基于Ｗｅｂ的可重構制造執行系統研究

（華中科技大學 機械科學與工程學院 工業工程系， 湖北 武漢 430074）

摘要：介紹了制造執行系統的定義、制造執行系統與管理系統和控制系統的關系。提出了基于Web的可重構制造執行系統的系統模型，闡述了基于Web的可重構制造執行系統的體系結構和實現技術，介紹了基于.NET平臺Web技術設計與操作的實現方法及應用實例。

關鍵詞： 制造執行系統; 重構; .NET

中圖法分類號： TP393文獻標識碼： A

文章編號： 1001 3695(2006)08 0240 03

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Research of Reconfigurable Manufacturing Execution System Based on Web

ZOU Shun xiang， RAO Yun qing

(Dept. of Industrial Engineering，College of Mechanical Science Engineering， Huazhong University of Science Technology， Wuhan HubeI-430074， China)

Abstract: The functions of the manufacturing execution system MES， the relation

ship and information flow among MES，production managemenT-system and device control system were introduces. Architecture of Web based reconfigurable manufactu ring execution system and its implementation methodology were suggested.The paper also puts forward a solution of developing resource integration and supporting networked manufacturing.Based on .NET，an application instance is offered and described in the end of this paper.

Key words: Manufacturing Execution System (MES)； Reconfiguration； .NET

網絡技術的快速發展與應用使得制造企業的生存環境和生存準則發生了很大的變化，企業面對越來越激烈的競爭，充分利用信息技術手段來提升競爭力和綜合實力成為必然。同時計算機網絡技術的迅速發展為現代制造企業跨地域、跨行業及企業內部實現信息實時傳遞和技術交流共享提供了可執行的條件。對于中國廣大的中小型制造企業而言，一方面正在積極地加快內部信息化建設，建立企業間的網絡化聯盟；另一方面由于歷史原因或是限于技術水平和條件等使得在資源的投入方面處于兩難境地。因此如何在現有狀況下，利用信息技術實現制造資源的合理分配與應用完成制造資源的繼承與重構，并提出資源重構模型的應用，以及資源管理系統的高效合理重構，成為提升企業競爭力的核心之一。

1 制造執行系統

MES（Manufacturing Execution System）的概念最早形成于20世紀80年代末，進入90年代逐步成型并獲得迅速發展。美國先進制造研究機構(Advanced Manufacturing Research，ARM)將MES定義“位于上層的計劃管理系統與底層的工業控制之間的面向車間層的管理信息系統”。MES在計劃管理層與底層控制之間架起了一座橋梁，填補了兩者之間的鴻溝[2，3]。在MES 的定義中強調了三點：①MES的優化目標是整個生產過程；②MES需要收集生產過程中大量的實時數據，并且能對實時事件及時進行處理；③MES需要同時與計劃層和控制層保持雙向通信能力，從上、下兩層接收相應數據并反饋處理結果和生產指令。MES匯集了車間中用于管理和優化從下訂單到產成品的生產活動全過程的相關硬件或軟件組件（Component），它控制和利用實時準確的制造信息來指導、傳授、響應并報告車間發生的各項活動，同時向企業決策支持過程提供有關生產活動的任務評價信息。制造執行系統是針對MRP在生產管理方面的限制和不足而產生的，也是MRP的必要補充。MES的功能包括車間的資源分配、過程管理、質量控制、維護管理、數據采集、性能分析及物料管理等。

傳統MES（Traditional MES，T-MES）是指在傳統的自上而下的層次結構上發展起來的信息系統，可以分為兩大類：①專用的MES系統(PoinT-MES)。這類系統只解決某個特定的領域問題，如車間維護、生產監控、有限能力調度等。②集成的MES系統(Integrated MES)。該類系統功能上已實現了與上層事務處理和下層實時控制系統的集成。但此類系統依然是針對一個特定的行業，缺少通用性和廣泛的集成能力[4]。

可集成MES(Integratable MES，I-MES)這一概念是由AMRC研究小組在分析信息技術的發展和MES應用前景的基礎上提出來的。它將模塊化應用組件技術應用到MES的系統開發中，是兩類T-MES系統的結合。從表現形式上看，具有專用的MES系統的特點，即I-MES中的部分功能作為可重用組件單獨銷售；同時，又具有集成MES的特點，即能實現上下兩層之間的集成。此外，I-MES還能實現客戶化、可重構、可擴展和互操作等特性，能方便地實現不同廠商之間的集成和遺產系統的保護以及即插即用等功能。隨著網絡技術的不斷發展，基于Web的軟件體系的實現成為可能。它具有良好的可操作性，使用者使用任意一臺裝有瀏覽器的主機便可以使用系統功能，更適合未來分布式管理環境，擺脫了傳統客戶端/服務器結構模式對空間上的限制;其平臺無關性可以解決多平臺結構所產生的互操作問題;簡單、熟悉的用戶界面，廠商無需開發客戶端軟件，用戶基本不需要培訓等。基于Web解決方案，可以將傳統客戶端/服務器結構模式軟件的功能匯集到系統中去，還能實現其不能實現的功能，既繼承了客戶端/服務器結構模式軟件的功能和優點，又能較好地突破應用客戶端構建模式軟件存在的局限性。

組件技術的發展為MES的發展提供了契機。隨著計算機技術，尤其是軟件技術的發展，組件化軟件結構為MES系統存在的問題提供了解決方案。它可以完全實現軟件的組裝和軟件功能的裁剪、重構，為在新型軟件體系結構的架構上開發組件化的可重構的MES提供了廣闊的前景。

2 可重構的制造執行系統

2.1 可重構的MES體系框架

可重構的MES體系框架，就是創建一個集成的、通用的、可動態配置的構件化對象模型，為制造領域開發和實施MES提供共享的、柔性的和易于擴展的開放環境，通過 “搭積木”和軟件重用來實現不同企業的各種要求[5]。構建可重構的MES必須首先進行系統分析、收集域需求、分析系統環境，并在系統分析的基礎上劃分管理功能模型。在這些管理功能的基礎上，形成功能構件，建立功能構件的對象模型[6]。MES的功能模型如圖1所示。

其中，系統管理功能實體負責對整個車間的工作狀況進行監控；調度管理功能實體負責車間作業的分派與調度；設備管理功能實體負責對車間不同的物理設備進行監督控制；物料管理功能實體負責物料的管理和流動；人力資源管理功能實體負責人員的監督與管理；訂單管理功能實體提供MES與MRP Ⅱ，ERP的接口，并負責加工訂單的接收、分解及管理等。每個功能實體均通過其Agent進行基于XML Web Services、通信中間件、采集控制信息的組件（如OPC/DNC）等，對收集來的各種信息進行分析并存儲到數據服務器上，同時根據需要將響應用戶需求返回的數據查詢信息和命令結果信息傳送到客戶端去。考慮到企業自身的實際情況，可能有些企業已經從MES軟件商處購買或自己開發了上述某個功能實體模塊。為了實現軟件的重用，增強系統的柔性，采用了支持分布式應用的軟件技術來實現MES，通過構件重組來滿足不同企業的各種需要。一種理想的組件技術，可以很方便地實現客戶化、可重構性、互操作性，從而真正實現軟件構件的即插即用，封裝已有遺產系統以及與不同廠商之間的集成等功能。

2.2 基于Web的可重構MES框架結構設計

.NET是微軟公司(Microsoft)2001年推出的基于分布式體系結構的軟件平臺，它是一種融合信息、終端設備、分布的應用程序以及人力資源等到Internet大環境中的技術。.NET Framework是.NET的核心，它簡化了在高度分布式Internet環境中的應用程序開發，并使得應用程序更容易與其他異構網絡系統進行集成、部署、生成，而公共語言運行組件（Common Language Runtime，CLR）是 .NET ramework 的基礎，它提供核心服務（如內存管理、線程管理和遠程處理）。因此可以充分利用 .NET 臺的這些特性來構建MES框架，考慮到大多數機械行業企業的特點，特別是一些車間具有地域上分布的特點，我們為可重構制造執行系統(Reconfigurable Manufacturing Execution Systems ，RMES) 建立基于Web運行平臺的體系結構，如圖2所示。

(1)應用層。主要指通過企業外部網Internet/Extranet直接與用戶交互的客戶端，它包括多種類型的客戶端組件，支持多種客戶端。它既可以是通過Internet訪問的Web瀏覽器客戶端，也可以是通過企業Intranet運行的瘦客戶端。主要提供統一的圖形用戶界面，負責與用戶進行交互，并能通過內部通信機制向應用服務器中的有關服務對象發出請求。應用服務器中的服務對象封裝了相關的管理功能，它們之間可以通過內部協議彼此通信，以協同完成客戶請求。

(2)構件層。根據MES的功能模型將系統劃分為人力資源構件、物料管理構件、設備管理構件、系統管理構件、生產調度構件、訂單管理構件和其他構件。構件劃分的規則主要是依賴于構件功能劃分和模塊大小。構件模塊不可能太大或太小，太大將不利于重構而且改變也比較困難;太小將使需要定義的接口增多，這將不利于集成。

(3)數據層。主要解決各構件對數據庫的訪問與異種數據庫之間的互操作，其中包括對MRP Ⅱ/ERP系統和現有車間應用系統的訪問與預處理。

2.3 系統實現的關鍵技術

基于Web的制造執行系統選擇Microsoft Visual Studio .NET 平臺進行開發。系統實現的關鍵技術如下：

(1)Web服務器與應用服務器的實現。Web服務器中包含一系列滿足用戶需求功能使用C#語言和HTML語言編寫的ASPX頁面。用戶操作信息返回服務器端，經Web服務器和應用服務器處理后，將結果送到客戶瀏覽器中，該過程經過 HTTP 交換信息再通過HTML語言、.NET語言及其控件、組件技術的綜合使用，可以實現復雜的功能和用戶界面。Web應用服務器編寫的一系列組件，可實現系統中復雜的而在ASP .NET 中不易實現的功能，如與硬件進行交互、與別的非Web系統交互和大量的數據處理。

(2)控制信息交互方式。基于Web的制造執行系統要完成如上所述的功能，重點集中在控制層與制造執行系統的信息交換和實時信息如何及時通過應用服務器及服務器傳送到客戶端中。基于Web制造執行系統對于信息交互可以采用兩種方式:①底層數據庫采用關系數據庫和實時數據庫，前者存儲固定數據和系統數據，后者存儲不斷變化的設備臨時數據。Web服務器接到用戶請求通過Web服務器讀取關系數據庫和實時數據庫中的信息，再將信息送入客戶端。這是一種被動的方式，必須由用戶主動提出請求才能刷新數據，而且在制造執行系統的快速反應功能的實現上有缺陷。②采集的底層數據經由通信組件送到應用服務器中，應用服務器首先對數據進行處理和判斷，再存儲到數據庫中，其中對制造執行系統的系統運行產生影響的數據將暫時存儲于應用服務器中，然后將這些數據提交給用戶，并輔助用戶進行處理和響應。

(3)基于SOPA協議的XML Web Services 實現方式。在Microsoft Visual Studio.NET平臺下實現上述第②種方式。客戶端首先向Web服務器發出頁面申請，Web服務器將編譯過的ASP.NET的Web窗體頁面發給用戶，用戶通過在本地運行于IE中的Web窗體頁面調用XML Web Services，實現與應用服務器的實時通信。ASP.NET Web窗體創建一個XML Web Services客戶端代理類，該代理類公開XML Web ervices的方法，并處理在XML Web Services與應用程序之間往返的適當參數封裝。客戶端和XML Web Services使用SOAP消息進行通信，SOAP消息將輸入和輸出參數封裝為XML。對于XML Web Services 客戶端而言，代理類處理將參數映射為XML元素，然后通過網絡進行發送SOAP消息等工作。基于SOAP的分布式應用實現結構如圖3所示。

3 系統開發實例

該系統以成都某車輛公司為背景，開發一個支持重構的面向成德綿區域制造企業的通用型車間制造執行系統，為企業動態聯盟的建立與運行提供車間層的管理。

通過采用三層B/S結構，將系統進行明確的分割，使其在邏輯上各自獨立，并且單獨加以實現。三層分別是用戶界面層、業務邏輯層和數據訪問層。其中，用戶界面層用來實現在客戶瀏覽器中顯示的用戶界面；業務邏輯層為用戶界面層提供功能調用，同時調用數據訪問層所提供的功能來訪問數據庫，實現工程中的大部分邏輯控制功能；數據訪問層主要用來實現與數據庫的交互，根據業務邏輯層的要求從數據庫中提取數據或者修改數據庫中的數據[8]。其總體流程框架如圖4所示。

企業內部Intranet客戶（企業內各部門）以及企業外部Internet客戶（主要是企業聯盟中其他成員）可以通過瀏覽器/服務器(Browser/Server，B/S)模式，根據被分配的不同權限來訪問SRMS中不同的業務邏輯模塊，進行各自的業務處理；業務邏輯模塊則通過SQL方式向數據庫服務器提出數據或其他資源的請求，經過處理后，Web服務器再將請求結果返回客戶端瀏覽器。

在服務器端應用程序設計方面，SRMS采用的是ASP.NET技術和C#語言。ASP.NET在服務器端對代碼進行編譯而不是解釋，因而具有更高的效率；C#語言是隨著.NET推出一起出現的，它綜合了 C+ + 和Java的優點。

該系統的成功應用，可以實現車間內部資源的集成和信息的共享，對提高車間管理效率、降低生產成本、持續改進制造產品的質量等方面將起到積極的輔助作用。

4 結束語

本文研究了Web模式下可重構制造執行系統的實現技術，對系統結構以及關鍵技術進行了分析和闡述。在實現制造執行系統功能的基礎上使系統實現Web 模式下的分布式可重構應用。在這種基于Web的信息系統體系結構下可以實現遠程對制造過程及資源進行監控和管理，滿足制造業未來發展，如多企業同時協作、客戶快速響應等的需求。

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作者簡介：鄒順享(1979 )，男，湖北公安人，碩士研究生，研究方向為網絡化制造環境下車資源重構和管理；饒運清(1968 )，男，教授，博士，研究方向為MES。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。