MES技术及其关键技术应用

MES技术及应用 饶运清 ManufacturingExecutionSystem 华中科技大学机械学院 若干关键技术 提纲 一 MES体系结构 二 MES集成技术 三 数据采集与识别技术 一 MES体系结构 什么是组件 MES组件分类基于组件的MES系统架构MES业务组件开发基于组件的MES系统配置组件模型标准基于组件开发MES的优点基于工作流技术的MES建模与开发 什么是组件 也叫构件 控件等 简而言之 组件就是对象 组件是对数据和方法的封装 基于组件的软件开发流程 MES组件分类 标准组件 标准组件是MES底层核心功能的集合 它提供整个MES系统的运行环境 为上层实现MES具体功能的组件服务 这些组件包括 工作流组件 查询组件 搜索组件 视图组件 消息组件 分类组件 系统集成插件等 通用组件 通用组件则是跨行业的 实现大多MES系统所包含的功能 如优化计算 误差分析 故障诊断 数据可视化界面 报表 日期管理 事件管理等 行业组件 行业组件是针对特定行业中的典型需求 实现其相应具备的功能 如生产过程模型 业务模型 设备监测 设备维护 物料平衡 生产计划调度 生产绩效分析 动态成本分析等 专业组件 专业组件是根据特定类型的MES系统的特殊要求 提供定制化功能的组件 如生产过程动态仿真 物料跟踪等 基于组件的MES系统架构 总线层 数据库 网络 J2EE NET XML 框架层 订单管理构件 生产调度构件 其它构件 系统管理构件 设备管理构件 物料管理构件 人力资源构件 组件层 应用层 应用系统 MES业务组件开发 基于组件的MES开发过程及各个阶段的活动如右图所示 主要可以分为四大步骤 MES需求分析与系统设计MES业务组件提取及适配MES业务组件装配MES软件测试 1 MES需求分析与系统设计 此阶段与传统的瀑布型软件开发模式需求分析与系统设计相似 都是对MES用户的需求进行分析 归纳出用户对MES软件的功能需求 然后从系统的高度上对MES软件的各个组成部分进行设计 在MES需求分析与系统设计阶段 可以从MES领域组件库中提取到相似的分析级与设计级的MES组件 复用组件内的知识 可以提高MES软件的分析与设计效率 根据MES软件的各部分功能划分 确定可以从领域组件库中提取的领域组件和需要重新开发的专用组件 2 MES业务组件提取及适配 在这个阶段 首先根据相应的组件提取方法从MES业务 领域 组件库中提取出所需的各类业务组件 包括二进制代码组件 源代码组件和可配置组件 然后对提取出的源代码组件进行修改并编译 对可配置组件进行配置适配 最后形成可部署的组件 3 MES组件装配 这个阶段将在软件体系框架 如J2EE 基础上 把各个组件装配到一起 形成MES软件系统 不同层次的可部署组件会有不同的装配方式 例如 采用XML语言作为组件装配的接口描述语言 在进行MES业务组件装配之前 首先需要确定合适的软件体系架构和装配技术 例如 采用SUN公司的J2EE体系结构 并用XML语言作为MES领域组件装配的接口描述语言 以实现组件之间的无缝连接 形成分布式 跨平台 基于Web的MES软件 4 MES软件测试 对通过装配形成的MES软件进行各项性能测试 包括数据 功能 稳定性 安全性 集成性等指标 基于组件的MES系统配置 MES系统的可配置主要通过组件的定义或复用 组件库的建立和和按照生产业务流程组装MES系统三个过程 1 组件定义或复用对于一个组件 其描述可以分为两个部分 组件功能的说明和组件功能的实现部分 任何可重用的软件组件都必须有特征说明 主要是描述组件的类型信息 和规则说明 主要是描述组件的动态行为 分别用来描述可重用组件的静态特征和动态语义 另外 在描述可重用组件的信息中还应该包括组件的对外接口信息 同时为大量开发MES的组件组件 建立可重用组件库做准备 必须制定好MES组件的开发规范 2 组件库的建立为使MES开发人员能够对MES用户的需求做出快速响应 创建满足用户要求的组件 有必要开发可重用MES组件库管理平台 组件库管理平台主要用来储存和管理可复用的组件 提供的主要功能包括储存 增加 删除 修改 检索和统计等 此外 为了便于管理员和用户考察组件的复用情况 还应该提供组件复用记录和用户意见反馈功能 3 组件组装组件的组装也是组件复用中一个非常关键的步骤 因为基于组件的开发 通过组件组装得到最终的应用系统 其稳定性 可靠性等方面 磨合是否出漏洞 直接关系到应用系统能否正常运行 在进行组件组装时可以采用编写不同的胶合元件 剪裁 包装等组装策略 以排产和调度为例 根据生产详细排产和调度活动特征 把它分解定义为多个组件 设置在组件库中 用户可以根据自己的生产模式和业务流程选用对应的排产和调度组件进行组装 来构成企业MES系统中所需的排产和调度功能模块 当生产模式或业务流程发生变化时 只需修改原组件的对象属性 事件 方法或重新定义新的组件来进行组装 构成企业生产模式或业务流程发生变更后的排产和调度功能模块 通过这种方式 即满足了用户的不同需求 又简化了生产计划排产和调度建立过程 基于组件化的MES系统 通过组件可复用或重新定义 组件库的建立和组装 能够建立适应不同行业多种生产模式和业务流程的MES系统 它具有良好的柔性和可适应性 组件模型标准 组件模型用于描述组件及其装配关系 没有标准的组件模型 就没有真正的即插即用组件 目前业界存在三种主流的组件模型标准 都是要解决分布环境下组件的集成和互操作问题 COM系列 ComponentObjectModel COM DCOM COM EJB EnterpriseJavaBean CORBA组件模型 CCM CORBAComponentModel COM系列 Microsoft的COM组件对象模型系列 即COM DCOM COM 是关于对象交互作用的一个二进制标准 强调多个接口的类型而不强调继承 因此在互操作及功能扩展方面更为灵活 但其弱点是跨平台性能太差 只局限于Windows平台 EJB EJB是由Sun公司推出的 是开发和配置基于组件的分布式商务应用的组件结构 EJB提供了远程访问 安全 事务等多种分布式对象计算的服务 这些应用程序只需编写一次 即可在支持EJB规范的任何服务器平台上配置 目前支持EJB标准的J2EE平台在实践中获得广泛的应用 CCM OMG于1991年末提出的CORBA CommonObjectRequestBrokerArchitecture 规范 是对象管理体系结构 OMA 参考模型的实现方案之一 CORBA2 x之前的CORBA标准 本质上仍然是分布式对象标准 直到CORBA3 0提出CORBA组件模型 CORBAComponentModel CMM 才诞生了真正意义的组件标准 CCM出现较晚 但它能够博取众家之长 汲取了EJB模型 容器管理 HOME管理 及DCOM COM 组件模型 多接口 的优点 被称之为未来组件模型的典范 三种组件模型标准比较 CCMvsEJB CCM具有语言无关性 而EJB仅限于Java语言 CCM提供的功能部件及规范较EJB更完备 CMM组件模型的开放性较EJB好 但CCM的支撑平台的成熟性比EJB差 CCMvsCOM CCM的优势在于它的平台无关性 而COM系列局限于WINDOWS平台 以CCM规范为基础开发的服务器端组件框架 具有良好的可移植性和重用性 但是由于CCM是一种组件模型规范 必须首先有开发商开发才能使用 况且CCM技术规范出炉不久 其支撑平台后劲不足 不同标准的组件间的集成 组件技术发展的趋势是朝着集成化的方向发展的 无论是OMG组织还是Sun公司 都希望在技术上能够相互融合 实际上 在CCM中也定义了对EJB规范的支持 使得CORBA和EJB之间可以很好地集成 利用EJB技术较成熟 且有产品支持的特点 开发人员可以选择EJB作为其服务端规范 同时保留CORBA客户端的语言和平台无关性 CORBA和EJB的集成有两种方案 桥接技术和基于IIOP的远程方法调用 RMI 基于组件开发MES的优点 可配置性可重用性可扩展性可集成性 1 可配置性 基于组件的MES软件 是在MES领域框架的基础上 通过装配通用组件和领域组件所形成的软件系统 各个组件之间通过接口进行交互 避免了采用传统软件开发方式开发的紧密耦合系统所具有的难以部署与配置的缺点 基于组件的MES在用户需求发生变化 需要进行局部调整的时候 可以只改变其中的某个或某些组件 而不必修改整个软件系统 因此 基于组件的MES软件具有良好的可配置性 2 可重用性 不同企业在规模 管理模式 经营策略等方面会存在差异 因此对MES的功能需求也有所不同 若软件不进行修改 整体复用的可能性比较小 而传统的软件开发模式开发出的软件是紧耦合的 难以复用其中的部分功能 当需求发生变化时 必须重新进行需求分析 功能分解 设计和开发 造成软件系统可复用性差 而基于组件的MES可以实现多种级别的复用 包括代码级 二进制级 领域分析 设计和测试等级别的复用 这种多层次和多级别的软件组件复用 可以极大的提高MES的软件开发效率 缩短开发周期 降低开发成本和改善软件质量 3 可扩展性 制造企业在激烈的市场竞争中 需要不断提高管理水平 调整和改善业务处理流程 来提高企业的市场竞争力 这必然要求企业的信息系统能够及时地进行改进和扩展 以满足不断变化的市场环境 传统MES在结构上是紧耦合的 当用户需求发生变化而导致系统功能需要做出调整的时候 需要对整个MES重新进行功能建模和分析 划分功能模块 修改的工作量非常大 而基于组件的MES构建在统一的领域框架的基础上 并且组件具有更好的模块性 组件之间是松散耦合的 通过接口进行交互 这些特点决定了基于组件的MES具有很好的可扩展性 当用户需求发生改变 需要对软件系统的某个功能进行调整的时候 只需要修改相应的组件 保证该组件和其他组件的接口不变 就可以保证系统的正常运行 4 可集成性 除了MES 企业还有很多其他的信息系统 如ERP CAD CAPP CRM等 为了最大限度发挥各个信息系统的作用 需要把它们集成到一起 实现无缝集成 这就要求各个信息系统应该具有很好的集成性 传统的MES由于内部是紧耦合 而且为其他系统提供的接口比较少 在与其他系统集成的时候 往往需要重新定制集成接口 所以软件系统的集成性比较差 而基于组件的MES软件 可以从数据层 业务逻辑层和表示层三个层次提供相应的集成接口 从而具有更好的集成性 基于工作流技术的MES建模与开发 工作流技术是一种能够有效的控制和协调复杂活动的执行 实现人与应用软件之间交互的技术手段 采用工作流技术 可以把MES业务逻辑从具体的业务实现中分离出来 它可以在不修改具体功能模块实现方法 硬件环境 操作系统 数据库系统 编程语言 应用开发工具 用户界面 的情况下 通过修改 重新定义 过程模型来完成系统功能的改变或系统性能的改进 通过工作流技术 可以有效地把企业各种资源 人 信息 应用工具和业务流程 合理组织在一起 提高软件的重用率 发挥系统最大效能 基于工作流的MES系统 可以通过流程的再定义 灵活地将应用系统的功能连接在一起 快速完成企业系统的搭建 基于工作流的MES开发方法 基于工作流的MES开发方法是 把MES业务过程逻辑从具体业务实现中分离出来 抽取出原子级的企业业务活动 并用组件来实现这些原子活动 以业务流程模型驱动这些活动的运行 从而实现企业业务和软件实现的全面集成 结合工作流管理技术和组件技术 右图表示一个多层MES体系结构 使企业可以在一个统一的集成框架下实现组件化MES的开发 实施和运行 1 工作流平台层实现业务过程与业务逻辑的分离 通过工作流建模工具分析和定义MES业务流程 将MES业务流程与相关的组件 用户和数据信息关联起来形成一个可实施的软件系统 并利用工作流引擎实现对MES系统运行控制 工作流平台实现整个体系中不同层次的集成 并可根据企业需求的变化和BPR的情况动态实行组件的组合 快速形成新的业务系统 实现对MES的动态建模 2 业务组件层业务组件层部署MES软件的业务逻辑组件 如零件信息组件 工艺信息组件 制造资源组件 在制品管理组件 设备监控组件和计划调度组件等 业务组件是数据库层与表示客户端层进行联系处理的桥梁 它接收表示层和客户端层的请求 提取数据库层相关的数据 通过组件自身的逻辑功能进行处理 然后把处理结果反馈给客户端或存放到数据库中 根据不同的业务类型 可以开发出许多业务组件 为提供组件的重用性 可将组件分为通用业务组件和行业专用组件 业务组件层是MES软件功能实现的核心 3 数据库层数据库层部署MES软件需要的各类数据库和数据类组件 如零件信息数据库 制造资源数据库 工艺信息数据库和计划 调度数据库等 4 中间层中间件层为MES软件提供分布式计算环境 包括命名服务 事务管理 数据持久管理 网络管理等 它还可屏蔽异构的软硬件环境对MES带来的影响 基于工作流的MES开发过程 实例 SIMATICITFramework SIMATICIT 3rdPartyComponent SimaticITProductionSuiteComponents SimaticITOptionalComponents SIMATICITComponents SimaticITHistorian SimaticITUnilab SimaticITInterspec SIMATICITFramework 二 MES集成技术 中间文件转换数据复制数据聚合API 应用程序接口 统一对象模型XML 可扩展标识语言 DI 数据集成平台 1 中间文件转换 将数据从源数据库中导出 形成一个中间文件 然后将这个一个中间文件包含的数据导入到目标数据库中 这是信息化建设初级阶段最常用的方法 2 数据复制 数据复制应用在同构的数据库中 保持数据在不同数据模型中的一致性 数据复制中 需要建立不同数据模型中数据转化和传输的机制及关系 以屏蔽不同数据模型间的差异 在此基础上 将数据从源数据库中抽取和导入到目标数据库中 采用数据复制方式 实现系统集成 3 数据聚合 数据聚合是一种将多个数据库和数据库模型聚合为一种统一的数据库视图的方法 聚合的过程可以看成构建一个虚拟数据库的过程 而此虚拟数据库包含了多个实际存在的数据库 这个构建的过程对于处于数据库以外的应用层的各具体应用的用户来说是完全透明的 用户可以访问数据库的通用方法访问企业中任何相连的数据库 但是对于企业中存在的多种异构数据源而言 有时难以构建一个良好的通用接口来访问所需的数据 4 API 应用程序接口 API方式目前在系统集成中使用非常普遍 而且许多软件本身具有API接口 两个应用系统之中的数据通过设在其间的应用适配器的接口进行传输 从而实现集成 为了实现与外部系统的集成 MES通过API来实现信息在各个层次和各个系统之间的传输和交互 API即应用程序接口 是一些用C语言编写的由操作系统自身调用的函数 用来控制Widows的各个部件的外观和行为 5 基于对象模型和Agent的系统集成在面向对象的应用中 每个对象都使用自身具有的功能和方法来操作数据 分别完成系统的各种功能 而其它功能如工作流管理 知识管理 PDM等都从功能逻辑中分离出来 通过对象请求代理 可以使不同软件商的对象能够相互交换信息和进行互操作 现有的遗留系统只要按正确的方法进行封装 同样也能够实现系统的即插即用 通过引入智能代理 Agent 可以有效地实现分布式MES的协同工作 满足虚拟企业中MES应用的要求 在MES技术模型中使用Agent代替API 意味着使用一种智能程序来代替简单函数来集成系统 这意味着系统之间的集成更系统 更能有机的融合 系统对外部的响应更加智能化 6 XML TheExtensibleMarkupLanguage 可扩展标识语言 在XML技术出现之前 为了将某一数据源的数据转换到各个不同的目标数据源中去 只能在每个应用系统中都实现一次数据分析处理 数据解析只是在两个点到点的系统之间产生作用 而无法用于其他系统中 而XML作为一种对数据格式进行描述的通用元语言标准 目前来看是跨平台的数据集成的最佳解决方案 值得在未来的系统集成实践中大力推广 7 数据集成平台 DI 由中科院软件所自主开发 通过DI服务器监听并处理客户请求 管理发送任务和接收任务 针对不同的数据源进行数据流编码 完成手工发送 接收和自动发送 接收 而API接口提供一组对DI服务器进行操作的应用编程接口 通过这组接口可以开发基于DI的各种应用程序 管理器是一个管理DI服务器的图形化工具 建立在API接口的基础上 通过它可以完成DI各项工作 Infobus是由各种网络通信通道 消息队列 FTP E MAIL等 组成的网络传输平台 数据集成平台DI已在西安飞机公司获得了良好的应用 预计随着企业信息化建设深入开展 采用数据集成平台实现多个软件系统的集成 将成为未来系统集成的一种重要方式 数据集成平台 DI 三 数据采集与识别技术 条码技术RFID技术 1 条码技术 条码技术是为实现对信息的自动扫描而设计的 它是实现快速 准确而可靠地采集数据的有效手段 条码技术的应用解决了数据录入和数据采集的 瓶颈 问题 为物流和供应链管理提供了有力的技术支持 条码由一组排列规则的条 空和相应的字符组成 EAN 一维条码 PDF417 二维条码 条码的种类 一维条码 通用商品码 EAN EAN码是国际物品编码协会制定的一种商品用条码 通用于全世界 EAN码符号有标准版 EAN 13 和缩短版 EAN 8 两种 我国的通用商品条码与其等效 我们日常购买的商品包装上所印的条码一般就是EAN码 UPC UPC码是美国统一代码委员会制定的一种商品用条码 主要用于美国和加拿大地区 我们在美国进口的商品上可以看到 39码 39码是一种可表示数字 字母等信息的条码 主要用于工业 图书及票证的自动化管理 目前使用极为广泛 库德巴码 Codabar 库德巴码也可表示数字和字母信息 主要用于医疗卫生 图书情报 物资等领域的自动识别 Code128码 128可表示ASCII0到ASCII127共计128个ASCII字符 二维条码 以上几种均为一维条码 一维条码所携带的信息量有限 如商品上的条码仅能容纳13位 EAN 13码 阿拉伯数字 更多的信息只能依赖商品数据库的支持 离开了预先建立的数据库 这种条码就没有意义了 因此在一定程度上也限制了条码的应用范围 90年代发明了二维条码 它具有信息量大 可靠性高 保密 防伪性强等优点 主要有PDF417码 Code49码 Code17K码 DataMatrix码 MaxiCode码等 二维条码作为一种新的信息存储和传递技术现已应用在国防 公共安全 交通运输 医疗保健 工业 商业 金融 海关及政府管理等多个领域 条码系统的特点 条码系统是一种集成式的数据存储系统 条码实际上是有唯一性的一串数字 真正的信息写在数据库里 这种识别方式的优点是成本较低 缺点是 因为每个信息读写点都必须从主机获取数据 对通讯的要求很高所有的信息都存储在数据库里 要求有大容量的数据库和高速度的主机通讯线路的错误将导致生产的停止 2 RFID技术 RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写 即无线射频识别 常称为感应式电子晶片或近接卡 感应卡 非接触卡 电子标签 电子条码 等等 RFID技术 RFID技术 是一种非接触式的自动识别射频技术 它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据 识别工作无须人工干预 可工作于各种恶劣环境 RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个电子标签 操作快捷方便 短距离射频产品不怕油渍 灰尘污染等恶劣的环境 可在这样的环境中替代条码 例如用在仓库中或工厂的流水线上跟踪物体 长距射频产品多用于交通上 识别距离可达几十米 如自动收费或识别车辆身份等 RFID系统组成 标签 Tag 由耦合元件及芯片组成 每个RFID标签具有唯一的电子编码 附着在物体上标识目标对象 俗称电子标签或智能标签 有源标签 无源标签 读取器 读写器 Reader Writer 读取 有时还可以写入 标签信息的设备 可设计为手持式或固定式 天线 Antenna 在RFID标签和读取器间传递射频信号 一套完整的系统还需具备 数据传输和处理系统 RFID系统的工作原理 RFID原理 标签进入磁场后 接收解读器发出的射频信号 凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息 PassiveTag 无源标签或被动标签 或者主动发送某一频率的信号 ActiveTag 有源标签或主动标签 解读器读取信息并解码后 送至中央信息系统进行有关数据处理 RFID适用的行业 RFID电子标签的技术应用非常广泛 仓储 物流和供应管理生产制造和装配重要物资流向控制和定点跟踪物流管理重要机关人员进出身份识别会议签到管理码头集装箱管理仓库重要物资进出监管和统计管理文档追踪 图书馆管理 RFID实例 SIMENS MOBY MOBY产品类别 MOBYI的数据载体可耐220度高温 广泛应用于涂装车间 总装车间 发动机生产线 MOBYD MOBYU是西门子的两种新的产