流程工业MES体系结构及模型设计 - 文章

流程工业MES体系结构及模型设计

作者：冯毅萍荣冈

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1 引言

流程工业生产过程是一个离散和连续混合的生产过程，产线长、工序多、设备复杂，是典型的复杂系统。由于系统的复杂性，传统的企业信息化系统建设在实践中暴露出很多问题，最典型的如由于企业资源计划系统ERP（Enterpirse Resources Planning）层与基础自动化PCS（Process Control System）层缺乏模型及信息的有效统一和沟通导致具体业务功能不能及时在控制层得到执行，生产信息如物料、设备、产品质量、定单信息等可视性差，信息沟通困难。

针对以上问题，以物流、资金流、信息流集成优化为目标，以ERP、MES和PCS三层应用系统紧密结合的综合自动化整体解决方案应运而生，为企业的生产经营提供有效的支撑，其结构如图1所示。MES是处于ERP和PCS之间的执行层，将经营目标转化成生产过程中的操作目标，通过反馈执行结果，不断调整和优化，形成一个周期性的从生产经营到生产运行和过程控制的高效闭环系统，企业信息通过MES层实现了全集成。目前企业PCS层和ERP层的建设都已得到相当重视，而在MES研究方面则还处于起步阶段。

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图1 流程工业CIM的三层体系结构

实施自动化整体解决方案的关键是企业级的信息集成，即业务过程总体集成和协同决策，而企业建模是企业信息集成的必要条件，是帮助人们认识企业实质并快速作出决策的有效工具。企业建模将一直是过程工业控制领域的焦点。

2 流程企业MES建模

根据企业性质及建模目标的不同，企业模型可以分为多种不同层次水平和视角的模型形式。MES系统的建模目标是在对企业MES层内各种物理、功能实体间的功能关系和信息关系以及各种动静态依赖关系进行抽象描述基础上，完成对MES层的分析和综合，通过信息集成、过程优化及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行。

2.1 模型层次

复杂系统模型根据深度不同可以分为若干个模型层次，通常情况下可以分为三个层次：在系统行为水平上的模拟，即复现真实系统的行为；在系统状态结构水平上的模拟，即与真实系统在状态上互相对应，通过模型可以对未来的行为作唯一预测；在系统分解结构水平上的模拟，即模型唯一地表示出真实系统内部的工作情况。上层模型可以以一种清晰的方式映射到下层模型中。对应MES系统模型可以分为MES系统总体概念模型，包括企业MES系统范围、业务流程、功能构件；MES系统设计模型，包括物流模型、信息流模型、价值流模型；MES系统功能模型，包括完成MES实施的各功能模块模型，如计划模型、调度模型、设备管理模型、物料跟踪模型、质量管理模型、资源管理模型等，如图2所示。

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图2 模型层次结构

2.2 模型特征

一个有效的MES系统模型必须具备以下特征：动态可维护性、可分解性、精确度、可重构性、可互用性、专业性、上下延拓性等。

（1）动态可维护性。指系统模型在所有时候都可以与系统保持一致。支持模型维护操作，如矫正维护、完善维护、适应性维护、预防性维护等功能。

（2）可分解性。基于复杂模型的多层次性和多粒度性，根据业务需求不同在构成集成企业模型的各个粒度和层次上应该都可以支持对系统的动态决策和控制，并且对不同时间尺度和空间尺度的模型能确保一致性。

（3）精确度。指模型与原形系统相一致的程度。在复杂系统建模过程中由于系统的复杂性必然存在一定的简化和不完整性，在此情况下模型是否能如实反映原形系统的本质规律，即保证模型能满足系统允许误差要求。

（4）可重构性。模型的可重构性可分为三个层次：基于动态企业模型的系统级软件重构，满足业务流程重组的需求；基于中间件技术的系统重构，满足跨平台的信息处理需求；面向对象的软件重用，实现软件开发中的底层模块的重用。在模型设计时为了增强系统的柔性和可配置性，系统的基础结构应该基于企业组件库，企业业务功能和组件之间存在映射关系，通过捆绑定义实现系统模型与系统组件之间映射关系。

（5）可互用性。根据ISO/IEC16100标准的定义，可互用性指两个或两个以上的软件系统通过共同的接口共享或交换信息的能力。在企业CIMS实施过程中，它可以用来解决企业内部信息系统之间的数据和信息的交互问题，消除由于模型异构引起的系统间冲突和不一致性，提高整体协同运行的有效性。

（6）专业性。在MES系统建模过程中融入了一些流程行业的专有关键技术，如物料平衡技术、数据校正技术、全面质量管理技术、动态成本控制技术、设备故障监测与分析等，以满足解决生产现场各种复杂问题的需要。

（7）上下功能延拓性。MES与ERP和PCS之间有部分功能重叠的关系，虽然各个层次系统中同一类模块的侧重点有所不同，但建模过程中应增强与管理系统和操作设备的功能集成，形成流程工业企业自动化综合系统的完整解决方案。

2.3 建模方法

传统的建模主要有机理建模的方法和辨识建模法。建立的模型种类包括动态定量模型、逻辑模型、半定性与定性模型、描述性模型、统计模型等。对应于图1PCS层的应用需求，传统动态模型发挥了重要作用，建立了控制理论的完整体系，形成了相关的应用技术。

但对于流程企业ERP、MES层，往往需要建立多层次、多视角、变粒度的模型，用常规建模方法通常无法取得。目前研究热点有基于智能技术的复杂系统建模、离散事件动态系统建模、定性建模、基于面向对象技术的建模、基于工作流的方法等。国外比较著名的企业建模体系有CIM-OSA、PERA和IDEF等。这些方法从不同角度理解企业管理过程并加以描述。适用于对ERP层的企业级管理模型构建，不直接针对MES层设计，对企业信息系统建设起到一定的借鉴作用。

CIM-OSA（Computer Integrated Manufacturing Open System Architecture）体系是由欧共体的21家公司和大学组成的ESPRIT-AMICE组织开发出的一个CIM开放体系结构，其目的是提供一个面向CIM参考体系结构，从多个层次和角度反映CIM企业，提供系统描述、实施方法和支持工具，并形成一整套形式化体系。

PERA（Purdue Enterprise Reference Architecture）体系是美国普度大学提出基于生命周期分阶段的建模思想。明确了各个阶段模型结构，并强调了人和组织因素的作用，缺点是具体建模方法定义较少。

IDFF（ICAM DEFinition Method）体系是美国空军项目中定义的一系列方法的统称。包括功能模型（IDFFO）、信息模型（IDFF1）和仿真模型（IDFF2）。它是一种结构化的建模方法，主要缺点是各模型之间缺乏统一接口，并且与目前流行的面向对象程序设计模式无法互操作。

面向对象的建模方法沿用软件工程中面向对象的编程思想。基于多智能体的面向对象建模方法、基于元模型的面向对象建模方法、基于框架的面向对象建模方法等都是在它基础上衍生出来的。

2.3.1 基于多智能体的面向对象建模方法

面向子系统服务的软件是由不同厂家开发的，所以子系统表现出不同程度的分散性。如何把这些开发时间不同、基于不同平台的子系统集成起来，协调工作，难度很大。采用多智能体建模方法，通过选择不同粒度的Agent来完成。发挥Agent自动性、反应性、社会能力、自治性的优点，采用分布式异构Agent协同求解的系统模式对系统建模。其难点在于当采用不同粒度Agent来描述对象实体的规模时，粒度的大小很难掌握。如果选择太小，生产环境中Agent的数目就多，系统的灵活性高，适应性强，但系统的组织与控制的复杂程度也随之增加，使系统的运行效率降低。反之每个Agent的任务过重，无法体现Agent在分布式环境中的优势。

2.3.2 基于元模型的面向对象建模方法

元模型是关于模型的模型，是关于如何建立模型、模型的语义或模型之间如何集成和互操作等信息的描述，是对某一特定领域建模环境的规范定义。元模型比模型的抽象程度高。基于元模型的建模技术可以使子系统模型在更高的层次上进行集成。在模型设计过程中以元模型中的元类为顶点自上而下逐步扩展细化，并创建一系列类簇，即包括抽象类或接口及其派生类的集合，根据具体需求可以适当地增加、删除或者修改元类的属性或方法，并运用标准建模语言开发成软件组件。实现系统模型的可重用性、灵活修改性和可扩展性，方便复杂系统的模型综合信息集成和数据集成。

2.3.3 基于框架的面向对象建模方法

随着面向对象技术的日趋成熟，低层次的代码复用已经不适合于特定领域大型软件生产的需求，不仅要重用旧的代码，而且要重用相似的分析设计结果和体系结构，来减少构造新软件系统的代价并提高软件的可靠性。基于框架的方式就是这样一种面向特定领域的重用技术。为实现系统的开放性和可重构性，先后出现了以数据为中心的系统模型、以执行为中心的系统模型和面向对象的系统模型等。前两种模型分别在数据、功能等方面实现了软件重用，在建模领域应用基于框架的面向对象方法可以保证系统的开放性、可集成性和可重构能力，使得整个信息系统集成平台的实施过程在集成框架的控制与指导下完成。

3 流程企业MES系统模型体系结构

国内外各著名的自动化软件厂商和科研机构都提出了针对流程企业的，以MES为核心的综合自动化解决方案，如Invensys、SIEMENS、Emerson、ASPENTech、Honeywell和浙大中控等。这些MES软件产品的技术构架可以分为单一模块型、积木型、综合集成型和概念型产品。

3.1 单一功能模块型（功能套件）

各软件厂商最初都经历过设计、开发单一功能模块的阶段。单一功能模块（一般称为生产管理应用系统）往往为满足某一具体生产部门的管理需求而设计，自成体系，实现物流管理、质量管理、设备管理、计划统计、生产调度、流程模拟、数据校正等功能。

90年代我国石化企业CIMS建设中，开发了很多计算机应用系统，大部分是根据单一功能需求定制的系统，这些系统的设计、开发流程如图3实线框流程所示，一般经历需求分析、设计、编码、测试、调试等过程，实现数据集成和管理业务流程计算机化，通过报表和查询提供决策支持。这类应用软件由于开发成本适中，技术门坎低，在我国石化企业的应用十分广泛，是中小企业信息化的首选，但这类定制软件很难适应系统资源和需求的变化。

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图3 MES中应用模块及基于模型的应用模块开发流程

近年来，国外应用软件商大都采用图3实线部分加虚线部分所示的整体软件产品开发流程，借鉴在工业控制领域广泛采用的组态软件技术，将应用软件的功能模型与业务管理信息系统界面、数据库维护等方面的功能分离开来。基于组态技术实现的功能模型，可组态、可配置，再根据业务管理和优化的需求，对模型进行优化计算和智能推理等数据处理，可开发出面向单一或多个功能需求的通用型软件产品，如流程模拟、虚拟工厂模拟器、生产计划与优化、生产调度与优化、先进控制与实时优化等应用软件，避免了重复定制软件的过程。

3.2 积木型（松散集成和信息孤岛）

由于生产管理的复杂性，必然需要开发和应用多个单一功能模块。在网络环境和这些功能模块逐步建设过程中，都是以积木块的形式搭建，利用数据库和网络资源集成在一起。许多MES业务管理软件和优化软件之间缺乏有效的沟通和信息共享，使得数据库中存在大量的数据冗余，数据存贮效率不高。另一方面为利用原有应用系统信息，有时通过设计复杂的专有的数据接口来实现某些后续应用系统，使得各应用系统间形成复杂的藕合关系，各系统的升级维护十分困难，制约了综合自动化系统的总体效益。

3.3 综合集成型

为了解决这些问题，业界开始采用统一数据平台、软件中间件技术，试图把原先业已存在的各应用套件加以整合，出现了以IBM为代表的综合数据模型模式，建立全企业统一的数据模型，为所有的应用模块服务，大大提高了数据库的访问效率。

IBM的CIPROS建立了炼油企业所有装置及其连接关系的数据模型，即以数字表示方式的炼油厂模型，并与实时数据库实现了事件驱动连接，实现炼油厂生产数据的管理。各应用软件通过接口程序与CIPROS核心数据库平台进行数据协调和沟通，集成为一个统一整体。CIPROS通过友好的用户界面，用户可以方便地控制和维护关系数据库中的所有信息，使得数据一致性和可维护性提高，并大大降低了数据库中数据的冗余度。中国石化济南分公司于90年代后期引进了CIPROS集成平台，成为当时其他石化企业信息化建设的标杆。CIPROS的缺点在于当应用软件功能需求发生变化时，必须改变数据库内核和接口程序，给系统的维护带来了麻烦和不便。

Honeywell公司MES产品的核心是Business.FLEXPKS，由价值链管理、先进计划与调度、运行管理、油品调和及储运自动化和生产管理五个应用套件组成。

EMERSON公司MES的功能定位则依据SP95标准，突出生产管理的五个通用功能，即生产调度、能耗物耗管理、维护管理、质量保证和仓储控制。而软件技术标准则包括XML、SOAP、Web服务、OPC和微软的.NET开发工具等。

3.4 概念型软件产品

概念型软件产品指设计理念超前，代表行业发展方向的MES软件产品，虽然其技术基础和产品成熟度仍需完善，但独具前瞻性的用户已开始接受产品的理念。概念型软件产品代表了技术发展的方向。

3.4.1 统一工厂模型方案

AspenTech开放建模环境OSE是仿真工具的集成环境，允许不同的仿真模型通过标准接口接入模型。各个模型连接在一起并作为一个整体进行仿真和分析。OSE提供了一个标准的方法来连接共用的设备模型和工厂数据。其核心思想是支持在整个运作周期运用同一个功能模型，并且支持多模型应用的无缝互用。通过将过程、公用系统和基本的仿真模型结合起来，形成一个综合的、工厂级的仿真环境，使得用户理解并建立经济和技术的平衡模型，实现生产设备的工厂级优化。

3.4.2 基于开发工具的集成自动化方案

西门子将MES建立在生产建模结构之上，用户可以用递阶模型，将各种专用产品组件协同起来，来描述业务和生产作业。

西门子MES软件Simatic IT满足国际标准ISA-95的要求，包括以下软件组件：

（1）客户端应用生成器：一个用于设计MES用户界面的工程工具。它根据数据服务器或其他数据源获得的数据，生成图形化的用户界面。

（2）数据集成服务：一个用于与业务系统通讯的工程环境，它允许在不同类型的应用程序和外部系统中进行信息交换，提供与ERP系统和Windows文件系统接口，以及用于定制接口的COM接口。

（3）产品定义管理器：处理所有与产品定义相关的问题，例如定义生产产品所必需的操作步骤。把描述、组合资源和参数等产品规范集中在一起，然后利用这个规范对所有部件进行生产操作。

（4）生产套件：涵盖了MES在任何制造背景下所需的核心功能。并使得第三方软件及组件也可以加入进来。通过这种方式，用户不需要进行复杂的技术封装就可以完成相应的解决方案。

3.4.3 虚拟工厂综合自动化解决方案

根据中国石化MES开发和应用实施中遇到的实际需求，又基于研究生创新能力培养的需要，作者在流程工业智能工厂实验系统建设的基础上，进一步设计了虚拟工厂综合自动化系统解决方案，如图4所示。

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图4 虚拟工厂综合自动化系统解决方案总体框架

该系统是一个软、硬件集成的生产企业模拟运行系统，利用系统建模、仿真和优化技术，在高性能计算机及高速网络通讯的支持下，通过内建的模型和算法来模拟现实流程工业产品生产和供应链管理的全过程。它与现实的石化企业信息化管理系统具有相似的结构、相似的系统配置和相同的功能，可预测产品性能、产品生产成本、过程的可操作性以及对环境的影响，从而实现资产优化、工艺设计和生产优化、产品创新、技术进步、资源合理配置和供求关系平衡，使企业更具竞争力。

虚拟工厂综合自动化解决方案基于三大技术：生产过程虚拟仿真技术；由现实工厂获取信息的技术；由虚拟世界控制现实的技术。其中，生产过程建模和虚拟仿真技术是关键。

在利用图4平台支持炼化企业MES系统研究与开发的过程中，未采用自底层设备到工厂管理层的递阶建模策略，也未采用自管理层向下的企业建模方法，而是首先建立以物流跟踪模型（物流事件的稳态模拟仿真）为主线的MES系统实施模型，然后逐步扩展，建立更大更复杂的过程仿真和决策模型，从而显著缩短了建模周期，节约了开发成本。使中国石化MES系统在较短的周期内完成设计、开发和应用实施工作。利用物流跟踪模型，实现了物流、能耗数据完整性和逻辑正确性的在线检测和维护，有效提高了企业生产绩效（成本、质量）数据的统计精度和可视化程度，MES用户基于预测绩效和实测绩效的对比，进行生产优化决策和精细化操作。

4 结束语

流程企业MES系统从单一功能模块型、积木型到综合模型集成型，可以清晰地看到MES今后的发展趋势就是不断满足企业业务过程和控制过程可集成性、可配置性、可适应性、可扩展性和可靠性的要求。开发出适应于我国流程工业企业的MES软件产品，实现PCS-MES-ERP的紧密集成，进而提出我国流程行业MES的技术规范与实施标准，对提升我国流程行业信息化的水平，增强与国际先进企业的竞争力，都具有着重要的意义。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/20/2009)


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