郭麗華，湯文成

GUO Li-hua1,TANG Wen-cheng2

（1. 蘇州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，蘇州 215009；2. 東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 211189）

0 引言

制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）是面向車間的生產(chǎn)過程管理與實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)。它主要解決車間生產(chǎn)任務(wù)的執(zhí)行問題，填補(bǔ)了上層生產(chǎn)計(jì)劃與底層工業(yè)控制之間的鴻溝[1]。它以實(shí)際執(zhí)行操作為驅(qū)動(dòng)，采集、存儲(chǔ)、加工處理車間數(shù)據(jù)，并依此管理包括物料、設(shè)備、人員、流程指令和設(shè)施在內(nèi)的所有工廠資源來(lái)提高制造競(jìng)爭(zhēng)力，向企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)（Enterprise Resource Planning,ERP）提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并從ERP系統(tǒng)接收工作計(jì)劃經(jīng)細(xì)化后分配給車間控制系統(tǒng)[2]。

離散型制造企業(yè)產(chǎn)品多為小批量，多品種，訂單式生產(chǎn)，工藝路線復(fù)雜，插單生產(chǎn)現(xiàn)象嚴(yán)重，車間自動(dòng)化水平不一，設(shè)備多樣，數(shù)據(jù)采集接口不同，難以實(shí)現(xiàn)信息集成[3,4]。現(xiàn)有MES系統(tǒng)不能很好地應(yīng)用到離散型制造企業(yè)中，主要存在以下四個(gè)問題：

1）缺乏統(tǒng)一的制造資源的抽象模型；

2）缺乏科學(xué)可行的決策支持系統(tǒng)；

3）自動(dòng)采集數(shù)據(jù)困難；

4）缺乏有效的數(shù)據(jù)處理方法。

網(wǎng)格技術(shù)解決了異構(gòu)資源的集成問題，具有動(dòng)態(tài)自適應(yīng)性、分布性、可擴(kuò)展性和互操作性。與網(wǎng)格技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相比，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)共享和互操作方案，比如P2P、COM/DCOM、CORBA、DCE、J2EE等，在共享配置的靈活性、動(dòng)態(tài)性和共享資源種類上不能完全滿足制造執(zhí)行系統(tǒng)的需要。表1展示了MES的需求與網(wǎng)格所提供的解決方案。

表1 MES的需求與網(wǎng)格的解決方案

本文采用統(tǒng)一建模語(yǔ)言(UML)建立了網(wǎng)格環(huán)境下制造執(zhí)行系統(tǒng)的用例圖模型、類圖模型和順序圖模型，提出了基于網(wǎng)格的MES體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有分布式、模塊化、可重構(gòu)、可集成、敏捷化等優(yōu)點(diǎn)。

1 網(wǎng)格環(huán)境下基于UML的MES建模

1.1 領(lǐng)域分析

離散型制造業(yè)的過程控制復(fù)雜多變，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：從產(chǎn)品形態(tài)來(lái)說(shuō)，離散制造的產(chǎn)品相對(duì)復(fù)雜，包含多個(gè)零部件，顧客驅(qū)動(dòng)的市場(chǎng)下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多變；從產(chǎn)品種類來(lái)說(shuō)，一般的離散型制造企業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的較多品種和系列的產(chǎn)品，決定了企業(yè)物料的多樣性；從加工過程看，離散型制造企業(yè)生產(chǎn)過程是由不同零部件加工子過程或并聯(lián)或串連組成的復(fù)雜過程，其過程中包含著更多的變化和不確定因素；從生產(chǎn)管理過程看，離散型制造企業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃調(diào)度，需要根據(jù)優(yōu)先級(jí)，工作中心能力，設(shè)備能力，均衡生產(chǎn)等方面對(duì)工序級(jí)和設(shè)備級(jí)的作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行調(diào)度，軟件功能的強(qiáng)弱直接影響企業(yè)的產(chǎn)能。

1.2 靜態(tài)圖模型

1.2.1 用例圖模型

通過分析離散型制造企業(yè)的需求，應(yīng)用統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML，從用戶的角度建立了制造執(zhí)行系統(tǒng)的用例圖，如圖1所示。按照MES的理論，結(jié)合企業(yè)實(shí)際情況，初步分析出了MES中的主要角色：

ERP系統(tǒng)、車間主任、調(diào)度員、品質(zhì)員、數(shù)據(jù)分析員、系統(tǒng)管理員、PCS系統(tǒng)，以及角色希望系統(tǒng)具備的功能，即用例。

由圖1可得，MES系統(tǒng)需要具有物料管理、設(shè)備管理、人力資源管理、數(shù)據(jù)采集、作業(yè)計(jì)劃和調(diào)度、生產(chǎn)管理、任務(wù)管理、質(zhì)量管理等功能，并且要和計(jì)劃層ERP系統(tǒng)和過程控制層PCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互，使車間生產(chǎn)透明化。

1.2.2 類圖

在網(wǎng)格環(huán)境中，所有的異構(gòu)資源都被封裝為具有統(tǒng)一接口的網(wǎng)格服務(wù)，用戶可以通過網(wǎng)格門戶訪問資源、提交任務(wù)、監(jiān)測(cè)和執(zhí)行分布式網(wǎng)格應(yīng)用。根據(jù)上文提供的MES功能模型以及通過需求分析構(gòu)造的用例圖，結(jié)合離散制造車間的實(shí)際環(huán)境，可以抽象出MES的對(duì)象模型。

由于車間的實(shí)際情況比較復(fù)雜，在此對(duì)MES模型作了簡(jiǎn)化，提煉了離散制造業(yè)車間的共性。為了使系統(tǒng)具有最大程度的重構(gòu)性，采用Mulit-agent技術(shù)實(shí)現(xiàn)各功能模塊，將基于網(wǎng)格的MES系統(tǒng)分為網(wǎng)格服務(wù)模塊、任務(wù)管理、資源管理、產(chǎn)品評(píng)估，數(shù)據(jù)庫(kù)管理五大模塊和ERP接口、網(wǎng)格門戶應(yīng)用程序。

1.3 動(dòng)態(tài)圖模型

動(dòng)態(tài)模型描述對(duì)象之間如何交互、如何合作完成系統(tǒng)的行為。UML 的順序圖按時(shí)間順序描述系統(tǒng)對(duì)象內(nèi)部及其對(duì)象之間的消息傳遞與處理。本文從實(shí)例層的角度來(lái)對(duì)網(wǎng)格環(huán)境下的制造執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行描述，以完成一個(gè)來(lái)自ERP系統(tǒng)的任務(wù)訂單，來(lái)描述消息在各代理之間的傳遞順序，如圖3所示。

2 網(wǎng)格環(huán)境下基于MAS的MES體系結(jié)構(gòu)

如圖4所示，設(shè)計(jì)了一種四層的基于網(wǎng)格的MES體系結(jié)構(gòu)，分別為資源層、網(wǎng)格基本結(jié)構(gòu)層、MES功能層、用戶應(yīng)用層。

資源層是指可用來(lái)生產(chǎn)的所有車間資源，包括加工設(shè)備、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等資源。目前，底層控制層由來(lái)自不同廠家的DCS、SCADA、PLC系統(tǒng)等系統(tǒng)組成，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口，造成底層控制系統(tǒng)集成困難，相互之間的通訊異常復(fù)雜，而且不易形成統(tǒng)一的接口向 MES 傳遞信息，從而使得 MES 的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性等特性難以實(shí)現(xiàn)。本文選擇 OPC XMLDA 技術(shù)來(lái)解決這些問題。MES系統(tǒng)作為OPC XML-DA Client 可以直接調(diào)用 XML格式數(shù)據(jù)的 OPC XML-DA Server，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)底層數(shù)據(jù)的直接訪問。另外，通過OPC XML-DA Server平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)不同 Server 間的直接通信[5]。

網(wǎng)格基本結(jié)構(gòu)層，包括網(wǎng)格的基本功能，可實(shí)現(xiàn)資源的封裝、存儲(chǔ)訪問、信息安全等。信息管理模塊為信息請(qǐng)求者和資源提供者之間架起一座橋梁，為用戶提供需要的網(wǎng)格信息。資源管理模塊采用網(wǎng)格技術(shù)對(duì)各類獨(dú)立運(yùn)行的資源進(jìn)行封裝，將局部資源封裝成為可供網(wǎng)格上所有應(yīng)用共享的全局資源，并通過網(wǎng)格技術(shù)屏蔽資源的異構(gòu)性，以一致透明的方式對(duì)其進(jìn)行訪問。網(wǎng)格中間件層為實(shí)現(xiàn)基于網(wǎng)格計(jì)算的制造服務(wù)和服務(wù)協(xié)同提供基本的功能，例如遠(yuǎn)程過程管理、存儲(chǔ)訪問、信息安全、服務(wù)質(zhì)量等，并為開發(fā)基于網(wǎng)格的制造執(zhí)行系統(tǒng)提供類庫(kù)、應(yīng)用編程接口、集成開發(fā)環(huán)境等[6]。

MES功能層，在網(wǎng)格基本結(jié)構(gòu)層提供的開發(fā)環(huán)境中開發(fā)符合離散型制造企業(yè)的制造執(zhí)行系統(tǒng)，主要包括制造執(zhí)行系統(tǒng)的核心功能：任務(wù)管理、資源分配與調(diào)度、生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、質(zhì)量控制等。應(yīng)用Multi-agent技術(shù)，每個(gè)功能模塊可以由獨(dú)立的agent完成，具有完全的自治性，可以被布置在不同的操作系統(tǒng)中，不同的agent之間相互通信、協(xié)作完成系統(tǒng)任務(wù)。Multi-agent技術(shù)提高了系統(tǒng)的敏捷性、智能性和柔性。

圖4 基于網(wǎng)格的制造執(zhí)行系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

用戶應(yīng)用層，管理人員、ERP系統(tǒng)、SCM系統(tǒng)、PDM系統(tǒng)等用戶通過網(wǎng)格門戶使用MES系統(tǒng)的功能，實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息系統(tǒng)的全面集成，保證信息流在企業(yè)內(nèi)的流動(dòng)和交互暢通無(wú)阻。

3 結(jié)論

本文針對(duì)當(dāng)前制造執(zhí)行系統(tǒng)存在的問題，分析了網(wǎng)格技術(shù)應(yīng)用到制造執(zhí)行系統(tǒng)的必要性和可行性。利用統(tǒng)一建模語(yǔ)言UML建立了網(wǎng)格環(huán)境下制造執(zhí)行系統(tǒng)的用例圖、類圖和順序圖，從用戶的角度確定了制造執(zhí)行系統(tǒng)域。根據(jù)制造執(zhí)行系統(tǒng)的模型圖，建立了基于網(wǎng)格的制造執(zhí)行系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性、柔性、敏捷性、可重構(gòu)性和易集成性，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)連續(xù)信息流，有效地支持企業(yè)經(jīng)營(yíng)過程重組提供了良好的解決方案和理論依據(jù)。

[1] 饒運(yùn)清,李培根,李淑霞,等.制造執(zhí)行系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)(西安).2002,21(6):1011-1016.

[2] 周長(zhǎng)英.基于離散制造業(yè)車間的制造執(zhí)行(MES)方案設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2012,34(5):15-18.

[3] Wang Su-an,He Wei-ping,Fang Ya-dong.Research of manufacturing execution system based on the networked manufacturing environment[C].IEEE,2005:1381-1384.

[4] Rucy-Shun chen,Yung-Shun Tsai,Chan-Chinc Chang.Design and implementation of an intelligent manufacturing execution system for semiconductor manufacturing industry[C].IEEE ISIE 2006,July 9-12,2006:2948-2953.

[5] 施麗花.制造執(zhí)行系統(tǒng)及其在發(fā)電企業(yè)中的應(yīng)用[D].南京:東南大學(xué),2006.

[6] 范玉順.制造網(wǎng)格的概念與體系結(jié)構(gòu)[J].航空制造技術(shù),2005(10):42-45.