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MES智能实时采集分配系统设计 |
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作者：张亮 赵佳宝 孙若天 |
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摘要：智能实时采集分配系统是制造执行系统的数据采集和处理中心，而制造执行系统又在管控一体化系统中起到承上启下作用。首先给出了一种管控一体化的实现模型，提出将制造执行系统分层两个子层的设想。同时在比较传统的制造执行系统的基础上，提出了实时制造执行系统的模型。最后重点介绍系统的核心——智能实时采集分配系统及其模型的设计思想和实现方法并给出了关健实现代码。
在新型的管控一体化系统中制造执行系统是其系统的重要组成部分，也是设计的难点和关键，而其中的智能实时采集分配系统又是制造执行系统的数据采集和处理中心。在先进控制系统运行时，工业现场的生产状况将实时地反映在变化的数值中，这要求制造执行系统通过其核心（智能实时采集分配系统）将这些实时数据从生产制造层采集上来，再智能地将其组织成规整的格式传送给实时数据库，并协调商业数据库中的信息，为管理层提供一个优质的数据平台。所有这一切都是以智能实时采集分配系统为中间环节来统一调配实时数据的。
1 管控一体化的新型整体架构及其实现核心
管控一体化系统的首要目标就是利用先进的计算机技术、通讯网络技术和实时数据库技术实现控制系统（如DCS）和经营管理信息系统（如ERP）的集成，达到生产过程中的实时信息流和企业经营的商务信息流的统一和优化。因此其中的MES层在三层结构中起到承上启下的作用，是企业信息化建设的重要环节是管控一体化技术发展的关键。它不但可以给企业带来价值提升，同时还能为ERP、SCM等新的管理模式应用带来更大价值的实现，是企业的效益引擎。通用的MES层包括11个模块（如图1）。由于除数据采集分配模块以外的10个模块都与BSP层在功能上有重叠，而数据采集模块也因其强大的采集分配功能成为其它模块的基础，因此可将MES层划分为两个子层，即数据采集分配子层和数据应用反馈子层。
图1 MES模块构成
数据采集分配子层是MES层的核心，它的功能在于实时地接受PCS层发出的成千上万的生产数据，同时将其组织成规整的格式动态地分发给内部的实时数据库和商业数据库，为数据应用反馈子层和BPS层提供及时、准确的生产数据。
数据应用反馈子层集合了与BPS层密切相关的十个模块，在获取数据采集分配子层提供的全部信息的基础上，将分散的生产调度系统及管理决策系统等有机地集成起来，综合运用计算机技术、自动化技术、现代管理技术，进行数据的处理。同时有效地和BSP层相对应的模块进行结合。
为了解决静态数据库系统无法解决的问题，实时制造执行系统孕育而生。这种系统采用智能的实时采集分配系统来统一管理底层数据，同时配备实时数据库和商业数据库，使得实时数据和历史数据有效的分离。在运用现代通信设备的基础上，运用高效的数据传输手段，保证数据传输的实时性、完整性和正确性（如图2）。
图2 实时采集分配系统数据传输
2 匆能实时采集分配系统的设计
2.1 设计思想
采用MES层的最终目的是为了通过连接PCS层和BPS层，来提高企业经济效益、适应能力和竞争能力。因此，MES层采用开放的、模块化的、可扩展的体系结构来丰富其内容。针对其结构，将数据采集处理模块单独化为一个子层，来集中解决MES层的数据通信、存储、加工等问题。这样，其核心数据采集和处理功能将更加强大，并且它为上层所提供的平台将更加可靠。
2.2 概念定义
智能实时采集分配系统：在运用先进的数据通信方式实时采集现场数据的同时，智能地选择数据加工分配方式来处理大流量的数据，以保证数据传输的高效性和数据本身的正确性的系统。
2.3 设计方法
对智能采集分配系统的设计采用了三个模块，分别为：智能实时采集分配系统模块，实时数据库模块和商业数据库模块（如图3）。三个模块在结构上互相联系，它们之间采用先进的通信手段来传输数据。
图3 智能采集分配系统模块构成
智能实时采集分配模块是智能采集分配系统的主要功能模块。在与底层通信方面，它采用OPC工业标准，OPC是许多世界领先的自动化和软、硬件公司与微软公司合作的结晶，这个标准定义了应用Microsoft操作系统在基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法。对于数据的存储，采用类似于三层链表的结构，这样内存空间可以做到动态的分配。在智能控制方面，它采用本体论的方法使数据信息具有计算机可以理解的语义，在本体的支持下实现智能的选择数据加工分配方式，同时实现数据的加工处理。
2.4 功能模块
智能实时采集分配系统模型延续了模块化程序设计思想，根据实时制造执行系统的总体需求，确定总体方案，根据所需的不同功能划分各种功能模块。
2.4.1 数据通信模块
数据通信模块分为数据采集、静态数据传送和动态数据传送三个部分：
数据采集主要采用OPC规范，它以OLE/DCOM为技术基础，可以将各个子系统从物理上分开，分布于网络的不同节点上。OPC为不同供应厂商的设备和应用程序之间的软件提供了标准化接口，使其间的数据交换更加简单。为了适应底层的不同厂家的DCS系统，智能实时采集分配系统模型既要包含OPC同步读写数据接口又要包含OPC异步读写数据接口。对于同步读写数据接口，OPC服务器按照OPC应用程序的要求，把得到的数据结果作为参数返回给OPC应用程序，在得到结果之前OPC应用程序一直处于等待状态。相应的异步读写数据接口，OPC应用程序向OPC服务器发出请求后，可以不等待返回的结果处理其它事务。当OPC服务器完成数据访问时，触发OPC应用程序的异步访问完成事件，将数据访问结果传送给OPC应用程序。
静态数据传送采用ADO通信技术。ADO通信模式是数据库通信的一种基本模式，可以在智能实时采集分配系统模型刚启动时就从商业数据库中加载数据库中已有的信息，而在更改测点信息时成批量的通知商业数据库。
对于动态数据传送采用SOCKET通信，通过比较select模型，WSAAsyncselect模型，WSAEsyncselect模型和重叠I/O模型的效率，最终选用重叠I/O模型。重叠I/O模型允许程序使用重叠数据结构一次投递一个或者多个异步I/O请求。提交的I/O请求完成后，与之相关的重叠数据结构中的事件受信，程序变可获得重叠操作的结果。
2.4.2 数据存储模块
智能实时采集分配系统模型中的数据存储采用三层链表的结构（Server链、Group链、Item链）来进行管理。各层链表都采用动态分配技术，这样可以节约大量的空间。OPC数据存储链包含三个对象：服务器对象（Server Object）、组对象（Group Object）、项对象（Item Object）。
2.4.3 智能分配模块
智能分配模块包含交互信息荆别和数据加工模块。交互信息判别模块负责接受高层下发下来的命令，并将其组织成此系统可以理解的语义传递给其它摸块，或在缺省状态下智能的判别信息处理的方式，选择信息处理地点。数据加工模块则接收交互信息判别模块分析出来的判别命令，启动本地数据处理方式来处理实时数据或调用远程处理方式来进行分布式数据处理。
3 智能实时采集分配系统模型的实现
3.1 主要程序的实现
下面重点介绍组对象的存储结构，并给出部分VC＋＋代码，其它定义与此类似，在此不做介绍。
struct groups
｛
BOOL inuse；//是否被用
HTREEITEM group；//树的句柄
CString groupName；//组名
DWORD Flush；//更新速率
BOOL isSyn；//是否同步
float Deadband；//死区
CString GroupID；//组ID
CString GroupType；//组中数据类型
IOPCItemMgt ″m_IOPCItemMgt_group；//返回的项接口指针
OPCHANDLE m_GrpSrvHandle_group；//返回的服务器句柄
OPCHANDLE m_GrpCliHandle_group；//设定的客户端句柄
OPCHANDLE m_Item_HseryOr[N_ITEMS]；//添加后返回的修正服务器句柄集
IOPCSyncIO ″m_IOPCSyncIO；//同步接口指针
IOPCGroupStateMgt ″m_IOPCGroupStateMgt；//异步回调指针
CComObject ″pCOPCDataCallback；//回调对象的指针
LPUNKNOWN pCbUnk；//查询IUnknown接口
CXXXGroup ″pGroup；//指向项的指针
int timetick；//刷新速率
int originaltick；//原始刷新速率
groups ″ groupnext；//指向下一个组的指针
｝；
在相应的类中声明一个groups结构体来存储组对象中的信息，并且指明了同步回调指针″m_IOPCSyncIO和异步回调指针″m_IOPCGroupStateMgt来回调数据。组对象在启动后用″pGroup来连接项对象，而用为用″groupnext对其它组对象进行连接。
3.2 智能实时采集分配系统模型的工作过程
通过控制程序界面，智能实时采集分配系统模型在启动后首先加载商业数据库中的信息，然后可以实时地增删、修改实时信息，智能地进行数据的评判，同时动态地提交给实时数据库。
3.3 采用智能实时采集分配系统的效果
与近期的数据库系统相比，智能实时采集分配系统不但具有高效的实时性，而且可以做到在线配置。它采用先进的传输手段连接底层系统、实时数据库和商业数据库，并使它们同步工作。智能实时采集分配系统模型在处理数据量上，可以达到百万以上测点同步处理；在智能分配上，可以通过本体论的方法形成语义智能判断并进行智能处理；在实时性上，可以细分到5Oms级；在健壮性上，同时利用OPC同步和异步接口连接不同厂家的生产系统；在界面友好性上做到实时在线人性化配置；以及在通信手段上，采用重叠I/O的模型与实时数据库同步通信等。
4 结束语
本文在肯定MES层作为管榨一体化的核心晨的基础上，将它划分为两个子层，并加强其核心子层（数据采集分配子层）的功能，使其能够利用实时动态的方法采集分配生产制造数据，为管理计划层提供一个优质的数据平台。又结合实时数据库和先进的通信技术，设计出智能实时采集分配系统模型来强化实时生产制造数据的管理。此系统的实现，进一步结合了管理和控制两个层面，是技术和经验的一次很好的积累，对于管控一体化的全面实现有重要意义。(end)
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(11/8/2008) |
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