现状态为“old”时，就从缓存表中按顺序取出一条新的字符串数据放入到接口表中，到此完成了一次管理信息系统向组态软件传递数据。控制系统组态软件的信息反馈与此过程相似，从而实现数据的双向流通。
在系统中设计缓冲表的原因在于机械动作需要时间，控制系统控制生产设备执行动作相对于计算机的运算比较缓慢，在生产设备没有完成某指令时，管理信息系统可能又生成一新指令信息等待执行，这时就要在接口表前面加上一个接口缓冲表，用来存放暂时无法放入接口表的指令信息。管理信息系统生成的指令字符串依时间先后存入接口缓冲表中，此时这些指令的状态都是“未进入接口表”。生产计划调度系统的接口模块可以对接口表进行监视，如果发现接口表的数据已经被读取则立刻从接口缓冲表中取出时间最靠前的“未进入接口表”的指令放入接口表中，同时将位于接口缓冲表中的这条指令的状态改为“已进入接口表”，等待控制系统的组态软件读取。同时管理信息系统的接口模块还要监视控制系统的组态软件传入数据，一旦发现新数据（即此数据的状态为“new”时）就立刻读取并进行处理，处理完成后还在将位于接口表中的数据状态改为“old”表示已读。
3 数据交换编码
管理信息系统向控制系统传递的数据以指令形式放入接口，在管理信息系统与控制系统间已经建立完整的信息格式协议。所有的指令都是长度不超过60个字符的字符串，以便于接口整条的读取和写入。指令主要有为库位指令，加工指令等。
3.1 库位指令
数字工厂立体仓库的货架是并列的货架，在立体仓库货架中间有一台堆垛机，堆垛机可以在货架中间任意移动，取放放置物料的周转箱。关于库位指令只有三种，单点入库、单点出库、单点移库。批量操作时系统会将自动将批量动转化为许多单点操作。
例如，控制系统从接口中获得的单点移库指令为：
YK001B1213A0102
其中YK001指的移库单号码，当移动动作完成后控制系统将通过接口把这个号码反馈给管理信息系统；
B1213：堆垛机取周转箱的位置代码，其中B表示是第2排，12表示第12层，13表示第13列；
A0102：堆垛机放周转箱的位置代码，其中A表示是第1排，01表示第1层，02表示第2列；
组态软件会将指令解析成MOVE B1213 A0102并将这个字符串发送到堆垛机上。堆垛机就会从将B1213处的周转箱移动到A0102库位。
3.2 加工指令
管理信息系统中生成了生产计划后，针对每一个零件都会产生一条加工指令放入缓冲表，并由接口模块适时地从缓冲表中取出加工指令填入接口表中。加工指令格式如下：
9FEA0101LA0102A0103LA0104A1B2 C3D4A5D6A7E8F9A1B2C3D4A5D6
指令包含了一个零件的毛坏所在库位，制成成品存放的库位，以及每一道工序所在工位和对应的程序等信息。指令的具体意义可以参考表1。
根据表1可知，控制系统获取这条指令后从A0101L处取出物料，并为其分配零件号9FE（用于跟踪物料的加工进度），物料经过生产线到第一个加工工位，进行第一道工序的加工，使用机器编号为A，加工所用程序为1；之后，物料经过生产线到第二个加工工位，进行第二道工序的加工，使用机器编号为B，加工所用程序为2；……；指令字符串的所工序完成后成品将送回A0103L这个库位中去。
4 结论
通过文章所介绍的数据交换方法，只需在数字工厂的管理信息系统与控制系统之间分别开发数据接口模块，进行数据传递格式的设计，就能保障企业顶层与底层信息的流通性。从数字工厂管理信息系统产生的生产计划可以通过接口直接传递给控制系统，从而驱动生产设备进行生产。在数据交换的编码格式上还可以进一步的抽象，使编码可以包含更多信息，例如装配，涂装等操作的信息。文中提出数据交换方法，允许数字工厂的管理信息与控制系统进行独立的开发，降低了数字工厂软件部署实施的难度和时间，具有一定的应用前景。
参考文献
[1] 胡鑫.MES与ERP系统集成接口的研究与设计[D].长沙：湖南大学，2006.
[2] 倪海鸥.制造业ERP项目实施全过程风险管理[J].企业科技与发展，2012，323（5）：6-9.
[3] 蔡潇雨.基于MES实时数据采集与控制系统的研究与设计[D].上海：上海交通大学，2012.
摘 要：数字工厂是一种新兴的制造模式，其灵活的生产方式及高自动化水平，为世界各大制造企业所认可。而传统制造业管理信息系统往往与制造设备不能良好的对接，造成计划不能准确的下达和监控。文章介绍的数字工厂信息管理系统的数据交换方法是将数据按照指定的格式编制成数据交换代码存入数据表中，再由下一层组态软件读取并解析，按照解析后得到的信息驱动各设备进行生产，并将生产状态通过数据表反馈给数字工厂信息管理系统，从而使生产计划准确的下达给了设备。
关键词：数字工厂 管理信息系统 数据交换 数据库
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（a）-0002-02
信息化在如今的许多大制造企业中已经有一定的基础。在生产上已经基本上实现了数字化控制，先进的管理系统与生产车间的高自动化设备却没有有效的结合，在生产计划的组织实施方式上相脱节，所形成的短板效应严重的制约了制造企业数字化设计与数字化控制优势的发挥，使制造企业不能发挥其应具有高效率，形成了信息化链条中最弱的一个环节[1]。具备可直接将生产计划下达到生产设备的数字工厂管理信息系统将是一座连通企业所有信息孤岛的一座桥梁，使孤立的数据信息汇集成一个有机的信息整体。要实现上层管理软件与下层生产设备的互动，就必须实现上层管理信息系统与控制设备的组态软件之间的数据交换[2]。
1 数字工厂的三层结构模型
为了解决生产计划的适应性以及增加底层生产过程的信息流动，提高计划的实时性和灵活性。制造企业的数字工厂建成如图1的三层集成模型，这种模型符合CIMS的递阶控制思想。
计划层：强调企业的计划性。充分利用企业内的各种资源，进行全理调配，可以根据订单进行物料需求运算，安排生产计划。数字工厂管理信息系统从生产管理的角度来看，属于企业的计划层。
控制层：控制层强调计划的执行和控制。数字工厂的控制系统通过组态软件来实现对生产设备层进行控制。
执行层：是指由生产计划的最终执行者，即由工厂内所有的生产设备所组成，这些生产设备都通过线缆与控制系统的组态软件相连接。
2 数据交换接口
数字工厂在使用组态软件来开发生产设备控制系统。为了实现两系统的集成和信息共享，必须进行基于两系统功能的对接，分别进行数据接口的设计开发，使数字工厂管理信息系统与控制系统相对独立，提高系统的灵活性，减少数字工厂管理信息系统与控制系统的内部耦合度。根据企业自己的实际应用环境和目标需求确定解决方案[3]。选择数据库作为数据交换的媒介，而数字工厂管理信息系统与控制系统数据交互接口的具体功能则是管理信息系统与控制系统同时维护着一个数据表。
数字工厂管理信息系统中接口模块的设计原理如图2所示。
位于最上层-计划层的数字工厂信息管理系统开放一个数据表可供控制系统的组态软件访问，这张表称为接口表。管理信息系统向组态软件传递指令时，可以将要传递给的数据生成指令字符串存入缓存表中，并把缓存表中最早存入的指令字符串放入接口表中，状态设为“new”；控制系统的组态软件每0.5 s读取一次接口表，当表中的指令状态为“new”时，读取这条数据，并将状态置为“old”；生产计划调度系统的接口模块也设置每0.5 s访问一次接口表，当发现状态为“old”时，就从缓存表中按顺序取出一条新的字符串数据放入到接口表中，到此完成了一次管理信息系统向组态软件传递数据。控制系统组态软件的信息反馈与此过程相似，从而实现数据的双向流通。
在系统中设计缓冲表的原因在于机械动作需要时间，控制系统控制生产设备执行动作相对于计算机的运算比较缓慢，在生产设备没有完成某指令时，管理信息系统可能又生成一新指令信息等待执行，这时就要在接口表前面加上一个接口缓冲表，用来存放暂时无法放入接口表的指令信息。管理信息系统生成的指令字符串依时间先后存入接口缓冲表中，此时这些指令的状态都是“未进入接口表”。生产计划调度系统的接口模块可以对接口表进行监视，如果发现接口表的数据已经被读取则立刻从接口缓冲表中取出时间最靠前的“未进入接口表”的指令放入接口表中，同时将位于接口缓冲表中的这条指令的状态改为“已进入接口表”，等待控制系统的组态软件读取。同时管理信息系统的接口模块还要监视控制系统的组态软件传入数据，一旦发现新数据（即此数据的状态为“new”时）就立刻读取并进行处理，处理完成后还在将位于接口表中的数据状态改为“old”表示已读。
3 数据交换编码
管理信息系统向控制系统传递的数据以指令形式放入接口，在管理信息系统与控制系统间已经建立完整的信息格式协议。所有的指令都是长度不超过60个字符的字符串，以便于接口整条的读取和写入。指令主要有为库位指令，加工指令等。
3.1 库位指令
数字工厂立体仓库的货架是并列的货架，在立体仓库货架中间有一台堆垛机，堆垛机可以在货架中间任意移动，取放放置物料的周转箱。关于库位指令只有三种，单点入库、单点出库、单点移库。批量操作时系统会将自动将批量动转化为许多单点操作。
例如，控制系统从接口中获得的单点移库指令为：
YK001B1213A0102
其中YK001指的移库单号码，当移动动作完成后控制系统将通过接口把这个号码反馈给管理信息系统；
B1213：堆垛机取周转箱的位置代码，其中B表示是第2排，12表示第12层，13表示第13列；
A0102：堆垛机放周转箱的位置代码，其中A表示是第1排，01表示第1层，02表示第2列；
组态软件会将指令解析成MOVE B1213 A0102并将这个字符串发送到堆垛机上。堆垛机就会从将B1213处的周转箱移动到A0102库位。
3.2 加工指令
管理信息系统中生成了生产计划后，针对每一个零件都会产生一条加工指令放入缓冲表，并由接口模块适时地从缓冲表中取出加工指令填入接口表中。加工指令格式如下：
9FEA0101LA0102A0103LA0104A1B2 C3D4A5D6A7E8F9A1B2C3D4A5D6
指令包含了一个零件的毛坏所在库位，制成成品存放的库位，以及每一道工序所在工位和对应的程序等信息。指令的具体意义可以参考表1。
根据表1可知，控制系统获取这条指令后从A0101L处取出物料，并为其分配零件号9FE（用于跟踪物料的加工进度），物料经过生产线到第一个加工工位，进行第一道工序的加工，使用机器编号为A，加工所用程序为1；之后，物料经过生产线到第二个加工工位，进行第二道工序的加工，使用机器编号为B，加工所用程序为2；……；指令字符串的所工序完成后成品将送回A0103L这个库位中去。
4 结论
通过文章所介绍的数据交换方法，只需在数字工厂的管理信息系统与控制系统之间分别开发数据接口模块，进行数据传递格式的设计，就能保障企业顶层与底层信息的流通性。从数字工厂管理信息系统产生的生产计划可以通过接口直接传递给控制系统，从而驱动生产设备进行生产。在数据交换的编码格式上还可以进一步的抽象，使编码可以包含更多信息，例如装配，涂装等操作的信息。文中提出数据交换方法，允许数字工厂的管理信息与控制系统进行独立的开发，降低了数字工厂软件部署实施的难度和时间，具有一定的应用前景。
参考文献
[1] 胡鑫.MES与ERP系统集成接口的研究与设计[D].长沙：湖南大学，2006.
[2] 倪海鸥.制造业ERP项目实施全过程风险管理[J].企业科技与发展，2012，323（5）：6-9.
[3] 蔡潇雨.基于MES实时数据采集与控制系统的研究与设计[D].上海：上海交通大学，2012.