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面向轻工装备制造业的MES集成系统

[日期:2014-01-08] 来源:互联网  作者:沸腾网整理 [字体: ]

  在对Agent、Holon、SOA进行简要介绍的基础上,综述了它们在制造执行系统(MES)的模型、框架和软件体系结构、生产规划和调度、MES集成等方面的应用及其研究现状,并讨论了各自的优点与不足。在此基础上,针对轻工装备制造业的特点,对面向轻工装备制造业的MES的研究前景进行了展望。

  综观我国制造业信息化系统的应用,建设的重点普遍放在ERP系统和生产车间自动化系统2个方面。但是,由于产品行销在这一、二十年间从生产导向快速地演变成市场导向、竞争导向,因而也对制造企业现场生产的组织和管理提出了挑战,仅仅依靠ERP和生产车间自动化系统往往无法应付这新的局面。完整的、能够引导一个企业保持长期的业务利益和价值的企业信息系统,必须是ERP、MES和控制系统三者协同作用的整合。

  1990年美国先进制造研究机构首次提出制造执行系统(MES)的概念,填补了车间层管理的空白。MES是企业信息化集成的纽带,是实施企业敏捷制造战略和实现车间生产敏捷化的基本技术手段。它在计划层与控制层之间架设了一座信息沟通的桥梁,填补了两者之间的鸿沟。

  轻工装备制造业的生产特点是多品种、小批量,客户定制化,根据订单生产。目前,大多数轻工装备制造企业,尤其是中小规模企业的车间生产主要靠人工进行管理,计划层与控制层相互脱节,无法适应生产过程的动态变化及外界环境的快速变化,极大地制约了生产管理水平的进一步提高。因此,轻工装备制造企业需要利用MES这一先进的生产管理和控制技术来保证车间生产的优化运行和敏捷性。

  学术界,分布式智能制造系统(又称基于Agent的制造系统)和基于Holon的制造系统(Holonic Manufacturing System,HMS)是制造模式领域研究的2个热点。由此展开了基于Agent的MES和基于Holon的MES(HMES)的研究,它已成为MES研究的前沿。

  1、制造执行系统

  1.1基于Agent和基于Holon的MES

  Holon是Koestler在《机器的灵魂》一书中创造的新词,来描述生物和社会系统中的基本组织单元。而Agent与多Agent系统的概念起源于分布式人工智能领域。Agent是一种能够在分布和协作系统中持续自主发挥作用的智能实体。由于多Agent系统对开放、动态的现实环境具有良好的灵活性和适应性,因此在制造领域(如生产调度与控制、车间资源配置、生产管理决策等)得到越来越多的应用。

  王成恩充分借鉴Agent的概念结构,指出在许多情况下Holon和Agent是完全等同的。但是Holon制造体系与多Agent制造系统相比,Holon制造体系在结构上强调并拥有嵌套和递归的概念,即大Holon可由小Holon组成,小Holon可被几个大Holon共同拥有。这种等级关系与制造系统传统的递阶结构相融,在Holon自治、协商合作的同时,可以进行系统的全局优化与控制。

  目前对MES的研究大多是基于Agent和基于Holon这两方面,国内外研究人员主要围绕MES的模型、框架和软件体系结构、生产规划和调度几个核心问题进行深入研究。

  1.1.1MES的模型、框架和软件体系结构

  1997年,MESA发布了7份关于MES的白皮书,对MES各个方面作了较为详细的阐述,其中包括MES的定义,11项功能的详细解释,与上层信息系统和下层设备控制之间的关系等,并提出了集成的MES概念,指出MES发展的支撑技术是分布式对象技术。

  现代制造系统是高度分散的制造系统,由各种标准化或非标准化、自治和半自治的制造资源组成。它是具有分散自治性、网络合作性和结构开放性的多Agent系统的最佳应用对象。作为在现代制造企业信息化中起着承上启下作用的MES,特别是基于Agent的MES,也受到了国内外广大学者的高度重视。Unver等采用Windows DNA技术,实现了一个基于多Agent的MES原型系统。Bratoukhine等在欧共体资助的PABADIS(Plant Automation Based on Distributed Systems)项目中提出了基于协作制造单元CMU(Cooperative Manufacturing UnIT)和移动Agent的MES模型。CMU可以是封装了制造单元及其与网络连接的静态Agent而形成的物理单元,也可以是封装了复杂调度算法、数据库查询等的逻辑组件。Diep等图提出了一种基于PABADIS模型的分布式制造执行系统,主要针对MES中的生产管理功能(资源配置、生产调度等),具体描述这些功能如何通过Agent及各Agent之间的协作来完成。

  台湾地区由于半导体产业的竞争需要,MES研究开展得也比较深入具体。台湾成功大学制造工程研究所在郑芳田教授的带领下,应用Holon、面向对象技术和CORBA规范提出了一个集成的HMES框架,通过系统分析与设计、应用构造、系统集成和测试4个开发步骤,开发了与硬件相关的软件系统,实现了各种独立自动化设备的集成,构造了一个应用于半导体制造业的MES。其较突出的特点是归纳抽取出Holon的共同功能需求,构造了一个通用Holon类,所有功能Holon都是其子类。与其他框架不同,HMES强调利用Holon的自治性和智能性,在实现系统开放性的同时,保证系统的安全性,提高系统的容错能力。

  针对客户定制化生产已经在许多生产部门中成为一种趋势,Simao等提出了一种基于规则,以产品为导向的HMES的元模型,并提出了一个概念——智能产品(smtart-product)。智能产品可以“驱动”自己的生产,要求制造资源的服务。资源和智能产品都可以被封装进Holon,从而构成一个HMES。

  然而,随着制造业的市场全球化趋势的加剧,企业面临的市场竞争更加激烈,为了在动态变化的市场环境中立足,企业必须具有良好的可重构性。因此,研究MES的可重构性对制造企业的可重构性起着重要的作用,同时可以降低MES的开发和使用成本,促进MES在我国众多中小企业的推广应用与普及。

  构建一个基于Holon的可重构MES的基本思想是在深人分析企业业务活动本质特征的基础上,应用面向对象的方法将整个系统按照不同的功能,抽象为各种具有自治性、协作性的Holon,得到系统的Holon模型。将系统的Holon模型与相应的支撑环境、工具有机集成,并对Holon进行合理的封装与分布,构成系统体系结构的框架。通过支撑环境与工具对系统框架进行快速修改,从而实现系统的动态可重构及快速适应性。刘晓冰等基于车间生产业务的构件化设计思想,采用通用对象请求代理结构和多Agent技术,研究了可重构的MES。饶运清等应用基于CORBA分布式对象技术与规范对车间管理各功能构件进行封装和设计,通过基于CORBA开放式系统集成框架,将封装后的功能构件以“即插即用”的方式进行集成,开发了一个基于CORBA的可重构的MES原型系统。李波等提出可以从MES可重构的适用范围、体系结构、开发阶段和重构粒度4个方向的维度及层次进行研究,并提出基于CORBA和多Agent的可重构MES体系结构,为MES的可重构提供了有效的思想方法和解决方案。

  1.1.2MES中的生产规划和调度

  生产规划和调度是实现车间敏捷生产的基础和关键,是MES的核心功能。早在20世纪80年代就有学者采用多Agent技术对MES的规划、调度和控制进行了研究。Shaw可能是第一个提出用Agent方法进行制造调度和控制的人,他指出制造单元可以通过投标机制将工作任务以子合同的形式转包给其他制造单元。在随后的十几年中,随着MES概念的提出及其理论的逐步完善,多Agent系统在生产管理与控制中的研究日趋增长。

  Baker对车间控制算法在多Agent制造系统下的实现问题进行了研究。Bussmann提出了面向Agent的制造系统体系结构,采用Agent技术进行制造系统中的物流控制研究。Chen和Luh采用Agent技术进行制造调度与供应链协调研究。廖强等提出了一种基于现场总线的多Agent作业车间动态调度模型,首先由一个主Agent向其他辅助Agent发送调度任务,通过对回收的所有调度结果进行统一判断和协调,最终得到一个可行的调度方案。高愕和王治森提出了动态逻辑制造单元概念并以此构建多Agent的软件体系结构,研究了面向订单的生产调度方法。Ferrarini等基于欧盟研究计划PABADIS’PROMISE,讨论了可重构制造系统中控制结构的设计与发展情况,指出整个控制结构的关键特征就是基于Agent技术的分布式结构。

  应用Agent技术进行制造规划、调度、控制等问题的研究,其常见的做法是用Agent来表示制造中的各种物理资源或逻辑资源,并根据制造过程的组织形式,通过网络及Agent通信协议将这些单元连接成一个多Agent制造系统,然后采用多Agent系统理论和方法对该制造系统中Agent的协商、调度、控制、冲突消解、智能显现等行为进行研究。

  关于HMS的参考体系结构,目前在制造系统中应用较多的是由Van Brussel提出的PROSA参考体系结构。该参考体系结构主要由基本到Holon和辅助Holon组成,每种基本Holon类型承担着制造系统中不同的职责,它们之间交换着系统中流动的工艺信息、生产信息以及过程信息。国内有巫家敏在研究中提出的动态Holon联盟的分层参考模型——HVE参考模型,该模型将Holon体系思想引入到动态联盟的基本组织体系与基础信息框架结构中,并且把这个模型应用到供应链管理中。在Holon制造控制系统研究方面,主要是Langer根据PROSA参考体系结构提出的HoMuCS(Holonic Multi-cell Control System)通用控制结构,采用UML定义了Holon的功能模型和交互方法。

  研究表明,基于多Agent的可重构MES体系架构具有较强的动态选择能力、良好的可扩展性,但是也存在以下不足之处:

  a.由于Agent自身的自主性、适应性、进化性以及推理和规划能力目前难以实现,因而直接导致了基于Agent的MES系统实际应用能力远未达到预想的水平。

  b.每一个Agent在结构和功能上是一个微型的系统,Agent间的交互也就相当于系统与系统的交互,而MES作为一种车间级的管理系统,对实时性的要求越来越高,因此效率也就成为其需要克服的一大难题。

  1.2基于SOA的MES

  面向服务架构(Service-Oriented ArchITecture,SOA)是一个组件模型,它将应用程序的不同功能单元(称为服务)通过这些服务之间定义良好的接口和协议联系起来。接口是采用中立的方式进行定义的,它应该独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言,这使得构建在各种这样的系统中的服务可以以一种统一和通用的方式进行交互。通过采用面向服务架构,企业能够迅速便捷地构建开放的、模块化的、可重用、可扩展的应用系统。

  SOA的关键是“服务”的概念,Web服务代表了SOA的一种实现,并且是其最流行的一种实现。目前SOA主要应用于企业经营管理层的系统集成,如果能够扩展到MES集成领域,将有助于真正形成完整的制造企业信息化整体解决方案。

  柴永生等基于传统的面向对象的MES三层集成构架(用户界面层、业务逻辑层和数据访问层),引入一个“MES服务”抽象层,建立了一种基于SOA的MES构架。在这种模型中,用户界面层不再直接操作业务对象,而是通过服务去访问它们,从而减少了层与层之间的交互。喻道远等将组件技术、业务流程管理(BPM)技术及SOA结合起来,构建开放式可重构MES集成体系架构,能有效地解决酬田5制造资源动态重构、适时车间流程重构、流程重构评价等问题。李清等提出了基于SOA的MES集成框架。采用Web服务作为SOA的实现技术,包括MES在内的不同层次的应用系统,其部分或全部功能经过封装后,通过SOA集成平台对外发布为Web服务。企业的业务流程可以通过对Web服务的编排与组合,以类似于“组态”的方式加以实现。

  基于SOA的MES体系架构有如下优点:

  a.以统一集成服务的形式容易与企业其他应用系统全面集成,避免了大量的接口。

  b.以统一数据服务的形式屏蔽了各种数据的异构性。

  c.在对现有系统尽量不做修改的前提下,可将现有系统和应用迅速转换为服务,通过封装提供服务接口的应用层来访问遗留系统。

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