郭丽华，汤文成

GUO Li-hua1,TANG Wen-cheng2

（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）

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[1]。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[2]。

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[3,4]。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；

3）自动采集数据困难；

4）缺乏有效的数据处理方法。

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，比如P2P、COM/DCOM、CORBA、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

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。

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，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。

1.2 静态图模型

1.2.1 用例图模型

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：

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，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性，采用Mulit-agent技术实现各功能模块，将基于网格的MES系统分为网格服务模块、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

动态模型描述对象之间如何交互、如何合作完成系统的行为。UML 的顺序图按时间顺序描述系统对象内部及其对象之间的消息传递与处理。本文从实例层的角度来对网格环境下的制造执行系统进行描述，以完成一个来自ERP系统的任务订单，来描述消息在各代理之间的传递顺序，如图3所示。

2 网格环境下基于MAS的MES体系结构

如图4所示，设计了一种四层的基于网格的MES体系结构，分别为资源层、网格基本结构层、MES功能层、用户应用层。

资源层是指可用来生产的所有车间资源，包括加工设备、控制系统、软件系统、数据库系统等资源。目前，底层控制层由来自不同厂家的DCS、SCADA、PLC系统等系统组成，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，从而使得 MES 的实时性、准确性等特性难以实现。本文选择 OPC XMLDA 技术来解决这些问题。MES系统作为OPC XML-DA Client 可以直接调用 XML格式数据的 OPC XML-DA Server，实现对现场底层数据的直接访问。另外，通过OPC XML-DA Server平台可以实现不同 Server 间的直接通信[5]。

网格基本结构层，包括网格的基本功能，可实现资源的封装、存储访问、信息安全等。信息管理模块为信息请求者和资源提供者之间架起一座桥梁，为用户提供需要的网格信息。资源管理模块采用网格技术对各类独立运行的资源进行封装，将局部资源封装成为可供网格上所有应用共享的全局资源，并通过网格技术屏蔽资源的异构性，以一致透明的方式对其进行访问。网格中间件层为实现基于网格计算的制造服务和服务协同提供基本的功能，例如远程过程管理、存储访问、信息安全、服务质量等，并为开发基于网格的制造执行系统提供类库、应用编程接口、集成开发环境等[6]。

MES功能层，在网格基本结构层提供的开发环境中开发符合离散型制造企业的制造执行系统，主要包括制造执行系统的核心功能：任务管理、资源分配与调度、生产管理、数据库管理、质量控制等。应用Multi-agent技术，每个功能模块可以由独立的agent完成，具有完全的自治性，可以被布置在不同的操作系统中，不同的agent之间相互通信、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。

图4 基于网格的制造执行系统体系结构

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的解决方案和理论依据。

[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 manufacturing environment[C].IEEE,2005:1381-1384.

[4] Rucy-Shun chen,Yung-Shun Tsai,Chan-Chinc Chang.Design and implementation of an intelligent manufacturing execution system for semiconductor manufacturing industry[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[D].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.