企業控制系統集成中的對象模型及應用

郭 棟，尹作重，秦修功，杜 峻，范 維

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

企業控制系統集成中的對象模型及應用

郭 棟，尹作重，秦修功，杜 峻，范 維

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

針對企業控制系統集成中企業行為與控制行為之間接口存在的風險、高成本與不可避免的差錯，對系統集成中的人員模型、設備模型、物料模型、過程段模型、生產能力模型、過程段能力模型、產品定義模型、生產調度模型、生產績效模型等9個模型進行了規范化，進而以人員模型為例，詳解其應用，從而可降低相應的風險、成本和差錯，實現生產過程的綜合自動化。

對象模型；企業控制系統集成；對象模型屬性

0 引言

隨著計算機、信息技術的飛速發展，全球市場逐漸形成，企業間的競爭空前加劇。處在競爭中的生產企業必須降低成本、提高產品質量、完善售后服務，才能在市場中占有一席之地。這要求各個生產企業采用系統集成、信息集成的觀點來組織整個生產過程，實現生產過程的綜合自動化[1]。

企業系統與控制系統的系統集成研究與開發已經有十多年的歷史，期間涌現很多的學派和描述模型，開發的系統數不勝數[1]。但人們對企業信息化和系統集成的標準研究不夠，更不用說在應用中去遵循統一標準，為了改變這一普遍存在的現象，降低與實施這些接口有關的風險、成本和差錯，對企業控制系統集成對象模型進行規范化。

本文首先對企業控制系統集成中的對象模型進行簡要介紹，包括對象模型的屬性、結構和涉及到的數據關系，其次詳細闡述了企業控制系統集成中九種對象模型，并描述這些對象模型的資料性關系，最后舉例說明對象模型的具體應用。

1 企業控制系統集成對象模型簡介

1.1 概述

在企業和控制的集成系統中，信息穿過企業與控制系統的接口，在各相關的功能塊之間流動。信息主要分為三類：生產能力信息、生產定義信息、生產信息。標準以對象模型的形式定義信息，用各個對象的屬性描述具體信息。

1.2 對象模型屬性

獨立于企業的信息的最小集被定義為屬性。然而，所有屬性的值可能并不需要依賴于模型的實際使用。對于特殊的應用，對象模型中所定義的對象也需要擴展，它可以通過在對象類的定義上附加屬性來實現，這使得屬性具有了可擴展性。這樣的解決方法通過使用標準的屬性增加了可用性，又通過使用特性令柔性和可擴展性成為可能。

1.3 對象模型結構

對象模型是用統一建模語言（UML）符號表示法描述的。

表1定義了對象圖中所用的UML符號。

1.4 數據關系

在對象模型圖表中并沒有充分闡明用于參照其他包中資源的模型。這種模型使用類或實例，并通過屬性附加可選的規范。其數據關系并沒有遵守統一建模語言（UML）的建模方法，可是它令建好的圖表更加簡潔。圖1的左邊說明了關系模型的一般表現形式，而圖1的右邊說明了在UML中是如何更加準確的建模的。作為一種可視化方法，UML在本標準中被使用，可是它并不描述執行情況。下面的對象和它們與另一個包的關系就采用了簡化的關系圖方法來表現，如表2所示。

表1 UML所用的符號

表2 對象關系表

一致性關聯由以下四種可能關聯中的一種（并且僅僅是一種）決定，即：和資源類定義的關聯；和資源類定義以及資源類特性的關聯；和資源定義的關聯；和資源定義以及資源特性的關聯。

在上面的模型中，“資源類”這個術語包含：人員類、設備類、物料類和物料定義。術語“資源”包括：人、設備、物料批量和物料分批量。術語“資源能力”指資源在能力模型、過程段能力模型、過程段模型、產品定義模型、生產調度模型和生產績效模型中的使用。

2 企業控制系統集成中的對象模型

在選定的時間內，生產過程設計的所有資源統稱為生產能力信息。它是關于設備、材料、人事和過程分段的信息，有人員模型、設備模型、物料模型、過程段模型、生產能力模型、過程段能力模型、產品定義模型、生產調度模型和生產績效模型九個模型。

2.1 人員模型

人員模型包括具體人員、人員類、人員特性、人員類特性、資格測試規范和資格測試結果六個方面的信息，如圖2所示。

2.2 設備模型

設備模型包括特定設備的信息、設備特性、設備的類、設備類特性、設備能力測試規范、設備能力測試結果、關于設備的維護信息、維護工作通知單和維護響應九個方面信息，如圖3所示。

圖1 詳細的關系模型

圖2 人員模型

2.3 物料模型

物料模型包括物料類、物料類特性、物料定義、物料定義特性、物料批量、物料批量特性、物料分批量、質量保證試驗規范和質量保證試驗結果9個方面的信息，如圖4所示。物料信息包括原材料，制成物料和中間物料的庫存量。當前的物料信息包含在物料批量和物料分批量信息內。物料類用來組織物料。

2.4 過程段模型

一個過程段是人力資源、設備資源和完成一個生產步驟所需的物料的邏輯分組。過程段定義了所需的人員、設備和物料的類，和/或也許給出諸如所需要的特定設備那樣的特定資源。同時，過程段也可列出所需資源的數量。過程段模型對象包括過程段、人員段規范、人員段規范特性、設備段規范、設備段規范特性、物料段規范、物料段規范特性、過程段從屬性和過程段參數九個方面的信息，如圖5所示，它闡明了人員、設備和物料模型之間的關系，又附加了一個對象以包含過程段從屬性。

圖3 設備模型

圖4 物料模型

2.5 生產能力模型

生產能力信息是為生產的所有資源對所選用次數的信息的匯集。這是由有關設備、物料、人員和過程段的信息組成的。生產能力描述了制造控制系統已知道的名字、術語、狀態和數量。生產能力信息包含用于產能調度和維護信息的詞匯表。一種生產能力是對于一個給定的時間段（目前或今后）的人員能力、設備能力、物料能力和過程段能力的匯集，并作為承擔的、可利用的和難以達到的等類別列出。生產能力模型包括生產能力、人員能力、人員能力特性、設備能力、設備能力特性、物料能力和物料能力特性7個方面的信息，如圖6所示，它闡明了人員、設備和物料模型之間的關系。

2.6 過程段能力模型

圖5 過程段模型

圖6 生產能力模型

對一個特定時間、對一個給定的過程段承擔的、可利用的、或難以達到的人員資源、設備資源和物料的邏輯分組的表示法被稱為一種過程段能力。過程段能力模型包括過程段能力、人員段能力、人員段能力特性、設備段能力、設備段能力特性、物料段能力和物料段能力特性7個方面的信息，如圖7所示，它闡明了過程段、人員、設備和物料模型之間的關系。

圖7 過程段能力

2.7 產品定義模型

產品定義信息是生產規則，物料清單，以及資源清單之間共享的信息。這三個外部模型用圖8中的包表示，該模型包括產品定義、制造清單、產品段、產品參數、人員規范、人員規范特性、設備規范、設備規范特性、物料規范、物料規范特性和產品段從屬性11個方面的信息。

2.8 生產調度模型

生產調度是一種生產請求。一個生產調度是由一個或者多個生產請求組成的。生產請求是為一個由生產規則標識的產品要求生產的請求。生產請求包含為了完成調度生產制造所需的信息。生產請求至少包含一個段要求，即使它跨越了產品的整個生產階段。生產調度模型包括生產調度、生產請求、段要求、生產參數、人員要求、人員要求特性、設備需求、設備需求特性、已生產物料要求、已生產物料要求特性、已消耗物料要求、已消耗物料要求特性、預期消耗品、預期消耗品特性和請求段響應十五個方面的信息，如圖9所示，清楚地說明了產品段、過程段、人員、設備以及物料模型之間的關系。

2.9 生產績效模型

生產績效是一個關于所請求生產的報告，也是生產響應的集合。生產響應是指與生產請求相關聯的制造響應。如果生產設備需要將生產請求劃分成更小的工作單元，那么一個生產請求就會有一個或者多個生產響應。生產績效模型包括生產績效、生產響應、段響應、生產數據、實際人員、實際人員特性、實際設備、實際設備特性、實際已生產物料、實際已生產物料特性、實際消耗的物料、實際消耗的物料特性、實際消耗品和實際消耗品特性十四個方面的信息，如圖10所示，并且加入了產品生產規則，以及闡明了人員、設備、物料模型之間的關系。

圖8 產品定義模型

圖9 生產調度模型

圖10 生產績效模型

3 對象模型的關系

圖11給出了對象模型之間相互關聯的參考資料性說明[2]。生產信息給出了在制造什么和在使用什么的信息。它的元素相當于生產調度中列出的制造什么和使用什么的信息。生產調度的要素對應于表示制造一種產品所規定的產品定義中的信息。產品定義要素對應于過程段描述中的信息，它給出靠這些生產資源能做些什么。

圖11中的斜矩形表示任何資源（人員、設備或者物料），或者資源特性。

4 應用實例

4.1 人員的UML模型

UML模型是商務系統、制造操作以及控制系統數據交換的軟件獨立描述。UML依賴于面向對象方法學。簡單地講，面向對象包含類、子類以及實例(對象)。類可以是“車”，而實例可以是“Mine夫人的車”或者“我的車”。一個類具有屬性，實例具有屬性的值，例如類“車”有一個屬性“牌照”，而實例“Mine夫人的車”具有屬性“牌照為ABC 123”。

圖11所示人員模型即為人員UML模型。

4.2 帶有屬性的人員類實例

圖11 對象模型內部關系

圖11 人員UML模型

如圖11所示的模型是圖2的一份復制，一共定義了6個類，即：人員、人員類、人員特性、人員類特性、資格測試規范、資格測試結果。本部分為這6個類中的每一個定義屬性。

表3為人的屬性。

表3 人的屬性

這意味著，人員類應該有ID、Description以及Name屬性。

圖12顯示了帶有屬性的人員類，并且有兩個實例，即John Smith以及Lou Brown。

圖12 人員類的實例

相同的有另外一個類“人員類”（人員類應該被看作人員的分組或者分類）。所使用的實例依賴于應用程序，但是可以是下面的例子：工程師、夜班工人、磨床操作工人等。

4.3 XML描述實例

這是一個人員模型簡化的示例，可以應用在石油化學制品行業。示例列出了人員類和人員的共享信息，包括資格測試信息。

人員類

ID – 操作人員水平A

描述(Description) – 石油化工制品廠認證最高水平操作人員。

ID – 操作人員水平B

描述(Description) – 石油化工制品廠認證基本水平操作人員。

ID – 操作人員

描述(Description) – 石油化工制品廠操作人員

特性(Properties)

ID – MTBE平均錯誤間隔時間過程認證

描述(Description) – 每一個完整的認證測試水平

值(Value) – TRUE, FALSE

度量單位(Units of Measure) -

資格測試規范(Qualifcation Test Specifcation)

ID – PC-MTBE-992828

描述(Description) – 決定MTBE 認證水平的測試

版本(Version) – 1997-04-02

ID – PO精練水平認證的測試（PO Refning Process Certifcation）

描述(Description) – 每一個完整的認證測試水平

值(Value) – TRUE, FALSE

度量單位(Units of Measure) -

資格測試規范(Qualifcation Test Specifcation)

ID – PC- PO-Refning -992828

描述(Description) – 決定PO精練水平認證的測試。

版本(Version) – 1997-04-02

ID – Push-Up Certifcation上推認證

描述(Description) – 操作人員暫時能夠進行高層作業

值(Value) – TRUE, FALSE

度量單位(Units of Measure) -

人員

ID – 999-63-8161

描述(Description) -

姓名(Name) – John Doe

特性(Properties)

ID – MTBE 過程認證

描述(Description) – 每一個完整的認證測試水平

值(Value) – 真

度量單位(Units of Measure) -

資格測試結果(Qualifcation Test results)

ID – PC-MTBE-992828-2000-10-12

描述(Description) – 決定MTBE 認證水平的測試。

結果(Result)– 通過

到期(Expiration) – 2000-12-15

ID – PO精練水平過程認證（PO Refining Process Certifcation）

描述(Description) – 每一個完整的認證測試水平

值(Value) – 假

度量單位(Units of Measure) -

ID – 上推認證

描述(Description) – 操作人員暫時能夠進行高層作業

值(Value) – 假

度量單位(Units of Measure) –

ID – 合格的消防團隊

描述(Description) – 操作人員被訓練來輔助消防

值(Value) – 真

度量單位(Units of Measure) -

人員類(Personnel Classes)

ID – 操作人員

ID – B級操作人員

ID – 合格的消防團隊

5 結束語

通過對企業控制系統集成中的對象模型進行規范化，并對這些對象模型存在的資料性關系進行描述，并對對象模型的應用XML進行闡述，從而可以降低與實施這些接口有關的風險、成本和差錯，提高生產過程自動化程度，進而提高企業競爭力。

[1] 冷杉,黃榕華.企業與控制系統集成標準研究[A].中國自動化學會制造執行系統(MES)在管控一體化中的作用研討會[C].2007.

[2] 國際電工委員會. Enterprise control system integration – Part2: Object model attributes[S].IEC 62264-2:2013.

Objects and applications for enterprise-control system integration

GUO Dong, YIN Zuo-zhong, QIN Xiu-gong, DU Jun, FAN Wei

TP29

：A

1009-0134(2017)01-0138-11

2016-12-22

國家支撐計劃項（2015BAF17B01）

郭棟（1989 -），男，山西襄汾人，碩士，研究方向為制造業信息化。