基于S95信息对象的生产线管理系统的研究与开发

lihuolin958

　　0 引言
　　随着计算机、信息技术的飞速发展，全球市场逐渐形成，企业间的竞争也空前加剧。处在竞争中的生产企业必须降低生产成本、提高产品质量、完善售后服务，才能在市场中占有一席之地。这要求各个生产企业采用系统集成、信息集成的观点来组织整个生产过程，实现生产过程的综合自动化。随着以企业资源计划(enterprise resource planning，ERP)为代表的企业信息化的深入发展，许多企业特别是商业企业受益匪浅。然而众多的制造企业却没有那么幸运，甚至遭遇不同程度的失败。美国ARC公司调查结果显示，53%的客户反映ERP在企业生产中存在以下问题：重复投入、高成本、信息冗余、“信息孤岛”、各系统的信息无法相互理解。仔细分析这些现象的原因，可以发现，以ERP为代表的企业管理信息系统缺乏车间生产现场实时数据的支持，从车间底层到企业上层信息是脱节的;部分企业甚至没有生产现场的信息，即使有其信息也是滞后或失真的;并且上下层系统的信息数据结构不同，描述方法不一致，各系统之间数据无法相互理解，不适应企业信息系统集成的需要。因此需要将信息化工程向生产车间推进，实现企业管控系统集成。制造执行系统(manufacturing execution system，MES)的实施为解决这一问题提供了可能。
　　1 MES简介
　　MES在1990年由AMR(advanced manufacturing research)组织提出并使用，是将制造业管理系统(例如MRP II/ERP/SCM等)和控制系统(例如DCS、SCADA、PLC等)集成在一起的中间层，是位于管理层与控制层之间的执行系统。MES是一个特定集合的总称，包括一些特定功能的集合，以及实现这些特定功能的产品。MES也不是一个特定行业的概念，而是应用于各种制造业的重要信息系统。MES的任务是把管理系统的指令传达到生产现场，并将生产现场的信息及时收集、上传和处理，是上下两层之间信息的传递系统。
　　MES是一个庞大的系统，在实施的过程中难度大、成本高、成功率低，没有成熟的基本理论支持，主要表现在没有同一的管控系统集成技术术语、信息对象模型、活动对象模型和信息流的基本使用方法，用户、设备供应商、系统集成商三者之间的需求交流困难，不同的硬件、软件系统集成困难，集成后的维护困难。针对这些问题，还需要在MES功能模型的基础上，研究和开发MES应用技术标准，用于描述和标准化这类软件系统。
　　2 S95标准
　　2.1 S95标准概述
　　S95是ISA(美国仪器、系统、自动化协会)制定的“企业一控制系统集成”标准的简称。包括以下六个部分：模型和术语，对象模型属性，制造业务管理活动模型，制造业务管理对象模型和属性，商务到制造的事务处理，制造业务管理的事务处理。其中第一、二部分已成为ANSI(美国国家标准局)和IEC/ISO(国际电工委员会/国际标准化组织)标准，第三、四、五部分正在制定过程中，第六部分还处于构思阶段。S95标准统一了管控系统集成的术语、信息对象模型及其数据结构、活动对象模型。实现了MES与上层管理信息系统、下层车间控制系统之间的集成。
　　2.2 S95标准的基础
　　S95以美国普渡大学的企业参考结构(PEBA)为基础，将企业功能结构分为5层，如图1所示。即第4层的商业计划和后勤系统，第3层的制造操作和控制系统，第2、第1层的控制系统。S95主要解决第4层与第3层的接口和第3层中的制造业务活动，它包括对信息系统任务、制造任务、人的任务以及这三者之间相互关系的建模。S95的最大贡献在于统一了管理层和控制层交换信息的术语、活动对象模型和信息的结构。它将这些交换信息分为三大类：生产能力信息、产品定义信息和生产信息;将生产过程涉及的资源信息分为设备、原料、人事和过程分部信息。
　　

　　图1 企业功能结构图

　　2.3 S95标准中的信息流和对象模型
　　S95将企业和控制系统所需交换的31种信息流归为4类：
　　——产品定义信息，描述如何制造一个产品;
　　——生产能力信息，说明需要的和可以获得的生产资源的容量和能力;
　　——生产计划信息，说明何时何地生产何物以及需要何种资源;
　　——生产性能信息，说明生产了什么，消耗了什么资源，也包括了所有商业系统所需要的生产产品的反馈信息。
　　S95采用UML(unified modeling Language)建立了4类9大对象模型，分别是资源信息中的人员模型、设备模型、材料模型、过程段模型;能力信息中的生产能力模型、过程段能力模型;产品定义信息的产品定义模型;生产信息中的生产调度模型和实绩模型。图2是生产业务的管理活动模型。
　　信息对象是在一定范畴内系统间信息交流的组织单元，它由若干属性及其属性值决定其特征状态，由若干操作构成其逻辑行为和与其他对象交流的能力，由类确定其本质内容和统一结构，由封装保证其独立性，由继承实现重构和多样性的统一。信息对象具有客观含义，能够借助信息技术被不同的认识主体所描述、认知、传递、共享与处理。
　　基于S95的信息对象构建思路：
　　(1)首先必须在系统范畴内确定信息对象的具体内容，统一信息对象中的术语，采用规范、全面、统一并符合生产控制特征的术语。
　　(2)用建模技术建立信息对象的辅助模型。制造企业的管理人员、生产控制人员与软件开发人员对管控信息集成中信息对象认知的侧重点不一样，掌握的描述方法也不一样，导致相互交流困难。为此可借助于一种直观、适用面宽的建模技术建立信息对象的辅助模型。图形化建模语言UML可以完成这个任务。UML是一种高层次的概念语言，采用面向对象技术来描述系统架构和业务过程。
　　(3)用合适的计算机语言对信息对象进行规范描述，使其能够被准确理解。在S95标准的基础上确定信息对象的具体内容后，就可以采用某种通用语言把它描述出来。
　　(4)信息对象与关系数据库中数据的相互转换。
　　

　　图2 生产业务管理活动模型

　　3 基于S95信息对象的发动机生产线运行管理系统开发
　　3.1 功能分析
　　在软件开发之前，必须结合发动机生产线运行管理的特点和功能需求，设计其管理流程。发动机生产线运行管理系统的功能模块有生产管理、状态报警管理、系统监控管理，具有数据导入导出、数据备份与恢复、查询检索等应用功能。图3为管理系统功能设计图。
　　在生产管理模块中，上位计算机设定批次定义，然后根据生产计划设定每种产品型号的生产数量，作为批次数据下达。当上位计算机下达批次命令后，每个工位在接收到工件的同时需要得到这个工件所属的型号、需要的配套零件或材料、所需执行的控制过程等相关信息，这样才能在这个工位完成正常的加工或装配任务。状态报警管理模块反映各工位所处的非工作状态。
　　系统监控管理模块对每个工位的生产状况进行监控，可查询零件的生产信息及进行OEE分析。
　　

　　图3 软件功能设计图

　　3.2 开发思路
　　结合S95标准对信息对象的规范描述、信息对象的软件开发来设计运行管理系统：
　　①从制造企业管控信息集成的角度开发系统;
　　②按照基于S95标准的信息对象的建立方法研究发动机生产线运行管理系统中信息的具体内容，建立相关信息对象，并采用XML Schema规范描述;
　　③分析和确定信息对象的服务功能(信息交换和处理功能);
　　④采用.NET技术开发管理系统
　　3.3 总体架构
　　型号定义数据和生产过程中的制造信息(装配数据)等都是存放在发动机装配托板上的一个存储体中，这个存储体是MOBY的一个部分。MOBY是西门子公司提供的一个数据存储和读取解决方案。包括MDS(数据存储)、SLG(读取设备)、ASM(接口模块)和STG(服务测试设备)等多种设备模块。在本流水中。MDS数据存储模块安置在托板上，通过和PLC连接的SLG来进行数据的读取。托板到达一个工位后，进行装配，自动工位根据MDS中对应的本工位的设备控制码进行动作循环。装配信息(例如拧紧工位的拧紧数据)会记录到MDS上的相应字节，各个工位的数据存放在不同字节中，直到最后的下线工位。托板到达下线工位后，由下线工位的计算机通过所连PLC上面的SLG读取托板MDS上的数据，并且把MDS中的数据全部传送到工位计算机，由工位计算机上传到服务器，存储到数据库中。图4为总体的网络链接图。
　　图4中，服务器定义零件型号，负责批次定义和投放;监控计算机显示工位工作状态，进行OEE分析，查询零件加工质量数据以及报警;上线工位计算机使工件上线，根据批次指令初始化MOBY;下线工位计算机使工件下线，数据从MOBY读取后写入数据库。整个系统的主要流程可用图5表示。
　　

　　图4 网络链接图

　　

　　图5 系统流程图

　　3.4 信息对象的XML Schema设计
　　发动机生产线上的信息对象有加工过程信息对象、设备运行信息对象和报警信息对象等。
　　发动机生产线上每个托板上装有一个存储体，此存储体属于加工过程信息对象，以S95标准来分析信息对象，定义信息对象的XML Schema，如表1所示。
　　表1 信息对象定义特性的属性表
　　
　　按照基于S95标准的信息对象来认知和组织全部信息，采用面向对象方法和跨平台的XML语言来描述信息对象，建立制造企业管控信息集成中的信息对象规范，使各系统对传递的信息有统一认知。这样就便于实现车间生产线管理和控制系统与企业商务和管理(ERP)的集成，从而解决企业管控一体化的问题。
　　4 实例演示
　　以发动机生产线运行管理系统的主界面为例(如图6所示)，这是发动机生产线运行管理系统的主界面，工作工位的颜色表示该工位所处的状态，点击工位点图标可以查询经过该工位点的引擎型号和数量，以及每隔60 s新上线和下线的引擎数量。这些数据由后台实时数据库提供。
　　

　　图6 管理系统主界面

　　5 结语
　　21世纪的制造企业面临着日益激烈的国际竞争，而提升企业核心竞争力的要素都体现在企业的产品上。生产制造管理作为形成产品的主要过程，必然是构成企业核心竞争力的关键内容，制造执行系统(MES)则是提高企业生产制造管理能力的重要手段，而S95标准可以帮助MES更好地实施。所以基于以S95标准为基础的对象信息模型构建制造企业生产线管理系统是符合生产发展的要求的，本文只是在这方面做了初步的探讨，MES的发展以及S95标准的推广还有待广大企业和学者做进一步的研究。


该贴已经同步到 lihuolin958的微博