基于SOA的MES集成技术研究 - 文章

基于SOA的MES集成技术研究

作者：李清王云李堑

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随着经济全球化和信息技术的发展，制造企业信息化面临着许多重要而迫切的需求。首先，激烈的市场竞争要求企业具备良好的敏捷性，以快速响应各种内外部因素的动态变化，这就要求企业的IT架构足够灵活，以支持业务自动化解决方案的快速重构。第二，企业必须持续关注IT架构与系统的维护、升级和更新，最大限度地实现IT资源的重用。此外，实现面向生产现场的底层控制系统与面向经营管理的ERP等系统间的跨层次的纵向集成(Vertical Integration)，是制造企业整体信息化的关键。

一般来说，传统的企业应用集成技术难以很好地满足这些需求。制造执行系统(Manufacturing Execution Systems，MES)以及面向服务的体系结构(Service Oriented Architecture，SOA)的出现，为上述需求的实现提供了可能。

1 制造执行系统(MES)及其实施中的关键问题分析

在制造企业信息化的早期阶段，企业经营管理的信息化与生产设备的自动化作为两个独立的分支各自发展，这很容易出现信息孤岛和信息断层等问题，阻碍了企业的整体信息化进程。针对这种状况，美国咨询公司AMR(Advanced Manufacturing Research)在20世纪90年代初提出了制造执行系统(MES)这一概念。

如图1所示，在AMR描述制造企业信息化功能架构的三层模型(AMR-3 Layer Model)中，MES是位于经营管理层与工业控制层之间的中间层次，包括了车间控制和管理的主要功能。制造企业解决方案国际联合会(Manufacturing Enterprise Solutions Association，MESA)于1997年提出了MES功能组件和集成模型，包括资源配置和状态、运作/详细调度、文档管理、数据采集、劳务管理、质量管理、过程管理、设备维护、绩效分析、生产单元调度和产品跟踪共11个功能模块。可见，MES是特定层次应用系统的总称。

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图1 AMR提出的制造企业信息化功能架构的三层模型

MES在三层结构中起着承上启下的作用，是信息流和控制流的枢纽。很多时候，上下两层间直接的信息或功能集成难以实现，而通过制造执行层的“过渡”，可以很好地解决这一问题。因此MES的实施，对于满足制造企业纵向集成的需求十分重要。

企业在实施MES的过程中，关键问题在于实现MES内部不同功能模块间以及MES与外部应用系统间的良好集成。否则，MES沟通上下两层的枢纽作用将无从发挥，信息孤岛与信息断层问题仍将出现。异构分布式系统的集成，不仅涉及特定的集成技术和方法，更依赖于企业信息化的整体架构，以形成一种通用的集成模式和统一的集成平台。因此，以MES关联企业经营管理层与工业控制层，从而实现纵向集成，迫切需要以合适的集成技术与信息化架构作为基础。

2 面向服务的体系结构(SOA)

作为一种企业信息化体系结构，SOA的基本含义是：各种应用系统实现的业务功能被封装成服务的形式，服务使用者与服务之间以松耦合的方式实现集成。SOA的松偶合特征主要体现在客户端和服务器端之间的依赖关系只表现为基于开放标准的文档方式的服务描述，从而使服务接口与服务实现完全分离。正因为此，SOA可以很好地解决企业信息化中的一些关键问题：

a.服务对于客户端程序没有任何特殊的限制，可以被任何服务使用者调用，以满足不同的业务自动化需求。这一方面实现了异构应用集成的基本要求，另一方面促进了企业IT资源的重用。

b.松偶合使服务具有实现无关性，只要接口描述不变，服务实现的任何改变都不会对服务使用者产生影响；另一方面，SOA实现的业务功能可视作一组服务及其松耦合关系的集合，因此企业可以根据业务需求进行调整，重新组合集合内的服务。这种灵活的IT架构可以很好地满足企业对于敏捷性的要求。

目前，SOA的基本实现技术是Web服务(Web Services)，其核心技术包括SOAP(Simple Object Access Protocol，简单对象访问协议)、WSDL(Web Service Description Language，Web服务描述语言)、UDDl(Universal Description、Discovery and Integration，统一描述、发现和集成规范)以及WSBPEL(Web Services Business Process Execution Language，Web服务业务过程执行语言)等。

总体来看，SOA目前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。

3 基于SOA的MES集成框架与方法

通过上面的分析，已经可以清楚地认识到MES和SOA对于制造企业信息化能够起到的积极作用。一方面，NES作为制造企业应用系统功能架构中的关键层次，在企业纵向集成中起到了不可或缺的作用。另一方面，SOA作为一种松耦合的企业信息化体系结构，是实现包括MES在内的应用系统集成的很好的模式与方法。

基于以上观点，我们提出基于SOA的MES集成框架，如图2所示。垂直方向是按照功能性对制造企业应用系统进行层次划分，这里借用了AMR的三层结构，自上而下分为经营管理、制造执行与工业控制3个层次。通过三层结构的划分，再次强调了MES实施对于制造企业纵向集成的重要性。水平方向表达了基于SOA的企业信息化整体架构。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的编排与组合，以类似与“组态”的方式加以实现。

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图2 基于SOA的MES集成框架

这里需要说明的是：

a.由于实时性等方面的局限，SOA一般适用于功能性层次的上两层。基于OPC XML技术，或可将SOA的应用范围扩展至底层的监控层。图2中作了相应标注。

b.如果应用系统之间可以通过其他方式集成，从而满足特定需求，那么也不必一定采用Web服务技术。例如，M田5与监控层的组态软件间如果可以通过点对点方式实现生产现场实时数据的大量传输，将比在监控层利用OPCXML服务器发布Web服务的方式要可靠、高效得多，更适于数据实时处理的业务需求。

c.将应用系统封装为Web服务的具体情形有：(1)应用系统自身包含Web服务平台，支持组件的Web服务发布，不需要借助第三方集成平台。(2)通过应用软件供应商或SOA集成平台提供，将应用系统中的组件发布为Web服务。(3)开发人员编写代码，访问应用系统的数据层或业务层组件，实现特定的功能；然后将此应用程序(可称之为包装程序Wrapper)发布成Web服务，本文案例分析部分介绍的工程案例即属于此种情况。(4)如果能够获得应用软件的源代码，可以直接进行二次开发，或者通过某些工具封装成Web服务，如一些文献介绍一种可以处理C/C++、COBOL等语言程序的工具。

d.SOA集成平台提供了服务开发与部署的集成环境。在运行时，其SOAP处理器组件负责SOAP消息的解析与包装，从而提供了Web服务与客户端通信的基础。此外，集成平台还需提供针对不同应用接口的服务适配器以及丰富的服务管理功能。

对应于以上集成框架，基于SOA的MES集成的实施步骤一般是：

a.明确集成需求，通常是建立业务流程模型描述待实现的业务活动。
b.分析现有系统或待实施的软件，了解其功能与接口方法，为Web服务的分析与设计做准备。
c.基于企业模型，同时考虑应用系统的实际状况，进行服务的分析与设计，包括：(1)识别服务需要包含的操作；(2)对操作进行分组并适当调整，形成服务模型；(3)根据服务模型，利用WSDL编写服务描述文档，指明服务提供的方法、输人输出消息等必要的服务接口信息。
d.根据服务设计方案开发Web服务，或对应用系统进行封装。
e.测试、部署Web服务。
f.可利用WS-BPEL工具进行服务组合设计与部署，用以实现业务流程。

实际操作中，WSDL的编写与服务的开发可以调整先后顺序。在服务模型确定后，先进行应用程序的开发或应用系统的封装，再编写或者利用工具自动生成WSDL文档，作为服务接口的描述，也是一种常见的做法。

4 案例分析

4.1 企业概况及其MES子系统介绍

某粮食企业以粮食仓储及相关的采购、销售为主要业务。通过实施企业信息化，已先后建立起管理信息系统(MIS)、设备控制系统和属于制造执行层次的生产现场数据采集、实时存储和综合分析系统(以下简称为MES数据采集子系统)。

该MES子系统的主要功能是：采集生产现场的实时数据(包括生产现场若干测量点的电量参数、反映班组生产情况的作业指标、反映库存状况的仓容指标、主要设备的故障状态以及生产流程的实时工况等)，在历史数据库中存储；构建企业生产作业信息门户，对实时数据库系统中的数据进行分析、处理并通过Web发布，客户端通过IE浏览器登陆后即可访问信息门户。

该系统是通过实施GE Fanuc的实时历史数据库平台Proficy Historian和可视化信息处理与门户软件Proficy Real - Time Information Portal(RTIP)而实现的。具体方案是：生产现场监控计算机上的组态软件FIX7.0从控制层的PLC等系统中采集实时数据，存储到本机的过程数据库中。利用Historian的FIX采集器，可将这些数据送至服务器端的Historian，建立历史数据库，这就完成了数据的采集和存储。RTIP与Historian以点对点接口方式实现数据的传递，在RTIP中进行数据的处理与Web页面的设计，最终通过Web服务器对外发布。

4.2 MES集成需求及服务模型分析

该企业的销售订单初步审核流程如图3所示。

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图3 某粮食企业销售订单初步审核流程

为了实现业务处理的自动化，该流程的软件实现需要与客户关系管理系统(CRM)及MES数据采集子系统进行集成。通过CRM获得客户信誉度评价；通过MES数据采集子系统获得当前库存状况。

该流程自身可发布为一个流程服务，提供订单初步审核功能。它通过调用“查询客户信誉度评价服务”和“查询仓容状况服务”的相关操作，分别实现流程中的两个查询步骤，这两个服务分别封装了CRM及MES数据采集子系统的部分功能。服务模型如图4所示。

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图4 某粮食企业销售仃单初步审核流程

4.3 技术实现方案

对于MES数据采集子系统，由于采用商业软件，难以直接发布成Web服务，因此通过开发包装程序(Wrapper)，访问该系统的数据库组件，实现数据查询功能，并将其发布成Web服务，从而实现了MES数据采集子系统的封装。

系统实现步骤为：(1)将Proficy Historian的历史数据库与Microsoft SQL Server 2000关系数据库实现同步。Historian提供了OLE DB接口，可以作为SQL Server数据转换服务(Data Transformation Service，DTS)的导入数据源，使SQL Server数据库中包含定期更新的仓容状况统计表。(2)编写Java程序，利用JDBC(Java Database Connectivity，Java数据库连接)连接SQL Server数据库，根据客户端指定的关键字(本例设为粮食的品名与等级)查询当前的仓容状况并返回结果。

选择Axis和Tomcat作为Web服务部署平台。Axis(Apachee Xtensible Interaction System)是开放源代码组织Apache的Web服务项目中的子项目，其核心是一个SOAP处理器。Axis的1.0以上版本还包括了完整的J2EE服务器插件、TCP/IP监视器等组件，以及对于WSDL的扩展支持，因此Axis包含了对于除UDDI外的整个Web服务核心协议栈的支持。由于Axis是以Servlet方式运行的，因此需要一个Servlet运行环境(Servlet容器)作为支撑。Tomcat就起到这一作用。同时，它也可以作为Web服务器使用。基于Axis和Tomcat平台的MES数据采集子系统的集成原理如图5所示。

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图5 基于Axis和Tomcat平台的MES数据采集子系统的集成原理

利用Axis的Java Web Service(JWS)工具能够完成Java应用程序的即时部署(Instance Deployment)。Axls平台还可以自动生成该Web服务的WSDL文档，其主要部分如图6所示。客户端通过WSDL文档中描述的接口信息调用该服务。

对于CRM系统，由于客户信息直接存储在SQL Server关系数据库中，故可采用类似的方法进行服务开发。
综上所述，MES数据采集子系统通过Web服务的方式与外部应用实现了集成，满足了特定的需求，并且可以被其他业务流程所重用，客观上实现了企业工业控制层与经营管理层的纵向信息集成。

5 结束语

MES在制造企业应用系统功能架构中起着承上启下的重要作用，是实现企业纵向集成的重要桥梁。SOA提供了一种松祸合的企业信息化体系结构。Web服务作为其基本实现方法，是一种理想的企业应用集成技术。基于SOA实现MES的应用集成，有助于解决制造企业内不同层次的应用系统间的集成问题，以及促进制造企业整体信息化的实现。

针对封装制造执行层遗留系统并发布为数据服务的需求，通过引人同步数据库及开发包装程序(Wrapper)，可以大大简化系统的逻辑结构，简化数据接口开发的复杂程度，进而达到企业IT资源重用、实现松耦合的应用集成的目的。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/9/2008)


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