企業(yè)控制系統(tǒng)集成中的對象模型及應(yīng)用

郭 棟，尹作重，秦修功，杜 峻，范 維

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

企業(yè)控制系統(tǒng)集成中的對象模型及應(yīng)用

郭 棟，尹作重，秦修功，杜 峻，范 維

（北京機械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

針對企業(yè)控制系統(tǒng)集成中企業(yè)行為與控制行為之間接口存在的風(fēng)險、高成本與不可避免的差錯，對系統(tǒng)集成中的人員模型、設(shè)備模型、物料模型、過程段模型、生產(chǎn)能力模型、過程段能力模型、產(chǎn)品定義模型、生產(chǎn)調(diào)度模型、生產(chǎn)績效模型等9個模型進行了規(guī)范化，進而以人員模型為例，詳解其應(yīng)用，從而可降低相應(yīng)的風(fēng)險、成本和差錯，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的綜合自動化。

對象模型；企業(yè)控制系統(tǒng)集成；對象模型屬性

0 引言

隨著計算機、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，全球市場逐漸形成，企業(yè)間的競爭空前加劇。處在競爭中的生產(chǎn)企業(yè)必須降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、完善售后服務(wù)，才能在市場中占有一席之地。這要求各個生產(chǎn)企業(yè)采用系統(tǒng)集成、信息集成的觀點來組織整個生產(chǎn)過程，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的綜合自動化[1]。

企業(yè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的系統(tǒng)集成研究與開發(fā)已經(jīng)有十多年的歷史，期間涌現(xiàn)很多的學(xué)派和描述模型，開發(fā)的系統(tǒng)數(shù)不勝數(shù)[1]。但人們對企業(yè)信息化和系統(tǒng)集成的標準研究不夠，更不用說在應(yīng)用中去遵循統(tǒng)一標準，為了改變這一普遍存在的現(xiàn)象，降低與實施這些接口有關(guān)的風(fēng)險、成本和差錯，對企業(yè)控制系統(tǒng)集成對象模型進行規(guī)范化。

本文首先對企業(yè)控制系統(tǒng)集成中的對象模型進行簡要介紹，包括對象模型的屬性、結(jié)構(gòu)和涉及到的數(shù)據(jù)關(guān)系，其次詳細闡述了企業(yè)控制系統(tǒng)集成中九種對象模型，并描述這些對象模型的資料性關(guān)系，最后舉例說明對象模型的具體應(yīng)用。

1 企業(yè)控制系統(tǒng)集成對象模型簡介

1.1 概述

在企業(yè)和控制的集成系統(tǒng)中，信息穿過企業(yè)與控制系統(tǒng)的接口，在各相關(guān)的功能塊之間流動。信息主要分為三類：生產(chǎn)能力信息、生產(chǎn)定義信息、生產(chǎn)信息。標準以對象模型的形式定義信息，用各個對象的屬性描述具體信息。

1.2 對象模型屬性

獨立于企業(yè)的信息的最小集被定義為屬性。然而，所有屬性的值可能并不需要依賴于模型的實際使用。對于特殊的應(yīng)用，對象模型中所定義的對象也需要擴展，它可以通過在對象類的定義上附加屬性來實現(xiàn)，這使得屬性具有了可擴展性。這樣的解決方法通過使用標準的屬性增加了可用性，又通過使用特性令柔性和可擴展性成為可能。

1.3 對象模型結(jié)構(gòu)

對象模型是用統(tǒng)一建模語言（UML）符號表示法描述的。

表1定義了對象圖中所用的UML符號。

1.4 數(shù)據(jù)關(guān)系

在對象模型圖表中并沒有充分闡明用于參照其他包中資源的模型。這種模型使用類或?qū)嵗?，并通過屬性附加可選的規(guī)范。其數(shù)據(jù)關(guān)系并沒有遵守統(tǒng)一建模語言（UML）的建模方法，可是它令建好的圖表更加簡潔。圖1的左邊說明了關(guān)系模型的一般表現(xiàn)形式，而圖1的右邊說明了在UML中是如何更加準確的建模的。作為一種可視化方法，UML在本標準中被使用，可是它并不描述執(zhí)行情況。下面的對象和它們與另一個包的關(guān)系就采用了簡化的關(guān)系圖方法來表現(xiàn)，如表2所示。

表1 UML所用的符號

表2 對象關(guān)系表

一致性關(guān)聯(lián)由以下四種可能關(guān)聯(lián)中的一種（并且僅僅是一種）決定，即：和資源類定義的關(guān)聯(lián)；和資源類定義以及資源類特性的關(guān)聯(lián)；和資源定義的關(guān)聯(lián)；和資源定義以及資源特性的關(guān)聯(lián)。

在上面的模型中，“資源類”這個術(shù)語包含：人員類、設(shè)備類、物料類和物料定義。術(shù)語“資源”包括：人、設(shè)備、物料批量和物料分批量。術(shù)語“資源能力”指資源在能力模型、過程段能力模型、過程段模型、產(chǎn)品定義模型、生產(chǎn)調(diào)度模型和生產(chǎn)績效模型中的使用。

2 企業(yè)控制系統(tǒng)集成中的對象模型

在選定的時間內(nèi)，生產(chǎn)過程設(shè)計的所有資源統(tǒng)稱為生產(chǎn)能力信息。它是關(guān)于設(shè)備、材料、人事和過程分段的信息，有人員模型、設(shè)備模型、物料模型、過程段模型、生產(chǎn)能力模型、過程段能力模型、產(chǎn)品定義模型、生產(chǎn)調(diào)度模型和生產(chǎn)績效模型九個模型。

2.1 人員模型

人員模型包括具體人員、人員類、人員特性、人員類特性、資格測試規(guī)范和資格測試結(jié)果六個方面的信息，如圖2所示。

2.2 設(shè)備模型

設(shè)備模型包括特定設(shè)備的信息、設(shè)備特性、設(shè)備的類、設(shè)備類特性、設(shè)備能力測試規(guī)范、設(shè)備能力測試結(jié)果、關(guān)于設(shè)備的維護信息、維護工作通知單和維護響應(yīng)九個方面信息，如圖3所示。

圖1 詳細的關(guān)系模型

圖2 人員模型

2.3 物料模型

物料模型包括物料類、物料類特性、物料定義、物料定義特性、物料批量、物料批量特性、物料分批量、質(zhì)量保證試驗規(guī)范和質(zhì)量保證試驗結(jié)果9個方面的信息，如圖4所示。物料信息包括原材料，制成物料和中間物料的庫存量。當前的物料信息包含在物料批量和物料分批量信息內(nèi)。物料類用來組織物料。

2.4 過程段模型

一個過程段是人力資源、設(shè)備資源和完成一個生產(chǎn)步驟所需的物料的邏輯分組。過程段定義了所需的人員、設(shè)備和物料的類，和/或也許給出諸如所需要的特定設(shè)備那樣的特定資源。同時，過程段也可列出所需資源的數(shù)量。過程段模型對象包括過程段、人員段規(guī)范、人員段規(guī)范特性、設(shè)備段規(guī)范、設(shè)備段規(guī)范特性、物料段規(guī)范、物料段規(guī)范特性、過程段從屬性和過程段參數(shù)九個方面的信息，如圖5所示，它闡明了人員、設(shè)備和物料模型之間的關(guān)系，又附加了一個對象以包含過程段從屬性。

圖3 設(shè)備模型

圖4 物料模型

2.5 生產(chǎn)能力模型

生產(chǎn)能力信息是為生產(chǎn)的所有資源對所選用次數(shù)的信息的匯集。這是由有關(guān)設(shè)備、物料、人員和過程段的信息組成的。生產(chǎn)能力描述了制造控制系統(tǒng)已知道的名字、術(shù)語、狀態(tài)和數(shù)量。生產(chǎn)能力信息包含用于產(chǎn)能調(diào)度和維護信息的詞匯表。一種生產(chǎn)能力是對于一個給定的時間段（目前或今后）的人員能力、設(shè)備能力、物料能力和過程段能力的匯集，并作為承擔的、可利用的和難以達到的等類別列出。生產(chǎn)能力模型包括生產(chǎn)能力、人員能力、人員能力特性、設(shè)備能力、設(shè)備能力特性、物料能力和物料能力特性7個方面的信息，如圖6所示，它闡明了人員、設(shè)備和物料模型之間的關(guān)系。

2.6 過程段能力模型

圖5 過程段模型

圖6 生產(chǎn)能力模型

對一個特定時間、對一個給定的過程段承擔的、可利用的、或難以達到的人員資源、設(shè)備資源和物料的邏輯分組的表示法被稱為一種過程段能力。過程段能力模型包括過程段能力、人員段能力、人員段能力特性、設(shè)備段能力、設(shè)備段能力特性、物料段能力和物料段能力特性7個方面的信息，如圖7所示，它闡明了過程段、人員、設(shè)備和物料模型之間的關(guān)系。

圖7 過程段能力

2.7 產(chǎn)品定義模型

產(chǎn)品定義信息是生產(chǎn)規(guī)則，物料清單，以及資源清單之間共享的信息。這三個外部模型用圖8中的包表示，該模型包括產(chǎn)品定義、制造清單、產(chǎn)品段、產(chǎn)品參數(shù)、人員規(guī)范、人員規(guī)范特性、設(shè)備規(guī)范、設(shè)備規(guī)范特性、物料規(guī)范、物料規(guī)范特性和產(chǎn)品段從屬性11個方面的信息。

2.8 生產(chǎn)調(diào)度模型

生產(chǎn)調(diào)度是一種生產(chǎn)請求。一個生產(chǎn)調(diào)度是由一個或者多個生產(chǎn)請求組成的。生產(chǎn)請求是為一個由生產(chǎn)規(guī)則標識的產(chǎn)品要求生產(chǎn)的請求。生產(chǎn)請求包含為了完成調(diào)度生產(chǎn)制造所需的信息。生產(chǎn)請求至少包含一個段要求，即使它跨越了產(chǎn)品的整個生產(chǎn)階段。生產(chǎn)調(diào)度模型包括生產(chǎn)調(diào)度、生產(chǎn)請求、段要求、生產(chǎn)參數(shù)、人員要求、人員要求特性、設(shè)備需求、設(shè)備需求特性、已生產(chǎn)物料要求、已生產(chǎn)物料要求特性、已消耗物料要求、已消耗物料要求特性、預(yù)期消耗品、預(yù)期消耗品特性和請求段響應(yīng)十五個方面的信息，如圖9所示，清楚地說明了產(chǎn)品段、過程段、人員、設(shè)備以及物料模型之間的關(guān)系。

2.9 生產(chǎn)績效模型

生產(chǎn)績效是一個關(guān)于所請求生產(chǎn)的報告，也是生產(chǎn)響應(yīng)的集合。生產(chǎn)響應(yīng)是指與生產(chǎn)請求相關(guān)聯(lián)的制造響應(yīng)。如果生產(chǎn)設(shè)備需要將生產(chǎn)請求劃分成更小的工作單元，那么一個生產(chǎn)請求就會有一個或者多個生產(chǎn)響應(yīng)。生產(chǎn)績效模型包括生產(chǎn)績效、生產(chǎn)響應(yīng)、段響應(yīng)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、實際人員、實際人員特性、實際設(shè)備、實際設(shè)備特性、實際已生產(chǎn)物料、實際已生產(chǎn)物料特性、實際消耗的物料、實際消耗的物料特性、實際消耗品和實際消耗品特性十四個方面的信息，如圖10所示，并且加入了產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)則，以及闡明了人員、設(shè)備、物料模型之間的關(guān)系。

圖8 產(chǎn)品定義模型

圖9 生產(chǎn)調(diào)度模型

圖10 生產(chǎn)績效模型

3 對象模型的關(guān)系

圖11給出了對象模型之間相互關(guān)聯(lián)的參考資料性說明[2]。生產(chǎn)信息給出了在制造什么和在使用什么的信息。它的元素相當于生產(chǎn)調(diào)度中列出的制造什么和使用什么的信息。生產(chǎn)調(diào)度的要素對應(yīng)于表示制造一種產(chǎn)品所規(guī)定的產(chǎn)品定義中的信息。產(chǎn)品定義要素對應(yīng)于過程段描述中的信息，它給出靠這些生產(chǎn)資源能做些什么。

圖11中的斜矩形表示任何資源（人員、設(shè)備或者物料），或者資源特性。

4 應(yīng)用實例

4.1 人員的UML模型

UML模型是商務(wù)系統(tǒng)、制造操作以及控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的軟件獨立描述。UML依賴于面向?qū)ο蠓椒▽W(xué)。簡單地講，面向?qū)ο蟀?、子類以及實?對象)。類可以是“車”，而實例可以是“Mine夫人的車”或者“我的車”。一個類具有屬性，實例具有屬性的值，例如類“車”有一個屬性“牌照”，而實例“Mine夫人的車”具有屬性“牌照為ABC 123”。

圖11所示人員模型即為人員UML模型。

4.2 帶有屬性的人員類實例

圖11 對象模型內(nèi)部關(guān)系

圖11 人員UML模型

如圖11所示的模型是圖2的一份復(fù)制，一共定義了6個類，即：人員、人員類、人員特性、人員類特性、資格測試規(guī)范、資格測試結(jié)果。本部分為這6個類中的每一個定義屬性。

表3為人的屬性。

表3 人的屬性

這意味著，人員類應(yīng)該有ID、Description以及Name屬性。

圖12顯示了帶有屬性的人員類，并且有兩個實例，即John Smith以及Lou Brown。

圖12 人員類的實例

相同的有另外一個類“人員類”（人員類應(yīng)該被看作人員的分組或者分類）。所使用的實例依賴于應(yīng)用程序，但是可以是下面的例子：工程師、夜班工人、磨床操作工人等。

4.3 XML描述實例

這是一個人員模型簡化的示例，可以應(yīng)用在石油化學(xué)制品行業(yè)。示例列出了人員類和人員的共享信息，包括資格測試信息。

人員類

ID – 操作人員水平A

描述(Description) – 石油化工制品廠認證最高水平操作人員。

ID – 操作人員水平B

描述(Description) – 石油化工制品廠認證基本水平操作人員。

ID – 操作人員

描述(Description) – 石油化工制品廠操作人員

特性(Properties)

ID – MTBE平均錯誤間隔時間過程認證

描述(Description) – 每一個完整的認證測試水平

值(Value) – TRUE, FALSE

度量單位(Units of Measure) -

資格測試規(guī)范(Qualifcation Test Specifcation)

ID – PC-MTBE-992828

描述(Description) – 決定MTBE 認證水平的測試

版本(Version) – 1997-04-02

ID – PO精練水平認證的測試（PO Refning Process Certifcation）

描述(Description) – 每一個完整的認證測試水平

值(Value) – TRUE, FALSE

度量單位(Units of Measure) -

資格測試規(guī)范(Qualifcation Test Specifcation)

ID – PC- PO-Refning -992828

描述(Description) – 決定PO精練水平認證的測試。

版本(Version) – 1997-04-02

ID – Push-Up Certifcation上推認證

描述(Description) – 操作人員暫時能夠進行高層作業(yè)

值(Value) – TRUE, FALSE

度量單位(Units of Measure) -

人員

ID – 999-63-8161

描述(Description) -

姓名(Name) – John Doe

特性(Properties)

ID – MTBE 過程認證

描述(Description) – 每一個完整的認證測試水平

值(Value) – 真

度量單位(Units of Measure) -

資格測試結(jié)果(Qualifcation Test results)

ID – PC-MTBE-992828-2000-10-12

描述(Description) – 決定MTBE 認證水平的測試。

結(jié)果(Result)– 通過

到期(Expiration) – 2000-12-15

ID – PO精練水平過程認證（PO Refining Process Certifcation）

描述(Description) – 每一個完整的認證測試水平

值(Value) – 假

度量單位(Units of Measure) -

ID – 上推認證

描述(Description) – 操作人員暫時能夠進行高層作業(yè)

值(Value) – 假

度量單位(Units of Measure) –

ID – 合格的消防團隊

描述(Description) – 操作人員被訓(xùn)練來輔助消防

值(Value) – 真

度量單位(Units of Measure) -

人員類(Personnel Classes)

ID – 操作人員

ID – B級操作人員

ID – 合格的消防團隊

5 結(jié)束語

通過對企業(yè)控制系統(tǒng)集成中的對象模型進行規(guī)范化，并對這些對象模型存在的資料性關(guān)系進行描述，并對對象模型的應(yīng)用XML進行闡述，從而可以降低與實施這些接口有關(guān)的風(fēng)險、成本和差錯，提高生產(chǎn)過程自動化程度，進而提高企業(yè)競爭力。

[1] 冷杉,黃榕華.企業(yè)與控制系統(tǒng)集成標準研究[A].中國自動化學(xué)會制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)在管控一體化中的作用研討會[C].2007.

[2] 國際電工委員會. Enterprise control system integration – Part2: Object model attributes[S].IEC 62264-2:2013.

Objects and applications for enterprise-control system integration

GUO Dong, YIN Zuo-zhong, QIN Xiu-gong, DU Jun, FAN Wei

TP29

：A

1009-0134(2017)01-0138-11

2016-12-22

國家支撐計劃項（2015BAF17B01）

郭棟（1989 -），男，山西襄汾人，碩士，研究方向為制造業(yè)信息化。