基于網(wǎng)格的分布式制造執(zhí)行系統(tǒng)建模研究

郭麗華，湯文成

GUO Li-hua1,TANG Wen-cheng2

（1. 蘇州科技學院 機械工程學院，蘇州 215009；2. 東南大學 機械工程學院，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)過程管理與實時信息系統(tǒng)。它主要解決車間生產(chǎn)任務的執(zhí)行問題，填補了上層生產(chǎn)計劃與底層工業(yè)控制之間的鴻溝[1]。它以實際執(zhí)行操作為驅(qū)動，采集、存儲、加工處理車間數(shù)據(jù)，并依此管理包括物料、設備、人員、流程指令和設施在內(nèi)的所有工廠資源來提高制造競爭力，向企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（Enterprise Resource Planning,ERP）提供實時數(shù)據(jù)，并從ERP系統(tǒng)接收工作計劃經(jīng)細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)，工藝路線復雜，插單生產(chǎn)現(xiàn)象嚴重，車間自動化水平不一，設備多樣，數(shù)據(jù)采集接口不同，難以實現(xiàn)信息集成[3,4]。現(xiàn)有MES系統(tǒng)不能很好地應用到離散型制造企業(yè)中，主要存在以下四個問題：

1）缺乏統(tǒng)一的制造資源的抽象模型；

2）缺乏科學可行的決策支持系統(tǒng)；

3）自動采集數(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，具有動態(tài)自適應性、分布性、可擴展性和互操作性。與網(wǎng)格技術(shù)的優(yōu)勢相比，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。

1 網(wǎng)格環(huán)境下基于UML的MES建模

1.1 領域分析

離散型制造業(yè)的過程控制復雜多變，具有以下幾個特點：從產(chǎn)品形態(tài)來說，離散制造的產(chǎn)品相對復雜，包含多個零部件，顧客驅(qū)動的市場下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多變；從產(chǎn)品種類來說，一般的離散型制造企業(yè)生產(chǎn)相關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)計劃調(diào)度，需要根據(jù)優(yōu)先級，工作中心能力，設備能力，均衡生產(chǎn)等方面對工序級和設備級的作業(yè)計劃進行調(diào)度，軟件功能的強弱直接影響企業(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，應用統(tǒng)一建模語言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、設備管理、人力資源管理、數(shù)據(jù)采集、作業(yè)計劃和調(diào)度、生產(chǎn)管理、任務管理、質(zhì)量管理等功能，并且要和計劃層ERP系統(tǒng)和過程控制層PCS系統(tǒng)實時交互，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，用戶可以通過網(wǎng)格門戶訪問資源、提交任務、監(jiān)測和執(zhí)行分布式網(wǎng)格應用。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際環(huán)境，可以抽象出MES的對象模型。

由于車間的實際情況比較復雜，在此對MES模型作了簡化，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)格服務模塊、任務管理、資源管理、產(chǎn)品評估，數(shù)據(jù)庫管理五大模塊和ERP接口、網(wǎng)格門戶應用程序。

1.3 動態(tài)圖模型

動態(tài)模型描述對象之間如何交互、如何合作完成系統(tǒng)的行為。UML 的順序圖按時間順序描述系統(tǒng)對象內(nèi)部及其對象之間的消息傳遞與處理。本文從實例層的角度來對網(wǎng)格環(huán)境下的制造執(zhí)行系統(tǒng)進行描述，以完成一個來自ERP系統(tǒng)的任務訂單，來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，設計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、用戶應用層。

資源層是指可用來生產(chǎn)的所有車間資源，包括加工設備、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等資源。目前，底層控制層由來自不同廠家的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)和標準的數(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 的實時性、準確性等特性難以實現(xiàn)。本文選擇 OPC XMLDA 技術(shù)來解決這些問題。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，實現(xiàn)對現(xiàn)場底層數(shù)據(jù)的直接訪問。另外，通過OPC XML-DA Server平臺可以實現(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，可實現(xiàn)資源的封裝、存儲訪問、信息安全等。信息管理模塊為信息請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)對各類獨立運行的資源進行封裝，將局部資源封裝成為可供網(wǎng)格上所有應用共享的全局資源，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其進行訪問。網(wǎng)格中間件層為實現(xiàn)基于網(wǎng)格計算的制造服務和服務協(xié)同提供基本的功能，例如遠程過程管理、存儲訪問、信息安全、服務質(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、應用編程接口、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：任務管理、資源分配與調(diào)度、生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)庫管理、質(zhì)量控制等。應用Multi-agent技術(shù)，每個功能模塊可以由獨立的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。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)的流動和交互暢通無阻。

3 結(jié)論

本文針對當前制造執(zhí)行系統(tǒng)存在的問題，分析了網(wǎng)格技術(shù)應用到制造執(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)具有良好的擴展性、柔性、敏捷性、可重構(gòu)性和易集成性，為實現(xiàn)企業(yè)連續(xù)信息流，有效地支持企業(yè)經(jīng)營過程重組提供了良好的解決方案和理論依據(jù)。

[1] 饒運清,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[J].機械科學與技術(shù)(西安).2002,21(6):1011-1016.

[2] 周長英.基于離散制造業(yè)車間的制造執(zhí)行(MES)方案設計[J].制造業(yè)自動化,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)中的應用[D].南京:東南大學,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.