生產制造執行系統與虛擬仿真系統集成標準
1 范圍
本標準定義了生產過程與虛擬仿真系統的功能架構以及接口技術,并規定了各組成系統之間的接口信息。
本標準適用于企業信息化系統建設階段,主要為企業智能制造信息化系統的部署與實施提供框架性指導,確保系統數據的連通性,降低企業運營成本,
注:本標準主要針對制造企業的生產過程和虛擬仿真,對于數據采集監控系統、質量分析系統等信息化系統有借鑒意義。
2 規范性引用文件
下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。
GB/T 19892.1-2005  批控制 第1部分:模型和術語(IEC 61512-1 : 1997,IDT)
GB/T 25485-2010 工業自動化系統與集成 制造執行系統功能體系結構
GB/T 19659.1-2005 工業自動化系統與集成 開放系統應用集成框架 第1部分: 通用的參考
描述( ISO15745-1:2003,IDT)
3 術語和定義
GB/T 19892.1-2005、GB/T 25485-2010 和 GB/T 19659.1-2005界定的以及下列術語和定義適用與本部分。
3.1 制造業 manufacture
對制造資源(物料、能源、設備、工具、資金、技術、信息和人力 等), 按照市場要求, 通過制造過程, 轉化為可供人們使用和利用的工業品與生活消費品的行業
3.2 制造業信息化 manufactureinformation
制造企業信息化的簡稱。 制造業信息化將信息技術、 自 動化技術、 現代管理技術與制造技術相結合, 可以改善制造企業的經營、管理、產品開發和生產等各個環節, 提高生產效率、產品 質量和企業的創新能力, 降低消耗, 帶動產品設計方法和設計工具的創新、企業管理模式的創新、制造技術的創新以及企業間協作關系的創新, 從而實現產品設計制造和企業管理的信息化、生產過程控制的智 能化、制造裝備的數控化以及咨詢服務的網絡化, 全面提升我國制造業的競爭力。
3.3 應用集成applicationintegration
一種由 分立的應用實現分立的功能, 但在各應用之間存在通信和數據傳遞的狀態。這種應用組合, 具有增添、修改和刪除各種處理功能等柔性而不引 起對組合系統的破壞。
[GB/T18725—2008, 定義3.19]
3.4 集成框架 integrationframework
為某給定應用域中的應用集成和生命周期信息共享提供一個通用環境模型的軟件系統, 它使應用
域內的各類應用進行信息集成、功能集成和過程集成。
3.5 信息交換集成模型 Information ExchangeIntegration Model ; IEIM
在支持應用過程的資源之間交換的應用信息的語義和語法描述。
[GB/T18725—2008,定義3137]
3.6 數字化制造 digitized manufacturing
一種利用數字化定量表述、存儲、處理和控制方法, 支持產品生命周 期和企業的全局優化的制造技術。 它是在計算機網絡技術與制造技術的不斷融合、發展和廣泛應用的基礎上產生的技術。 其內 涵可以包括:
a )CAD/CAM/CAE 為主體的技術;
b )以 MRP-Ⅱ、MIS、 PDM為主體的制造信息支持系統;
c )數字控制制造系統等
3.7 Web Service
Web Service是一個平臺獨立的,低耦合的,自包含的、基于可編程的web的應用程序,可使用開放的XML標準通用標記語言下的一個子集)標準描述、發布、發現、協調和配置這些應用程序,用于開發分布式的交互操作的應用程序。
3.8 制造執行系統 Manufacturing ExecutionSystems ; MES
生產活動管理系統, 該系統能啟 動、指導、響應并向 生產管理人員 報告在線、實時生產活動的情況。
 
4 縮略語
CAD Computer Aided Design 計算機輔助設計
CAM Computer Aided Manufacturing 計算機輔助制造
CAE Computer Aided Engineering 計算機輔助工程
MES Manufacturing Execution System 制造執行系統
SCADA Supervisory Control And Data Acquisition 數據采集與監視控制
AGV Automated Guided Vehicle 自動導引小車
WMS Warehouse Management System 倉儲管理系統
DAO Data Access Object 數據庫訪問對象
XML Extensible Markup Language 可擴展標記語言
RAID Redundant Arrays of Independent Disks  磁盤陣列
EJB Enterprise JavaBean 企業級服務組件
DCOM Distributed Component Object Model 分布式組件對象模型
SOAP Simple Object Access Protocol 簡單對象訪問協議
HTTP Hyper Text Transfer Protocol 超文本傳輸協議
WSDL Web Services  Description  Language 網絡服務描述語言
JDBC Java Database Connectivity Java數據庫連接
ODBC Open Database Connectivity 開放數據庫連接
OLE Object Linking and Embedding 對象連接與嵌入
 
5 系統集成的關鍵技術
5.1 系統集成的綜述
所謂生產過程與虛擬仿真系統集成,就是指在結構化的綜合布線系統與計算機網絡技術的基礎上,將生產過程各個分散的設備、 功能和信息等集成到相互關聯的、 統一與協調的系統之中,使資源達到有效的交互與共享,從而實現集中、高效、便利的管理。 通過系統之間的集成, 能夠充分的利用現有系統的功能, 并能更好的解決不同系統之間的數據與資源的共享問題。
系統的應用集成可以使用功能集成、網絡集成、軟件界面集成等多種進行系統集成的技術。通過這些技術的應用,可以有效的實現數據的集成、功能的集成以及軟件界面的集成,也很好的解決了不同的系統之間的互連和互操作性問題,從而達到集成的目的。
5.2 系統集成的原則
為了保證集成后的信息系統能夠滿足用戶的各種需求以及系統開發本身的需要, 信息系統集成采用的相關技術和設計一般要遵循以下原則。
(1)先進性原則
先進性原則就是前瞻性。系統的先進性是在技術先進性基礎上的,只有采用先進的技術才會有比較強的發展生命力,從而能夠更好的確保系統具有長期的使用壽命和技術上的優勢。對于一個企業來說用, 需要花費很多的財力、物力和人力來完成一套信息系統的開發,如果是用不了幾年就過時了,是對資源的嚴重浪費。因此,為了使新的系統能適應較長時期內業務、 技術的發展變化和系統使用的持久性, 要使用足夠先進的技術來進行系統的開發。如可以采用先進的計算機技術來提高系統的可靠性,如容錯容災、 雙機熱備、雙機互備、RAID等技術;可以采用先進與成熟的網絡技術來滿足系統未來性能的需求, 如光交換、 無線接入、統一網管等技術。
(2)實用性原則
實用性原則就是集成的系統要能夠在最大程度上滿足實際工作的需要, 它是系統建設過程中的一個重要準則。系統集成過程中不能片面要求某一方面性能達到最優,而是盡可能的實現整體上的最優。 尤其要避免一些錯誤的認識,例如認為技術越先進、性能越強、價格越便宜等。因為這樣會帶來新的問題,如技術太先進將會造成成本很高;性能越強大將會導致資源的巨大浪費;價格越便宜將會使系統過快淘汰。
因此,為了使系統更加實用,可以采取一些措施來保證這一原則。如在系統設計階段要充分了解用戶的各方面需求、所處的業務層次以及各管理環節中數據的處理方式, 以客戶的需求作為主要因素; 在技術方案上可以使用先總體設計,再分布進行實施的方式; 用戶界面和接口的設計要充分考慮視覺、 觸覺等人體特征,足夠人性化,界面設計要整潔美觀,操作要簡單方便等。
(3)可維護與可擴充性原則
系統開發完成后,就進入了系統的維護階段,同時,可以根據需要對系統進行擴展來滿足新的需求。 這一階段是一種軟件的使用周期中最長的階段,因此,必須保證所開發的系統能夠很方便的進行擴充和維護,它也是系統性能的一個重要指標。為了實現這一目的,在系統集成過程中可以采用參數化的方式來配置所需的軟件、硬件以及其它的相關參數的功能。并且軟件在選用模塊化的結構時,一定要擁有非常好的移植性與維護性,還要很好的設計數據的結構等。
(4)可靠性原則
系統的可靠性也就是系統要具有抵抗系統故障的能力,從而減少或消除故障帶來的損失。系統投入運行以后,由于設計的缺陷、操作異常以及停電等因素的影響,不可避免的會產生故障。系統的故障有可能給用戶帶來很大的損失,所以在系統的開發與設計中,必須保證具有較高的可靠性。比較常用的保證系統可靠性的方式有冗余、備份、容錯以及故障管理等技術。如采用雙機熱備份的硬件配置方案, 可以在出現故障時及時進行恢復;采用容災數據備份與恢復、故障處理等方式來消除故障影響。
(5)安全性原則
信息系統是對企業的數據進行管理的,這些數據是一個企業的機密文件,是絕對不能隨意泄露的, 否則將會帶來重大的損失。因此,系統的安全性是非常重要的,必須在設計階段予以充分的考慮,并采用有效措施才提高安全性??梢圆捎冒踩墑e高的產品,如采用專用的操作系統,數據庫選用Sybase、informix、oracle等;采用有效的安全防范技術,如加密技術、防火墻技術等;盡可能使用具有自
主知識產權的軟硬件產品。
(6)經濟性原則
成本過高的預算將會嚴重阻礙系統集成工作的順利進行。由于企業的資源是有限的,若在系統集成的過程中投入過高,必然會影響企業的正常運行,對企業來說,這是不合算的。因此,系統的集成要在能夠實現客戶需求的前提條件下,應該盡量的減少成本的支出。
5.3 系統集成技術
5.3.1 Web Service技術
1. Web Service概述
按照W3C的定義,Web Service是一個軟件系統, 用來實現網絡間不同機器的互動操作。 網絡服務一般是由很多的API所構成的, 它們可以通過網絡的方式, 如internet的遠程服務器端, 來完成用戶發出的服務請求。 Web Service提出了一種分布式計算模式,這種模式是面向服務的。由于Web Service技術所使用的協議非常簡單和靈活, 遠程服務所訪問的數據表示和語義定義均采用的是xml格式,并且消息的格式又采用最為常見的http消息格式綁定的形式。這樣有效的解決了客戶和服務之間的系統異構與服務所提供的語言的不同。
為了實現跨平臺的互操作功能,web服務是建立在xml技術基礎上的,不僅獨立于系統開發平臺,而且獨立于軟件提供商的標準,是建立可互操作與分布式應用程序的新平臺。 web服務是一種部署在web上的對象/組件,作為系統的核心, 它具有以下幾個特征。
(1)封裝性能好:對于用戶來說,它只能看到該對象所提供的服務列表。這是因為web服務就是一種對象,并且它是部署在web上,于是自然就擁有了對象的很好的封裝性。
(2)耦合松散性: 對于耦合松散性, 就是當有些web服務的實現有所變化時,用戶將感受不到這一變化,換句話說,只要web服務的使用界面不發生變化,對web服務所做的改變, 甚至是把web服務的實現平臺從.NET平臺更換到J2EE平臺或是與此相反的遷移過程,用戶可能感受不到這些變動。它的這一特征是來源于組件/對象技術。為了實現在網絡環境下的松散耦合,則需要與此相對應的交換協議,SOAP/XML就是當今來說非常適合的消息交換協議。
(3)協議的規范性:它的這個特征是來自于對象的,然而它的界面要比對象更能夠方便的讓機器理解和擁有更好的規范性。首先,Web服務要采用非常標準化的描述語言例如WSDL語言,來進行描述對象界面的所有功能;然后,要可以找到那些由標準描述語言所描述好的服務界面, 也就是說要把那些服務界面的描述文檔存儲在注冊庫里面的。再次,為了滿足松散耦合所需要環境的安全性,可以采用諸如數據完整性驗證比如簽名機制、授權機制以及消息源頭驗證等非常規范的方法來進行傳輸、描述和交換; 最后,對管理協約也要采用同樣的機制,以達到使各個層次的處理都具有可管理性。
(4)集成能力高:因為Web服務都是采用的便于理解、復雜度低的標準的Web協議來當作協同描述規范與組件界面描述,這樣就使的各種各樣軟件開發平臺之間的區別被徹底屏蔽,不管是EJB技術、 還是CORBA規范、又是DCOM技術它們都能根據這一種標準的協議來完成互操作,從而實現了在現有條件之下可集成性能最高。
(5)高度開放性:Web服務具有跨平臺性和跨語言性,能夠很好的與其他Web服務進行共享和交互。
設備層是遠程運維服務數據產生的源頭,絕大多數與設備運維相關的業務數據均產生于此。在此層需要采集人員、設備、工藝、故障、能源、物料、環境等多樣化的數據,同時接收現場控制層傳遞的數據。
2. Web Service的原理
一個完整的Web Service包括三種不同的邏輯組件:Web Service注冊中心(UDDI Registry)、 服務請求者(Web Service Client Endpoint)和服務提供者(Web Service Server Endpoint)其中服務提供者對服務進行描述,并進行注冊以使服務可以被使用。服務注冊中心相當于中問人的身份,作為服務提供者與服務請求者之間的媒介為它們進行服務。服務的請求者通過注冊中心對所需的服務進行查詢,然后向服務提供者請求調用所需的服務,從而獲得需要的服務功能。其具體的體系模型如圖1所示。

圖1 Web Service體系模型
這些組件一起作用于Web服務軟件模塊及對其進行描述。 Web服務的體系架構的成員有三個
(1)服務的請求者(Service request):服務的請求者也就是需要使用服務功能的用戶,它可以向Web服務注冊中心發出查找所需要的服務的請求來進行服務的定位。并且向服務提供者發送獲取相應的服務的請求。
(2)服務的提供者(Service request): 服務提供者也就是服務供應商,它們通常在注冊中心發布自己所提供的服務,并且對需要使用這些服務所發出的請求予以響應, 并為其提供相應的服務。
(3)服務注冊中心(Service Register): 所謂服務注冊中心就是把服務的請求者與相應的服務提供者綁定在一起,從而實現服務的提供。服務注冊中心主要能對服務提供者的服務進行發布,并且提供對這些服務的查詢與檢索。
Web服務的三種組件之間有服務注冊、 服務定位和服務調用三種操作。
(1)發布(publish):服務的提供者把自己所能提供的服務在注冊中心進行注冊。該操作對服務進行一定的描述與注冊。在發布的過程中,服務的提供者可以增加Web service, 也可以刪除Webservice。
(2)查詢(find): 也就是服務的請求者通過向注冊中心提出對所需服務的查詢請求, 從而找到合適的服務。 Webservice注冊中心通過使用規范的接口的形式來接收服務請求者所發出的查詢請求。 一般使用的方式是, 服務的請求者按照一般的行業分類標準來進行瀏覽, 或者使用關鍵字來進行檢索并漸漸的縮小查找的范圍, 最終找到合適的服務而停止。
(3)綁定(bind): 服務的具體實現: 分析從Webservice注冊中心得來的調用該服務的詳細的綁定信息, 這些信息主要有具體訪問路徑、返回值、所需要的參數、網絡協議以及安全等級等內容。 按照得到的詳細信息, 服務的請求者就能夠通過編程的方式來完成對所需服務的調用。
Webservice的組成:
(1)服務: Webservice是一個用服務描述語言進行描述的接口, 服務描述的達成也就是這個服務。 服務的實質就是軟件功能模塊, 它可以配置在服務的供應者所提供的相應平臺之上, 通過Web的方式可以進行訪問。 服務的目的就是與服務的請求者就行交互, 也可以讓服務的請求者進行調用而實現相關的功能。
(2)服務描述: 服務描述的內容包括服務的相關接口與具體的實現部分。具體的內容有服務的數據形式、綁定信息以及相關操作。此外,還有那些為了使服務的請求者更加容易查詢與使用的分類。 服務描述通常是用來發布給注冊中心或者服務的請求者的,來更好的實現服務。
3. Webservice的關鍵技術
通俗地講, Webservice=SOAP+HTTP+WSDL。 其中, SOAP(即簡單對象訪問協議)技術是Webservice的主體部分, SOPA也就是一種比較簡單的、輕量級的網絡傳輸協議,它采用的是XML編碼技術來實現信息交換集成模型。 WSDL(即Web服務描述語言)是一種基于XML技術的語言, 用來定義和描述Web服務。 這種語言以http的方式對人們進行發布, 以此來通知用戶端程序針對某個Web服務的URL信息, 參數或者返回的結果等。
Webservice采用的關鍵技術主要有XSD/XML Schema、SOAP協議、 UDDI和Http等。 它是采用XSD/XML來描述數據結構和類型, 采用SOAP來表示信息傳輸協議, 采用WSDL進行內容描述, 采用UDDI的方式來進行表述、發現與集成Webservice。
5.3.2 數據庫技術
1. 數據庫系統
數據庫就是長期存放在計算機內的有組織的可共享的數據集合, 并且可以被多用戶所共享。 數據庫系統作為計算機系統的重要組成部分, 它的核心就是數據庫管理系統, 數據庫管理系統是對數據進行管理的大型軟件系統。
隨著數據庫技術的快速發展,目前市場上出現了很多種數據庫產品,主要分為以下幾類:對象型數據庫系統、關系型數據庫以及對象-關系型數據庫等。 其中,使用最多、運用最普遍的是關系型數據庫系統, 也是技術非常成熟的數據庫產品之一。 許多的企業管理系統都是使用關系型數據庫來進行數據存儲的, 大大提高了數據的獨立性和共享性。
目前, 關系型數據庫是市場上數據庫管理系統的主要產品, 運用非常普遍。而面向對象的數據庫具有易開發和易維護的特點, 但是還沒有比較成熟和高性價比的產品。 國內外的關系型數據庫管理系統有Informix、 Sybase、 MySQL、 SQL Server、Oracle和Ingress等其中, SQL server可以通過Web技術可以實現對數據輕松安全的訪問,擁有很強的、靈活的、在Web基礎上的和安全的應用程序管理等。 并且,由于其具有易操作性、界面友好、成本低廉等優點,在用戶中非常受歡迎。
2.幾種常用的數據庫接口技術
在系統開發中, 應用程序并不是直接與數據庫相連的, 而是通過一定的中間件來實現的。 數據庫中間件在所有的中間件中是使用最普遍, 技術最為成熟的一種。 數據庫接口技術也就是中間件技術的一種, 對于SQL Server數據庫來說, 其比較常用的數據庫接口技術有ODBC技術、 DAO技術、OLE DB技術和JDBC技術等。
ODBC就是開放性數據庫互聯, 它提供了一組標準應用程序API接口, 用來訪問數據庫。 ODBC技術作為在數據庫基礎上的中間件標準, 是1992年微軟和和Digital、Sybase共同制定的, 它能夠很好地實現應用程序與數據庫的通訊, 并提供了一組存取數據庫的標準應用接口, 使應用程序能夠統一地訪問異構數據庫,改變數據庫廠家驅動程序接口互不相同的局面。 由于目前幾乎所有的關系數據庫都具有ODEC驅動程序, 因此就使用API接口可以訪問這些數據庫。 其優點是穩定并執行良好, 但是僅支持關系數據庫以及傳統的數據庫類型,不支持非傳統的數據文件。
DAO也就是數據訪問對象, 它主要采用Microsoft Jet數據庫引擎對數據庫進行訪問, 也提供相應的API接口。 它主要是用來訪問Acess數據庫的, 且DAO是嚴格按照Acess建模的,因此, DAO是連接Acess數據庫最好的方式。 雖然也可以實現與關系數據庫的連接, 但是執行速度緩慢。
OLE DB就是對象連接與嵌入數據庫, 能夠很好的解決與非傳統數據源的連接。 OLE DB是微軟公司新開發的訪問數據庫的技術, 它是基于COM接口技術,并能夠讓應用程序通過這一技術來訪問存取各種各樣的數據源。 OLE DB具有ODBC的功能, 并可以對SQL、 非SQL和非結構化數據源提供一致的訪問。 但是由于OLE DB技術太低層化, 使用起來十分復雜, 因此沒有廣泛使用。
JDBC是JAVA語言與數據庫的接口規范。 不僅具有ODBC的特點, 還具有很好的跨平臺性和語言無關性, 十分的適合于Internet上異構環境的數據庫應用。 通過采用JDBC技術,可以進行一次編程實現對幾乎所有數據庫的訪問,不用像其它語言那樣,要為不同的數據庫多次編寫接口。
5.4 系統集成模式
5.4.1 系統集成功能框架
系統集成框架如下圖2所示,整個數據驅動的生產制造執行系統與仿真系統分為兩個子系統,生產過程虛擬仿真是在實際生產前,在計算機虛擬環境下進行三維仿真驗證,對數字化制造廠房布局、物流方案進行仿真優化。通過建立數字化制造車間三維布局仿真模型,對數字化制造工藝布局方案進行實時交互式可視化設計與仿真;通過建立數字化制造三維物流仿真模型,模擬加工設備、物料緩存區、物流設備等的運作狀態,分析與發現物料阻塞、節拍不平衡、設備等待等問題;通過建立數字化制造參數化的物流仿真模型,實現持續改善與優化;同時采用指標分析與優化技術,實現對制造工藝規劃的綜合評估與優化。

圖2 系統集成框架
5.4.2 系統集成模式介紹
系統的集成可以分為三個層次:即直接集成、封裝集成和接口集成,其中,接口集成這種模式又可分為工具式、間接式和直通式(雙向)等三種接口集成模式。
1. 直接集成模式
直接集成模式就是兩個系統直接對各自的數據庫進行操作,并交換數據, 要實現這種集成模式最好將各系統的數據存放在一個系統的數據庫中,實現兩個系統的數據庫的真正共享。 直接集成的方法非常適合于為企業開發一整套的信息管理系統,它能夠大大提高各系統之間的數據交換與共享效率,減少了數據的冗余,但是這種方式卻不適用于對企業現有的來自不同廠商的軟件之間的集成, 因此,這種集成方法的運用范圍是具有局限性的。
2. 封裝調用集成模式
封裝就是指對象的屬性和操作方法同時封裝在定義對象中, 用操作集來描述可見的模塊外部接口, 從而保證了對象的界面獨立于對象的內部表達, 接口作用于對象的操作集上是對象唯一可見的部分。 這樣用戶不需要知道對象的內部構成就可以采用調用的方法來完成對對象的操作, 進行封裝后就可以對接口的調用來實現集成。 這種方式實現比較簡單。比較常用的方式有:ODBC/JDBC調用方法;
如圖3中為以API接口為基礎的調用方式等。
 
捕獲
圖3 以API為基礎的封裝調用集成模板
3. 工具式接口集成模式
工具式集成模式也就是通過內部函數的調用來進行集成的模式, 生產過程執行系統和仿真系統通過各自合適的數據接口, 以工具(API函數)的形式來訪問對方數據庫,從而實現信息的交換。在生產過程執行系統的生產計劃管理的人機界面上, 根據銷售訂單編制好廠計劃。 而車間仿真系統則通過所開發的訪問生產執行系統數據的應用程序, 讀取系統制定好的生產計劃, 同時以生產日報的形式向仿真系統傳遞數據。
 
4. 間接式集成模式
間接式集成模式就是通過中間件的方式來實現不同系統之間的集成。 其中,中間件的類型主要有: 中間文件、中間數據庫、XML數據流以及消息中間件等幾種形式。
(1)通過中間文件來實現系統之間的集成。 就是把生產執行系統系統所需要的其他系統的數據, 以適合的統一格式文件的方式存放在中間文件庫中, 然后通過對中間文件庫的訪問來實現系統之間的集成、如圖所示。
圖4 以API通過中間文件進行集成
(2)通過中間數據庫的集成。 以數據庫作為中間件的方式與中間文件的方式類似, 所不同之處在于把系統需要進行交換的數據統一存儲在中間數據庫中, 然后通過對中間數據庫中數據的提取來實現不同系統的數據共享。 這種集成方式便于數據的管理, 具有較高的安全性, 實現的關鍵就是多數據庫集成技術, 非常適用于一整套的多個系統的開發與實施。
(3)通過XML文件的集成。 XML即可擴展標記語言。 它可以用來描述文檔的結構和意義, 并且能夠很好的實現在不同的應用間交換數據。 因此, 生產制造執行系統與虛擬仿真系統的集成過程中, 可以采用XML數據流的形式來進行集成,從而實現不同系統的數據庫中數據的交換。 如圖5所示。 當使用XML文件進行集成時, 可以把它當成一個文件集來實現數據的交換與傳輸, 也可以把它看成數據源來進行訪問從而具有中間數據庫的作用, 這也是XML技術得到大規模應用的基礎。
 
圖5 通過XML文件集成
5. 直通式接口集成模式
由于需要集成的生產制造執行系統和虛擬仿真系統的底層數據都是存儲在各自的數據庫之中, 與產品和計劃有關的數據也是存在數據庫中的對應的表單。 所謂的直通式接口的集成模式就是以直接交換的形式, 使用接口轉換器來進行生產制造執行系統和虛擬仿真系統的數據信息傳遞,這種集成方式可以實現數據的雙向傳遞, 設計部門和各車間的制造部門的人員既可以在自己的系統里完成管理功能, 并統一數據格式,通過設置Web Service服務和Web Service客戶端, 有效的實現了兩個系統中數據的共享與交互。
5.4.3 系統集成模式選擇
從性價比來看,采用直通式接口集成是最好的,工具式接口集成次之,然后是間接式集成和封裝集成。從實施難度來看,工具式接口集成難度最高,直通式接口集成次之,然后是間接式集成和封裝集成模式。從使用范圍來看,工具式集成和直通式集成的適用范圍最廣,間接式集成次之并且適合用于統一廠商的軟件產品,封裝集成范圍最小。從可維護性來看,封裝集成和間接式集成基本不允許對相關的BOM的單獨修改,當系統需要升級活更換時,集成也不再適用。 而直通式集成和工具式集成能夠很好滿足修改的需要。因此,從各方面綜合考慮,采用直通式接口集成模式相對其他方式是更好的,可以很好的實現車間管理系統之間的集成。
 
6 系統集成設計
6.1 系統集成內容
要實現生產制造執行系統與虛擬仿真系統的集成, 則要弄清楚需要集成的內容。兩個系統集成的目的就是使各車間管理系統能夠自動的接受來虛擬仿真系統模擬生產的數據,從而優化產線提升產線運行效率。 并且現場生產數據中的數據信息隨著工藝的優化和設備效率的提升而發生改變時, 虛擬仿真系統收到的數據也能隨著進行更新。
虛擬仿真輕量化模型通過將CAD模型的幾何信息、參數信息、產品制造信息、裝配信息、零部件屬性信息等進行提取,用壓縮算法對非結構化的幾何信息進行處理,同時對結構化的標注信息、屬性信息、裝配信息等進行簡化提取,得到體積小、效率高、方便展示的輕量化模型。通過使用輕量化模型代替原始的三維模型統一了異構的CAD模型,有效地降低了數據量,提高了系統的響應速度。同時輕量化模型的瀏覽對硬件要求不高,在車間通過較低配置的終端便可以方便的對輕量化的模型進行查看,有效的降低了企業的成本負擔。
基于生產制造執行系統與虛擬仿真系統集成,可以更好的發揮各自系統自身的作用,利用生產制造執行系統對生產任務的規劃可以準確的將工藝資源發布到相關設備上。同時通過車間虛擬仿真可視化終端可以實時跟蹤生產任務的完成情況,并對生產過程進行控制以及糾正,增強生產制造執行系統對生產的控制能力。
基于生產制造執行系統的虛擬仿真可視化技術不僅僅是產品的3D模型的展示,更重要的是將產品生產過程中涉及到的全部數據信息完整的與生產控制過程進行結合,從而嚴格控制生產過程的運行。其中主要包含以下三個主要內容:基于生產制造執行系統生成的生產任務規劃可以完成車間生產任務、工藝資源的發布以及生產任務完成情況的實時跟蹤等。
1)基于MES生產任務的自動發布。系統可以將MES規劃好的具體的生產任務下達的具體的工位或員工,替代原有的車間任務發布模式,提高車間管理的智能化,簡化管理流程。
2)基于MES生產工藝的自動發布。通過系統終端,可以將與生產任務對應的工藝資源下放到對應的員工或設備上。通過這種模型來替代原有的紙質工藝卡片或圖紙的下放方式,減輕車間對工藝資源的管理負擔,解決了由于設計更改帶來的數據不一致問題。
虛擬仿真系統指導的生產工藝并不僅包括經過輕量化處理的3D模型的展示,還包括數字化三維工藝卡片,工藝仿真視頻,以及物料清單等文件(如圖6所示)。
 
圖6 車間工藝指導內容
3)基于MES生產任務的跟蹤。系統需要對工位完成任務的情況進行實時跟蹤,并通過終端的反饋記錄維護任務完成進度;同時對已完成的任務進行歸檔,為MES系統進行質量回溯,生產分析統計提供依據。
另外虛擬仿真系統還可以作為MES系統在車間的一個延伸,并通過終端監測現場設備的運行態信息,完善MES對車間生產動態的追蹤監控。
基于MES的虛擬仿真系統可以完成生產任務、三維輕量化工藝資源的自動化發布,從而快速,準確的指導生產,改變了傳統生產任務以及工藝資源的下放模式,簡化了車間管理流程,提高了車間對新產品新工藝反應的敏捷性。
6.2 關鍵模塊及應用
6.2.1面向生產過程仿真與優化
(1)制造工廠虛擬物理建模
通過車間制造工廠虛擬物理建模,運用三維虛擬仿真平臺,采用輕量化、多細節層次(Levels of Detail,簡稱“LOD”)等技術以保證大規模場景的流暢顯示,設計設備仿真交互屬性及數據驅動算法,建設智能虛擬工廠,為工廠規劃虛擬仿真和生產實時虛擬監控提供可視化平臺。
虛擬仿真系統滿足裝備制造工廠可視化需求,支持虛擬模型的實時/后臺數據驅動,對工廠實景、產線布局、生產裝備、物流裝備、工件、物料、工裝夾具等進行綠色化制造數字化建模并渲染,支持主流三維模型(obj、max、vrml、fbx、step等)導入,模型應進行適應性輕量化和分級設計。
虛擬模型數據驅動:采用XML格式進行數據交換,構建制造虛擬數字化工廠模型庫和動畫庫,定義模型/動畫的屬性及運動部件與模型之間的映射關系,建立動作指令庫定義動作指令與模型之間的映射關系,利用數據交換插件完成實時數據與三維虛擬仿真系統的數據映射。
 
(2)化生產過程仿真與優化
A.生產過程仿真
首先建立工藝參數、物流參數、制造資源布局等的數據邏輯模型,并通過數據庫系統進行存儲,其包含生產計劃、資源模型、工藝參數、工藝邏輯、物流參數、仿真結果等內容:
?  生產計劃:擬定目標產能,確定整個裝配車間的生產節拍;
?  工藝邏輯:主要實現不同工序間的串、并行作業方式調整;
?  資源模型:管理制造資源信息,并可進行位姿參數化調整;
?  物流參數:調整物流輔助設備運行速度等;
?  工藝參數:進行加工時間、人員數量等調整;
?  仿真結果:直觀顯示仿真結果,為下一步布局調整提供數據支持。
數據庫邏輯模型如圖7所示。
圖 7  數據庫邏輯
其次采用XML規范建立工藝參數數據接口,實現與三維工藝設計平臺、MES系統以及物料管理系統的數據交換;利用XML轉換成不同格式目標文件的能力,實現數據驅動下制造三維物流仿真模型的自動生成。具體流程如圖8所示:其中,雙向箭頭方向表示數據的存儲與索引,虛線箭頭表示從模型參數化配置界面到仿真工具環境下自動生成模型的流程??梢酝ㄟ^XML格式接口,將相關數據自動錄入到參數化配置界面中;借助XML解析器生成BCL(Batch Control Language)和SCL(Simulation Control Language)文件,仿真工具可以執行上述文件,從而快速自動生成三維仿真模型。
圖 8 仿真模型參數描述與邏輯建模
然后建立制造三維物流仿真模型,模擬加工設備、WMS物料緩存區、AGV小車物流設備等的運作狀態,分析與發現物料阻塞、節拍不平衡、設備等待等問題,利用工藝參數數據接口,建立參數化的物流仿真模型,實現仿真模型的快速構建。
B.生產過程優化
將傳統的優化算法和仿真模型相結合,利用優化算法和仿真模型各自的優點,在優化算法中先產生一組解,再將這組解在仿真模型上進行一定時間的仿真得到該組解的特性指標。然后,將該組解作為下一次優化算法的初始解再次進行優化,以得到更優解,以此反復多次,可求得最優解。因此,首先在制造三維環境下建立物流仿真模型;然后利用該仿真模型結合遺傳算法等優化方法,優化制造生產線緩沖區數量的配置,從而提高生產過程的平衡率。
6.2.2車間建模與數據驅動的虛擬監控
    構建監控系統平臺包括“實時狀態監測與可視化”、“數據保存與管理”、“歷史數據查詢”與“生產線效能分析”四大功能。采用實時數據的驅動機制,在三維仿真平臺中驅動工件、產線、物料運輸工具等的模擬運動,對綠色制造生產線運行狀態進行監控,可視化物流轉運過程、設備運行狀態、在制品流轉狀態;同時采用三維/二維集成的監控界面,可視化生產過程中的生產計劃完工狀態、設備故障、預警信息等。
虛擬車間監控系統架構如圖9所示,構建車間制造資源模型庫和動畫庫,模型采用輕量化技術以保證大規模場景的實時渲染,滿足實時交互的需求。MES系統根據生產實時推送各工序加工、物流指令,同時通過設備運行狀態監控系統(SCADA)獲取現場采集裝置如各類傳感器、智能裝備/終端反饋信息,形成實時信息流。系統定義模型/動畫的屬性及運動部件與模型之間的映射關系;定義MES和設備運行狀態監控系統(SCADA)采集的制造實時生產狀態信息與模型之間的映射關系,通過數據接口完成制造實時現場數據與虛擬監控系統的數據映射,顯示車間/加工裝備/工件/物料的實時/歷史統計數據及能源監控等信息,實現制造車間的三維可視化監控。
圖 9  綠色虛擬監控系統架構
6.3 系統集成與接口設計
系統與三維工藝設計系統集成如圖10所示,獲取產品工藝路線等工藝信息,提供虛擬工廠仿真設計過程及結果數據的接口,供三維工藝設計系統讀取,進行三維工藝閉環優化;與MES集成,獲取產品生產計劃、排產及物流信息等,并提供接口,供MES讀取生產計劃的仿真結果信息,為生產計劃優化調整提供支持,信息可在MES電子看板上進行可視化展示;與設備運行狀態監測系統集成,獲取設備和產線的實時狀態信息等。
圖10生產過程仿真與虛擬監控子系統數據集成
參 考 文 獻
[1]     國家智能制造標準體系建設指南(2015年版)
[2]     GB/T 18725-2008 制造業信息化  技術術語
[3]     GB/T 20720.1-2006 企業控制系統集成 第1部分:模型和術語