MES系統(tǒng)體系結構

MES系統(tǒng)體系結構順德職業(yè)技術學院SCMERP（供需鏈管理/Internet）MRP/MRPIIDRPCRM電子商務（B2B）（B2B、B2C）信息化管理系統(tǒng)——范圍維修點客戶客戶客戶客戶客戶客戶客戶客戶零售商服務點代銷點代銷點零售商批發(fā)商代理商辦事處服務銷售部制造部供應部主體企業(yè)(盟主)聯盟企業(yè)聯盟企業(yè)聯盟企業(yè)虛擬企業(yè)(動態(tài)聯盟)供應商供應商供應商供應商供應商MESDCSzhangjie@信息化系統(tǒng)——組成ERP企業(yè)資源計劃DCS分布式控制PDM產品數據管理DRP分銷資源管理APS高級排產OLAP在線聯機分析CRM客戶關系管理SCM供應鏈管理Power配電自動化Materiel物流自動化Driver傳動控制Advanced先進控制Lab-analysis實驗室自動化Batch批控制過程數據采集工序詳細調度資源分配和狀態(tài)管理產品跟蹤和清單管理質量和實驗室管理過程性能分析設備維護管理企業(yè)經營管理系統(tǒng)企業(yè)經營管理系統(tǒng)自動化系統(tǒng)制造執(zhí)行系統(tǒng)zhangjie@一個典型的MES系統(tǒng)架構目錄什么是組件？

MES組件分類基于組件的MES系統(tǒng)架構MES業(yè)務組件開發(fā)基于組件的MES系統(tǒng)配置組件模型標準基于組件開發(fā)MES的優(yōu)點基于工作流技術的MES建模與開發(fā)什么是組件也叫構件、控件等。簡而言之，組件就是對象。組件是對數據和方法的封裝。基于組件的軟件開發(fā)流程MES組件分類標準組件：標準組件是MES底層核心功能的集合，它提供整個MES系統(tǒng)的運行環(huán)境，為上層實現MES具體功能的組件服務。這些組件包括：工作流組件、查詢組件、搜索組件、視圖組件、消息組件、分類組件、系統(tǒng)集成插件等。通用組件：通用組件則是跨行業(yè)的，實現大多MES系統(tǒng)所包含的功能。如優(yōu)化計算、誤差分析、故障診斷、數據可視化界面、報表、日期管理、事件管理等。行業(yè)組件：行業(yè)組件是針對特定行業(yè)中的典型需求，實現其相應具備的功能。如生產過程模型、業(yè)務模型、設備監(jiān)測、設備維護、物料平衡、生產計劃調度、生產績效分析、動態(tài)成本分析等。專業(yè)組件：專業(yè)組件是根據特定類型的MES系統(tǒng)的特殊要求，提供定制化功能的組件，如生產過程動態(tài)仿真、物料跟蹤等。基于組件的MES系統(tǒng)架構總線層數據庫/網絡J2EE/.NETXML

框架層訂單管理構件生產調度構件其它構件系統(tǒng)管理構件設備管理構件物料管理構件人力資源構件組件層

…工具集

工具集應用層應用系統(tǒng)MES業(yè)務組件開發(fā)

基于組件的MES開發(fā)過程及各個階段的活動如右圖所示，主要可以分為四大步驟：MES需求分析與系統(tǒng)設計MES業(yè)務組件提取及適配MES業(yè)務組件裝配MES軟件測試（1）MES需求分析與系統(tǒng)設計此階段與傳統(tǒng)的瀑布型軟件開發(fā)模式需求分析與系統(tǒng)設計相似，都是對MES用戶的需求進行分析，歸納出用戶對MES軟件的功能需求，然后從系統(tǒng)的高度上對MES軟件的各個組成部分進行設計。在MES需求分析與系統(tǒng)設計階段，可以從MES領域組件庫中提取到相似的分析級與設計級的MES組件，復用組件內的知識，可以提高MES軟件的分析與設計效率。根據MES軟件的各部分功能劃分，確定可以從領域組件庫中提取的領域組件和需要重新開發(fā)的專用組件。（2）MES業(yè)務組件提取及適配在這個階段，首先根據相應的組件提取方法從MES業(yè)務（領域）組件庫中提取出所需的各類業(yè)務組件，包括二進制代碼組件、源代碼組件和可配置組件。然后對提取出的源代碼組件進行修改并編譯，對可配置組件進行配置適配，最后形成可部署的組件。（3）MES組件裝配這個階段將在軟件體系框架（如J2EE）基礎上，把各個組件裝配到一起，形成MES軟件系統(tǒng)。不同層次的可部署組件會有不同的裝配方式，例如，采用XML語言作為組件裝配的接口描述語言。在進行MES業(yè)務組件裝配之前，首先需要確定合適的軟件體系架構和裝配技術。例如，采用SUN公司的J2EE體系結構，并用XML語言作為MES領域組件裝配的接口描述語言，以實現組件之間的無縫連接，形成分布式、跨平臺、基于Web的MES軟件。（4）MES軟件測試對通過裝配形成的MES軟件進行各項性能測試，包括數據、功能、穩(wěn)定性、安全性、集成性等指標?；诮M件的MES系統(tǒng)配置MES系統(tǒng)的可配置主要通過組件的定義或復用、組件庫的建立和和按照生產業(yè)務流程組裝MES系統(tǒng)三個過程。（1）組件定義或復用對于一個組件，其描述可以分為兩個部分：組件功能的說明和組件功能的實現部分。任何可重用的軟件組件都必須有特征說明（主要是描述組件的類型信息）和規(guī)則說明（主要是描述組件的動態(tài)行為），分別用來描述可重用組件的靜態(tài)特征和動態(tài)語義。另外，在描述可重用組件的信息中還應該包括組件的對外接口信息。同時為大量開發(fā)MES的組件組件、建立可重用組件庫做準備，必須制定好MES組件的開發(fā)規(guī)范。（2）組件庫的建立為使MES開發(fā)人員能夠對MES用戶的需求做出快速響應，創(chuàng)建滿足用戶要求的組件，有必要開發(fā)可重用MES組件庫管理平臺。組件庫管理平臺主要用來儲存和管理可復用的組件，提供的主要功能包括儲存、增加、刪除、修改、檢索和統(tǒng)計等。此外，為了便于管理員和用戶考察組件的復用情況，還應該提供組件復用記錄和用戶意見反饋功能。（3）組件組裝組件的組裝也是組件復用中一個非常關鍵的步驟。因為基于組件的開發(fā)、通過組件組裝得到最終的應用系統(tǒng)，其穩(wěn)定性、可靠性等方面，磨合是否出漏洞，直接關系到應用系統(tǒng)能否正常運行。在進行組件組裝時可以采用編寫不同的膠合元件、剪裁、包裝等組裝策略。以排產和調度為例：根據生產詳細排產和調度活動特征，把它分解定義為多個組件，設置在組件庫中，用戶可以根據自己的生產模式和業(yè)務流程選用對應的排產和調度組件進行組裝，來構成企業(yè)MES系統(tǒng)中所需的排產和調度功能模塊。當生產模式或業(yè)務流程發(fā)生變化時，只需修改原組件的對象屬性、事件、方法或重新定義新的組件來進行組裝，構成企業(yè)生產模式或業(yè)務流程發(fā)生變更后的排產和調度功能模塊。通過這種方式，即滿足了用戶的不同需求，又簡化了生產計劃排產和調度建立過程?；诮M件化的MES系統(tǒng)，通過組件可復用或重新定義、組件庫的建立和組裝，能夠建立適應不同行業(yè)多種生產模式和業(yè)務流程的MES系統(tǒng)，它具有良好的柔性和可適應性。組件模型標準

組件模型用于描述組件及其裝配關系，沒有標準的組件模型，就沒有真正的即插即用組件。目前業(yè)界存在三種主流的組件模型標準，都是要解決分布環(huán)境下組件的集成和互操作問題：COM系列（ComponentObjectModel）

：COM/DCOM/COM+EJB（EnterpriseJavaBean）CORBA組件模型(CCM—CORBAComponentModel）COM系列：Microsoft的COM組件對象模型系列，即COM/DCOM/COM+，是關于對象交互作用的一個二進制標準，強調多個接口的類型而不強調繼承，因此在互操作及功能擴展方面更為靈活；但其弱點是跨平臺性能太差，只局限于Windows平臺。EJB:EJB是由Sun公司推出的，是開發(fā)和配置基于組件的分布式商務應用的組件結構。EJB提供了遠程訪問、安全、事務等多種分布式對象計算的服務。這些應用程序只需編寫一次，即可在支持EJB規(guī)范的任何服務器平臺上配置。目前支持EJB標準的J2EE平臺在實踐中獲得廣泛的應用。CCM:OMG于1991年末提出的CORBA（CommonObjectRequestBrokerArchitecture）規(guī)范，是對象管理體系結構（OMA）參考模型的實現方案之一。CORBA2.x之前的CORBA標準，本質上仍然是分布式對象標準，直到CORBA3.0提出CORBA組件模型（CORBAComponentModel，CMM），才誕生了真正意義的組件標準。CCM出現較晚，但它能夠博取眾家之長，汲取了EJB模型（容器管理、HOME管理）及DCOM/COM＋組件模型（多接口）的優(yōu)點，被稱之為未來組件模型的典范。三種組件模型標準比較CCMvsEJB：CCM具有語言無關性，而EJB僅限于Java語言；CCM提供的功能部件及規(guī)范較EJB更完備，CMM組件模型的開放性較EJB好；但CCM的支撐平臺的成熟性比EJB差。CCMvsCOM：CCM的優(yōu)勢在于它的平臺無關性，而COM系列局限于WINDOWS平臺。以CCM規(guī)范為基礎開發(fā)的服務器端組件框架，具有良好的可移植性和重用性。但是由于CCM是一種組件模型規(guī)范，必須首先有開發(fā)商開發(fā)才能使用，況且CCM技術規(guī)范出爐不久，其支撐平臺后勁不足。不同標準的組件間的集成組件技術發(fā)展的趨勢是朝著集成化的方向發(fā)展的。無論是OMG組織還是Sun公司，都希望在技術上能夠相互融合。實際上，在CCM中也定義了對EJB規(guī)范的支持，使得CORBA和EJB之間可以很好地集成。利用EJB技術較成熟、且有產品支持的特點，開發(fā)人員可以選擇EJB作為其服務端規(guī)范，同時保留CORBA客戶端的語言和平臺無關性。CORBA和EJB的集成有兩種方案：橋接技術和基于IIOP的遠程方法調用（RMI）。基于組件開發(fā)MES的優(yōu)點可配置性可重用性可擴展性可集成性（1）可配置性基于組件的MES軟件，是在MES領域框架的基礎上，通過裝配通用組件和領域組件所形成的軟件系統(tǒng)。各個組件之間通過接口進行交互，避免了采用傳統(tǒng)軟件開發(fā)方式開發(fā)的緊密耦合系統(tǒng)所具有的難以部署與配置的缺點。基于組件的MES在用戶需求發(fā)生變化、需要進行局部調整的時候，可以只改變其中的某個或某些組件，而不必修改整個軟件系統(tǒng)。因此，基于組件的MES軟件具有良好的可配置性。（2）可重用性不同企業(yè)在規(guī)模、管理模式、經營策略等方面會存在差異，因此對MES的功能需求也有所不同，若軟件不進行修改，整體復用的可能性比較小。而傳統(tǒng)的軟件開發(fā)模式開發(fā)出的軟件是緊耦合的，難以復用其中的部分功能，當需求發(fā)生變化時，必須重新進行需求分析、功能分解、設計和開發(fā)，造成軟件系統(tǒng)可復用性差。而基于組件的MES可以實現多種級別的復用，包括代碼級、二進制級、領域分析、設計和測試等級別的復用。這種多層次和多級別的軟件組件復用，可以極大的提高MES的軟件開發(fā)效率，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本和改善軟件質量。（3）可擴展性制造企業(yè)在激烈的市場競爭中，需要不斷提高管理水平，調整和改善業(yè)務處理流程，來提高企業(yè)的市場競爭力。這必然要求企業(yè)的信息系統(tǒng)能夠及時地進行改進和擴展，以滿足不斷變化的市場環(huán)境。傳統(tǒng)MES在結構上是緊耦合的，當用戶需求發(fā)生變化而導致系統(tǒng)功能需要做出調整的時候，需要對整個MES重新進行功能建模和分析，劃分功能模塊，修改的工作量非常大。而基于組件的MES構建在統(tǒng)一的領域框架的基礎上，并且組件具有更好的模塊性，組件之間是松散耦合的，通過接口進行交互。這些特點決定了基于組件的MES具有很好的可擴展性，當用戶需求發(fā)生改變，需要對軟件系統(tǒng)的某個功能進行調整的時候，只需要修改相應的組件，保證該組件和其他組件的接口不變，就可以保證系統(tǒng)的正常運行。（4）可集成性除了MES，企業(yè)還有很多其他的信息系統(tǒng)，如ERP、CAD、CAPP、CRM等，為了最大限度發(fā)揮各個信息系統(tǒng)的作用，需要把它們集成到一起，實現無縫集成，這就要求各個信息系統(tǒng)應該具有很好的集成性。傳統(tǒng)的MES由于內部是緊耦合，而且為其他系統(tǒng)提供的接口比較少，在與其他系統(tǒng)集成的時候，往往需要重新定制集成接口，所以軟件系統(tǒng)的集成性比較差。而基于組件的MES軟件，可以從數據層、業(yè)務邏輯層和表示層三個層次提供相應的集成接口，從而具有更好的集成性?；诠ぷ髁骷夹g的MES建模與開發(fā)工作流技術是一種能夠有效的控制和協(xié)調復雜活動的執(zhí)行、實現人與應用軟件之間交互的技術手段。采用工作流技術，可以把MES業(yè)務邏輯從具體的業(yè)務實現中分離出來。它可以在不修改具體功能模塊實現方法（硬件環(huán)境、操作系統(tǒng)、數據庫系統(tǒng)、編程語言、應用開發(fā)工具、用戶界面）的情況下，通過修改（重新定義）過程模型來完成系統(tǒng)功能的改變或系統(tǒng)性能的改進。通過工作流技術，可以有效地把企業(yè)各種資源（人、信息、應用工具和業(yè)務流程）合理組織在一起，提高軟件的重用率，發(fā)揮系統(tǒng)最大效能。基于工作流的MES系統(tǒng)，可以通過流程的再定義，靈活地將應用系統(tǒng)的功能連接在一起，快速完成企業(yè)系統(tǒng)的搭建?；诠ぷ髁鞯腗ES開發(fā)方法基于工作流的MES開發(fā)方法是：把MES業(yè)務過程邏輯從具體業(yè)務實現中分離出來，抽取出原子級的企業(yè)業(yè)務活動，并用組件來實現這些原子活動，以業(yè)務流程模型驅動這些活動的運行，從而實現企業(yè)業(yè)務和軟件實現的全面集成。結合工作流管理技術和組件技術，右圖表示一個多層MES體系結構，使企業(yè)可以在一個統(tǒng)一的集成框架下實現組件化MES的開發(fā)、實施和運行。（1）工作流平臺層實現業(yè)務過程與業(yè)務邏輯的分離，通過工作流建模工具分析和定義MES業(yè)務流程，將MES業(yè)務流程與相關的組件、用戶和數據信息關聯起來形成一個可實施的軟件系統(tǒng)，并利用工作流引擎實現對MES系統(tǒng)運行控制。工作流平臺實現整個體系中不同層次的集成，并可根據企業(yè)需求的變化和BPR的情況動態(tài)實行組件的組合，快速形成新的業(yè)務系統(tǒng)，實現對MES的動態(tài)建模。（2）業(yè)務組件層業(yè)務組件層部署MES軟件的業(yè)務邏輯組件，如零件信息組件、工藝信息組件、制造資源組件、在制品管理組件、設備監(jiān)控組件和計劃調度組件等。業(yè)務組件是數據庫層與表示客戶端層進行聯系處理的橋梁，它接收表示層和客戶端層的請求，提取數據庫層相關的數據，通過組件自身的邏輯功能進行處理，然后把處理結果反饋給客戶端或存放到數據庫中。根據不同的業(yè)務類型，可以開發(fā)出許多業(yè)務組件。為提供組件的重用性，可將組件分為通用業(yè)務組件和行業(yè)專用組件。業(yè)務組件層是MES軟件功能實現的核心。（3）數據庫層數據庫層部署MES軟件需要的各類數據庫和數據類組件，如零件信息數據庫、制造資源數據庫、工藝信息數據庫和計劃/調度數據庫等。（4）中間層中間件層為MES軟件提供分布式計算環(huán)境，包括命名服務、事務管理、數據持久管理、網絡管理等；它還可屏蔽異構的軟硬件環(huán)境對MES帶來的影響?；诠ぷ髁鞯腗ES開發(fā)過程實例：SIMATICITFrameworkSIMATICIT3rdParty

ComponentSimaticITProductionSuiteComponentsSimaticITOptionalComponentsSIMATICITComponentsSimaticITHistorianSimaticITUnilabSimaticITInterspecApplicationsSIMATICITFrameworkCustomer

SpecificLibraries&ConfigurationIndustrySuiteLibrariesSimaticITLibrariesMES標準產生的背景沒有通用的MES功能模型用戶很難交流需求(生產模式不同)即使集成也很難維持各廠商之間的集成非常困難ISA-95企業(yè)控制集成(EnterpriseControlIntegration)ISA-95－正在形成的MES標準

ISA-95是ISA(美國儀器/系統(tǒng)/自動化協(xié)會)制定的“企業(yè)—控制系統(tǒng)集成”標準的簡稱，其目的是建立企業(yè)級和制造級信息系統(tǒng)之間的集成規(guī)范。ISA-95包括以下六個部分：模型和術語、對象模型屬性、制造業(yè)務管理活動模型、制造業(yè)務管理對象模型和屬性、商務到制造的事務處理、制造業(yè)務管理的事務處理。ISA-95的最大貢獻在于統(tǒng)一了管控系統(tǒng)集成的術語、信息對象模型及其數據結構、活動對象模型。ISA-95標準的6個部分時間標準號標準名稱主要內容2000(2003)ISA-95.00.01(IEC/ISO62264-1)Part1:模型與術語詳細規(guī)定了業(yè)務經營和后勤支持系統(tǒng)與生產運行系統(tǒng)之間的接口。2001(2004)ISA-95.00.02(IEC/ISO62264-2)Part2:對象模型與屬性對Part1所定義的內容作出詳細的規(guī)定，并通過舉例和圖解進行進一步的解釋。ISA-95.00.03(已形成草案)Part3:制造運作管理行為模型定義了集成企業(yè)/控制系統(tǒng)所需的制造運作管理的行為模型和術語。ISA-95.00.04(正在制定)Part4:制造運作管理對象模型及屬性定義了支持Part3中制造運作管理活動的相關對象模型及其屬性。ISA-95.00.05(正在制定)Part5:B2M事務詳細說明B2M(BusinesstoManufacturing)事務。未來ISA-95.00.06Part6:制造運作管理事務詳細說明制造運作管理事務。ISA-95的應用范圍Level4Level1Level2Level3業(yè)務計劃與后勤支持系統(tǒng)制造運作管理離散控制批量控制流程控制過程設備自動化功能MES功能ISA-95Parts1,2,5和B2MMLISA-95Parts3,4其它ISO標準其它IEC,OPC&OMAC接口標準IEC&ISA批量控制和其它標準ERP功能MES功能模型(ISA-95)

采購(5.0)生產調度(2.0)物料和能量控制(4.0)產品庫存控制(7.0)產品成本核算(8.0)質量保證(6.0)產品發(fā)運管理(9.0)訂單處理(1.0)生產控制(3.0)維護管理(10.0)研發(fā)與工程市場營銷與銷售過程支持工程(3.1)運作控制(3.2)運作規(guī)劃(3.3)國際上MES主流供應商紛紛采用ISA-95標準如：SIMATICIT的功能和系統(tǒng)架構建立在ISA-95標準之上。采用ISA-95標準的部分MES廠商SAPSiemensEmersonRockwellAspentechABBHoneywellGeneralElectricInvensysLighthammerCorpJacobsEngineeringFluorEnterprises,IncFlexwareInnovation,Inc.GTIIndustrieNoordwestbv

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