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面向服务的协同执行平台研究

2020-03-13 来源:钮旅网
面向服务的协同执行平台研究 吴晶晶 孔庆华 徐克林 (同济大学机械工程学院,上海200092) 摘要:针对协同制造过程中协同执行平台的构建需求,提出了面向服务的协同执行平台的体系结构和功能 构成。并对平台的构建技术和构建流程进行了研究,给出了制造资源以Web Service的方式整合到 集成体系中和基于此的生产业务流程创建方法。最后,通过原型系统的开发和在纺织机械制造企业 的应用证明了该方法的可行性。 关键词:协同执行平台面向服务架构服务Web Service 中图分类号:TH166;TP391 文献标识码:A Service-oriented Collaborative Execution Platform wu Jingjing。KONG Qinghua。XU Kelin (College of Mechanical Engineering,Ton ̄i University,Shanghai 200092,CHN) Abstract:Based on the construction requirement of collaborative execution platform for collaborative manufactur. ing,this paper provides the architecture of collaborative execution platform based on service and the function modules.The key technolog3"and the process of system construction are deeply researched.The integration method of manufacturing resource by web service and the construction of business process are proposed.Finally,the implementation of the prototype and the application in the textile machinery en— terprise prove the feasibility of the method proposed. Keywords:Collaborative Execution Platform;Service-oriented Architecture;Service;Web Service 网络化制造环境下,制造企业需要在企业价值链 套接口和互操作规范,系统缺乏足够的灵活性和可配 的商务、产品设计、生产过程的各环节上实现协同以适 置性,当企业业务改变时,系统的修改和升级相当困 应动态变化的市场需求及获取竞争优势¨ 。其中,生 难。 产业务流程的协同和有效的信息化管理是实现企业协 面向服务架构(Service—oriented Architecture, 同制造的关键。同时,生产车间作为企业的具体执行 SOA)和Web服务技术由于其基于开放的技术标准、 单位和效益源头,它是企业信息流、物料流和控制流的 独立于平台等特点,能够较好地满足系统跨平台应用 汇集点,因而成为企业管理的重点 。 和集成的需求。本文从构建协同执行平台的整体角度 制造执行系统(Manufacturing Execution System, 出发,从平台构建需求、组件化平台体系结构、生产管 MES)是位于企业上层的计划管理系统和底层工业控 理功能划分和实现方法等方面,对面向服务的协同执 制之间的面向车间层的管理信息系统 。它连接着 行平台进行研究与实现。 生产计划与制造过程,能够及时反映生产现场的状况, 是实现制造企业信息集成的纽带。国内外对MES进 1协同执行平台需求分析 行了大量的研究,例如文献[2]、[4]设计了系统的组 不同行业具有不同的生产组织和管理形式,本文 件化体系结构,搭建了快速可重构的车间管理信息平 研究面向协同制造基于生产订单驱动的制造企业的制 台。现有研究在一定程度上较好地解决了车间生产管 造执行平台。在协同制造过程中,企业内协同指的是 理系统信息化构建问题。但其解决方案大都是为了与 设计部门、工艺部门、生产车间等部门及对应的应用系 工厂特定的应用系统集成而有针对性地开发相应的一 统之间的企业内协同和企业间协同两种情况并存。生 国家自然科学基金资助项目(10901062);福建省教育厅科技计划项目(JB08263);福建省漳州市科技重点攻关项目(Z2008004) .21. I末 :司绱 淘遍 产订单驱动的生产流程是:企业生产车间在接到生产 计划部门下达的主生产计划后,依据技术部门的 PBOM和MBOM,制定出车间生产计划,在此基础上, 收到的上层主生产计划制定出车间子生产计划,物料 管理服务依据在制品的变化提供不同的物料配给。平 台内部及与外部的交互是由服务之间的SOAP消息交 互来实现,服务的组合及其服务间的交互构成了制造 管理业务流程。 完成生产资源配置、物料准备、生产调度、生产派工、生 产发料、质量检验、和成品入库等车间制造任务。制造 执行平台面向车间生产管理,是上述企业内外协同和 制造流程的枢纽。目前存在于车间生产管理中的主要 (1)扩展车间是支撑协同制造的实体区。可以将 扩展车间定义为,由车间内部制造资源服务和外部制 问题有:技术部门的产品结构及设计变更信息不能实 时到达作业现场;产品零部件的生产工艺差异较大, 标准工艺不易制定;自动化主要应用在单元级,例如数 控机床、柔性制造系统等,车间系统级信息化程度较 低,导致产品的质量和生产率在一定程度上依赖于工 人的技术水平;产品品种多,物料供应的情况复杂;现 场生产单据多,作业繁琐,生产状况复杂,现场不易掌 控等 。基于上述现状,需要加强对制造车间生产过 程的信息化管理,主要在以下几方面进行实现。 (1)数据信息的实时更新。底层作业和上层管理 之间信息流通必须畅通,根据MES系统传递的当前 生产数据,上层管理系统做出决策并通过MES系统下 达给车间作业人员,制造过程实时采集的信息,经同 样的平台反馈给车间管理层和上层的信息系统。从而 保证两者间的信息共享与数据交互。 (2)工作任务单、加工工艺单、图纸等生产单据均 用电子文档的形式下达,以适应制造任务的动态变化。 (3)系统的集成化。在制造过程中实现MES系 统与生产车间中的加工设备、操作人员及物料的横向 集成化运行,通过与ERP系统、SFC系统的垂直集成 实现企业内纵向的信息集成和过程集成。 2面向服务的协同执行平台体系结构 协同执行平台是企业协同制造的核心功能区,主 要由它完成企业内部或跨企业的协同制造生产任务所 需功能服务。针对当前协同执行平台的需求,本文应 用SOA架构和Web服务技术,提出了一种面向服务 的协同执行平台体系结构。如图1所示,协同执行平 台以制造执行系统MES为核心,具有MES功能服务 层、工具集层、MES数据层、数据采集与信息交互层、 生产过程控制层PCS,以及支持以上功能层的实体一 扩展车间。 该体系结构以服务作为系统的基本功能元素,系 统的功能由不同粒度的服务实现。采用Web服务技 术将制造资源及制造能力封装为服务,屏蔽内部构成 细节,对外以接口形式展现,并采用服务描述语言WS— DL对服务接口进行描述。例如作业计划服务根据接 造资源服务以及相应的制造策略、制造方法、制造技术 和信息系统等组成的具有自我调整能力和快速响应能 力的开放式制造系统 。j。扩展车间超越了传统制造 车间在空间上的限制,能够根据生产任务的要求,在共 同利益的驱动下与外部制造资源服务迅速实现整合, 快速开展生产制造活动,实现人员、制造活动、制造信 息和制造设备之间的有机集成。扩展车间是实现协同 制造的生产作业现场,也是协同执行平台功能实现的 主要生产活动区域。 (2)生产过程控制系统包括各种检测设备、条形 码、可编程逻辑控制器PLC。数据采集与信息交互层 将作业现场采集到的动态生产数据实时传递给MES 数据层处理,整合后的数据信息再传送给制造执行系 统。 (3)系统支撑平台包括了数据库系统、ICT技术基 础设施和构件库,建立在数据库服务器、网络服务器之 上,是协同执行平台的技术基础架构和运行基础环境。 ICT技术基础设施包含支持应用系统运行的硬件、底 层软件和通信技术,除了传统的操作系统、事务等服务 以外,还增加了处理网络化服务所需要的各种技术基 础设施,如SOA的各种标准(如WSDL等)以及网络化 服务的建立、发布、发现、测试、仿真、合成、分割和链接 执行等功能实现所需要的技术基础。 (4)支持语义的企业服务总线(Semantic—Enter— prise Service Bus,S—ESB)是支持协同执行平台集成 的运行基础环境,同时也是服务运行时的基础环境,提 供消息通信通道,通过企业服务总线提供的连接器和 适配器,可以访问所需求的资源和信息系统。 (5)功能组件层是功能组件的集合。功能组件是 系统功能的基本组成单位,是服务的构成单元。协同 执行平台功能域的功能点对应着不同的功能组件,例 如生产物料管理根据业务可以划分为物料下达组件、 物料出库组件、工序间物料移动组件和成品入库组件 等。 (6)MES功能服务层可提供制造执行系统在生产 管理中的功能服务。通过定义良好的服务描述语言 WSDL封装功能组件,对外以接口形式展现以供调用。 应用门户 {} #  l茎堕垡 企业级协同服务平台 MES功能服务层 l 生产计划分解服务 l I 车间作业计划服务 l l 动态调度服务 I J 物料管理服务 l I 作业人员管理服务 l l内外部设备资源管理服务I I 车间在制品管理服务I l 在线质量控制服务 I l 生产统计与分析服务l  l基础数据管理服务 I l 制造文档管理服务 I l 生产工具管理服务J  l统一数据访问服务l l 消息管理服务 l J 过程监控服务 I 功能组件层 l生产计划分解组件l l子生产计划制定组件『 …… l 生产调度组件 I  l物料出库组件 l I工序间物料移动组件l …… l 成品入库组件 『 MES数据层 I实时/历史数据I 辨据 h础牡会艟协 I 管理数据 I  l事件数据 l ……一一~……l 知识库 l 数据采集与信息交互层 生产过程控制层(PCS) [二耍耍塑雯[] 扩展车间 内部制造资源 外部制造资源 圆圆圆 圆圆圆 圆圆…. 圆圆…. 图1面向服务的协同执行平台体系结构 根据业务需求,将相应的功能组件封装成服务,并且可 验服务、外协服务、成品入库服务进行服务的组合和编 以对服务进行拆分或组合,以形成粒度更粗的合成服 排,可以实现基于订单驱动的车间生产业务流程。 务或细粒度服务。MES功能服务层包括了作业计划 在上述各层功能实现的基础上,协同执行平台通 服务、动态调度服务、物料管理服务、作业人员管理服 过基于语义的企业服务总线S—ESB向上与顶层的协 务、在制品管理服务、生产工具管理服务、基础数据管 同开发平台、协同管理平台进行数据、信息的传递与反 理服务、消息管理服务等功能服务。 馈,从而形成了生产综合自动化体系,有效地完成协同 (7)企业级协同服务平台是构建服务和对服务进 制造任务。 行管理的核心区域,是服务运行时平台,它连接来自应 用或客户的服务请求与企业内、外部的具体服务实现, 3面向服务的协同执行平台构建 并管理和控制服务的运行,指导系统协同工作。 在面向服务的协同执行平台中,各个级别的系统 (8)业务流程层中,根据生产业务需求对服务进 功能构成单元分别为功能组件、功能服务、业务流程和 行组合从而实现车间的生产业务流程。所形成的服务 功能子系统。其中,功能服务是基本构成部分,业务流 流程既可在内部协同中使用,又可在外部协同中作为 程则是生产管理职能的具体实现,由业务管理功能服 一个包含业务流程的粗粒度服务供外部应用系统调 务通过组合与编排实现。本文采用标准建模语言 用。例如,对主生产计划下达服务、车问生产计划制定 UML和Web服务技术并基于面向服务的架构,对各个 服务、作业调度服务、物料发放服务、加工服务、质量检 级别的系统功能构成单元进行分析与构建。 ・ 23 ・ ‘ulu l tI 车问业务 过程 巨 I ——————一一  ̄巨 匣II匣匝 圃iI匦 生产任务 生产任务 f]  l 车间生产 计划 [=二>制砗车间生产计划 制造能力 求 i 检查制造 能力需求 [==)资j 配置 资源配置 l 检查物料 需求 裣查物料需求 一 =)物 4准备 、 J 生产排程l 企 工票下达I 业 服 生产计划信息 厂 i 、f 1 l U 惫 线 [==) 排工程票 下达 _L]  l调度生产资源  I、 j 物料下发 ,1 调度资源f J g 物料下发I B l 生产加工l =二=)生 加工 二二) 薛台帐登记 生产迎 程信息 一 i 再调度l ] 零件 E进度及工序 }度  IT 制造过程分析与控1 制 零件转移 、 J 质量检验l 制品质检信 工序转移 , l 完工报告l =) :调度 、 再调度信息 生产结束 晓锗质检信息 j 完工入库l 完工招 浩 完工入库 L— ~  I} 图2基于UML序列图的车间服务交互模型 (1)功能建模。根据协同制造的生产业务需求, 识别相关用例和用例之间的关系,运用IDEF方法和 UML用例图建立车间生产管理系统的功能模型。 (2)服务识别、设计和实现。对基于UML用例图 表示的系统功能模型进行服务的识别,这些用例图中 的用例、角色和它们的交互作为定义服务元素的来源。 确定每一服务对应的组件集合并进行封装。然后对服 序列图表示出车间生产业务流程服务的交互过程。图 2是用UML序列图建立的基于生产订单的车间生产 管理系统服务交互模型的一个实例。 (5)业务流程实现。利用业务流程执行语言 BPEL(Business Process Execution Language,BPEL)将 服务交互模型实现为可执行的车间生产业务流程。 (6)功能子系统的组成。将相关的功能服务和业 务流程组合成各功能子系统。 务和服务的接口进行规范化设计,并根据服务设计的 原则和粒度要求进行服务的合并或者拆分。最后,应 用服务开发工具、Web服务技术进行服务的开发、描 述和部署。 4平台原型及应用 根据前述的分析和研究,开发了面向服务的协同 (3)生产过程建模。针对功能模型中的用例和用 例之间的关系,应用UML活动图建立生产车间业务管 理过程模型。 (4)服务交互建模。在服务模型和生产业务活动 模型的基础上,通过服务组合的方式,可以通过UML 执行平台原型。原型系统基于J2EE框架,采用E- clipse 3.2开发平台、SQL Server 2000数据库和Win— dows 2003 Server开发环境,应用了Web Services分布 式技术。遵循Web services for J2EE规范,采用两种方 (下转第27页) j …u等 耳_ [2]徐小青,骆志高,徐大鹏.陶瓷材料电加工表面粗糙度的预测[J].农 3 结语 业机械学报,2007,38(3):164—167. (1)利用神经网络技术建立了工程陶瓷电火花线 [3]Anand Srinivas.Multi-Objective Optimization of Electro-Discharge Ma— chining Process.Microtech,1990(2):33-36. 切割加工的预测模型,实验结果表明,该模型基本反映 [4]刘增良,刘有才.模糊逻辑与神经网络一理论研究与探索[M].北 了机床的加工工艺规律。 京:北京航空航天大学出版社,1996. (2)本文使用的建模方法也同样适用于其他电火 [5]楼乐明,李明辉,彭颖红.利用神经网络建立电火花加工工艺模型 花加工机床,只要有该机床的相应样本,通过神经网络 [J].中国机械工程,2001,12(4):408—410. 的学习,可建立针对该机床的加工工艺模型。 [6]赵振宇.模糊理论和神经网络的基础与应用[M].北京:清华大学出 版社,1996. (3)本文所采用的工程陶瓷电火花线切割加工方 法,只能加工直壁表面,不能加工回转表面。如能对机 第一作者:李雪,男,1977年生,博士,讲师,主要 床进行改造,充分利用放电加工的优势,探索工程陶瓷 研究方向为制造过程的计算机测控技术和超硬材料电 火花加工技术,已发表论文8篇。 回转表面,尤其是复杂回转表面的放电加工方法,并用 神经网络建立其数学模型则意义重大。 (编辑余捷) (收稿日期:2010—04—24) 参考文献 文章编号:101008 [1]郭永丰,邓冠群,白基成.绝缘陶瓷氮化硅高速走丝线切割加工技术 如果您想发表对本文的看法,请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 研究『J].电加工与模具,2008.1:10—13. (上接第24页) 对生产管理信息化需求的基础上,提出一种面向服务 式部署Web Services。第一种方法将使用EJB容器中 的协同执行平台框架结构和系统功能构成。给出了平 的无状态会话EJB的受限实现;第二种方法是基于容 台构建技术和构建流程,分析了面向服务的生产资源 器的JAX—RPC编程模式的扩展,它将Web服务定义 组织和系统工作过程。该平台可提升制造企业生产管 为在Web容器中运行的Java类。该平台由MES功能 理水平,具有良好的扩展性和易集成性。最后开发了 服务层、数据采集与信息交互层、系统集成框架等部分 原型系统,并在纺织机械制造企业进行了应用,验证了 构成。系统集成框架包括了系统支撑平台、企业服务 方案的可行性。 总线s—ESB、企业级服务平台,实现了信息化支撑和 参考文献 ERP、CAD、MES等应用系统的集成。MES功能服务层 [1]雷琦,刘飞,王琦峰.基于语义的协同制造执行平台集成框架研究 包括了基础数据管理、生产管理、在制品管理、仓库管 [J].中国机械工程,2008,19(17):2050—2054. 理、刀具管理、工装管理、设备监控等业务功能管理模 [2]杨宏安,孙树栋,徐娅萍,等.可重构车间管理信息平台研究与实现 [J].中国机械工程,2006,17(17):1793—1797. 块,各模块可以在集成环境中运行,也可以单独运行, [3]MESA International MES Explained:A High Level Vision[Z].Pitts— 实现了生产管理功能。所建立的平台具有良好的可配 burgh,USA:Manufacturing Execution Systems Assoc.,White Paper6, 置性和可扩展性,已在某纺织机械集团得到应用(图 1997. 3)。 [4]王军强,孙树栋,司书宾,等.组件化和集成化车间生产管理系统的 研究与实现[J].计算机集成制造执行系统,2006,12(2):231—239. [5]王琦峰,刘飞.面向服务的制造执行系统建模方法研究[J].中国机 械工程,2008,19(13):1569-1573. [6 J Cao Le,Liu Fei.Sharing and planning of distirbuted equipment for net— worked manufacturing[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007,20(1):73-76. [7]Cao Le,Liu Fei,Lei Qi.Design attirbutes optimization model for cns- tomized product and its application[J].Chinese Joumal of Mechanical Engineering,2005,18(2):179—182. 第一作者:吴晶晶,女,1975年生,博士研究生,主 图3某纺织机械集团协同执行平台用户界面 要研究方向为智能制造系统和制造业信息化。 (编辑谭弘颖) 5 结语 (收稿日期:2010—05—21) 本文在分析了制造企业在订单驱动的生产模式下 文章编雩:101007 0 如果您想发表对本文的看法。请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 ・ 27 ・ 

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