网络联盟企业中基于Web的制造执行系统

近年来，国际市场环境多变，竞争加剧，产品的生命周期日益缩短，使制造业面临新的挑战。90年代中期提出了分散网络化制造（Dispersed Networked Manufacturing）的概念，其目标是利用不同地区的现有资源，把它们迅速组合成为一种没有围墙的、超越空间约束的、靠电子手段联系的、统一指挥的经营实体，以合理的成本将产品从设计转入生产，快速推出用户需要的高质量、低成本的新产品。

    传统的MRPⅡ/ERP与制造单元控制器是从不同的计算技术领域发展的，形成了企业生产管理和制造单元控制之间的过程、甚至文化裂缝。使上层的MRPⅡ/ERP系统缺乏精确的生产数据来支持，而制造单元又常常不能及时得到指令来调整工作状态，严重阻碍了制造企业的信息化进程。

1 网络联盟企业与制造执行系统

    1.1 网络联盟企业

    网络联盟企业是按照分散网络化制造哲理组建的企业。通过计算机和因特网组织不同地域的制造资源，对生产准备和生产过程进行监控与管理，将技术准备、生产管理和制造过程3者有机地联系在一起，使网络联盟企业具有快速响应市场变化的能力。实现网络联盟企业的关键技术包括：异地资源的建模和管理；分布式作业计划和调度模型建立；任务冲突的解决；异地产品模型数据的动态传输、转换、修改及数据管理；异地过程监控模型建立；安全防范机制等。

    1.2 制造执行系统的作用（图1）

图1 制造执行系统的功能

    制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）是管理和优化从任务投放到完成加工整个生产活动的硬件和软件的集合。它在面向信息管理的MRPⅡ/ERP与制造单元的设备控制系统之间构筑一座桥梁，连接企业上层管理与工作地之间过去一直被忽略但却急需解决的信息断层。MES利用当前精确的信息，报告和指导制造单元发生的实际活动，快速响应变化条件，驱动有效的运行和过程，减少非增值活动，改善运行资产的利润、交货期、库存周转和资金运行。

    网络联盟企业采用制造执行系统对制造单元的生产管理进行协调，抛弃传统生产系统金字塔式的管理结构和过细、固定的分工方式，实现权利下放、分散管理、优势联合，提高资源的利用率，解决分布式局部优化和全局优化之间的关系，提高制造单元的自主管理能力和企业的应变能力，为网络联盟企业及时准确地提供生产过程状态信息，解决异地生产信息集成问题。MES的主要功能有：

    （1）作业计划与调度  根据有限资源，对生产活动进行排序，确定作业时间；

    （2）资源分配  根据作业任务，确定人员、设备、工具和材料等资源；

    （3）分派生产单元  将材料或定单的命令送到工厂的指定位置，开始一个生产过程；

    （4）数据采集  监测、收集来自人员、设备和控制器关于过程、材料和运行的数据；

    （5）文件控制  管理和分配关于产品、过程、设计或定单的信息；

    （6）产品跟踪  监测单元进程、批量、产量，形成产品的全部历史记录；

    （7）业绩分析  将工厂中测量的结果与由公司、顾客制定的目标进行比较；

    （8）劳动力管理  根据资格、工作样式、业务需要，跟踪、指导和利用操作人员；

    （9）维护管理  计划和执行适当的活动，保持工厂的设备和资产正常运行；

    （10）过程管理  根据计划和实际生产活动，指导工厂的工作流；

    （11）质量管理  记录、跟踪和分析产品和过程特性。

    1.3 制造执行系统与生产管理系统、设备控制系统之间的信息流

    MES接收诸如定单、材料清单、图纸、资源需求、加工计划、产品劳动力性能、库存状况、操作程序标准和来自主生产计划/网络协调计划系统的工作指令。作为一个整体将顾客需求转换成制造计划，并决定专用资源。将辅助于成本、津贴计算、批量控制、库存统计等的车间生产信息送到管理系统。

    控制层与MES也需要进行双向通讯，将控制参数传递给加工设备，接收加工状态的反馈，根据关键制造过程的实时状态，对生产进行调度。它们之间的信息流如图2所示。

图2 MES与管理系统、控制系统之间的信息流

2 基于Web的制造执行系统体系结构

    2.1 基于Web的制造执行系统物理模型

    由于对分布式产品信息管理解决方案的需求与传统的、基于客户/服务器系统满足其需求能力之间的差距加大，各制造企业体验到客户/服务器应用程序仅提供复杂、专用的工具，这些工具使用较麻烦，难于客户化，缺乏互操作性，且需要大量的资金和人力资源来管理。采用浏览器/服务器结构，既便于系统的维护和升级，又利于系统的推广。网络联盟企业需要构造基于Web的分布式制造单元的管理和生产模式，各个单元的MES物理模型如图3所示。

图3 基于Web的制造执行系统物理模型

    在分布式MES系统中，制造单元协调电子生产经理是网络联盟企业运行的核心软件系统，按规则分析工作流，建立各制造单元间协同调度以及冲突解决机制，并保持其时间上的一致性，达到协同增效的目标。主要功能有：划分任务；建立工作流，确定各单元之间的相互关系；生产计划管理；项目跟踪；生产控制与协调。协同调度的效果取决于是否能够对整个网络联盟企业生产过程进行有效的全景监控和对各生产单元制造性能的评判。

    传统的企业应用集成（Enterprise Application Integration，EAI）是着重在一个企业内部的信息流集成。实施企业的网络联盟就需要企业之间的应用集成，把现有的企业资源规划（ERP、MRPⅡ）和MES改造为基于MES的应用系统。

    随着网络通讯技术的发展和MES技术的应用，出现了一种新的应用服务供应商（Application Service Provider，ASP）运行模式，即通过互联网向用户提供应用程序访问的服务商。ASP采用远程租用的方式， 可向企业提供应用系统的租用（如ERP），根据企业需要配置和管理定制的应用服务程序。特别适合网络联盟企业和资金、技术短缺的中小企业。

    各制造单元内部建立局域网，配置浏览器、Web服务器、数据库服务器。Web服务器承担信息发布和数据通信的任务。以作业计划和调度为核心，完成制造执行系统所要求的功能，实时与ERP系统或其它制造单元、协调电子生产经理通讯，实现异地生产信息的集成。这种结构有如下特点：

    （1）系统是开放和可重构的，可根据产品和市场情况允许伙伴的自由加入和退出；

    （2）各单元的工作是自治的，可通过一致的协议来相互协作；

    （3）各单元都是通过浏览器/服务器方式与网络相连。

    2.2 制造执行系统软件系统的体系结构

    从整个制造执行系统来看，作业计划与调度、资源分配、过程管理和工况数据采集等功能子系统既相互独立，又相互协同，以提高整个网络联盟企业的经济效益为目标，共同完成制造任务。因此，整个制造过程是一个典型的分布式多自治体的问题。采用基于对象的分布式异构Agent协同求解的系统模式有利于实现网络联盟企业的集成。采用Agent可以将问题分解成若干个较为简单的问题，结合专家系统和知识库，将它们进行综合性处理。其关键问题是必须建立一种Agent的协同机制。

    在制造执行系统中，构成一个基于MES的Agent分布式制造环境。Agent与Agent间对等分布，其间无严格的逻辑关系。在应用与Agent之间、Agent与Agent之间，每个应用或Agent都可以向其他发请求，它们之间均在发生请求与服务时动态地进行联接，迅速形成一定的逻辑关系并完成复杂的功能。

    建立如图4所示的MES的软件体系结构。操作员接口完成操作员与MES系统的交互，ERP接口完成MES系统与ERP系统之间的信息传送，设备控制接口完成MES系统与工况数据采集终端、数控设备等的信息传送。单元系统Agent负责监视MES系统各个节点间的运行和交互，并负责发布或接收定单等活动。采用CORBA技术，各功能实体遵循统一的接口标准，可以很容易地插接到对象请求代理上，使其具有即插即用的特点，以适应制造环境和资源的快速变化。

图4 基于Agent的软件体系结构

    在Web环境下采用浏览器方式，大多数应用逻辑驻存在服务器。浏览器通过HTTP协议连接到Web服务器浏览UTML页，提供进入Java applets、搜索机、URLL地址、电子邮件集成、插入和帮助程序集成、超连接和导航合作伙伴数据库信息的能力。通过JDBC（Java DataBase Connectivity），Java应用程序可以访问任何一个关系型数据库。

3 结束语

    制造执行系统作为一种集成经营计划系统和车间控制系统的新思想，日益受到人们的关注并在推广应用中得到逐步完善。本文研究了在网络联盟企业中基于Web的分布式生产单元制造执行系统的体系结构，提出了基于Agent的软件应用体系，保证了集成平台的运控系统的开放性、可靠性和先进性，为提高网络联盟企业的性能奠定了良好的基础。

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