基于消息中間件的制造執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張　政　侍守創(chuàng)

(連云港杰瑞深軟科技有限公司　江蘇 連云港 222006)

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基于消息中間件的制造執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張政侍守創(chuàng)

(連云港杰瑞深軟科技有限公司江蘇 連云港 222006)

通過分析傳統(tǒng)離散型制造的生產(chǎn)特點以及國內(nèi)外制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)在自定義程度和開放性等方面的優(yōu)缺點，結(jié)合消息中間件原理機制，提出基于消息中間件的MES體系結(jié)構(gòu)。該MES可實現(xiàn)分布式部署、消息服務(wù)代理和消息統(tǒng)一管理等功能，具有報表自定義、流程自定義、產(chǎn)線虛擬化及生產(chǎn)看板自定義等關(guān)鍵技術(shù)。通過對發(fā)動機前蓋板零部件加工生產(chǎn)車間的生產(chǎn)看板信息的測試獲取，證明基于消息中間件的MES設(shè)計能夠為多品種小批量的生產(chǎn)模式提供高效可靠的解決方案。

消息中間件制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)離散型制造

0　引　言

隨著智能制造的發(fā)展，越來越多的國內(nèi)企業(yè)開始重視生產(chǎn)車間與其他環(huán)節(jié)之間的協(xié)同聯(lián)系，制造執(zhí)行系統(tǒng)MES是生產(chǎn)車間執(zhí)行的重要載體，負責連接上層的計劃管理和底層的控制設(shè)備[1]。目前我國的離散型制造業(yè)具備“多品種、小批量”的生產(chǎn)特點，計劃變更較為頻繁，生產(chǎn)過程存在的臨時問題因素也不確定，生產(chǎn)管理還多數(shù)處于原始的憑經(jīng)驗、人工干預(yù)的方式，人員、設(shè)備不能最大程度地發(fā)揮各自潛能，經(jīng)常導(dǎo)致交貨期延誤，產(chǎn)品質(zhì)量無法有效控制，生產(chǎn)成本居高不下，給企業(yè)整體發(fā)展帶來一定的阻礙與影響。而MES主要解決生產(chǎn)車間的生產(chǎn)任務(wù)的執(zhí)行與管理問題，是生產(chǎn)企業(yè)信息化、自動化以及智能化發(fā)展過程中關(guān)鍵的組成部分。國外研究MES較早，且已經(jīng)形成一套比較成熟的理論模型和標準，比較知名的廠商有美國蓋普勒MES系統(tǒng)和德國西門子MES系統(tǒng)，其系統(tǒng)功能豐富，在排產(chǎn)計算方面作用突出，但價格相對較高。國內(nèi)MES的理論體系和標準研究較晚，隨著研究的深入，MES研究取得長足進步，如在鋼鐵行業(yè)的MES、石化行業(yè)的MES以及航空制造的MES，其優(yōu)點在于能夠?qū)μ囟ㄐ袠I(yè)進行深入應(yīng)用，但在一定程度上不適用跨行業(yè)的制造需求，而且多數(shù)是對行業(yè)的定制開發(fā)，開放性和擴展性受到影響。離散型制造企業(yè)面臨價格、系統(tǒng)通用性、自定義程度等方面的選擇，當前MES定制化開發(fā)無法滿足企業(yè)不斷變化的生產(chǎn)需求和產(chǎn)線調(diào)整，尤其在報表自定義、流程自定義以及產(chǎn)線虛擬化方面。如何構(gòu)建可快速配置、自定義程度高、通用性強和安全性可靠的MES成為當前生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的重點。通過引入消息中間件技術(shù)[2]，設(shè)計了一個可面向離散制造業(yè)的多車間、客戶端/服務(wù)器架構(gòu)的開放式MES，最大程度的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理和數(shù)據(jù)安全。該系統(tǒng)可進行分布式異構(gòu)環(huán)境搭建，可實現(xiàn)消息服務(wù)代理、消息統(tǒng)一管理等功能，具有報表自定義、流程自定義、產(chǎn)線虛擬化、看板自定義等關(guān)鍵技術(shù)，對提高企業(yè)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、快速響應(yīng)生產(chǎn)任務(wù)計劃等具有重要影響，為企業(yè)實現(xiàn)智能制造奠定堅實基礎(chǔ)。

1　消息中間件

消息中間件是一種消息代理，是統(tǒng)一消息收發(fā)的接口，通過高效可靠的消息傳遞機制可跨平臺、跨語言進行數(shù)據(jù)交換[3]，消除各種平臺及協(xié)議之間的特性。企業(yè)可通過消息中間件接入所有的信息系統(tǒng)，實現(xiàn)信息系統(tǒng)之間的集成，減少開發(fā)平臺和開發(fā)語言帶來的困擾。通過消息中間件進行客戶端與服務(wù)端的連接，不同的對象之間通過傳遞消息來激活對方的事件，從而使MES具有開放性高、擴展性強等特點，其中客戶端負責業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)顯示和功能操作，服務(wù)端負責統(tǒng)一的業(yè)務(wù)邏輯處理。同時MES服務(wù)器端也可接收來自其他信息系統(tǒng)的服務(wù)調(diào)用。

消息中間件支持主題和消息隊列兩種消息模式，目前主流的MES只支持隊列模式的訪問，而在實際應(yīng)用中主題也是比較常使用的消息模式，如發(fā)布通知消息、系統(tǒng)更新提醒等。利用主題消息模式，可以產(chǎn)生更靈活、更松散耦合的系統(tǒng)。消息中間件支持的兩種消息模式如圖1所示。

圖1　消息中間件消息模式圖

主題模式：發(fā)布消息的應(yīng)用程序?qū)⑾⒁灾黝}方式發(fā)送出去，通過消息管理器將消息傳遞給訂閱該主題的接收應(yīng)用程序，實現(xiàn)一對多的消息傳輸特點。

隊列模式：發(fā)布消息的應(yīng)用程序?qū)⑾⒎湃胂㈥犃兄?，由消息路由將消息異步的方式傳遞給相應(yīng)的接收應(yīng)用程序，實現(xiàn)一對一的消息傳輸特點。

消息中間件主要由接口處理、消息管理器、消息通道代理等部分組成。其中接口處理負責處理來自客戶端的服務(wù)請求，將數(shù)據(jù)進行封裝處理和將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成消息；消息管理器是消息中間件核心，負責創(chuàng)建和刪除消息隊列/消息主題，控制隊列/主題的行為和調(diào)整優(yōu)先級；消息通道代理負責將消息傳送給響應(yīng)的消息隊列/主題。

客戶端通過調(diào)用消息中間件的統(tǒng)一接口，實現(xiàn)與服務(wù)端的通信。首先是客戶端發(fā)起請求信息，經(jīng)消息中間件封裝成統(tǒng)一服務(wù)請求，此后消息進入消息管理器，由管理器進行消息的寫入、發(fā)送和封裝，并由消息通道代理發(fā)送模塊將消息發(fā)送至服務(wù)端進行解析應(yīng)答。當服務(wù)器接收到請求消息后，進行相應(yīng)的業(yè)務(wù)處理，將應(yīng)答包通過消息通道代理接收模塊接收應(yīng)答包，同時由消息管理器進行下一步寫入、接收和讀取，通過消息解包將業(yè)務(wù)處理結(jié)果返回至客戶端，最終完成數(shù)據(jù)的請求和應(yīng)答。

通過消息中間件兩種消息模式的使用，進一步提升MES的擴展性和實用性，同時消息中間件支持異步傳輸和負載均衡，并且在任何時刻都可以將消息進行傳送或者存儲轉(zhuǎn)發(fā)，可以在分布式環(huán)境下擴展進程間的通信[4]。MES的分布式部署，使其處理能力得到大幅提升，為MES作為數(shù)據(jù)集中采集器提供了支持，基于消息中間件的MES架構(gòu)如圖2所示。

圖2　基于消息中間件MES架構(gòu)圖

在MES架構(gòu)設(shè)計中，采用了服務(wù)端代理模式，分離了業(yè)務(wù)處理和操作調(diào)用，所有相同的業(yè)務(wù)使用統(tǒng)一的方法，保證業(yè)務(wù)結(jié)果一致性。服務(wù)器端代理封裝了消息中間件，透明化消息中間件的調(diào)用。在服務(wù)端標注服務(wù)方法，通過服務(wù)端代理程序自動產(chǎn)生客戶端代碼，客戶端調(diào)用生成的代碼即可實現(xiàn)與服務(wù)端的通信和服務(wù)調(diào)用，其他應(yīng)用程序同樣可以通過公開的服務(wù)端方法調(diào)用服務(wù)。服務(wù)端代理模式的使用，減少了程序開發(fā)量，使服務(wù)接口管理操作更簡便。

2　MES體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

美國先進制造研究機構(gòu)AMR(AdvancedManufacturingResearch)將企業(yè)集成模型分為計劃層、執(zhí)行層和控制層[5]，而MES是執(zhí)行層的載體，負責連接計劃層和控制層。MES一方面將計劃層的生產(chǎn)計劃根據(jù)車間實際情況進行最小單元分解；另一方面通過實時獲取控制層設(shè)備狀態(tài)和反饋數(shù)據(jù)進一步指導(dǎo)計劃層對任務(wù)的安排，從而實現(xiàn)生產(chǎn)的閉環(huán)控制。

設(shè)計的MES采用C/S架構(gòu)，通過消息中間件處理業(yè)務(wù)邏輯，MES客戶端通過相應(yīng)模塊的服務(wù)代理將請求發(fā)送至消息中間件，經(jīng)過消息中間件內(nèi)部處理后將請求傳遞給模塊解析服務(wù)，再次將請求通過相應(yīng)模塊服務(wù)的服務(wù)接口進行MES服務(wù)端處理，處理完成后將應(yīng)答信息按照相反順序依次傳遞直至MES客戶端，完成一次請求和應(yīng)答，其體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

MES除了圖中包含的工藝流程模塊、報表模塊、權(quán)限模塊、產(chǎn)品-標簽?zāi)K、產(chǎn)線-看板模塊外，還包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊、排產(chǎn)模塊、設(shè)備模塊、警報模塊、質(zhì)量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等。所有模塊的業(yè)務(wù)請求和應(yīng)答均由消息中間件統(tǒng)一管理和處理。

MES是企業(yè)實現(xiàn)精益生產(chǎn)的主要信息載體，是企業(yè)向智能工廠轉(zhuǎn)變必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。MES根據(jù)計劃層相關(guān)信息以及控制層生產(chǎn)設(shè)備、智能裝備的狀態(tài)進行作業(yè)排產(chǎn)計劃，將生產(chǎn)任務(wù)具體分配到每一個設(shè)備上。生產(chǎn)任務(wù)開始后，MES可實時監(jiān)控到當前生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)、生產(chǎn)任務(wù)進度以及對產(chǎn)品的質(zhì)量追溯。計劃層、執(zhí)行層和控制層的相互配合，打通了數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)的空間界限，使整個生產(chǎn)過程無縫對接起來。

圖3　MES體系圖

傳統(tǒng)MES在報表設(shè)計、流程設(shè)計、產(chǎn)線顯示、看板定義等方面的自定義程度和開放性程度上受到了定制化的影響，因此在MES設(shè)計開發(fā)中采用了報表自定義、流程自定義、虛擬化產(chǎn)線和看板自定義等關(guān)鍵技術(shù)[6-8]。MES客戶端負責自定義(如報表/看板SQL語句編寫、工藝流程圖繪制和產(chǎn)線虛擬繪制)請求，MES服務(wù)端負責應(yīng)答并將所需數(shù)據(jù)傳回，消息中間件負責將請求和應(yīng)答內(nèi)部處理后進行消息傳遞，其優(yōu)點在于通過消息中間件的統(tǒng)一管理和處理，一方面保證自定義消息的持久化以及服務(wù)請求的負載均衡，不會因某一請求中斷而導(dǎo)致其他請求不可用；另一方面可允許其他應(yīng)用程序(如OA、信息門戶等)直接調(diào)用自定義服務(wù)，獲取相應(yīng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在權(quán)限管理、產(chǎn)品追蹤、SQL微型ORM等功能方面也進行進一步優(yōu)化和性能提升，保證MES在應(yīng)用過程中的時效性和實用性。

(1) 報表自定義

Excel的操作靈活性和強大的功能性使Excel成為報表廣泛開發(fā)使用的工具，但是在系統(tǒng)集成方面有很大的缺點，數(shù)據(jù)源不能直接有效地傳遞到Excel中，而且在導(dǎo)出報表時出現(xiàn)數(shù)字、文本、日期、公式等在轉(zhuǎn)換時出現(xiàn)的錯誤以及訪問權(quán)限控制的問題。因此，在MES開發(fā)過程中，將Excel報表直接嵌入程序中，使報表與程序之間無縫對接。

通過引入Excel報表模板和數(shù)據(jù)引擎，將報表樣式、格式和數(shù)據(jù)進行徹底分離，報表模板負責數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)引擎負責數(shù)據(jù)采集，用戶在自定義報表時，可先用Excel設(shè)計報表模板，然后在數(shù)據(jù)引擎中定義數(shù)據(jù)源(通過編寫SQL查詢)即可完成表報的設(shè)計，無需重新進行程序開發(fā)，運行顯示如圖4所示。

圖4　報表自定義運行顯示圖

(2) 流程自定義

在傳統(tǒng)的產(chǎn)品工藝流程設(shè)計過程中，往往單獨對工藝流程進行編制，以紙質(zhì)的方式下發(fā)給生產(chǎn)人員，而在離散型制造過程中，工藝流程變更頻繁，傳統(tǒng)的編制方式已無法滿足生產(chǎn)需求，大大降低了生產(chǎn)效率。

通過系統(tǒng)“類組態(tài)”可視化的方式對工藝流程進行自定義設(shè)計，使用簡單的拖拽及屬性設(shè)置即可完成工藝流程的編制，生產(chǎn)人員通過系統(tǒng)可以實時產(chǎn)看到工藝流程的更改，也更加直觀的體現(xiàn)產(chǎn)品的加工路線，大大簡化了用戶編制工藝流程的方式，也便于發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題。運行顯示如圖5所示。

圖5　流程自定義運行顯示圖

(3) 虛擬化產(chǎn)線

虛擬化產(chǎn)線是將真實的生產(chǎn)產(chǎn)線映射到虛擬環(huán)境中，是對真是產(chǎn)線的實際仿真模擬，包括設(shè)備形狀、設(shè)備運行狀態(tài)、設(shè)備所屬工位、設(shè)備加工信息等，通過虛擬化將實際生產(chǎn)過程中的各個環(huán)節(jié)在系統(tǒng)中實時體現(xiàn)。

通過自定義的圖形繪制和產(chǎn)品圖庫，將產(chǎn)線、設(shè)備等按照等同效果繪制，并可動態(tài)對應(yīng)顯示PLC實時采集的設(shè)備狀態(tài)和反饋數(shù)據(jù)。同時物料接收、批次進出站等事件產(chǎn)生的物料信息、生產(chǎn)信息也相應(yīng)體現(xiàn)在虛擬產(chǎn)線中。通過鼠標懸停操作可以實時查看生產(chǎn)線當前的批次信息、設(shè)備當前使用的物料信息以及設(shè)備運行的必要參數(shù)信息等。運行顯示如圖6所示。

圖6　虛擬化產(chǎn)線運行圖

(4) 權(quán)限管理

現(xiàn)有權(quán)限管理往往通過單一的授權(quán)方式(如人員職能)進行權(quán)限分配，而且需要在管理后臺進行功能菜單的逐一添加。隨著企業(yè)精益生產(chǎn)的細化分工，要求對系統(tǒng)權(quán)限的設(shè)置越來越靈活，用戶的自定義管理程度不斷提高。

通過將功能菜單在程序發(fā)布時自動存儲于數(shù)據(jù)庫中來減少管理人員在后臺進行配置的操作步驟以及因缺少配置引發(fā)的功能錯誤；同時可根據(jù)用戶本身、用戶角色、用戶權(quán)限等不同的方式進行功能菜單的權(quán)限分配，大大提高管理人員在系統(tǒng)配置時的使用效率。

(5) 產(chǎn)品追蹤

在生產(chǎn)時對產(chǎn)品追蹤成為當前離散型中小企業(yè)面臨的一個難題，“多品種、小批量”的生產(chǎn)特點決定了產(chǎn)品的追蹤和管理困難。通過標簽及隨工單的追蹤模式來解決產(chǎn)品的追蹤問題。使用標簽打印和隨工單打印功能對物料及產(chǎn)品本身、產(chǎn)品外包裝、產(chǎn)品箱號、產(chǎn)品批次等進行標簽貼入，并與工藝流程、生產(chǎn)產(chǎn)線進行綁定處理，實現(xiàn)逆向追溯產(chǎn)品加工過程、使用的物料信息、工位生產(chǎn)人員信息、訂單的生產(chǎn)信息、當前所在生產(chǎn)線、當前生產(chǎn)數(shù)量、當前不合格數(shù)量及原因、當前訂單交貨日期等，確保產(chǎn)品能夠追溯到每一個環(huán)節(jié)。

(6) SQL微型ORM

通過采用輕型對象關(guān)系映射器微型ORM的方式進行SQL語句的編寫和封裝，即簡單又高效，其優(yōu)點如下：

? 沒有依賴性，單個的C#文件可以方便的添加到任何項目中；

? 支持參數(shù)替換，包括從對象屬性中抓取命名的參數(shù)；

? 性能高效，通過Dynamic方法快速為屬性賦值；

? 自動生成T4模板；

? 低耦合的SQLBuilder類，讓內(nèi)聯(lián)的SQL更容易編寫；

? 為異常記錄、值轉(zhuǎn)換器安裝和數(shù)據(jù)映射提供鉤子；

? 支持單元測試。

通過編寫代碼段，在服務(wù)端編寫業(yè)務(wù)邏輯時可以自動生成所需服務(wù)，只需根據(jù)實際需要進行部分的業(yè)務(wù)邏輯的編寫。

(7) 生產(chǎn)看板自定義

生產(chǎn)看板是生產(chǎn)過程動態(tài)監(jiān)控的重要輔助手段，生產(chǎn)人員和管理可以通過生產(chǎn)看板實時看到生產(chǎn)信息。生產(chǎn)看板內(nèi)容的產(chǎn)生與計劃層、執(zhí)行層和控制層均有關(guān)聯(lián)，因此動態(tài)生成看板內(nèi)容成為當前車間生成關(guān)注的重點。采用與報表自定義的相同原理，使用Excel設(shè)計模板和數(shù)據(jù)引擎的模式進行看板動態(tài)的生成，用戶可根據(jù)不同的需求來重新定義顯示內(nèi)容，解決看板內(nèi)容難以自定義的問題。

3　MES測試

MES測試主要針對某廠制造的發(fā)動機前蓋板零部件加工生產(chǎn)車間的管控測試。該廠已上線ERP系統(tǒng)和機床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，但車間生產(chǎn)流程中生產(chǎn)計劃的排產(chǎn)、產(chǎn)品加工和質(zhì)量信息的傳遞、工序、工藝卡以及加工信息統(tǒng)計等均是由人工完成的，生產(chǎn)人員及主管部門無法及時了解生產(chǎn)實時情況，只能通過人工紙質(zhì)統(tǒng)計進行查看，效率低下。通過MES的應(yīng)用，連接ERP和機床聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，可通過生產(chǎn)看板查看當前生產(chǎn)信息，實現(xiàn)對車間生產(chǎn)任務(wù)的實時監(jiān)控。

通過獲取當前車間蓋前板生產(chǎn)的批次、當前工位、投產(chǎn)數(shù)量、當前加工數(shù)量以及生產(chǎn)良率來驗證MES的功能效果，并將獲取的信息顯示在生產(chǎn)看板上，如圖7所示。通過MES客戶端發(fā)起當前車間蓋前板不同批次的生產(chǎn)信息請求，消息中間件服務(wù)監(jiān)控到請求的生產(chǎn)看板服務(wù)類SignBoardServer中SignBoardView方法，將其解析后把消息傳遞給MES服務(wù)端，MES服務(wù)端通過請求將相應(yīng)數(shù)據(jù)返回至MES客戶端來填充生產(chǎn)看板相應(yīng)的生產(chǎn)信息內(nèi)容，消息中間件并以True的狀態(tài)來標識MES客戶端與MES服務(wù)端的請求-應(yīng)答消息通信機制的正確性，同時通過消息中間件可以查看當前服務(wù)端的連接狀態(tài)是否正常。通過對MES的測試，證明其能夠完全滿足生產(chǎn)車間生產(chǎn)任務(wù)的執(zhí)行。

圖7　MES測試實際效果圖

4　結(jié)　語

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+中國制造2025”的開展，對企業(yè)生產(chǎn)車間的MES提出了更高的要求。以離散型制造企業(yè)需求為出發(fā)點，通過消息中間件技術(shù)的使用，使MES具有高度的開放性，能夠與其他信息系統(tǒng)高效集成。同時報表自定義、流程自定義、虛擬化產(chǎn)線和生產(chǎn)看板自定義的應(yīng)用讓MES更加適應(yīng)于離散型制造企業(yè)，為解決“多品種、小批量”的生產(chǎn)難題提供了良好的解決途徑。

當然，MES要想得到更好的應(yīng)用，還有大量工作要做，如基于智能算法的排產(chǎn)、工作流技術(shù)的使用以及知識庫的構(gòu)建等。

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DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFMESSAGE-ORIENTEDMIDDLEWARE-BASEDMANUFACTURINGEXECUTIONSYSTEM

ZhangZhengShiShouchuang

(LianyungangJariDeepSoftTechnologyCo.,Ltd,Lianyungang222006,Jiangsu,China)

Throughanalysingthecharacteristicsoftraditionaldiscretemanufacturingproductionandtheadvantages&disadvantagesofmanufacturingexecutionsystem(MES)athomeandabroadinitsuser-defineddegreeandopenness,combiningtheprincipleandmechanismofmessage-orientedmiddlewareweproposedthemessage-orientedmiddleware-basedMESarchitecture.TheMEScanrealisefunctionssuchasdistributeddeployment,messageserviceagentandunifiedmessagingmanagement.Besides,ithasthekeytechnologiesincludingreportself-defining,processself-defining,productionlinesvirtualisationandmanufacturingKanbanself-defining,etc.ThroughtestingandacquiringthemanufacturingKanbaninformationintheworkshopmanufacturingandprocessingsparepartsofaheadblindflangeofengines,itisprovedthatthedesignofMESbasedonmessage-orientedmiddlewarecanprovideefficientandreliablesolutionfortheproductionmodewithmultiplevarietiesandsmallbatch.

Message-orientedmiddlewareManufacturingexecutionsystem(MES)Discretemanufacturing

2015-07-07。張政，工程師，主研領(lǐng)域：軟件工程，室內(nèi)定位。侍守創(chuàng)，工程師。

TP

ADOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.10.026