基于DOTNET平台的车间资源集成研究与实践 - 文章

基于DOTNET平台的车间资源集成研究与实践

作者：左革成朱传军饶运清黄刚

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计算机网络技术的迅速发展为现代制造企业跨地域、跨行业及企业内部实现信息实时传递和技术交流共享提供了可执行的条件。制造业面临的是全球性的市场、资源、技术和人员的竞争，制造将不再是传统意义上的制造，而是一个以Internet技术为基础，跨国界、全球性的大制造概念，即我们所称的网络化制造(Network-based Manufacturing)。对中国的制造业企业(特别是中小型企业)来说，一方面为了增强自身的竞争力，在市场上抢得先机，就必须加强企业内部网络信息化、企业网络联盟的建设；而另一方面，企业底层设备的落后以及资金短缺的问题又在困扰着企业的决策层，把企业资源全部更新换代显然是企业没办法也没必要承受的。车间作为制造企业的底层，承担着产品制造的重任，而其信息化程度在企业内部相对来说是比较落后的，所以如何在现有车间制造设备资源的基础上，利用网络技术实现车间资源的分装集成和信息的实时传递，是促进企业信息化、提高企业生产力的关键之一。本文据此探讨了基于网络环境下车间资源的分类集成、车间网络体系结构、集成框架和基于网络化制造的车间资源管理系统的实施。

1 传统的车间资源管理以及制造执行系统

1.1 MES的功能及作用

MES(Manufacturing Execution System)的概念最早形成于20世纪80年代末，进入90年代后逐步成型并获得迅速发展。美国先进制造研究机构AMR(Advanced Manufacturing Research)将MES定义为“位于上层的计划管理系统与底层的工业控制之间的面向车间层的管理信息系统”。MES在计划管理层和底层控制之间架起了一座桥梁，填补了两者之间的鸿沟。

传统的MES(Traditional MES，T-MES)是指在传统的自上而下的层次结构上发展起来的信息系统。可以分为两大类：(1)专用的MES系统(Point MES)。这类系统是只解决某个特定的领域问题，如车间维护、生产监控、有限能力调度等。(2)集成的MES系统(Integrated MES)。该类系统功能上已实现了与上层事务处理和下层实时控制系统的集成，但此类系统依然是针对一个特定的行业，缺少通用性和广泛的集成能力，MES的功能包括车间的资源分配、过程管理、质量控制、维护管理、数据采集、性能分析及物料管理等。

1.2 车间资源分类

车间制造资源是MES要实施的主要对象，它主要包括人员、硬件资源和软件资源。其中硬件资源包括加工设备、物料处理系统、工装夹具、刀具量具以及计算机与网络设备等自动化、半自动化和非自动化的设备等；软件资源包括针对车间开发的应用程序、信息系统、网络应用软件和遗留系统以及相应的数据库等；人员是指车间生产过程的操作者和管理者，是车间硬件资源和软件资源的使用者。车间资源这儿部分相互协作、配合，实现了车间的生产过程。

1.3 当前车间资源组织存在的问题

车间作为制造企业的物化中心，怎么样在网络化制造环境下，合理地对车间内各种资源进行合理调配和实时信息的及时反馈，是提高车间生产效率和企业生产效益的关键所在。T-MES作为车间层级的管理系统在车间资源的集成、车间计划的执行上起到了一定作用，但是也存在一些缺陷：(1)通用性差主要是考虑特定行业、或者当前车间的状态以及单项功能的实现，而没有考虑类型相关企业、地域相近其他企业的适用性。(2)信息实时性差表现在车间级与制造部门级、企业决策层级之间缺乏必要的实时信息交互，车间的制造资源是动态的，一个微小的生产调整或者过程变化，都会使系统无所适从，无法及时反馈到上层部门，作出相应动态调整。(3)可拓展性差T-MES所在的车间基本上是个相对封闭的单元，虽然它上与计划层、下与控制执行层有着很大联系，然而大部分还只是纵向的关联，同一工厂内车间与车间、不同工厂相似的车间之间还不能够产生密切的联系，形成资源优势互补。随着制造网络化趋势的不断扩大，车间生产环境越来越充满了不确定性，因此要求车间一方面要在内部对车间资源进行合理布置、集成，以面对任何不可预测的内部扰动；另一方面要进行网络化改造，与外部产生互动的联系，以适应网络化制造的要求，及时地、高质量地、低成本地生产出满足客户需求的产品。下面就针对传统资源组织存在的缺陷，在车间制造资源集成化和支持网络化方面进行讨论。

2 车间制造资源集成框架

2.1 网络化制造环境下车间制造资源的新特点

传统意义上对车间制造资源的理解往往局限于单一企业内的单一车间，其配置也仅局限于对企业内部资源的有限重组和调配。而今，网络技术的发展不仅为企业之间形成联盟提供了极大的便利，而且使企业内部各部门，甚至不同企业同一部门、车间之间围绕某一个或若干个项目建立动态的网络联盟成为可能。资源的组织和利用已经脱离了地域的限制，车间作为企业网的子节点，除了能得到上级层的指令外，还能向上级层报告自己的状态，以及通过Intranet/Internet有针对性地从其他相关车间中选择最符合其需求的那部分制造资源进行合理组织以发挥该资源的最大效用，形成“网络化车间生产”。这样，网络化制造环境下的企业联盟可通过该系统来实时了解具体企业具体车间资源的使用情况，甚至直接参与该制造过程的管理与执行，进而达到整个企业联盟范围内车间制造资源共享的目的。

基于以上特点，网络化制造环境下的企业内车间制造资源按组成和分配结构可以分为图1所示的企业联盟层、部门层、车间层、设备层。

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图1 支持网络化制造的车间制造资源层次结构模型

其中，企业联盟层掌握整个项目或具体产品的生产计划及加工资源配置信息，并根据企业联盟成员的个体优势给下属成员发布命令；部门层则是指具体企业在接受任务后依据项目(产品)的信息制定生产计划，把计划下达到各个车间并随时与企业联盟层进行交互；车间层掌握该车间的加工任务及所用制造单元或工作组的信息及其动态；设备层是制造任务的最终实施环节，需实时提交设备状态、任务状态以及任务负荷信息等。整个车间层和设备层可以通过现场总线进行连接，实现设备层内部各设备之间和设备层与车间层的通讯，在此基础上构建车间局域网并连接到企业计算机网络。

2.2 车间内部制造资源集成框架

车间内部制造资源种类繁多，功能和形式各异，有必要对车间制造资源进行建模，使其具有通讯、交互、协调、决策与智能性等能力，这是实现车间资源集成、共享与协同工作的基础。

近年来，作为分布式人工智能(DAI)的重要研究方向之一，Agent和多Agent技术为网络化车间制造系统的研究提供了一个有效的工具。Agent是一种具有自主性、交互性、反应性的高度智能的实体，每个Agent可以独立完成各自的工作，并通过它们之间的相互通信与协调达成系统整体的目标，从应用层次来说，代理也可以说是一种处于一定环境下包装的计算机系统，为了实现设计目的，它能在那种环境下灵活的、自主的活动；MAS(Multi-Agent System)是一种分布式自主系统，各Agent之间通过智能行为协调它们的知识、目标、技巧和规划，联合起来采取行动或求解问题，MAS区别于传统智能系统的显著特性在于Agent具备与其所处环境、其他Agen、和人交互、协调和协作的能力。多Agent系统具有分布性、自制性、互操作性、鲁棒性、开放性等特征，基于多Agent的方法能够有利于解决车间各种异质异构信息的集成问题，提高网络化车间的可扩展性和可重用性。在网络技术的支撑下，运用多Agen，技术对车间制造资源建模，将车间中的各类对象转化为Agent，形成开放的、一致的MAS系统框架，利于车间制造资源的性能提高和利用率的提高。在通过统一建模后的车间制造资源应具有网络接口与通信功能、信息的交互与共享等特性。

支持网络化制造的车间制造资源集成框架是对车间各类制造资源进行快速集成的平台，该平台应具有开放性、分布性、兼容性、可伸缩性、可扩展性、可重构性等特点。.NET是微软公司(Microsoft)2001年推出的基于分布式体系结构的软件平台，它是一种融合信息、终端设备、分布的应用程序以及人力资源等到Internet大环境中的技术。.NET Framework是.NET的核心，它简化了在高度分布式Internet环境中的应用程序开发，并使得应用程序更容易与其他异构网络系统进行集成、部署、生成，而公共语言运行组件(Common Language Runtime，CLR)是.NET Framework的基础，它提供核心服务(如内存管理、线程管理和远程处理)。本文将MAS理论和.NET技术相结合，建立了如图2所示的基于.NET平台的Multi-Agent系统模型，作为支持网络化制造的车间制造资源集成框架以实现分布、异构制造资源之间的有效集成，并支持信息共享、功能共享和互操作。框架分为4层：外部层、表示层、车间组件层、数据层。

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图2 基于Multi-Agent和.NET的车间资源集成框架

a. 外部层。

外部层主要指通过企业外部网Internet/Extranet直接与用户交互的客户端，它包括多种类型的客户端组件，支持多种客户端。它既可以是通过Internet访问的Web浏览器客户端，也可以是通过企业Intranet运行的瘦客户端。

b. 表示层。

HTTP(Hypertext Transfer Protocol)是处于网络应用层应用程序通讯的协议；HTML(Hypertext Markup Language)是用于网络传送的通用标准；XML(eXtensible Markup Language，可扩展标识性语言)是.NET应用程序内以及应用程序之间传递数据的一种主要方法，随着越来越多的机构、公司支持这个标准，XML逐渐成为异构系统、异构数据库之间传递数据的标准；ASP.NET是用于创建Web页面的服务器端技术，是使开发人员能够使用.NET Framework开发基于Web的应用程序的宿主环境，也是用于网络应用程序和Web服务的发布机制，同时它具有支持SOAP、XML等Internet标准，扩展性好、支持多语言、安全性好等特点。

表示层位于企业与外部层之间，它是由部署了ASP.NET技术的企业级服务器组成，负责与外部层客户端的工作，接受来自浏览器的HTTP的请求，然后返回浏览器可以显示的HTML页面或者传输包含数据信息XML文件，从而可以使用户访问车间组件层的各种资源状态信息。

c. 车间组件层。

车间组件层是系统主要功能实现的部分。以CLR为基础，在.NET Framework下将车间制造资源划分为各成员Agent，每个Agent实际上是一个基于.NET规范封装、具有各自接口形式的分布式应用对象，它们是一种松散的祸合关系，处于完全平等的地位，彼此之间既独立、自主地活动，又基于相互间达成的协作协议，就各自的行为活动进行信息交流与共享、协调与合作以协同完成系统任务，其内部结构在图2中被局部分解显示。各成员Agent既可作为客户端应用程序来调用其他对象提供的服务，亦可作为服务器来为其他成员Agent提供透明服务。一个成员Agent的内部软件结构分为5个部分：用户界面、客户端应用程序、服务器端应用程序、私有数据(包括本成员Agen，和用于成员Agent间互操作的数据)以及接口。此外车间组件层还包括.NET组件群，组件群是在.NET框架支持下生成的组件，比如用户控件等。车间组件层通过XML标准格式向访问层通报数据，并以XML格式从数据源读取或者存储数据。

d. 数据层。

ADO.NET是一种基于标准的程序设计模型，用于创建分布式应用以实现数据共享，其中的数据存储与传送是基于XML实现的，因此可用于各种不同的开发语言(perl、vb、c#等)和不同的数据库(sglserver、oracle、db2等)。

数据库Agent是指将各种异构数据库与车间组件层通过ADO.NET的各API进行相应的连接，实现系统中异构数据库之间的集成与数据共享。

3 系统开发实例

3.1 系统介绍及系统框架

本系统以成都某车辆公司为背景，开发一个面向成德绵区域制造企业的通用型车间制造资源管理系统(SRMS)，为企业动态联盟的建立与运行提供车间层的管理。

在系统体系结构的选择上，客户用及务器(Client/Server，C/S)结构与浏览器/服务器(Browser/Server，B/S)各有其优缺点。C/S结构在数据完整性、安全性控制、高效的联机事务处理等方面有自己优势，然而其缺点在于客户端具有平台相关性，并且系统不易扩展等；B/S结构优点则主要体现在用户界面友好、操作直观、跨平台支持、系统可靠性高等方面，其客户端只需配置操作系统和Web浏览器，降低了对客户机的软硬件要求，也更利于软件的开发、安装、升级，从而节省开发维护费用。

对远程用户、企业外用户而言，B/S结构更利于他们访问企业信息状况，而无需事先安装程序和经过专门培训；对企业内部物理上集中的部门或者车间而言，B/S结构也更利于信息的浏览、发布和辅助领导决策支持，更符合企业对系统的要求。

基于以上原因，SRMS通过采用3层B/S结构，将系统进行明确的分割，使其在逻辑上各自独立，并且单独加以实现。3层分别是用户界面层、业务逻辑层和数据访问层。其中，用户界面层用来实现在客户浏览器中显示的用户界面，该层要以适当的形式显示由业务逻辑层动态传送的数据信息，并负责获得用户录入的数据，完成对录入数据的校验，将录入数据传送给业务逻辑层；业务逻辑层为用户界面层提供功能调用，又调用数据访问层所提供的功能来访问数据库，实现工程中的大部分逻辑控制功能；数据访问层主要用来实现与数据库的交互，根据业务逻辑层的要求从数据库中提取数据或者修改数据库中的数据。如图3所示，企业内部Intranet客户(企业内各部门)以及企业外部Internet客户(主要是企业联盟中其他成员)可以通过浏览器/服务器模式，根据被分配的不同的权限，访问SRMS中不同的业务逻辑模块，来进行各自的业务处理；业务逻辑模块则通过SQL方式向数据库服务器提出数据或其他资源的请求，经过处理后，Web服务器再将请求结果返回客户端浏览器。

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图3 SRMS总体流程框架

3.2 SRMS系统功能模块

a. 车间设备静态数据管理模块。

车间设备数据的状态为动态联盟中企业在网络制造环境下了解各成员资源状祝、选定完成生产任务的车间和设备提供了便利企业接受子任务后就可以通过静态数据初步选定加工设备。有设备查询、备件库查询、工具库查询等子模块。

b. 车间设备动态数据查询与预测模块。

由于设备资源在不同时间的可用情况不同，我们还必须对车间设备动态数据进行查询与预测。包括设备运行查询、维护计划查询等子模块。

c. 车间生产数据统计模块。

生产数据为工人工资奖金发放、设备维修等提供依据。我们统计的车间生产数据主要有车间工人工时，设备的运行时间，废品、历史废品和产品的产量等。

d. 生产计划管理模块。

主要是对企业生产的车型进行删除、增加。指定车型就可以从数据库中提取该车型的产品结构树，并根据缺件情况向各库房发送料通知以及告知送料的先后顺序，包括库房送料统计、覆盖件公司送料统计、预留零件或总成统计等子模块。

3.3 SRMS的实现

服务器端采用Windows2000SERVER操作系统，客户端要求配置IE4.0以上。在数据库选用方面，针对一般车间信息的流量以及客户端对信息的访问量，采用面向企业的中型数据库作为数据库服务器是完全可以满足需求的，我们选择的是优秀国产数据库DM4。

在服务器端应用程序设计方面，SRMS采用的是ASP.NET技术和C#语言。ASP.NET在服务器端对代码进行编译的而不是解释，因而具有更高的效率；C#语言是随着，NET推出一起出现的，它综合了C++和Java的优点。

SRMS的成功应用，可以实现车间内部资源的集成和信息的共享，对提高车间管理效率、降低生产成本、持续改进制造产品的质量等方面将起到积极的辅助作用。

4 结束语

对车间制造资源集成和网络化的研究对于提高我国制造业资源的利用率、提升企业的核心竞争力以及推动网络化制造的发展与应用具有积极的意义和实用价值，也为进一步针对车间制造过程管理的研究打下了基础。(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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