基于SOA的數控加工廠云制造平臺架構

向 楨，高宏力

XIANG Zhen1, GAO Hong-li2

(1.四川工程職業技術學院，德陽 618000；2.西南交通大學 機械工程學院，成都 610031)

0 引言

制造業是國民經濟的支柱產業，其發展水平直接體現了一個國家的生產力水平。伴隨著制造全球化的發展，如何構建一個可以降低成本、智能安全的企業動態基礎架構，實現企業的智能靈活運營運作，已成為制造業企業亟待解決的問題。

近年來，云計算正在引導IT產業進入一個全新的時代，云計算實現了資源的動態部署，企業借助云計算，可以對新的業務環境做出快速反應，實時處理更多的信息，降低管理成本，提高工作效率。作為一種新興的計算模式，云計算技術正在被越來越多的廠商所采用，如亞馬遜憑借存儲服務（S3）和彈性計算云（EC2）成為全球最成功的公共云服務中心之一，我國中化公司在IBM公司的指導下，搭建了“企業云計算平臺”，實現了整體系統的虛擬化和管理[1]。

基于目前制造業所面臨的機遇和挑戰，文獻[2]提出了一種面向服務的網絡化制造新模式——云制造，為制造業企業如何應對來自制造全球化的壓力提供了一種思路。本文以數控加工廠為例，構建了基于SOA的云制造平臺架構，實現資源的動態優化配置，簡化了設備的管理，提高了企業對新業務的快速反應能力。這對提升數控加工企業的核心競爭力，形成差異化的競爭優勢，促進企業的成功轉型具有重要意義。

1 云制造與SOA

1.1 云制造

云制造是一種利用網絡和云制造服務平臺，按用戶需求組織網上制造資源，為用戶提供各類按需制造服務的一種網絡化制造新模式[2]。云制造主要面向制造業企業，將產品生產過程中所需的分散的資源和能力接入到制造云進行整合，用戶通過連接制造云服務平臺訂制所需的制造能力和資源。從而實現制造資源的有效配置，降低生產成本和管理成本，提高企業效率。

如圖1所示，云制造架構主要由三部分組成：

圖1 云制造示意圖

1）制造能力及資源

指產品全生命周期所需的資源的總和，包括制造業企業的設計能力、生產能力和加工設備等。

2）制造云

租用服務提供商的服務器、網絡設備、存儲設備等硬件設備搭建制造云的硬件平臺，通過感知器感知分散的制造能力及資源，將之虛擬接入制造云，最后對虛擬資源進行封裝，形成云服務。根據云的部署模式和云的使用范圍，可以將制造云分為制造公云和制造私云[3,7]。

3）用戶

包括企業用戶和個人用戶，用戶可以通過網絡借助云制造平臺按需訂購服務。

1.2 面向服務的架構——SOA

面向服務的架構（Service Oriented Architecture, SOA）是一種高層的架構模型，它將一個企業的所有業務分為多個服務，將這些服務抽象到一個統一域，在這個統一域中使用這些服務，各個服務之間是獨立的，當企業的業務需求改變時，這些服務被重新組合，構成新的解決方案。在基于SOA架構的系統中，應用程序的功能是由一些松耦合的服務組合起來的，SOA為企業架構增添了靈活性，使企業的IT系統能夠靈活的通過配置層快速適應新的業務變化，而不是重新開發IT系統[4,5]。

SOA作為一個成熟的體系結構，能夠為云制造引入成熟的工作流程[6,8]。一個基于SOA的系統中，所有的功能都被定義為服務，所有的服務都是獨立的，云制造平臺利用SOA將企業的制造能力與資源以服務的形式提供給用戶，利用SOA架構和虛擬化技術，整合制造能力和資源，借助網絡上租用的服務器群強大的處理能力，為用戶提供方便快捷的服務，實現企業的有序管理。

2 數控加工廠云制造平臺體系架構

數控加工廠云制造平臺架構如圖2所示，云制造平臺由數控加工廠、制造云和用戶三部分組成。數控加工廠采用面向服務的SOA架構模式，利用制造公云成本低的優勢，將對用戶開放的應用服務運行在制造公云上，將安全要求高的關鍵性應用服務運行在制造私云上，實現了企業到制造云的服務延伸。用戶可通過終端與制造云進行信息交互，訂購自己需要的服務。

圖2 云制造平臺架構

2.1 數控加工廠SOA架構

數控加工廠SOA架構如圖3所示，所有程序和功能封裝在一個個服務中，數控廠通過總線的方式將這些服務組合起來，構成需要的系統。數控加工廠的SOA架構主要包括以下八類服務：

1）智能保障類服務

主要指智能保障機床正常運行的服務，包括機床狀態監測服務、信號處理服務、機床故障預警服務、機床健康狀態評估服務等。智能保障類服務是融合云制造的數控加工廠SOA的核心組成部分。

2）工藝優化類服務

主要指工藝優化過程中涉及的相關服務，包括零件加工工藝分析服務、數控加工仿真服務、工藝決策專家系統服務、快速數控編程服務等。工藝優化類服務是融合云制造的數控加工廠SOA的關鍵組成部分。

3）生產現場管理類服務

主要指整合現有資源，制定高效合理的生產計劃及與生產現場相關的服務，包括智能化生產計劃管理及動態調度服務、現場工藝更改服務、產品質量檢驗服務、加工原材料管理服務、刀具配套管理服務、工裝夾具管理服務、設備維修滾動計劃及派工服務、機床精度檢測及點檢服務等。生產現場管理類服務是融合云制造的數控加工廠SOA的重要組成部分。

4）軟件開發類服務

主要指與軟件開發相關的服務，特別是關鍵核心算法的軟件開發服務，包括絲杠壽命預測算法開發服務、導軌壽命預測算法開發服務、主軸壽命預測算法開發服務、絲杠性能評估算法開發服務、導軌性能評估算法開發服務、主軸性能評估算法開發服務、工藝優化算法開發服務等。

5）企業內部信息管理類服務

主要指企業內部運作管理相關的服務，包括財務管理服務等。

6）企業日常管理類服務

主要指企業日常提供給用戶的服務，包括門戶網站建設服務、人事招聘服務和企業郵箱服務等。

圖3 數控加工廠SOA架構

7）企業制造能力及資源訂制類服務

主要指用戶可訂制企業制造能力及資源類的服務，包括空閑設計能力訂制服務、空閑生產能力訂制服務和空閑加工設備訂制服務等。8）銷售及售后管理類服務

主要指負責產品銷售及售后，形成銷售業務解決方案類的服務，包括庫存服務、訂貨服務、發貨服務、客戶信息管理服務、退換貨管理服務等。

圖4 制造云架構

2.2 制造云

數控加工廠的制造云架構如圖4所示，主要包括基礎架構即服務層、平臺即服務層、軟件即服務層、服務管理層和用戶訪問層五個部分。制造云的本質是通過網絡向用戶提供服務，基礎架構即服務層、平臺即服務層、軟件即服務層是制造云提供的不同層次的服務。根據服務的部署方式和服務的對象范圍，還可將制造云分為制造公云和制造私云。

1）基礎架構即服務（IaaS）層

指基礎架構層面的制造云服務，利用虛擬化技術，隱藏了復雜的物理資源。基礎即架構層包括硬件資源、服務器服務、網絡服務和存儲服務等，硬件資源指支撐制造云服務的各種物理設備，服務器服務提供給用戶虛擬的服務器環境，網絡服務提供給用戶網絡處理的能力，存儲服務提供給用戶存儲能力，用戶可以利用基礎架構層提供的各種服務靈活的搭建自己的應用。基礎架構即服務是一種經濟有效的模型，集中對硬件資源進行管理，降低了硬件維護費用，提高了系統運行的穩定性和安全性。

2）平臺即服務（PaaS）層

平臺即服務層通過對基礎架構即服務層的服務進行封裝來提供更高級的服務，如中間件服務、數據庫服務和軟件開發等，用戶可以利用這些高級服務搭建自己的應用。平臺即服務能夠靈活的擴展和調配資源，加快軟件開發速度，降低軟件開發成本。

3）軟件即服務（SaaS）層

軟件即服務層為用戶提供軟件應用服務。包括智能保障系統、工藝優化系統、生產現場管理系統、企業內部信息管理系統、企業日常管理系統、銷售及售后管理系統和企業制造能力及資源訂制系統等。數控廠將應用軟件部署在服務器上，免除了數控廠和客戶的終端服務器、網絡安全等軟硬件的升級維護工作，數控廠無需配備專門的IT管理人員和維護人員，客戶通過用戶終端和互聯網即可訂購需要的服務。

4）服務管理層

服務管理層提供對制造云服務的管理功能。服務管理主要分為業務層面和IT層面，在業務層，系統需要提供業務正常運作所需的各種功能，在IT層，系統對提供給用戶的各種IT服務的生命周期進行統一管理[1]。

5）用戶訪問層

用戶訪問層是方便用戶使用制造云服務所需的各種支撐服務，包括服務訪問、訂閱管理和服務目錄等。服務訪問為各種層次的制造云服務提供訪問接口，訂閱管理提供對服務的管理功能，服務目錄是服務的列表，用戶可以根據需要從中選擇需要使用的制造云服務[1]。

3 云制造平臺關鍵技術研究

隨著我國制造業水平的提升，數控機床已成為機械加工領域的重要設備，企業對數控機床的依賴程度也越來越高。下面圍繞數控機床，對構建的數控加工廠云制造平臺的核心關鍵技術進行深入闡述，主要包括數控機床智能保障系統、工藝優化系統、現場應用管理系統等。

圖5 云制造平臺關鍵技術關系示意圖

云制造平臺關鍵技術之間的關系如圖5所示，智能保障系統、工藝優化系統、現場應用管理系統通過數據庫進行數據交換，應用程序獨立于數據的邏輯表示與存儲，減少了數據的冗余，保證了數據的完整和安全，縮短了用戶開發應用程序的時間。

3.1 數控機床智能保障系統

企業生產過程中，隨著數控機床性能的退化，機床故障率逐漸升高，增加了企業的維護成本，影響企業生產效率。為保證數控機床安全可靠的連續運行，盡量減少故障停機時間并延長機床的工作周期，本文架構的數控加工廠云制造平臺引入了數控機床智能保障系統。

如圖6所示，數控機床智能保障系統由信號處理模塊、機床故障預警模塊、機床健康狀態評估模塊和數據庫組成。信號處理模塊提取的信號敏感特征輸入到機床故障預警模塊，機床故障預警模塊提前預警機床的故障，機床健康狀態評估模塊實時評估機床狀態，為機床的維修維護提供參考。

3.2 工藝優化系統

工藝優化系統結構如圖7所示，工藝分析結果和仿真結果輸入到專家系統，專家系統決策出最優工藝，數控編程模塊根據決策出的最優工藝生成相應的加工代碼。各個模塊的輸出結果交由數據庫統一管理，同時，數據庫為各個模塊提供必要的數據支持。

圖6 智能保障系統結構圖

圖7 工藝優化系統結構圖

3.3 生產現場管理系統

圖8 生產現場管理系統結構圖

如圖8所示，生產現場系統管理系統由生產計劃制定及作業調度模塊、資源保障模塊、設備維修與維護模塊和數據庫組成。其中，生產計劃制定及作業調度模塊主要負責生產計劃的管理及調度、現場工藝的更改、產品質量檢驗等工作；資源保障模塊主要負責原材料、刀具、工裝夾具等資源的管理工作；設備維修與維護模塊主要負責設備的滾動維修、機床精度檢測、點檢等工作。

4 結束語

云制造體系架構為實現制造業企業的靈活運營運作提供了新的思路和解決方案，基于SOA的云制造平臺作為企業服務型制造實施的重要支撐手段，也是當前服務型制造領域需要探索的重要方向。目前主要是從不同的側面和程度對網絡化協作平臺進行了概念模型的研究，關于云制造還有很多實際問題亟待解決。本文以數控加工廠為例建立的基于SOA的數控加工廠云制造平臺架構，抓住了云制造面向服務這一本質，企業可在整合內部資源的同時將具有不同優勢的生產性服務企業和服務性生產企業組織起來，為顧客提供產品服務系統，滿足客戶日益增長的個性化和多樣化需求，是對云制造體系研究的有益探索。

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