基于SOA的MES系統(tǒng)及其應(yīng)用
隨著MES的深入應(yīng)用，制造型企業(yè)對(duì)系統(tǒng)集成的要求也越來(lái)越高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球40%的IT預(yù)算是應(yīng)用于系統(tǒng)集成的，而系統(tǒng)集成問(wèn)題在MES方面顯得更為突出，這是因?yàn)椋琈ES是一個(gè)將企業(yè)的ERP系統(tǒng)和底層的自動(dòng)化系統(tǒng)集成在一起的中間層管理軟件，主要用于對(duì)車(chē)間的生產(chǎn)、質(zhì)量、設(shè)備等方面進(jìn)行詳細(xì)計(jì)劃、信息反饋和數(shù)據(jù)分析，是一個(gè)承上啟下的軟件，需要與ERP系統(tǒng)和自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙向的信息集成，接收ERP下達(dá)的車(chē)間生產(chǎn)計(jì)劃，并進(jìn)行詳細(xì)計(jì)劃和任務(wù)分配，向ERP系統(tǒng)反饋生產(chǎn)、質(zhì)量等信息，對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行控制，讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析。MES涉及底層的硬件系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)等專(zhuān)業(yè)技術(shù)，屬于一種復(fù)雜的集成技術(shù)。由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和信息系統(tǒng)的異構(gòu)性，離散的制造車(chē)間信息和控制流程管理仍然十分困難。從高層次的ERP系統(tǒng)到底層的控制系統(tǒng)之間的縱向集成較難實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)有的解決方案可以在MES系統(tǒng)中通過(guò)靜態(tài)的過(guò)程邏輯編程來(lái)實(shí)現(xiàn)集成，但是這種集成方法往往缺乏適應(yīng)性和可拓展性。因而，這種集成方式不能滿(mǎn)足當(dāng)今動(dòng)態(tài)制造環(huán)境的需求。
面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)或面向服務(wù)架構(gòu)SOA是指為了解決在Internet環(huán)境下業(yè)務(wù)集成的需要，通過(guò)連接能完成特定任務(wù)的獨(dú)立功能實(shí)體實(shí)現(xiàn)的一種軟件系統(tǒng)架構(gòu)。SOA（面向服務(wù)的體系）采用面向服務(wù)的商業(yè)建模技術(shù)和Web服務(wù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的松耦合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的整合與協(xié)同。Web服務(wù)和SOA的本質(zhì)思路在于使得信息系統(tǒng)個(gè)體在能夠溝通的基礎(chǔ)上形成協(xié)同工作。因而，融合SOA的基于Internet的制造可以實(shí)現(xiàn)分布式的信息系統(tǒng)，這種解決方案可能使靜態(tài)的或動(dòng)態(tài)的車(chē)間管理系統(tǒng)集成進(jìn)人整個(gè)企業(yè)架構(gòu)。將MES系統(tǒng)構(gòu)建在SOA架構(gòu)的基礎(chǔ)上，不但使整個(gè)企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)緊密集成在一起，而且可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的應(yīng)用組合，從而滿(mǎn)足當(dāng)前動(dòng)態(tài)制造的環(huán)境的需求。羅克韋爾自動(dòng)化的FactoryTalk集成化生產(chǎn)與績(jī)效套件正是提供了基于SOA的MES解決方案，通過(guò)應(yīng)用SOA架構(gòu)將所有通用需求因素集中起來(lái)放到FactoryTalk服務(wù)平臺(tái)上，成為一個(gè)統(tǒng)一的工廠生產(chǎn)模式。本文介紹了SOA相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合這些技術(shù)描述了如何應(yīng)用SOA實(shí)現(xiàn)可集成的、可擴(kuò)展和通用的MES系統(tǒng)，并以九江昌河汽車(chē)總裝MES系統(tǒng)為例，介紹了MES系統(tǒng)的應(yīng)用。
關(guān)鍵技術(shù)
1. SOA
SOA服務(wù)具有平臺(tái)獨(dú)立的自我描述XML文檔。Web服務(wù)描述語(yǔ)言WSDL是用于描述服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言。SOA服務(wù)用消息進(jìn)行通信，該消息通常使用XML Schema來(lái)定義，也叫做XSD（XML schema definITion）。消費(fèi)者和提供者或消費(fèi)者和服務(wù)之間的通信多見(jiàn)于不知道提供者的環(huán)境中。服務(wù)間的通信也可以看作企業(yè)內(nèi)部處理的關(guān)鍵商業(yè)文檔。在一個(gè)企業(yè)內(nèi)部，SOA服務(wù)通過(guò)一個(gè)扮演目錄列表（directory listing）角色的注冊(cè)中心（registry）來(lái)進(jìn)行維護(hù)。應(yīng)用程序在注冊(cè)中心尋找并調(diào)用某項(xiàng)服務(wù)。
統(tǒng)一描述、發(fā)現(xiàn)和集成UDDI（universald escription，discovery，and integration）是服務(wù)登記的標(biāo)準(zhǔn)。每項(xiàng)SOA服務(wù)都有一個(gè)與之相關(guān)的服務(wù)品質(zhì)QoS（qualITy of service）。QoS的一些關(guān)鍵元素包括安全需求（例如認(rèn)證和授權(quán)）、可靠通信、以及誰(shuí)能調(diào)用服務(wù)的策略。如圖1所示，基本的SOA架構(gòu)包含了SOAP、WSDL、UDDI等支持服務(wù)請(qǐng)求者和服務(wù)提供者進(jìn)行交互，以及用于Web服務(wù)發(fā)現(xiàn)的規(guī)范。服務(wù)提供者通常用WSDL來(lái)描述它所提供的Web服務(wù)，然后將該WSDL描述發(fā)布；服務(wù)請(qǐng)求者可以通過(guò)UDDI或者其他注冊(cè)中心來(lái)獲取WSDL描述，請(qǐng)通過(guò)向服務(wù)提供者發(fā)送一個(gè)SOAP消息來(lái)請(qǐng)求執(zhí)行服務(wù)。基于SOA的MES系統(tǒng)的關(guān)鍵是如何對(duì)服務(wù)進(jìn)行合理描述，描述后發(fā)不到UDDI中，服務(wù)的請(qǐng)求者則要調(diào)用服務(wù)發(fā)現(xiàn)引擎找到需要使用的服務(wù)。
2. ESB
企業(yè)服務(wù)總線ESB（enterprise service bus）是一種可以提供可靠的、有保證的消息技術(shù)的新方法。ESB中間件產(chǎn)品利用的是Web Service標(biāo)準(zhǔn)和公認(rèn)的可靠消息接口協(xié)議MOM。ESB產(chǎn)品的共有特性包括連接異構(gòu)的MOM、利用Web Service描述語(yǔ)言接口WSDL封裝MOM協(xié)議，以及在MOM傳輸層上傳送簡(jiǎn)單對(duì)象應(yīng)用協(xié)議（SOAP）傳輸流的能力。大多數(shù)ESB產(chǎn)品支持在分布式應(yīng)用之間通過(guò)中間層如集成代理實(shí)現(xiàn)直接對(duì)等溝通。
ESB的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)的軟件架構(gòu)，可以提供比傳統(tǒng)中間件產(chǎn)品更為廉價(jià)的解決方案。同時(shí)它還可以消除不同應(yīng)用之間的技術(shù)差異，讓不同的應(yīng)用服務(wù)器協(xié)調(diào)運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)了不同服務(wù)之間的通信與整合。從功能上看，ESB提供了事件驅(qū)動(dòng)和文檔導(dǎo)向的處理模式，以及分布式的運(yùn)行管理機(jī)制，它支持基于內(nèi)容的路由和過(guò)濾，具備了復(fù)雜數(shù)據(jù)的傳輸能力，并提供了一系列的標(biāo)準(zhǔn)接口。
ESB不是一個(gè)應(yīng)用程序框架，也不是一個(gè)企業(yè)應(yīng)用的解決方案，它只是一個(gè)基于消息的調(diào)用企業(yè)服務(wù)的通信模塊，它可以嵌入到應(yīng)用程序框架中，例如嵌入到spring容器里面，或者嵌入到工作流系統(tǒng)中。ESB為實(shí)現(xiàn)可集成的MES系統(tǒng)提供了一個(gè)框架和簡(jiǎn)便的方法。
3. BPEL
面向Web服務(wù)的業(yè)務(wù)流程執(zhí)行語(yǔ)言BPEL（或BPEL4WS）是一種使用Web服務(wù)定義和執(zhí)行業(yè)務(wù)流程的語(yǔ)言。BPEL使您可以通過(guò)組合、編排和協(xié)調(diào)Web服務(wù)自上而下地實(shí)現(xiàn)SOA。BPEL提供了一種相對(duì)簡(jiǎn)單易懂的方法，可將多個(gè)Web服務(wù)組合到一個(gè)新的復(fù)合服務(wù)（稱(chēng)作業(yè)務(wù)流程）中。
BPEL基于XML和Web服務(wù)構(gòu)建，它使用一種基于Web的語(yǔ)言，該語(yǔ)言支持Web服務(wù)技術(shù)系列，包括SOAP、WSDL、UDDI、Web服務(wù)可靠性消息、Web服務(wù)尋址、Web服務(wù)協(xié)調(diào)以及Web服務(wù)事務(wù)。
在企業(yè)內(nèi)部，BPEL用于標(biāo)準(zhǔn)化企業(yè)應(yīng)用程序集成以及將此集成擴(kuò)展到先前孤立的系統(tǒng)。在企業(yè)之間，BPEL使與業(yè)務(wù)合作伙伴的集成變得更容易、更高效。BPEL激發(fā)企業(yè)進(jìn)一步定義它們的業(yè)務(wù)流程，從而導(dǎo)致業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化、重新設(shè)計(jì)以及選擇最合適的流程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了組織的進(jìn)一步優(yōu)化。BPEL中描述的業(yè)務(wù)流程定義并不影響現(xiàn)有系統(tǒng)，因此，對(duì)升級(jí)產(chǎn)生了促進(jìn)作用。在已經(jīng)或?qū)⒁ㄟ^(guò)Web服務(wù)公開(kāi)功能的環(huán)境中，BPEL是一項(xiàng)重要的技術(shù)。隨著Web服務(wù)的不斷普及，BPEL的重要性也隨之提高。
由此可見(jiàn)，為了實(shí)現(xiàn)可集成的、通用的MES系統(tǒng)，BPEL的重要性是顯而易見(jiàn)的。以生產(chǎn)任務(wù)分排為例，簡(jiǎn)單介紹BPEL在MES系統(tǒng)中的應(yīng)用。ERP系統(tǒng)只制定生產(chǎn)計(jì)劃，而沒(méi)有將具體的生產(chǎn)執(zhí)行計(jì)劃制定出來(lái)，MES系統(tǒng)得到ERP系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃后，需要對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行分解，將其分解為若干個(gè)生產(chǎn)請(qǐng)求。因此可以將生產(chǎn)任務(wù)分派的流程描述為：
計(jì)劃分解—→預(yù)定生產(chǎn)產(chǎn)品需要的資源—→更新處理的狀態(tài)—→開(kāi)始生產(chǎn)
而這個(gè)流程可以通過(guò)應(yīng)用BPEL來(lái)進(jìn)行描述，從而可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有Web服務(wù)的重用。
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基于SOA的MES系統(tǒng)
隨著Web服務(wù)技術(shù)的發(fā)展，控制層的供應(yīng)商以及標(biāo)準(zhǔn)制定者逐漸遵循基于服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，典型代表是OPC組織推出了基于Web服務(wù)的OPC XML-DA，并于2003年的7月份發(fā)布了OPC XML-DA的說(shuō)明文檔1.0。OPC XML DA用基于XML的Web服務(wù)概念，用SOAP（簡(jiǎn)單對(duì)象訪問(wèn)協(xié)議）作為對(duì)應(yīng)用程序共享消息進(jìn)行包裝的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。OPC客戶(hù)端和服務(wù)器之間通過(guò)HTTP協(xié)議傳輸Web服務(wù)。OPC XML提供一種比較容易的方式用于通過(guò)Internet發(fā)布OPC數(shù)據(jù)信息，為企業(yè)自動(dòng)化過(guò)程控制系統(tǒng)集成提供廣泛的連接特性。最新定義的OPC UA更是通過(guò)應(yīng)用SOA，定義了一套集成的服務(wù)集，解決了現(xiàn)有的OPC規(guī)范在應(yīng)用時(shí)服務(wù)重疊的問(wèn)題。而所有的這些都為實(shí)現(xiàn)基于SOA的MES系統(tǒng)提供了可能。因此，圖2描述了在企業(yè)不同層次（企業(yè)層、車(chē)間層和控制層）的服務(wù)提供者，應(yīng)用他們提供的服務(wù)，可以構(gòu)建動(dòng)態(tài)的應(yīng)用系統(tǒng)，而用戶(hù)則需要業(yè)務(wù)流程的建模。在車(chē)間層，實(shí)際上這里就是MES系統(tǒng)，包含了多個(gè)模塊，如車(chē)間數(shù)據(jù)采集SFDC（shop floor data collection）、庫(kù)存管理、有限資源計(jì)劃、工作單元控制、運(yùn)輸、工具管理和工廠監(jiān)控系統(tǒng)（FMCS）等，通過(guò)應(yīng)用SOA的架構(gòu)，這些模塊都可以由Web服務(wù)接口、ESB消息傳輸機(jī)制以及應(yīng)用BPEL動(dòng)態(tài)建模來(lái)創(chuàng)建一個(gè)上與企業(yè)層系統(tǒng)（ERP、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)或MIS）、與控制層系統(tǒng)（PLC、SCADA、RFID或HMI等）集成的MES系統(tǒng)。如圖2把MES系統(tǒng)放到整個(gè)企業(yè)環(huán)境中，描述了基于SOA的系統(tǒng)架構(gòu)是如何實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)的集成。企業(yè)的供應(yīng)商提供了維護(hù)、培訓(xùn)、維護(hù)計(jì)劃或者設(shè)備故障診斷等服務(wù)，在客戶(hù)需求方面，客戶(hù)要求企業(yè)提供產(chǎn)品追蹤和回溯的服務(wù)，此外客戶(hù)服務(wù)方面還要求企業(yè)提供可承諾量ATP（available to promise）服務(wù)，而企業(yè)內(nèi)部本身也包含了很多私有服務(wù)。通過(guò)將這些服務(wù)組合在一起，則可以創(chuàng)建符合企業(yè)業(yè)務(wù)流程的MES應(yīng)用系統(tǒng)。同時(shí)，采用Web服務(wù)適配器可以使得Web服務(wù)可以與沒(méi)有用Web服務(wù)開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)相通信。以下幾種示例系統(tǒng)可以用Web適配器：內(nèi)部開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)、打包的軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、CORBA和DCOM。如圖3所示，當(dāng)消息路由使用Web服務(wù)的時(shí)候，消息路由只需要和Web服務(wù)連接而不需要和每一個(gè)系統(tǒng)連接。由于目前企業(yè)內(nèi)部有可能實(shí)施了部分的MES功能，這是因?yàn)槠髽I(yè)是功能型驅(qū)動(dòng)的業(yè)務(wù)模式，企業(yè)不可能在一開(kāi)始就完全規(guī)劃好整個(gè)MES的系統(tǒng)，如企業(yè)發(fā)現(xiàn)需要將內(nèi)部的工具包括切削刀具等進(jìn)行管理，從而實(shí)施了刀具管理，但隨著業(yè)務(wù)需求的增加，企業(yè)有可能需要實(shí)施其他的功能模塊，這個(gè)時(shí)候原有的系統(tǒng)模塊就需要與整個(gè)MES系統(tǒng)集成。為了保護(hù)原有的投資，則可以將刀具管理系統(tǒng)應(yīng)用Web服務(wù)適配器封裝工具（如iWay軟件的通用適配器套件）封裝成Web服務(wù)，從而可以將已有的應(yīng)用系統(tǒng)集成到整個(gè)SOA架構(gòu)的應(yīng)用系統(tǒng)中。
羅克韋爾自動(dòng)化提供的MES系統(tǒng)，應(yīng)用FactoryTalk應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，運(yùn)行在FactoryTalk/SOA上，F(xiàn)actoryTalk/SOA服務(wù)平臺(tái)提供一套通用的軟件服務(wù)程序，包括安全控制、診斷、審計(jì)、數(shù)據(jù)模型、授權(quán)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)記錄、配置、報(bào)警和事件等服務(wù)，這些通用的服務(wù)可以為工作訂單、物料管理、工作流、追蹤與回溯、異常處理、測(cè)試與采集、SPC等MES應(yīng)用模塊所重用。這樣做的好處是，這些服務(wù)只需一次部署，以后可多次重復(fù)使用，大大節(jié)省了用戶(hù)的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)時(shí)間。由于所有的產(chǎn)品都使用SOA使能的功能，因此，這些功能包括了通用的組件、應(yīng)用界面等。同時(shí)對(duì)于軟件供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，采用這種架構(gòu)可以縮短軟件開(kāi)發(fā)周期并提高上市速度。在部署MES應(yīng)用的時(shí)候，MES系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān)的服務(wù)與通用服務(wù)一起動(dòng)態(tài)地構(gòu)建滿(mǎn)足企業(yè)需求的MES應(yīng)用系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。
應(yīng)用實(shí)例
江西九江昌河汽車(chē)有限責(zé)任公司總裝車(chē)間采用了羅克韋爾的MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)），該系統(tǒng)是昌河汽車(chē)總裝車(chē)間進(jìn)行生產(chǎn)管理的重要系統(tǒng)。它接收上層ERP系統(tǒng)的計(jì)劃數(shù)據(jù)，監(jiān)控整車(chē)在線狀態(tài)，控制生產(chǎn)進(jìn)程，提供物料需求信息；反映各種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與查詢(xún)。該MES系統(tǒng)主要分為ANDON系統(tǒng)、AVI系統(tǒng)和物料呼叫系統(tǒng)。
以ANDON系統(tǒng)為例，介紹基于SOA的MES系統(tǒng)在汽車(chē)總裝車(chē)間的應(yīng)用。安裝在汽車(chē)生產(chǎn)線上的ANDON系統(tǒng)，是用來(lái)幫助流水線上的工人在一定生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)，完成質(zhì)量可靠的汽車(chē)裝配任務(wù)，起到了在生產(chǎn)流水線上傳遞信息、提高生產(chǎn)效率的作用。
在由傳送帶控制的流水線上，各個(gè)工位上應(yīng)安裝拉繩，每條生產(chǎn)線段安裝一塊ANDON顯示板。當(dāng)操作工發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題或需要請(qǐng)求班組長(zhǎng)的幫助時(shí)，操作工拉下拉繩。此時(shí)ANDON顯示板上的指示燈應(yīng)點(diǎn)亮，ANDON系統(tǒng)會(huì)播放音樂(lè)來(lái)提示班組長(zhǎng)。如果這個(gè)質(zhì)量問(wèn)題在給定的生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間內(nèi)還無(wú)法解決，ANDON系統(tǒng)應(yīng)向傳送帶控制裝置發(fā)出聯(lián)鎖信號(hào)，要求傳送帶停送，以獲得足夠的時(shí)間來(lái)解決問(wèn)題。
ANDON系統(tǒng)將一些重要的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如目標(biāo)產(chǎn)量、上線產(chǎn)量、下線產(chǎn)量等顯示在LED型ANDON顯示板上。ANDON系統(tǒng)中會(huì)記錄每個(gè)工位發(fā)出的質(zhì)量報(bào)警，上位計(jì)算機(jī)還應(yīng)提供生產(chǎn)報(bào)表供用戶(hù)作質(zhì)量問(wèn)題匯總和進(jìn)一步的分析。
ANDON系統(tǒng)的工作流程是：首先裝配制造工人根據(jù)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裝配問(wèn)題從而按了急停按鈕，按鈕發(fā)送信號(hào)給Flex I/0，F(xiàn)lex I/0進(jìn)而發(fā)送信號(hào)給ANDON PLC，PLC立即發(fā)送信號(hào)使得工作站燈開(kāi)始閃爍，進(jìn)而工作站的燈開(kāi)始閃爍。與此同時(shí)，PLC發(fā)送“Super Point”消息給ANDON PDU，而ANDON軟件則將錯(cuò)誤登記到DTR并生成消息發(fā)送到電子顯示板上，顯示板接收到消息，將消息進(jìn)行顯示。
為了實(shí)現(xiàn)上述ANDON系統(tǒng)，采用基于SOA的MES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用BPEL設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程圖，根據(jù)BPEL的流程圖調(diào)用相應(yīng)的Web服務(wù)，系統(tǒng)根據(jù)BPEL的流程圖在UDDI中發(fā)現(xiàn)相關(guān)的服務(wù)（WSDL），通過(guò)調(diào)用Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)ANDON系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程。
小結(jié)：
本文主要描述了如何應(yīng)用SOA及其相關(guān)技術(shù)如ESB、BPEL、Web服務(wù)適配器等構(gòu)建可集成的、通用的和可擴(kuò)展MES系統(tǒng)。應(yīng)用這樣的系統(tǒng)，其好處在于不但可以使得MES系統(tǒng)本身能夠動(dòng)態(tài)配置，滿(mǎn)足當(dāng)今動(dòng)態(tài)的制造環(huán)境的要求，而且可以使得MES系統(tǒng)能夠與上層企業(yè)管理系統(tǒng)（如ERP或MIS）無(wú)縫集成，并與底層控制系統(tǒng)有效集成，從而實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部以及外部信息流、資金流的暢通。隨著SOA技術(shù)以及Web服務(wù)在自動(dòng)控制行業(yè)中日漸流行，這種基于SOA的MES系統(tǒng)必將大放異彩。
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