李 軍，里 鵬

LI Jun1，LI Peng2

（1. 紅塔遼寧煙草有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110001；2. 中國(guó)科學(xué)院 沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng) 110016）

0 引言

數(shù)字化設(shè)備模型是實(shí)現(xiàn)MES平臺(tái)建模的關(guān)鍵技術(shù)，該模型主要涵蓋物理設(shè)備的生產(chǎn)組織方式及設(shè)備物理布局等信息，例如部門(mén)的隸屬關(guān)系、設(shè)備的位置關(guān)系等信息；數(shù)字化設(shè)備模型是采用建模理論作為基本依據(jù)，以數(shù)字化的形式在計(jì)算機(jī)上全面映射生產(chǎn)制造過(guò)程，是制造系統(tǒng)實(shí)際生產(chǎn)在線監(jiān)控和離線輔助決策的有效手段。

1 基于SP95標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備模型

1.1 設(shè)備布局形式分類

車間設(shè)備組織形式指按照一定的組織原則，將設(shè)備放置在車間中，使得車間各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。通常的車間組織形式分為以下三種[1,2]。

1）產(chǎn)品原則布局（Product Layout）：產(chǎn)品原則布置也稱為流水線布置或產(chǎn)品對(duì)象專業(yè)化原則布置。當(dāng)產(chǎn)品品種很少而生產(chǎn)數(shù)量又很大時(shí)，按產(chǎn)品的加工工藝過(guò)程順序配置設(shè)備，形成流水線。典型的產(chǎn)品原則布置方式如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品原則布置

2）工藝原則布局（Process Layout）：工藝原則布置也稱機(jī)群式布置。在這種布置形式中，同種類型的設(shè)備和人員被集中布置在一個(gè)地方完成某個(gè)加工工藝。典型的工藝原則布置方式如圖2所示。

圖2 工藝原則布局

3）成組原則布局（Group Layout）。成組原則布置又稱為混合原則布置。這種布置形式利用成組原理把使用頻率較高的機(jī)器群按工藝過(guò)程順序組合成成組制造單元，使整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)由數(shù)個(gè)成組制造單元構(gòu)成。典型的成組原則布置方式如圖3所示。

圖3 成組原則布局

1.2 SP95標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)備模型的描述

SP95標(biāo)準(zhǔn)中，將設(shè)備模型描述為設(shè)備層次模型，設(shè)備層次模型與設(shè)備布局對(duì)應(yīng)，每一個(gè)父級(jí)設(shè)備對(duì)象都包含零個(gè)或多個(gè)子級(jí)設(shè)備對(duì)象，該模型支持多加工點(diǎn)生產(chǎn)模式,例如一個(gè)“企業(yè)”可以包含零個(gè)或多個(gè)“工廠”[3,4]。

1.3 面向煙草行業(yè)SIA-MES平臺(tái)的體系框架

本文提出的數(shù)字化設(shè)備模型是面向煙草行業(yè) MES（Shenyang Institute of Automation-Manufacturing Execution System）平臺(tái)中可視化建模的一個(gè)重要組成部分，它通過(guò)將生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化，呈現(xiàn)一個(gè)清晰詳盡的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程。SIAMES運(yùn)行平臺(tái)的主要目標(biāo)是通過(guò)卷煙產(chǎn)品家族的建立、生產(chǎn)線建模和線旁料架的描述等建立生產(chǎn)車間的數(shù)字化描述，輔以對(duì)生產(chǎn)事件、生產(chǎn)狀態(tài)的描述和控制實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)活動(dòng)的序列轉(zhuǎn)換，利用輔助的生產(chǎn)計(jì)劃仿真、配方管理、SPC分析、質(zhì)量分析，在制品管理、設(shè)備運(yùn)維管理等功能完成生產(chǎn)車間的數(shù)字化管理[5]。

2 數(shù)字化設(shè)備的基本數(shù)據(jù)模型

2.1 工廠模型

工廠模型主要涉及工廠的生產(chǎn)組織方式及設(shè)備物理布局等信息，業(yè)務(wù)流程處理模型用于描述生產(chǎn)單元中涉及的生產(chǎn)活動(dòng)信息并以其他模型為基礎(chǔ)動(dòng)態(tài)執(zhí)行業(yè)務(wù)流程，該模型為MES系統(tǒng)的核心；基礎(chǔ)對(duì)象模型用于描述系統(tǒng)運(yùn)行需要的基本配置信息；產(chǎn)品模型用于描述企業(yè)的產(chǎn)品組成及相關(guān)工藝標(biāo)準(zhǔn)。

該模型用于對(duì)企業(yè)生產(chǎn)部門(mén)之間的隸屬關(guān)系及生產(chǎn)部門(mén)內(nèi)部的生產(chǎn)設(shè)備物理布局進(jìn)行描述建模，通過(guò)該模型可使MES系統(tǒng)了解企業(yè)生產(chǎn)的組織方式。

2.2 生產(chǎn)線模型

生產(chǎn)線模型用于描述車間內(nèi)生產(chǎn)線的組織情況，即說(shuō)明生產(chǎn)線是由那些生產(chǎn)單元組成的，在此以煙廠制絲車間為例，生產(chǎn)線模型如圖4所示。

圖4 生產(chǎn)線模型

2.3 設(shè)備模型

在卷煙生產(chǎn)企業(yè)中，設(shè)備模型用于描述生產(chǎn)線中相應(yīng)的設(shè)備，在此以3000Kg葉絲線中的滾筒式烘絲機(jī)為例進(jìn)行建模，模型如圖5所示。

2.4 數(shù)據(jù)采集模型

圖5 設(shè)備模型

數(shù)據(jù)采集模型是設(shè)備模型的核心部分，將底層數(shù)據(jù)采集標(biāo)簽抽象為變量語(yǔ)義元，主要為了獲得將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以供輔助決策和為上層高級(jí)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

它通過(guò)數(shù)據(jù)采集器將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集上來(lái)，以標(biāo)簽的形式存放在實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)可視化配置工具將實(shí)時(shí)歷史中的標(biāo)簽與設(shè)備模型中定義的變量綁定，通過(guò)數(shù)據(jù)同步可以在設(shè)備模型的客戶端展現(xiàn)底層現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。例如在設(shè)備模型中針對(duì)能動(dòng)車間的蒸汽瞬時(shí)流量，定義一個(gè)“蒸汽瞬時(shí)流量”變量，通過(guò)配置工具將該變量與實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)簽綁定，實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器從底層設(shè)備中讀取實(shí)際溫度值，并以固定周期輪訓(xùn)刷新該數(shù)據(jù)值，此時(shí)設(shè)備模型客戶端中展現(xiàn)的溫度值與底層數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)溫度值保持一致，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中只存放較少時(shí)間間隔的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)通過(guò)歸檔壓縮，以節(jié)約存儲(chǔ)空間。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與建模實(shí)例

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

用戶接口層使用微軟WPF技術(shù)，通信層使用WCF數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)持久層選擇Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器運(yùn)行于AIX 6操作系統(tǒng)，WCF服務(wù)器通過(guò)IIS宿主于Windows Server 2003操作系統(tǒng)。硬件方面：應(yīng)用服務(wù)器、報(bào)表服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器使用IBM X3650。

3.2 基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的設(shè)備模型建模實(shí)例

以該煙廠為例，如圖6所示，介紹建模的整體流程：

1）根據(jù)車間模型定義，建立車間模型，然后根據(jù)生產(chǎn)線模型定義，建立車間下一級(jí)別的生產(chǎn)線模型，根據(jù)物理設(shè)備的布局，建立生產(chǎn)線下一界別的設(shè)備模型。

2）定義設(shè)備模型下的數(shù)據(jù)采集模型，通過(guò)建模工具將數(shù)據(jù)采集層的標(biāo)簽與設(shè)備模型中的變量綁定，建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3）構(gòu)建設(shè)備模型的界面，定義其屬性，并制定數(shù)據(jù)采集周期，最終展示可視化的設(shè)備模型。

4 結(jié)束語(yǔ)

可視化設(shè)備模型是MES軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)模型，為上層的應(yīng)用服務(wù)套件提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和支持，是MES軟件平臺(tái)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)。設(shè)備模型將現(xiàn)場(chǎng)的物理設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)可視化，為輔助決策起到了積極作用。本文使用SP95標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合當(dāng)前煙草企業(yè)的需求，建立了對(duì)應(yīng)的設(shè)備模型，為數(shù)字化設(shè)備模型應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程在線監(jiān)控和管理輔助決策起到了重要作用。采取基于SP95標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)設(shè)備建模平臺(tái)，降低系統(tǒng)間集成的開(kāi)銷，為日后系統(tǒng)間集成打下良好基礎(chǔ)。

圖6 設(shè)備建模實(shí)例

[1]龔全勝. 基于遺傳算法的制造系統(tǒng)虛擬設(shè)備布局設(shè)計(jì)[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2004.

[3]The Instrumentation ,Systems,and Automation Society(ISA).ANSI/ISA-95.00.01-2000:enterprise-control system integration Part1: models and terminology[EB/OL].2007-03-15.http://www.isa.org/Content/Microsites165/SP18, _Instrument_Signals_and_Alarms/Home163/ISA_Standards_for_Committee_Use/S_950001.pdf

[4]The Instrumentation, Systems, and Automation Society(ISA). ANSI/ISA-95.00.02-2001: enterprisecontrol system integration Part 2: Data Structures and Attributes[EB/OL]. 2007-08-24.http://www.isa.org/Content/Microsites165/SP18,_Instrument_Signals_and_Alarms/Home163/ISA_Standards_for_Committee_Use/S_950002. pdf

[5]PAN Fucheng, PENG Hui, SHI Haibo.Event-Based Production Process Traceability Model [C], Proceedings of the World Congress on Intelligent Control and Automation,2006, 6: 1217-1232.