ERP/MES/底层控制集成系统研究

lihuolin958

[导读]将控制中的实时概念引入企业的生产和计划中。分析和描述了ERP/MES/底层控制集成系统的信息流，以及实现该信息流而建立的系统构架，建立了基于XML的ERP/MES/OPC共享信息组织结构，构造了面向OPC开放式软控制技术的MES/底层控制的对象模型。

　　在当今复杂的商务和制造环境中，典型的应用系统包括面向事务活动的制造资源计划(ERP) 、面向制造的制造执行系统(MES)和面向控制的底层控制系统。
　　ERP闭环实现的关键是ERP/MES/系统底层控制的集成。本文针对此问题进行了有益的探索，分析了ERP/MES/底层控制的时间因子，提出了将控制的实时性引入ERP;分析了ERP/MES/底层控制之间的数据流，建立了集成系统结构;在此基础上，具体介绍系统中应用的两个关键技术：基于XML的信息表示和集成技术，基于OPC的控制技术;在文章的最后，利用本文提出的设计思想和技术建立了一个自动装配线实例。
　　1 ERP/MES/底层控制集成系统结构
　　1.1 ERP/MES/底层控制的时间因子
　　ERP系统是基于事务处理的环境，其工作是以天、周、月、年为时段，即100X时间因子。它从管理层角度关注客户订单、销售预测、物料需求等信息，并将计划下达给车间执行层(MES)以生产需要的产品来满足客户订单或库存要求。MES的职责是执行产品制造以及相应的作业，完成详细的产品设计和产品制造工艺，提供控制层工作指令，MES工作于较短的时间范围，通常以天、班组、小时、分钟或秒为时段，即10X时间因子。一旦MES生成的工作指令、程序、文档及其它生产要求发送到控制层，控制层便执行指定的操作。控制层以实时方式工作，时间因子为1X(秒或更小的工作单位)。
　　由此可以看出，从底层控制、MES到ERP构成了从实时、秒、分、时、班组、天、周、月、年完整的信息管理、控制时段，覆盖了从上层计划到车间执行的整个过程，实现实时的企业管理，保证了ERP的闭环实现。
　　1.2 ERP/MES/底层控制数据流
　　ERP/MES/底层控制的数据流关系。MES在上层ERP和车间层控制层之间建立的联系主要体现在两个方面：①自顶而下信息流的传递，自底而上的信息反馈;②生产作业计划、任务、指令的下达，任务执行状态的反馈。
　　1.2.1 自顶而下信息流传递
　　ERP系统的驱动数据来源于客户订单和销售预测，在MRP运行后将主要产生两种输出：采购件的采购订单和自制件的工作订单(Work Order)。采购订单直接下达给采购部门，或与SCM系统集成进行物流计划以及跟踪、监控物流状态。自制件的工作订单下达到相应的工作中心(一般指车间)的MES，工作订单中包含了物料、生产数量、完工日期等信息，除了工作订单，还有一些其它信息如标准物料BOM、标准生产工艺、设计文档等也下达到MES，根据这些信息MES产生更为详细的资源分配、工序和生产调度，并形成工作指令下达给控制层的人工、设备或控制系统，同时将控制系统需要的控制参数发送给控制层。
　　1.2.2 自底而上信息流反馈
　　底层控制接受到MES下达的工作指令完成相应工序。在控制层工作的同时或完成后将底层信息实时地反馈给MES，这些信息既包括实时生产信息，如起止时间、装夹时间、等待时间、排队时间、实际工作时间、完成数量、废品数量，又包括作业/任务状态以及底层设备/人工状态;MES在反馈的底层信息基础上，对某些信息再进一步处理并反馈给ERP系统，如工作订单状态/完成情况、起止时间、资源状态、工时信息、实际的物料BOM、实际的生产工艺、WIP信息、废品信息、实际库存状态，这些反馈信息对ERP系统至关重要：①使ERP中的物料BOM、生产工艺根据反馈数据得以调整，从而使物料BOM、生产工艺、提前期更为准确;②实时的资源状态(物料、人工、设备)使闭环MRP得以实现;③实时信息的反馈使成本计算、WIP状态、库存状态更加可靠。
　　由此可见，ERP/MES/底层控制间信息流的下达和反馈保证了ERP系统信息的实时性，是ERP闭环实现的基础保证。
　　1.3 ERP/MES/底层控制系统结构
　　ERP/MES/底层控制的信息流通过集成的系统结构得以实现。
　　ERP系统中物料管理、生产管理、销售管理、财务管理、人力资源5个主要功能模块和MES之间存在非常紧密的相互作用。物料管理中物料BOM、物料生产工艺、库存状态和MES有双向信息通信;ERP的闭环实现则主要在生产管理与MES的集成中得以体现;销售管理是ERP的初始输入，并通过MES的实时反馈反应客户订单的状态;成本控制是财务管理的重要方面，实际生产成本的核算需要MES反馈的关于工时、人力、设备等诸多信息;MES对人力资源的作用主要通过工时、班组等信息核算人工工资。
　　MES中包括了车间控制和管理的主要功能：作业调度、资源分配、工时管理、文档控制、数据采集、WIP跟踪、质量管理和维修管理。MES是整个系统中信息流和控制流的枢纽，是连接ERP和底层控制的桥梁。MES所担当的角色是跟踪、监控和管理车间的整个活动。
　　底层控制包括自动过程控制系统如PLC、DCS;数据采集系统如条形码阅读器;基于软件控制器如数字控制、运动控制、机器人控制;以及人机接口控制(HMI)。它一方面执行MES下达的操作指令，一方面向MES反馈实时的信息。
　　ERP/MES/底层控制的集成包括信息流集成以及控制集成，建立了基于XML的ERP/MES/底层控制共享信息组织结构，构造了面向OPC开放式软控制技术的MES/底层控制模型。
　　2 ERP/MES/底层控制集成关键技术
　　2.1 基于XML的信息表示和集成
　　可扩展标记语言(eXtensible Markup Language，XML)改变了人们对程序设计、通信甚至一般表示的含义以及环境的理解，尽管语言本身很简单，但它却可能改变计算机领域及其应用的版图。XML的最大贡献在于它赋予了信息的“含义”特征。XML已经成为商务活动中信息表示事实上的标准。同样，在ERP/MES/底层控制的信息集成中采用XML具有以下优势：
　　(1)ERP/MES/底层控制间信息流表示的可理解性和统一性 系统信息的集成需要对信息进行统一的定义、组织和表示，以满足各个系统对信息通信的要求。采用XML表述的信息结构包含了特定环境下含义，便于各个系统的理解和处理。所有的ERP/MES/底层控制中的集成信息均采用了XML定义。
　　(2)分布数据库环境下的信息集成 ERP/MES/底层控制系统的数据库体系是一个典型的分布式数据库，数据库分布在管理层、车间或生产单元，RDBMS不尽相同，分布异构数据库系统的信息集成和共享往往变得非常的困难。XML能够使不同数据库的数据很容易集成起来，数据库之间通过XML进行交流。
　　(3)实现数据视图 对任何一个XML文件的制作者来说只要考虑信息的完整性和规范性，客户取得数据后可以通过一个XPath，XPattern或DOM根据特定的需要对XML进行过滤，以获得用户自己的需要的信息视图，信息处理各取所需。例如，在底层控制反馈的生产信息XML中包含了大量信息如起止工作时间、装夹时间、工作时间、完成数量、废品数量、等待时间、排队时间、员工等，对于ERP系统中物料管理模块仅仅取其中的完成数量以修改物料库存，而财务管理模块则会取其中的工作时间、完成数量、装夹时间来计算成本。
　　(4)便于实现分布式运算 由于XML的含义性使客户端在收到XML数据的同时也能理解XML数据的含义，从而使广泛、通用的分布式计算成为可能，可以彻底改变服务器负荷繁重的状况，准确地将数据封装进XML文件中发送给客户，让客户主动地根据自己的需求对数据进行处理。
　　2.2 基于OPC技术的集成控制
　　现场总线技术使底层设备具有了通信能力，并以底层设备为网络节点形成了开放式数字通信网络，使自动化领域步入了数字通信时代，并已经成为当今自动化领域技术发展的热点。OPC(OLE for Process Control)表示为应用于过程控制的OLE，它是OPC基金会1996年推出的一套基于微软的OLE/COM标准接口协议，其目的在于建立一个有效实现数据交换的接口，提高制造业和过程控制工业的各种自动化应用。
　　OPC定义了一套应用于支持过程数据访问、报警、事件，以及过程历史数据访问等功能的COM接口。OPC采用客户/服务器的通信模式，其服务器功能是一方面负责与数据提供方(现场设备或数据库)的通信;另一方面将数据提供方提供的数据通过标准的OPC接口供数据调用方调用。数据调用方充当了OPC的客户方。标准接口保证了互操作性，使得所以支持OPC的客户能够以一致的方式访问所有OPC服务器。
　　OPC标准协议定义了自定义接口和自动化接口两套接口标准，OPC客户端应用程序与OPCServer通信既可以通过自定义接口，也可以通过自动化接口。每个OPCServer必须提供自定义接口，同时基金会也对自动化接口定义了标准。通常客户端应用程序采用脚本语言如VB等通常使用自动化接口;而客户端采用C++通常采用自定义接口，这样可以最大限度地实现系统的性能。
　　在一个复杂的系统中，通常会出现多种现场总线共存的情况，OPC技术也为不同类别现场总线的集成提供了集成方案，只要为不同类型的现场总线网段上的现场设备提供OPCServer，然后利用OPCServer对外接口的一致性，可实现服务器之间的信息集成。
　　3 应用系统实例
　　本文在上述设计思想、系统结构和实现的关键技术基础上，以香港理工大学工业中心一小型自动化装配线为例建立了ERP/MES/底层控制集成系统。
　　ERP采用Frontstep公司的SyteLine ERP系统，该系统以Progress RDBMS作为后台数据库;MES的数据库采用SQL Server 2000，SQL Server 2000提供了关系数据的XML视图，可将XML数据映射为关系表;MES和ERP系统之间通过XML实现信息集成;在底层控制系统中采用了Rockwell Automation公司提出的由Etnernet、ControlNet和DeviceNet组成的总体集成方案，充分满足了系统控制，信息采集的需要。自动装配线的控制软件基于RSView32 6.31组态软件开发;OPCServer采用RSLinx;RSSinql 2.1负责将OPCServer采集到的数据写入数据库中。原型系统底层设备集成采用DeviceNet，所有设备层控制器、I/O模块、传感器均具有嵌入式DeviceNet网络接口。这样大大降低了布线的复杂性，缩短了系统开发时间，节约了硬件成本，提高了系统的可靠性。
　　4 结束语
　　本文提出的利用XML实现信息流集成以及OPC技术实现生产自动控制、信息采集、控制集成，从而实现ERP/MES/底层控制集成，为ERP的闭环实现提供了保证。底层信息的实时反馈使实时的企业管理成为可能。闭环的ERP系统实现可以大大提高生产计划精度、减少计划的迭代次数、缩短生产周期，同时，对降低WIP以及缩短物料提前期有非常大的作用。