0 引言
在我國(guó)經(jīng)濟(jì)體制結(jié)構(gòu)中,離散制造業(yè)在評(píng)價(jià)國(guó)家綜合實(shí)力中起著舉足輕重的作用。隨著知識(shí)經(jīng)濟(jì)和電子商務(wù)、因特網(wǎng)等信息技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代制造業(yè)面臨著新的環(huán)境和挑戰(zhàn),制造業(yè)信息化成為了促進(jìn)制造業(yè)企業(yè)發(fā)展的重要?jiǎng)恿。同時(shí),應(yīng)用面向服務(wù)的信息化技術(shù)是制造業(yè)信息化系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢(shì),而制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system,MES)的產(chǎn)生和應(yīng)用順應(yīng)了制造業(yè)信息化的潮流,所以在全球商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的今天,對(duì)面向服務(wù)的離散制造車間MES的研究顯得尤為重要。
作為整個(gè)制造企業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)與管理活動(dòng)信息溝通的橋梁,MES采用雙向直接通訊,在整個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品供需鏈中,既向生產(chǎn)過(guò)程人員傳達(dá)企業(yè)的計(jì)劃,又向有關(guān)部門提供產(chǎn)品制造過(guò)程狀態(tài)的信息反饋。傳統(tǒng)的專業(yè)MES開(kāi)發(fā)公司,其設(shè)計(jì)的產(chǎn)品通常是針對(duì)車間生產(chǎn)過(guò)程中特定的功能模型或者是特定制造環(huán)境下的車間生產(chǎn)類型而開(kāi)發(fā)的,因此,不同的制造業(yè)企業(yè)可能由于車間內(nèi)部需求的不同,從不同軟件供應(yīng)商購(gòu)買需要的MES產(chǎn)品。這一行為導(dǎo)致了各制造業(yè)企業(yè)的MES實(shí)際上是一個(gè)綜合應(yīng)用系統(tǒng),其每個(gè)子系統(tǒng)有各自的處理邏輯、數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)模型和通信機(jī)制。企業(yè)專用MES應(yīng)用于車間生產(chǎn),其出發(fā)點(diǎn)是為了解決某些關(guān)鍵任務(wù)或者某些特定領(lǐng)域問(wèn)題,比如車間生產(chǎn)調(diào)度、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和質(zhì)量控制等;集成MES主要是針對(duì)特定環(huán)境設(shè)計(jì)的行業(yè)MES,雖然這類系統(tǒng)具有集成上層計(jì)劃與下層控制的功能,但其不能與企業(yè)中已存在的異構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相互操作,更不能在動(dòng)態(tài)環(huán)境下進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置,從而不利于技術(shù)的更新升級(jí)?偠灾S著離散制造車間制造模式的發(fā)展和改變,MES存在集成性能差、通用性和可配置性不高、實(shí)時(shí)信息采集和實(shí)時(shí)事件處理不強(qiáng)、重構(gòu)能力弱等不足,難以滿足現(xiàn)代車間生產(chǎn)管理的要求。因此,本文提出了面向服務(wù)的離散制造車間MES體系結(jié)構(gòu)。
1 相關(guān)研究
MES作為離散制造車間制造系統(tǒng)運(yùn)行模式的基本構(gòu)成和支撐技術(shù),其功能模型和體系架構(gòu)的適用性對(duì)于離散制造企業(yè)實(shí)施MES意義重大。面向服務(wù)架構(gòu)的制造執(zhí)行系統(tǒng)是基于開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),具有語(yǔ)言獨(dú)立性、松散耦合、跨平臺(tái)、良好的封裝性、位置透明等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)可以更好地使MES提高應(yīng)對(duì)離散制造車間生產(chǎn)需求的變化,利于實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息流的連續(xù)性和車間制造的敏捷性。根據(jù)現(xiàn)代制造業(yè)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì),面向服務(wù)架構(gòu)的MES成為了學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn),其代表性研究成果有:李亞白等人把面向服務(wù)的思想引入到MES,將車間資源服務(wù)化,提出了基于面向服務(wù)的可重構(gòu)MES軟件體系結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法,之后針對(duì)現(xiàn)有MES存在的問(wèn)題,提出了面向服務(wù)的協(xié)同MES架構(gòu);郝廣科等人從MES技術(shù)著手,設(shè)計(jì)了面向服務(wù)的多層體系結(jié)構(gòu),提出了面向服務(wù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法;柴永生等人針對(duì)制造執(zhí)行系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性,提出了基于服務(wù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)信息集成架構(gòu);在此基礎(chǔ)上,袁安富等人以中小企業(yè)為研究對(duì)象,提出了以Web服務(wù)技術(shù)為基礎(chǔ)的一種面向服務(wù)的信息系統(tǒng)架構(gòu),實(shí)現(xiàn)了MES信息共享和較強(qiáng)的擴(kuò)展性能;王琦峰等人提出了面向服務(wù)的MES框架模型,將面向服務(wù)作為制造執(zhí)行系統(tǒng)的架構(gòu)風(fēng)格和集成方式;王琦峰等人¨叫還綜合使用多種建模方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)面向服務(wù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)。在工業(yè)界的應(yīng)用中具有代表性的面向服務(wù)計(jì)算技術(shù)有上海普元的面向服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)EOS和流程平臺(tái)BPS等。文獻(xiàn)是關(guān)于面向服務(wù)的MES實(shí)踐研究,介紹了FactoryTalk集成化生產(chǎn)與績(jī)效套件如何應(yīng)用SOA技術(shù)實(shí)現(xiàn)集成、可擴(kuò)展和通用的制造執(zhí)行系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上給出了汽車裝配生產(chǎn)線應(yīng)用實(shí)例。
綜上所述,目前的研究主要集中于面向服務(wù)的MES框架模型、系統(tǒng)架構(gòu)及建模等方面,而針對(duì)離散制造車間的面向服務(wù)的MES模型構(gòu)建、應(yīng)用實(shí)施及優(yōu)化運(yùn)行研究較少,且尚未提出完整、規(guī)范性的面向服務(wù)的MES體系結(jié)構(gòu),同時(shí)對(duì)其在集成化、通用化和產(chǎn)品化的作用方面分析不足,對(duì)面向服務(wù)的離散制造車間MES的實(shí)施案例研究也較少。針對(duì)上述問(wèn)題與現(xiàn)狀,本文結(jié)合離散制造車間的特點(diǎn),提出了面向服務(wù)的離散制造車間MES體系結(jié)構(gòu),分析了傳統(tǒng)面向?qū)ο蟮腗ES系統(tǒng)架構(gòu)不足,并分析了本體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成及其特點(diǎn)。
2 傳統(tǒng)面向?qū)ο蟮腗ES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的面向?qū)ο蟮腗ES體系架構(gòu)包括用戶界面層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)庫(kù)層,如圖1所示。
圖1 面向?qū)ο蟮?層IVIES體系結(jié)構(gòu)
從支持離散制造車間制造系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的角度來(lái)說(shuō),傳統(tǒng)的面向?qū)ο蟮腗ES在技術(shù)和功能上存在以下問(wèn)題:
1)跨車間或跨企業(yè)制造過(guò)程協(xié)同功能
從企業(yè)上層信息系統(tǒng)下達(dá)的制造任務(wù)不僅是車間制造系統(tǒng)內(nèi)部,更是與其相關(guān)的制造企業(yè)之間協(xié)作的基本驅(qū)動(dòng)因素?紤]如何有效地對(duì)制造任務(wù)進(jìn)行分解、如何有效地對(duì)車間制造資源進(jìn)行合理利用的同時(shí),還能在客戶要求及車間制造任務(wù)制造環(huán)境等條件的約束下對(duì)所涉及的資源進(jìn)行優(yōu)化配置,實(shí)現(xiàn)跨車間或跨企業(yè)制造過(guò)程的有效協(xié)同是MES的重要功能。而傳統(tǒng)的面向?qū)ο蟮腗ES功能往往局限于單一的車間制造系統(tǒng),無(wú)法支持跨車間或企業(yè)的制造過(guò)程管理與協(xié)同。
2)制造過(guò)程實(shí)時(shí)信息采集和實(shí)時(shí)事件處理功能
制造過(guò)程實(shí)時(shí)信息采集和實(shí)時(shí)事件處理是實(shí)現(xiàn)離散制造車間制造系統(tǒng)運(yùn)行模式敏捷性的基礎(chǔ)。但是由于MES所處的實(shí)施環(huán)境比較復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)這一功能需要從2方面著手,即數(shù)據(jù)采集方法和采集設(shè)備,同時(shí)還需要增強(qiáng)車間實(shí)時(shí)事件采集和處理功能,從而提高車間制造系統(tǒng)的敏捷性。而傳統(tǒng)的面向?qū)ο蟮腗ES的數(shù)據(jù)采集是以手工上報(bào)為主,結(jié)合條形碼等半自動(dòng)信息采集技術(shù),這種采集方式時(shí)間間隔較大,容易受到人為因素的影響,且數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性得不到保障。
3)系統(tǒng)集成性和可重構(gòu)性
生產(chǎn)設(shè)備和車間人力資源也是離散制造車間運(yùn)作系統(tǒng)的一部分,MES需要與其共享信息和交互資源,這樣才能實(shí)現(xiàn)車間對(duì)整體資源的優(yōu)化配置和合理調(diào)度。同時(shí)內(nèi)外部環(huán)境的多變和市場(chǎng)的不穩(wěn)定都要求MES結(jié)構(gòu)具有可重構(gòu)性,這樣才能迅速對(duì)系統(tǒng)作出重新配置和調(diào)整。而傳統(tǒng)的面向?qū)ο蟮腗ES將上述2個(gè)系統(tǒng)隔離管理,不利于企業(yè)信息系統(tǒng)集成,并且傳統(tǒng)MES產(chǎn)品針對(duì)性較強(qiáng),很難做到對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境的敏捷反應(yīng)。
因此,為了更好地支持面向服務(wù)的離散制造車間制造系統(tǒng)運(yùn)行模式的有效運(yùn)作,在功能框架上,需要對(duì)傳統(tǒng)的面向?qū)ο蟮腗ES功能進(jìn)行擴(kuò)展,即要求擴(kuò)展后的MES能夠在原有功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)跨車間或跨企業(yè)的制造過(guò)程協(xié)同、制造過(guò)程實(shí)時(shí)信息采集和實(shí)時(shí)事件處理、MES與生產(chǎn)設(shè)備及人力資源的有效集成等。同時(shí),需要MES提高自身敏捷性和與其他信息系統(tǒng)集成的速度,即其能夠在相應(yīng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上隨機(jī)應(yīng)變。而面向服務(wù)架構(gòu)因?yàn)槠湔Z(yǔ)言獨(dú)立性、松散耦合、跨平臺(tái)、良好的封裝性、服務(wù)位置透明等特點(diǎn),逐漸成為離散制造車間MES首選的體系結(jié)構(gòu)。
3 面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)
面向服務(wù)體系架構(gòu)(service oriented architecture,SOA)是一個(gè)組件模型,能將應(yīng)用程序的不同功能單元(服務(wù))通過(guò)服務(wù)之間定義良好的接口和協(xié)議聯(lián)系起來(lái)。接口采用完全中立的方式來(lái)定義,獨(dú)立于實(shí)現(xiàn)具體服務(wù)的硬件、操作系統(tǒng)和編程語(yǔ)言。在SOA中,服務(wù)是封裝成用于業(yè)務(wù)流程中的可重用組件的應(yīng)用程序單元,提供了信息或業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)從一個(gè)有效、一致的狀態(tài)向另一個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。面向服務(wù)體系架構(gòu)如圖2所示。
面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)中的角色包括:
1)服務(wù)需求者。服務(wù)需求者是一個(gè)應(yīng)用程序、一個(gè)軟件模塊或需要一個(gè)服務(wù)的另一個(gè)服務(wù)。其發(fā)起對(duì)注冊(cè)中心中的服務(wù)查詢,通過(guò)傳輸綁定服務(wù),并且執(zhí)行服務(wù)功能。服務(wù)使用者根據(jù)接口契約來(lái)執(zhí)行服務(wù)。
2)服務(wù)提供者。服務(wù)提供者是一個(gè)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)尋址的實(shí)體,接受和執(zhí)行來(lái)自使用者的請(qǐng)求。其將自己的服務(wù)和接口契約發(fā)布到服務(wù)注冊(cè)中心,以便服務(wù)者可以發(fā)現(xiàn)和訪問(wèn)該服務(wù)。
3)服務(wù)注冊(cè)中心。服務(wù)注冊(cè)中心是服務(wù)發(fā)現(xiàn)的支持者。其包含一個(gè)可用服務(wù)的存儲(chǔ)庫(kù),并允許感興趣的服務(wù)使用者查找服務(wù)提供者接口。
圖2 面向服務(wù)體系結(jié)構(gòu)
4 面向服務(wù)的離散制造車間MES體系結(jié)構(gòu)
4.1 系統(tǒng)需求分析
1)車間制造資源共享與系統(tǒng)集成
離散制造車間MES執(zhí)行的任務(wù)主要是企業(yè)的MRPII/ERP以“工作令”的方式下達(dá),以車間生產(chǎn)設(shè)備,CAD,CAM,CAPP等相關(guān)軟件,硬件設(shè)施及車間人力資源等車間制造資源為載體,面向服務(wù)的MES首先要對(duì)車間異構(gòu)資源系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范描述和定義,使之能夠信息共享,然后對(duì)制造任務(wù)進(jìn)行有效的分解,并依據(jù)客戶訂單要求和制造條件對(duì)制造資源進(jìn)行優(yōu)化配置,從而實(shí)現(xiàn)車間制造資源之間、不同信息系統(tǒng)之間充分的信息共享和無(wú)縫的系統(tǒng)集成。
2)制造過(guò)程實(shí)時(shí)信息采集與實(shí)時(shí)事件處理
離散制造業(yè)企業(yè)一般是人員密集型企業(yè),車間自動(dòng)化水平相對(duì)較低,一般以手工上報(bào)為主,加之?dāng)?shù)據(jù)采集設(shè)備、采集方式和采集技術(shù)的局限性,使得采集的數(shù)據(jù)完整度不高,不利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程及時(shí)、有效的管理與控制,更不利于多源信息的融合和復(fù)雜信息決策能力的提高,從而也就很難實(shí)現(xiàn)車間制造系統(tǒng)運(yùn)行模式的敏捷化。
3)MES系統(tǒng)的可重構(gòu)性
離散制造的2個(gè)主要特點(diǎn)是多品種、小批量。因?yàn)槊總(gè)客戶需求的多樣性,致使每個(gè)產(chǎn)品具體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝流程、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)設(shè)備等都可能不一樣。因此,這就要求面向服務(wù)的離散制造MES能夠迅速對(duì)車間組織進(jìn)行及時(shí)調(diào)整,對(duì)車間制造工藝進(jìn)行及時(shí)規(guī)劃,對(duì)加工物料、設(shè)備管理等制造資源做出快速響應(yīng)。即面向服務(wù)的MES可重構(gòu)需求主要包括車間制造管理組織、車間制造流程和車間制造資源。
4.2 體系結(jié)構(gòu)介紹
面向服務(wù)的離散制造車間MEs在擴(kuò)展了傳統(tǒng)MES功能基礎(chǔ)上,引入了面向服務(wù)架構(gòu)和服務(wù)理念,目的在于實(shí)現(xiàn)離散制造車間制造資源的共享和系統(tǒng)有效集成,支持車架制造系統(tǒng)對(duì)下達(dá)任務(wù)進(jìn)行有效分解,對(duì)車間制造資源進(jìn)行有效配置,對(duì)車間制造流程進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。同時(shí),擴(kuò)展后的體系模塊通過(guò)面向服務(wù)這一架構(gòu)將制造資源封裝成服務(wù),然后通過(guò)服務(wù)的請(qǐng)求和獲取等多種方式實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)間信息共享和系統(tǒng)集成,從而實(shí)現(xiàn)車間整個(gè)制造系統(tǒng)全方位的協(xié)同。針對(duì)上述離散制造車間對(duì)面向服務(wù)的MES需求分析,本文提出了一種面向服務(wù)的離散制造車間MES體系結(jié)構(gòu),其主要由資源服務(wù)層、基礎(chǔ)服務(wù)層、功能服務(wù)層、流程協(xié)同層、平臺(tái)集成框架層和平臺(tái)門戶構(gòu)成,如圖3所示。
圖3 面向服務(wù)的離散制造車間MES體系結(jié)構(gòu)
1)資源服務(wù)層。資源服務(wù)層包含車間制造系統(tǒng)制造過(guò)程中所需要的各種資源,主要是數(shù)據(jù)庫(kù)及生產(chǎn)相關(guān)文檔等信息類資源,還有加工機(jī)床、操作工等設(shè)備和人力資源,加工設(shè)備和人力資源通過(guò)數(shù)據(jù)采集和信息交互終端集成到制造執(zhí)行系統(tǒng)中。而所有涉及的制造資源則被描述和封裝成服務(wù),然后通過(guò)面向服務(wù)架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)資源、信息和數(shù)據(jù)等的統(tǒng)一,這樣有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)資源、數(shù)據(jù)和信息等的有效管理。
2)基礎(chǔ)服務(wù)層。基礎(chǔ)服務(wù)層屬于MES的中間層,是平臺(tái)的核心基礎(chǔ)架構(gòu),既包括車間事務(wù)管理、日志管理等構(gòu)成平臺(tái)基礎(chǔ)的中間件,也包括各種基礎(chǔ)協(xié)議和服務(wù)。這一模塊的設(shè)計(jì)方便了用戶使用各類制造服務(wù)資源,同時(shí)也為構(gòu)建高效穩(wěn)定和安全的面向服務(wù)的系統(tǒng)平臺(tái)提供了重要的技術(shù)保證。
3)功能服務(wù)層。這一模塊是面向服務(wù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)的核心,在傳統(tǒng)MES功能基礎(chǔ)上擴(kuò)展了面向服務(wù)的離散制造車間制造系統(tǒng)運(yùn)行模式下的諸如制造過(guò)程協(xié)同、制造過(guò)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)事件處理等功能模塊。所有功能都以服務(wù)的方式提供,系統(tǒng)的用戶就可以通過(guò)面向服務(wù)架構(gòu)來(lái)調(diào)用所需要的功能服務(wù)。
4)流程協(xié)同層。美國(guó)ARC顧問(wèn)集團(tuán)認(rèn)為企業(yè)實(shí)現(xiàn)協(xié)同,需要沿著產(chǎn)品生命周期、企業(yè)價(jià)值鏈和企業(yè)不同的層次實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成¨21。制造過(guò)程流程協(xié)同層這一模塊實(shí)現(xiàn)的就是整個(gè)產(chǎn)品生命周期從制造任務(wù)分解到制造任務(wù)完成績(jī)效評(píng)價(jià)的計(jì)劃、物料、質(zhì)量及信息等的運(yùn)作和管理的所有業(yè)務(wù)流程,這些流程在企業(yè)價(jià)值鏈的支撐下由功能服務(wù)層的功能服務(wù)依據(jù)制造流程的需要進(jìn)行組合,從而完成整個(gè)制造任務(wù)。
5)平臺(tái)集成框架層。由于制造過(guò)程協(xié)作的復(fù)雜性及不同信息系統(tǒng)之間的異構(gòu)性,平臺(tái)集成框架支持面向服務(wù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)與車間其他信息系統(tǒng)或者是跨車間內(nèi)部MES信息、跨企業(yè)外部MES信息的集成,通過(guò)集成消除各個(gè)系統(tǒng)之間的異構(gòu)性。
6)系統(tǒng)門戶。系統(tǒng)門戶是面向服務(wù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)的統(tǒng)一入口。
4.3 體系結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)分析
面向服務(wù)的離散制造車間MES結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)有以下3個(gè)方面:
1)服務(wù)化。服務(wù)是構(gòu)建制造執(zhí)行系統(tǒng)的基本單元,服務(wù)的請(qǐng)求、發(fā)布、查找和組合運(yùn)作是系統(tǒng)的基本運(yùn)作模式。在這一模式下,車間所有的制造資源、軟硬件資源及制造知識(shí)等被封裝成了服務(wù),通過(guò)面向服務(wù)架構(gòu)來(lái)進(jìn)行車間制造過(guò)程的運(yùn)作。
2)功能擴(kuò)展化。一是面向服務(wù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)擴(kuò)展了傳統(tǒng)MES的應(yīng)用范圍,支持網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下不同車間制造系統(tǒng)對(duì)MES的運(yùn)作管理;二是系統(tǒng)的構(gòu)建是基于面向服務(wù)技術(shù),支持各類制造服務(wù)和功能按照需求增設(shè);三是數(shù)據(jù)采集和信息交互終端的使用使得制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能想設(shè)備層和操作層深入。
3)集成化。面向服務(wù)的制造執(zhí)行系統(tǒng)在技術(shù)上消除了不同信息系統(tǒng)之間的異構(gòu)性,并將制造資源、軟硬件資源等封裝成服務(wù),實(shí)現(xiàn)了企業(yè)三層結(jié)構(gòu)的有效集成。同時(shí),這一系統(tǒng)支持制造系統(tǒng)在計(jì)劃、進(jìn)度、質(zhì)量等方面的信息集成。
5 結(jié)語(yǔ)
面向服務(wù)是MES發(fā)展的必然趨勢(shì),本文基于面向服務(wù)架構(gòu)提出了面向服務(wù)的離散制造車間MES體系結(jié)構(gòu),其有效解決了離散制造車間制造系統(tǒng)異構(gòu)性、車間制造資源共享和信息系統(tǒng)集成等問(wèn)題。本體系結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方法和實(shí)施模式將在后續(xù)的MES研究中得到進(jìn)一步的完善和驗(yàn)證。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處:拓步ERP資訊網(wǎng)http://www.oesoe.com/
本文標(biāo)題:面向服務(wù)的離散制造車間MES體系結(jié)構(gòu)研究
本文網(wǎng)址:http://www.oesoe.com/html/consultation/10820611636.html