基于工作流的电装行业MES关键技术研究

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欢迎访问e展厅 展厅 3 CIO信息化管理展厅 电子商务/企业门户, IT运维管理, 制造执行系统MES, 流程管理BPR/BPM, SOA/SaaS/云计算, ... 随着电子装配行业的发展，电子装配产品生产周期变短，订单变化加快，装配过程变更频繁，产品需要实施有效召回。企业迫切需要采取先进的生产管理与信息化手段，对生产现场进行实时动态的管理与控制。 作为电子装配行业信息化管理关键环节的MES系统，如何实现实时的生产过程可视化、动态生产排程、实时的生产过程跟踪，如何为用户提供一个可配置、可集成、可重用性的系统平台，成为急需解决的问题。 本文将工作流技术应用到MES系统开发过程中的关键问题技术实现过程，研究基于工作流技术的电子装配车间生产过程实时可视化、动态生产排程、实时生产过程跟踪技术及工作流引擎实现技术。本文研究对电子装配车间实现实时动态管理和生产追溯，适应动态变化的生产环境，提高车间生产效率等具有重要意义。 2 电子装配行业MES系统的需求 目前，许多电子装配企业都采用MES系统来实现车间的信息化管理和控制，主要实现生产资源管理、静态生产排程、生产指派、设备维护管理、质量管理、同时在以下几方面有迫切需求。 1)电子装配过程的实时可视化需求 由于电子装配企业采用面向订单的生产方式，产品品种多、交货期短、装配物料类型多，装配过程变更频繁。因此，需要MES系统能够实时显示车间各生产线的生产进度，实时显示装配PCB、芯片等物料的型号和数量信息，实时显示设备状态信息，实时监控产品质量变化趋势，实时显示车间的各种KPI(Key Performance Indicators)统计性能指标，并能够根据不同加工产品对可视化信息进行动态配置。 2)电子装配车间的动态排程需求 电子装配车间属于并行、多品种大规模生产方式，由于车间随机出现的物料缺失、机器故障、订单变更、质量故障等情况，产品订单存在分批和合批的情况，导致静态生产排程方案的可行性差。因此，需要MES系统能够实时响应车间的动态事件，针对不同的车间环境、订单情况和干扰情况，借助各种优化策略和智能方法，进行动态排程。 3)电子装配过程的实时跟踪与追溯需求 根据RoHS(European Restrictions of Certain Hazardous Substances)指令、WEEE( Waste Electrical and Electropic Equipment )指令以及我国法规，要求电子装配企业的电子信息产品中不得含有铅、汞、福、六价铬、聚嗅联苯和聚嗅联苯醚等元素的有害物质。因此，需要MES系统能够对电子装配企业从原材料上线、生产、搬运、下线的整个过程的关键信息(如装配零件、设备、质量、使用辅助承载具和辅料信息等)进行实时跟踪，为准确的故障产品的召回和追溯提供基础。同时需要MES系统具有根据不同企业和产品进行生产跟踪信息灵活配置的功能。 3 基于工作流的MES系统模型 工作流技术是实现企业业务过程管理和控制、过程集成、过程重组的核心技术。它支持MES系统业务流程个性化配置以满足车间内外部环境的不断变化，对MES系统实现实时可视化、动态排程、实时生产跟踪以及系统的可配置、可集成、可重用等具有重要意义。因此，本文在基于工作流的MES系统的总体结构的基础上，研究电子装配行业MES系统基于工作流的实时生产过程可视化、基于工作流的实时动态生产排程、基于工作流的实时生产过程跟踪技术；研究MES系统的工作流引擎体系结构及实现等关键技术。 1)基于工作流的MES系统的总体结构 基于工作流技术，建立MES系统的总体结构。 基于工作流的MES系统的总体结构共分为以下3层： ①数据层主要包括电子装配车间的生产应用数据库和工作流模型及应用数据库，负责管理业务逻辑处理数据、工作流控制数据和工作流模型数据等。②业务层由MES的功能模块、工作流引擎、工作流模型客户端服务及工作流管理服务等部分组层，主要完成实现业务流程的配置与控制、业务功能的实现，并提供客户端服务、工作流管理监控服务、工作流建模服务等功能。③表示层是电子装配车间管理人员与MES系统交互的接口，完成对角色和用户的管理、对系统状态进行监控、对业务数据的输入、对工作流管理系统管理、监控与建模等功能。 2)基于工作流的生产过程实时可视化模型 基于工作流技术的电子装配车间实时可视化的模型。 在该模型中，电子装配的可视化信息可以通过工作流建模工具进行个性化定义。在运行阶段，MES系统实时采集零件数量、AOI(Automated Optical Inspection)信息、贴片机故障等信息，lfiJ时在工作流引擎的驱动下调用SPC(Statistical Process Control)件与任务表管理器进行交互，实时刷新用户界面的信息，实现电子装配车间的物料、设备、质量等信息的实时、个性化显示，满足车间透明化管理的需求。 3)基于工作流的动态生产排程模型 基于工作流技术的实时动态排程过程如下： ①通过工作流管理系统建立电子装配产品的装配过程/任务实例库，经过实例化后形成工作流排程过程模型。②生产排程过程中，过程模型被启动并调用排程控制器，利用分配规则进行资源分配。并通过工作流模仿真引擎驱动对资源分配结果进行性能仿真，优化的资源分配过程模型由工作流引擎驱动运行。③当电子装配车间出现汀单变更、插单、设备故障等的干扰时，由信息板实时捕获相关干扰信息，通知工作流引擎挂起或取消或挂起相关的业务过程，然后由生产排程器和资源分配器对生产过程进行重新排程，实现电子装配车间任务和资源间的动态排程。 在该模型中，电子装配不同产品的质量、使用的贴装芯片等个性化过程跟踪信息通过工作流建模工具进行定义。在运行阶段，由工作流引擎驱动过程跟踪模型实时运行，由过程模型调用MES的生产过程跟踪组件，实时记录、处理和集成过程跟踪信息。由于通过工作流管理系统可以对过程跟踪模型进行灵活配置，可很好地满足跟踪柔性和实时性的需求，为产品追溯查询和召回提供基础。 4 MES系统的工作流引擎研究与实现 1)工作流引擎的总体结构 工作流引擎是工作流管理系统的核心服务，是实现基于工作流的电子装配行业MES系统的关键技术环节。在基于工作流的生产过程实时可视化、动态生产排程、生产过程实时跟踪模型对工作流引擎需求的基础上。研究适合电子装配企业的MES系统的一种工作流引擎，其总体结构。 该工作流引擎主要包括6个功能部分： ①解析器 解析器的作用是将描述建立的电子装配车间工作流过程模型的XPDL语言文件解析成能够被引擎执行调用的模板对象并存入数据库。一个工作流过程模型在允许被执行后，只需要被解析一次即可多次实例化运行，这样做可以避免大量的XML解析工作，提高了MES系统服务器的内存使用率，提高工作流的执行效率。 ②流程管理器 流程实例管理器用于整个流程实例的状态管理和监控。主要负责流程的生命周期管理，管理员可以根据装配的需求进行必要的修改，强行控制流程的状态，包括对流程进行启动、挂起、删除、重新启动、恢复和停止操作。 ③执行器 执行器是引擎的核心部分，负责过程实例中变迁触发动作的完成、活动节点路由的选择和过程实例活动节点的管理操作；负责与资源/组织管理器、事件/时间管理器交互，实现活动节点中任务的各种资源和人员分配、电子装配车间内外事件的相应等；并实现与工作列表管理器进行任务交互。其中，变迁触发动作采用基于优先级的规则调度任务队列的运行，动节点的管理主要响应流程管理器的发出的实例活动的启动、挂起、恢复、重启、删除等操作。 ④工作列表管理器 工作列表管理器用于管理工作列表。对于人工活动结点，采用基于角色的访问控制方法。对于自动化节点，它接收执行器中处于执行状态的工作项并关联MES系统相应的功能模块调度运行。 ⑤事件/时间管理器 事件管理器实时收集电子装配车间的内外干扰事件信息并按优先级排序，然后和执行器进行交互，执行相应的处理任务。时间管理器维持和监视关于过程或活动的定时列表，当时间点到达时则通知执行器处理相应的任务。 ⑥资源/组织管理器 资源/组织管理器负责资源和人员的分配和管理，监听实例化过程执行中的请求资源和人员分配的队列。 2)工作流引擎的运行过程 当电子装配车间现场的生产过程可视化、过程跟踪、故障处理等工作流过程定义允许执行后，由工作流引擎解析其中的活动、变迁等信息，形成可被执行的过程模板，然后被实例化运行。工作流引擎典型的运行过程。 具体描述如下： Step1 由流程管理器初始化实例的相关数据，把要执行的节点活动传给执行器请求执行。 Step2 执行器根据该活动节点的属性请求相应的资源和组织人员分派。 Step3 资源/组织管理器根据分派规则向执行器返回资源和组织信息。 Step4 执行器将活动对应的工作项分派到工作列表管理器。 Step5 工作列表管理器根据具体的工作项属性请求工作流执行用户交互或者MES系统的功能服务接口模块调用具体的功能。 Step6 工作项的客户端/功能服务模块完成的相关数据通过接口返回到工作列表管理器。 Step7 工作列表管理器统计工作项的完成情况，将信息反馈到执行器。 Step8 当活动节点所有工作项都完成后，执行器向流程管理器返回活动节点完成信息。 Step9 在过程实例执行过程中，事件/时间管理器实时监控和收集电子装配车间出现的干扰事件或时间触发信息。 Step10 执行器及时对事件/时间触发信息进行相应的响应和处理。 Step11 当活动节点执行结束后，执行器根据节点后续路由向流程管理器请求下一个需要执行的活动节点。 3)工作流引擎的实现 在MES系统的工作流引擎功能及运行过程分析的基础上，采用J2EE平台和SQL数据库，开发基于B/S架构和EJB组件技术的MES系统工作流引擎模块。 采用UML进行工作流引擎实现过程设计的简意包类图。 工作流引擎的包类图描述了工作流引擎的包和类的实现。其中，工作流定义的XPDL模型的解析过程由包parser中的类实现。流程管理器主要由类WorkflowProcessEngine，WorkflowProcessContext和类WorkflowProcessRunner组成，负责导人并启动解析后的过程实例，同时负责管理过程实例的状态转换并与管理员进行通信等工作。执行器主要由类ActivityRunner组成；工作列表管理器主要由类WorkItemManager, Workltem等实现；资源/组织管理器和事件/时间管理器主要由类EventManager和类ResouseManager组成。工作流引擎模块用J2EE架构和EJB组件技术开发，并与电子装配行业MES系统集成进行总体软件架构设计，通过工作流引擎相关接口设计，易实现与MES系统各功能服务组件和数据库通讯，同时保持了松散的耦合性。 5 基于工作流的MES系统应用情况 在国家科技支撑计划支持下，基于工作流的MES系统已经成功地应用在江苏某电子装配企业的SMT(Surface Mount Technology)装配车间。系统的运行，使装配车间能实时地掌握各装配线和单元的装配进度、装配设备、装配质量和KPI等的情况；车间设备组对设备故障和缺料等事件的响应时间缩短了2～5倍；同时通过车间信息的实时跟踪记录，使电子产品的召回可以精确到批次和单件等。从而改善了装配车间的管理效率和决策及时性，提高PCB板的直通率等指标，改善物料配送的效率，提高生产线整体生产效率和生产质量。 6 结 语 本文将工作流技术应用于MES系统的开发过程，建立了基于工作流技术的电子装配车间实时可视化模型、实时动态生产排程模型、实时生产过程跟踪模型；提出了电子装配行业MES系统的工作流引擎总体结构，并基于J2EE架构和EJB组件技术对工作流引擎进行设计实现。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/11/2010)