基于网格的分布式制造执行系统建模研究

务ｌ注　匐　地　基于网格的分布式制造执行系统建模研究　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｇｒｉｄ　郭丽华‘，汤文成　ＧＵＯ　Ｌｉ—ｈｕａ　。ＴＡＮＧ　Ｗｅｎ－ｃｈｅｎｇ　（１．苏州科技学院机械工程学院，苏州２１５００９；２．东南大学机械工程学院，南京２１１１８９）　摘要：本文总结了目前ＭＥＳ系统存在的问题，分析了网格技术应用到ＭＥｓ系统中的必要性和可行性。　采用统一建模语言（ＵＭＬ）建立了网格环境下制造执行系统的用例图模型、类图模型和顺序图　模型，提出了基于网格的ＭＥＳ体系结构，该结构具有分布式、模块化、可重构、可集成、敏　捷化等优点。　关键词：制造执行系统；网格计算；统一建模语言；体系结构；建模　中圈分类号：ＴＨ１　６６　文献标识码：Ａ　文童编号：１　００９－０１　３４（ｔＯｌ　３）１　１（１－）－ｏｏ９３－ｏ４　Ｄｏｉ：１　０．３９６￣Ｉ／Ｊ．ｉｓｓｎ．１　００９－０１　３４．２０１　３．１１（Ｅ）．２６　０引言　制造执行系统（Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ，ＭＥＳ）是面向车间的生产过程管理与　实时信息系统。它主要解决车间生产任务的执行　问题，填补了上层生产计划与底层工业控制之间　的鸿沟ｎ】。它以实际执行操作为驱动，采集、存　储、加工处理车间数据，并依此管理包括物料、　设备、人员、流程指令和设施在内的所有工厂　资源来提高制造竞争力，向企业资源计划系统　（Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ　Ｒｅｓｏｕｒｃｅ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ，ＥＲＰ）提供实时数　据，并从ＥＲＰ系统接收工作计划经细化后分配给车　间控制系统　。　要。表１展示了ＭＥＳ的需求与网格所提供的解决方　案。　表１　ＭＥＳ的需求与网格的解决方案　ＩＶＩＥＳ的需求　资源共享　实时信息采集　网格的解决方案　用通信手段连接起来的资源无缝集成为一个有机　的整体　通知机制允许客户端通过注册来获取特定的消　息，并支持消息的异步单向传输　Ｃ．￣ｄＦＩ＇Ｐ提供了数据传输标准，Ｇｌｏｂｕｓ提供了副本　数据密集型处理　目录、副本选择等副本管理技术，ＯＧＳＡ．ＤＡｌ则　关注数据库的访问　制造过程的动态性　ＯＧＳＡ￣１人软状态，通过两个标准操作管理临时服　务的生命周期　异构系统的集成　将所有的资源和操作封装为服务，通过统一接口　注册和请求服务，屏蔽了系统的异构性，　统一的标准　离散型制造企业产品多为小批量，多品种，　订单式生产，工艺路线复杂，插单生产现象严　重，车间自动化水平不一，设备多样，数据采集　接口不同，难以实现信息集成　。现有ＭＥＳ系统　不能很好地应用到离散型制造企业中，主要存在　以下四个问题：　１）缺乏统一的制造资源的抽象模型；　２）缺乏科学可行的决策支持系统；　ＧＴ４基于ＷＳＲＦ规范，完全兼容ｗｅｂ　Ｓｅｒｖｉｃｅ，采用　平台无关的ＸＭＬ描述语言、ＳＯＡＰ消息传输协议、　ＷＳＤＬ服务描述语言和ＵＤＤＩ注册中心　本文采用统一建模语言（ＵＭＬ）建立了网格环　境下制造执行系统的用例图模型、类图模型和顺　序图模型，提出了基于网格的ＭＥＳ体系结构，该　结构具有分布式、模块化、可重构、可集成、敏　捷化等优点。　３）自动采集数据困难；　４）缺乏有效的数据处理方法。　１网格环境下基于ＵＭＬ的ＭＥＳ建模　１＿１领域分析　离散型制造业的过程控制复杂多变，具有以　下几个特点：从产品形态来说，离散制造的产品　网格技术解决了异构资源的集成问题，具有　动态自适应性、分布性、可扩展性和互操作性。　与网格技术的优势相比，现有的数据共享和互　操作方案，比￣／ＩＩＰ２Ｐ、ＣＯＭ／ＤＣＯＭ、ＣＯＲＢＡ、　相对复杂，包含多个零部件，顾客驱动的市场　下，产品结构多变；从产品种类来说，一般的离　散型制造企业生产相关的较多品种和系列的产　品，决定了企业物料的多样性：从加工过程看，　ＤＣＥ、Ｊ２ＥＥ等，在共享配置的灵活性、动态性和　共享资源种类上不能完全满足制造执行系统的需　收稿日期：２０１３－０７－１４　基金项目：江苏省高校自然科学研究面上项目（１　１ＫＪＢ４６０００９）；江苏省自然科学基金（ＢＫ２０１　１３１４）　作者简介：郭丽华（１９８１一），女，山东聊城人，讲师，博士，研究方向为制造业信息化。　第３５卷第１１期２０１３－１１（Ｉ－）　［９３１　ｌ　訇　化　备的功能，即用例。　由图１可得，ＭＥＳ系统需要具　有物料管理、设备管理、人力资　源管理、数据采集、作业计划和　调度、生产管理、任务管理、质　量管理等功能，并且要和计划层　ＥＲＰ系统和过程控制层ＰＣＳ系统实　时交互，使车间生产透明化。　１＿２．２类图　在网格环境中，所有的异构　资源都被封装为具有统一接口的　网格服务，用户可以通过网格门　户访问资源、提交任务、监测和　执行分布式网格应用。根据上文　提供的ＭＥＳ功能模型以及通过需　求分析构造的用例图，结合离散　制造车间的实际环境，可以抽象　出ＭＥＳ的对象模型。　由于车间的实际情况比较复　杂，在此对ＭＥＳ模型作了简化，　检验产品质量　解决质量问题负责系统安全　系统管理员　提炼了离散制造业车间的共性。　为了使系统具有最大程度的重构　图１基于网格的ＭＥＳ系统的用例图　性，采用Ｍｕｌｉｔ－ａｇｅｎｔ技术实现各功　能模块，将基于网格的ＭＥＳ系统　离散型制造企业生产过程是由不同零部件加工子　过程或并联或串连组成的复杂过程，其过程中包　含着更多的变化和不确定因素；从生产管理过程　看，离散型制造企业的生产作业计划调度，需要　根据优先级，工作中心能力，设备能力，均衡生　分为网格服务模块、任务管理、资源管理、产品　评估，数据库管理五大模块和ＥＲＰ接口、网格门户　应用程序。　１．３动态图模型　产等方面对工序级和设备级的作业　计划进行调度，软件功能的强弱直　接影响企业的产能。　ＥＲＰ接口　●下达任务书（）　●传递图纸、产品要求ｏ　’监督任务完工情况０　◆接受ＭＥＳ的实时数据（）　访问　网格门户　任务管理Ａｇｅｎｔ　三ｉ三三　三　缝窭　ｊ　＝父卜＝１　量　１◆任务分解（）　＼歪　１．２静态图模型　１．２．１用例图模型　匣　）ｌ　——　◆堇　芏　最划路线（１）　◆使用ＭＥｓ系统（　Ｊ　Ｉ　◆高　亲爱　蠡　舀　一“　Ｉ◆请求人力资源０　请哥　资源　通过分析离散型制造企业的需　求，应用统一建模语言ＵＭＬ，从用　户的角度建立了制造执行系统的用　例图，如图１所示。按照ＭＥＳ的理　论，结合企业实际情况，初步分析　出了ＭＥＳ中的主要角色：　质量控￥１ＪＡｇｅｎｔ　◆控制在制品质量（）　◆采集在制品质量数据（）　’检测产品质量（）　１数据库管理Ａｇｅｎｔ　储产品馈§＿—————一　——　震霎　ｌ◆数据清理０　羟砌簪　晶１　、、网格服务Ａｇｅｎｔ　　、、、ｒ生产管理Ａｇｅｎｔ　亡二二＝＝二二＝＝二＝＝　厦　．。Ｉ’崎主册封装资源（）　’发现资源（）　１◆优选评估资源（）　ｌ◆分配与调度资源０　ｆ●启动生产任务（）　Ｉ◆监督任务进度（）　ＥＲＰ系统、车间主任、调度员、　品质员、数据分析员、系统管理　员、ＰＣＳ系统，以及角色希望系统具　［ｇ４ｌ　第３５卷第１１期２０１３－１１（上）　Ｉ●管理车间资源０　Ｉ◆管理在制品０　１●调整资源配合（）　ｌ◆负责车间安全０　———图２基于网格的ＭＥＳ系统的顶级类图　务ｌ生　訇　似　ＤＣＳ、ＳＣＡＤＡ、ＰＬＣ系统　１：登陆　‘　，［　２：提交任务　　等系统组成，缺乏统一的数　据结构和标准的数据接口，　造成底层控制系统集成困　难，相互之间的通讯异常复　杂，而且不易形成统一的接　口向ＭＥＳ传递信息，从而　：　任务分解　＝］　ｌ：请求设备资镪　；：请求人力资　ｉ：请求物料　使得ＭＥＳ的实时性、准确　７：资源发现　８：ｌ　源优先评估　，【　性等特性难以实现。本文选　＝］　９：茧；　分配与调度　择ＯＰＣ　ＸＭＬ—ＤＡ技术来解　・—Ｊ　决这些问题。ＭＥＳ系统作　１０：斥　确认　厂　１：启动生产任　『　为ＯＰＣ　ＸＭＬ—ＤＡ　Ｃｌｉｅｎｔ可　１２　管理在制品　以直接调用ＸＭＬ格式数据　＝］　的ＯＰＣ　ＸＭＬ．ＤＡ　Ｓｅｒｖｅｒ，　１３：在制品信星　实现对现场底层数据的直　１　４：监督任务遵』　接访问。另外，通过ＯＰＣ　１５：查看　壬务进度　ｘＭＬ—ＤＡ　Ｓｅｒｖｅｒ平台可以实　１６：任务完成　现不同Ｓｅｒｖｅｒ间的直接通　１｝　释放资源　＿ｌ—＝Ｊ　信　。　１８：任务完成　Ｌ　网格基本结构层，包括　，　１）　质量检验　网格的基本功能，可实现资　二］　２０：更新数据　源的封装、存储访问、信息　２１：完　亡汇报　安全等。信息管理模块为信　Ｊ、　息请求者和资源提供者之间　架起一座桥梁，为用户提供　图３基于网格的ＭＥＳ系统的顺序图　需要的网格信息。资源管理　模块采用网格技术对各类独　动态模型描述对象之间如何交互、如何合作　立运行的资源进行封装，将　完成系统的行为。ＵＭＬ的顺序图按时间顺序描述　局部资源封装成为可供网格上所有应用共享的全　系统对象内部及其对象之间的消息传递与处理。　局资源，并通过网格技术屏蔽资源的异构性，以　本文从实例层的角度来对网格环境下的制造执行　一致透明的方式对其进行访问。网格中间件层为　系统进行描述，以完成一个来自ＥＲＰ系统的任务订　实现基于网格计算的制造服务和服务协同提供基　单，来描述消息在各代理之间的传递顺序，如图３　本的功能，例如远程过程管理、存储访问、信息　所示。　安全、服务质量等，并为开发基于网格的制造执　２网格环境下基于ＭＡＳ的ＭＥＳ体系　行系统提供类库、应用编程接口、集成开发环境　等同。　结构　ＭＥＳ功能层，在网格基本结构层提供的开　如图４所示，设计了一种四层的基于网格的　发环境中开发符合离散型制造企业的制造执行系　ＭＥＳ体系结构，分别为资源层、网格基本结构　统，主要包括制造执行系统的核心功能：任务管　层、ＭＥＳ功能层、用户应用层。　理、资源分配与调度、生产管理、数据库管理、　资源层是指可用来生产的所有车间资源，包　质量控制等。应用Ｍｕｌｔｉ—ａｇｅｎｔ技术，每个功能模块　括加工设备、控制系统、软件系统、数据库系统　可以由独立的ａｇｅｎｔ完成，具有完全的自治性，可　等资源。目前，底层控制层由来自不同厂家的　以被布置在不同的操作系统中，不同的ａｇｅｎｔ之间　第３５卷第１１期２０１３－１１（上）　［０５１　ＰＣＳ系统　ＥＲＰ系统　用户应用层　ＳＣＭ系统　质量检测　车间主管　网格门户　任务管￣ｇｅｎｔ　网格服务Ａｇｅｍ　产品管￣％ｇｅｎｔ　质量控制　ｇｅｎｔ　数据库管￣ｋｇｅｎｔ　存储生产数据　存储实时数据　处理实时数据　数据更新　任务分解　制订工艺路线　物料需求计划　通　讯　和　资源发现　控制　Ｐ质量　资源优选评估　资源分配与调度　监督生产　生产安全管理　收集ＷＩＰ实时信　息　检测产品质量　人力资源计划　安　全　ＭＥＳ功能层　信息管理　资源管理　网格中间件　类库　服务质量　数　据　交　换　信息存储）（信息更新　信息询问）（信息分发　竺竺　车一理一　一度蝴调　资源封装，、、（资源注册　，———．　、－　—＿一　——、，／——、　资源调度）（资源预留　远程应用管理　应用程序接口　网格基本结构层　一ＯＰＣ　ＸＭＬ－ＤＡ　Ｓｅｒｖｅｒ平台　一　数控机床ＡＧｖ小车　人力资源　关系数据库ｌ　Ｉ实时数据Ｉ库ｎｔ　ｅｒａｎｒｅ￣　ｔ资源层　图４基于网格的制造执行系统体系结构　相互通信、协作完成系统任务。Ｍｕｌｔｉ—ａｇｅｎｔ技术提　高了系统的敏捷性、智能性和柔性。　的解决方案和理论依据。　用户应用层，管理人员、ＥＲＰ系统、ＳＣＭ系　统、ＰＤＭ系统等用户通过网格门户使用ＭＥＳ系统　的功能，实现企业信息系统的全面集成，保证信　参考文献：　［１】饶运清，李培根，李淑霞，等．制造执行系统的现状与发展　趋势［Ｊ】．机械科学与技术（西安）．２００２，２１（６）：１０１１－１０１６．　［２】周长英．基于离散制造业车间的制造执行（ＭＥＳ）方案设　计［Ｊ］制造业自动化，２０１２，３４（５）：１５—１８．　［３】Ｗａｎｇ　Ｓｕ—ａｎ，Ｈｅ　Ｗｅｉ—ｐｉｎｇ，Ｆａｎｇ　Ｙａ—ｄｏｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ　息流在企业内的流动和交互畅通无阻。　３结论　本文针对当前制造执行系统存在的问题，分　析了网格技术应用到制造执行系统的必要性和可　行性。利用统一建模语言ＵＭＬ建立了网格环境下　制造执行系统的用例图、类图和顺序图，从用户　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ［Ｃ］．ＩＥＥＥ，２００５：１３８１－１３８４．　【４】Ｒｕｃｙ—Ｓｈｕｎ　ｃｈｅｎ，Ｙｕｎｇ—Ｓｈｕｎ　Ｔｓａｉ，Ｃｈａｎ—Ｃｈｉｎｃ　Ｃｈａｎｇ．　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎ　ａｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　的角度确定了制造执行系统域。根据制造执行系　统的模型图，建立了基于网格的制造执行系统的　体系结构，该系统具有良好的扩展性、柔性、敏　捷性、可重构性和易集成性，为实现企业连续信　息流，有效地支持企业经营过程重组提供了良好　【９６】　第３５卷第１１期２０１３－１１（上）　ｉｎ￣ｓｔｒｙ［Ｃ］．ＩＥＥＥ　ＩＳＩＥ　２００６，Ｊｕｌｙ　９－１２，２００６：２９４８—２９５３．　［５】施丽花．制造执行系统及其在发电企业中的应用【Ｄ１．南　京：东南大学，２００６．　【６】范玉顺．制造网格的概念与体系结构【Ｊ】．航空制造技　术，２００５（１０）：４２—４５．