基于面向服务的纺织制造执行系统建模解析

0 引言

制造执行系统(Manufacturing _executionSystem, MES)位于企业上层的计划管理系统和底层的工业控制系统之间，是制造企业上层计划系统与下层控制系统的信息桥梁。

市场需求、业务规则及制造流程的经常性变化要求制造执行系统能够快速根据需求进行调整和重构，面向服务架构(service-orientedarchitecture, SOA)的制造执行系统基于开放的工业标准，具有语言独立性、松散藕合、跨平台、良好的封装性、位置透明等特点，使得面向服务的MES能够快速地按需应变以满足制造管理的需求，已成为未来MES发展的趋势之。

面向服务的架是在面向对象、面向组件的基础上发展起来的架构模型。而系统建模作为实现系统架构的关键技术之，由此产生了面向服务的建模方法。日前国内外所研究的建模方法主要有:基于服务的概念模型和面向服务体系结构层次模型的分析，白顶向下，业务驱动和白底向上相结合的服务建模方法;基于模型驱动架构的SOA系统建模和设计方法;基于服务组件的概念和标准统建模语言建模方法的基础上，应用MDA ( modeldrive architecture)的建模方法;应用UML技术，基于多代理的建模方法等。

UML (Unified Modeling Language，统建模语言)，是种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适用的可视化建模语言。UML支持从需求分析到软件开发全过程。通过三类图形建立系统模型:用例图、静态结构图(对象类图、对图、组件图、配置图)和动态行为图(顺序图、协同他、状态图、活动图)，从不同的角度实现系统可视化。

本文结合纺织制造执行系统的实际情况及需求，设计了种面向服务的制造执行系统架构模型，在此基础上利用UML进行系统框架的分析设计，选择Rational rose2003建模工具实现。最后通过系统平台开发验证其可行性。

1 纺织制造执行系统分析

制造执行系统是对整个生产过程的管理和优化的信息系统，它应具有对从订单卜达到产品完成的整个生产过程进行优化管理的功能。纺织机械制造是典型的机电体化制造，生产工艺复杂，且制造模式为多品种小批量。上层计划管理层对计划的制定和执行受市场和实际作业执行状况影响较大，因此需要能够与底层控制系统实时地交互以满足市场及业务需求变化。而纺织制造执行系统作为上下层沟通的桥梁，需在上层计划管理层接到市场订单后，将具体的产品要求下达给MES，MES将控制参数和操作指示下达给底层的控制层。由底层控制层将现场设备、人员的操作及状态反馈给MES,MES根据反馈信息进行各项管理活动，并将相应信息上传给上层管理层，以帮助决策。

本文以纺织机械制造的龙头企业——中国纺织机械有限公司为研究对象。通过调研得到该企业现有19台加工中心，一条机加工生产线及一条钣金加工柔性生产线以及100多台计算机，具备较好的硬件设施基础。但企业内部的信息化集成程度低，虽有相关的软件应用系统，但基本没有实现信息共享功能，因此形成了信息孤岛。整个制造系统的信息流比较混乱，且信息反馈滞后，信息传递的准确性也较低。因此建立一个功能完善的制造执行系统，既能较好地利用企业现有的资源，让各种独立的应用更好的集成以实现信息实时共享，且能在原有基础上扩展新的应用，以满足生产管理需求。

根据MESA对制造执行系统的功能模块定义，结合本企业的实际情况，本文将该企业制造执行系统分为以下几个功能模式：

工艺管理模块：利用CAPP(计算机辅助工艺设计)设计图纸，根据资源管理提供的工具，库存管理提供的物料的规格、状态、库存情况，设备、人力的能力、状态、利用情况，确定合理的工艺流程。为车间、计划部门提供工艺图纸、技术参数等信息。CAPP同时根据质量反馈意见，计划管理审核，修正工艺方案。

计划调度：根据公司的年度计划、季度、月度计划，库存信息及销售订单来制定生产计划，此计划作为车间领料依据。审核并反馈工艺图纸，并根据工艺管理处提供的产品工艺路线表，库存情况，设备、人员的状态制定详细的作业计划。调度员根据作业计划指导生产准备，根据设备人员的状况安排生产;当生产部下达计划变动指令或紧急加工单，或出现到件不准时，正在装配的零部件由于质量问题影响总装时，调度员综合考虑自身加工能力情况和产品的优先级下达变动指令到操作层。该模块具有生产任务管理，计划编制，生产调度，生产监督等功能。

过程控制：采用工单的方式跟踪生产进度信息、废品信息、批次信息和配套信息，实现生产各环节的反馈和过程管理，增强计划的指导性，提升物料、工具、备件等库存管理的合理性。利用电子工单的方式，实现无纸化和实时数据传输。工单包含工艺、材料等方面信息。工单数据实时采集，能得到在制品的流转情况，及加工程中的详细记录，包括质检信息。每道工序负责人在接收上一道工序完工产品后在电子工单上输入相应信息(如工序加工、质检、工序完工、交付等信息)，在本道工序完成后再输入完工状况反馈信息;对于数控车床，则可以通过PLC实施数据采集。

质量管理：从原材料到产品，加工工序到用户反馈，整个生产过程中实施全面质量管理。质检员通过在电子工单相应位置填写质检结果或在专门的质检组件上输入信息，将信息反馈到计划等相应部门，或者提供SPC统计信息，以便做出决策和安排后续生产任务。

资源管理：订单的分解细化后，计划部门需要了解原材料、工具、人员、设备的状态、能力，从而制定详细的生产计划。资源管理负责人员、设备、工具等资料的数据管理。

成本核算：通过收集车间工时、生产费用、产值等信息，对车间内生产业务进行事前的成本预算和事后的成本核算，为成本控制和经营决策提供数据支持。

库存管理：反映原材料、零组件、标准件等物料的库存水平和在制品信息，为计划和工艺管理提供相关的物料库存信息。

系统管理：用户角色权限管理;系统信息维护，为整个系统提供安全保障。

2 面向对象的MES架构

根据制造执行系统的需求分析及功能模块，建立基于SOA的MES系统架构，如图1所示：面向服务的MES架构主要包括表示层、业务流程层、服务层、组件层和数据层。其中表示层是用户与MES系统交互的接口。用来提供用户接口服务，为用户在界面上提供一个统一的信息服务功能入口，通过将内部和外部各种相对分散独立的信息组成一个统一的整体，保证用户既能够从统一的渠道访问其所需的信息，也可以依据用户的需求来制定个性化的服务。用户可以是技术员、调度员、工艺员、质检员、外协件客户、企业级领导等。访问方式也可以是windows客户端，WEB浏览器，无线访问界面等各种方式。业务流备、工艺路线、产品结构清单、质量、工单等。对应组件建模，利用UML组件模型，根据服务的特点进行组件划分。如在资源管理服务中，有人员管理、工具管理、设备管理等功能组件。可以根据实际需要，对组件进行合并成粗粒度组件拆分为更细粒度组件。服务是按业务对象归类的功能组件，封装成具有定粒度、完成特定功能的业务服务，并通过服务契约对服务的接口和实现分别进行描述，发布到服务注册中心，供其他服务和应用进行绑定和应用。因此服务模型也可用组件图建立。根据实际需要，本文建立了工艺管理服务、计划调度服务、质量管理服务等8个服务模型。

图1 面向服务的制造执行系统架构

2.1 方法验证

在建立模型的基础上，应用Web服务技术，利用J2EE软件开发架构设计开发了制造执行系统平台，图2为制造执行系统主界面及功能模块界面图。该系统可以与上层ERP进行信息交互，从ERP接收生产计划，并反馈生产计划执行状况;

图2 纺织机械制造执行系统界面图

该系统还可以实现车间作业计划管理，进行详细的作业计划制定，工艺流程制定，作业分派执行及跟踪，同时包括库存管理、设备管理、工具管理、质量跟踪管理、综合信息查询;此外，该系统通过现场人工交互以及白动化OPC技术，能进行现场数据采集(数控机床的运行参数、设备状态，班组的生产进度情况，质检情况)，实现车间作业进程监控以及设备状态和加工信息反馈。

3 结论

本文结合纺织制造实体企业，提出了基于SOA的制造执行系统架构，并利用UML对架构不同层次建立软件架构模型。最后利用J2EE开发框架在系统平台开发设计中验证是可行的，从而为纺织制造企业信息化系统建设提供了种新的架构及建模方法。

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