流程产业MES系统模型设计

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1、流程产业MES系统模型设计木文内容主要关于流程产业MES系统模型设计和流程产业MES系统模型体系结构。MES系 统是处TERP系统和PCS Z间的执行层，将经营冃标转化成生产过程中的操纵冃标，通过反馈 执行结果，不断调整和优化，形成一个周期性的从牛产经营到牛产运行和过程控制的高效闭环 系统，企业信息通过MES系统层实现了全集成。一、流程产业MES系统模型设计根据企业性质及建模口标的不同，企业模型可以分为多种不同层次水平和视角的模型形式。 MES系统的建模口标是在对企业MES层内各种物理、功能实体间的功能关系和信息关系以及各 种消息态依靠关系进行抽象描述基础上，完成对MES层的分析和综合，通过信

2、息集成、过程优 化及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行。1 模型层次MES系统模型根据深度不同可以分为若干个模型层次，通常情况下可以分为三个层次：在 MES系统行为水平上的模拟，即复现真实系统的行为；在MES系统状态结构水平上的模拟，即 与真实系统在状态上互相对应，通过模型可以对未來的行为作唯一猜测；在MES系统分解结构 水平上的模拟，即模型唯一地表示出真实系统内部的工作情况。上层模型可以以一种清楚的方 式映射到下层模塑中。对应MES系统模型可以分为MES系统总体概念模型，包括金业MES系统 范围、业务流程、功能构件；MES系统设计模型，包括物流模型、信息流模型、价值流模型；

3、MES系统功能模型，包括完成MES系统实施的各功能模块模型，如计划模型、调度模型、设备 治理模型、物料跟踪模型、质暈治理模型、资源治理模型等，如图1所示。信息建揍型!价值渣模疽1功能樓型生产调度模型设备餐理棋型公用工安全絃护揍熨生产过程模显灯勿管理離型工艺梭型图1 MES系统模世层次结构2模型特征一个有效的MES系统模型必须具备以下特征：动态可维护性、可分解性、精确度、可重构 性、可互用性、专业性、上下延拓性等。1）动态可维护性。指系统模型在所有时候都可以与系统保持一致。支持模型维护操纵，如 矫正维护、完善维护、适应性维护、预防性维护等功能。2）可分解性。基于复杂模型的多层次性和多粒度性，根据

4、业务需求不同在构成集成企业模 世的各个粒度和层次上应该都町以支持对系统的动态决策和控制，并且対不同时间标准和空间 标准的模型能确保一致性。3）粘确度。指模型与原形系统相一致的程度。在复杂系统建模过程中山于系统的复杂性必 然存在一定的简化和不完整性，在此情况下模型是否能如实反映原形系统的本质规律，即保证 模型能满足系统答应误差要求。4）可重构性。模型的可重构性可分为三个层次：某于动态企业模型的系统级软件重构，满 足业务流程重组的需求；基于中间件技术的系统重构，满足跨平台的信息处理需求；面向对象 的软件重用，实现软件开发1的底层模块的重用。在模型设计时为了增强系统的柔性和可配置 性，系统的基础结构

5、应该基于金业组件库，企业业务功能和组件Z间存在映射关系，通过捆绑 定义实现系统模型与系统组件Z间映射关系。5）可互用性。根据ISO/IEC16100标准的定义，可互用性指两个或两个以上的软件系统通 过共同的接口共享或交换信息的能力。在金业CIMS实施过程中，它可以用來解决企业内部信息 系统之间的数据和信息的交互题I，消除由于模世异构引起的系统间冲突和不一致性，进步整 体协同运行的有效性。6）专业性。在1ES系统建模过程中融进了一些流程行业的专有关键技术，如物料平衡技术、 数据校止技术、全面质量治理技术、动态本钱控制技术、设备故障监测与分析等，以满足解决 生产现场各种复杂题口的需要。7）上下功能

6、延拓性。MES系统与ERP系统和PCS之间有部分功能重叠的关系，固然各个层 次系统中同一类模块的侧重点有所不同，但建模过程中应增强与治理系统和操纵设备的功能集 成，形成流程产业企业自动化综合系统的完整解决方案。3. 建模方法传统的建模主要有机理建模的方法和辨识建模法。建立的模型种类包括动态定量模型、逻 辑模型、半定性与定性模型、描述性模熨、统计模型等。对应于图1PCS层的应用需求，传统动 态模型发挥了重更作丿IJ,建立了控制理论的完整体系，形成了相关的应用技术。而向对象的建模方法沿用软件T程中而向对象的编程思想。基于多智能体的面向对象建模 方法、基于元模塑的血向对象建模方法、基于框架的血向对彖

7、建模方法等都是在它基础上衍生 出來的。1）基于多智能体的而向对象建模方法面向MES系统服务的软件是由不同厂家开发的，所以MES系统表现出不同程度的分散性。 如何把这些开发时间不同、基于不同平台的子系统集成起來，协调工作，难度很大。采用多智 能体建模方法，通过选择不同粒度的Agent来完成。发挥Agent自动性、反应性、社会能力、 自治性的优点，采用分布式界构Agent协同求解的系统模式对系统建模。其难点在于当采用不 同粒度Agent来描述対彖实体的规模时，粒度的人小很难把握。假如选择太小，生产环境中Agent 的数目就多，系统的灵活性高，适应性强，但系统的组织与控制的复杂程度也随之增加，使系

8、统的运行效率降低。反之每个Agent的任务过重，无法体现Agent在分布式环境中的上风。2）基于元模型的面向对彖建模方法元模型是关于模型的模型，是关于如何建立模型、模型的语义或模型之间如何集成和互操 纵等信息的描述，是对某一特定领域建模环境的规范定义。元模型比模型的抽象程度高。基于 元模型的建模技术可以使子系统模型在更高的层次上进行集成。在模型设计过程中以元模型中 的元类为顶点门上而下逐步扩展细化，并创建一系列类簇，即包括抽象类或接I I及其派生类的 集合，根据具体需求可以适当地增加、删除或者修改元类的属性或方法，并运用标准建模语言 开发成软件组件。实现系统模型的可重用性、灵活修改性和可扩展性

9、，方便复杂系统的模型综 合信息集成和数据集成。3）基于框架的面向对象建模方法随着面向对象技术的日趙成熟，低层次的代码复用已经不适合于特定领域大熨软件生产的 需求，不仅要重川川的代码，而且要重川相似的分析设计结果和体系结构，来减少构造新软件 系统的代价并进步软件的可靠性。基于框架的方式就是这样一种面向特定领域的重用技术。为 实现系统的开放性和可重构性，先后出现了以数据为中心的系统模型、以执行为中心的系统模 型和面向对象的系统模型等。前两种模世分别在数据、功能等方面实现了软件重用，在建模领 域应用基于框架的而向对象方法可以保证系统的开放性、可集成性和可重构能力，使得整个信 息系统集成平台的实施过程

10、在集成框架的控制与指导下完成。二、乾元坤和流程产业MES系统模型体系结构国内外各著名的自动化软件厂商和科研机构都提岀了针对流程企业的，以MES系统为核心 的综合自动化解决方案,如lnvensys SIEMENS、Emerson ASPENTech、Honeywell和浙大中控 等。这些MES系统产品的技术构架町以分为单-模块熨、积木型、综合集成熨和概念型产品。1单一功能模块型各软件厂商最初都经历过设计、开发单一功能模块的阶段。单一功能模块往往为满足某一 具体生产部分的治理需求而设计，自成体系，实现物流治理、质量治理、设备治理、计划统让、 生产调度、流程模拟、数据校正等功能。这类应用软件由于开发

11、木钱适中，技术门坎低，在我国石化金业的应用十分广泛，是中小 企业信息化的首选，但这类定制软件很难适应系统资源和需求的变化。功 能r*功 能据*需摸描求型述图2 MES系统中应用模块及基于模型的应用模块开发流程近年来，国外应用软件商大都采用整体软件产品开发流程，鉴戒在产业控制领域广泛采用 的组态软件技术，将应用软件的功能模型与业务治理信息系统界面、数据库维护等方面的功能 分离开來。基于组态技术实现的功能模型，可组态、可配置，再根据业务治理和优化的需求， 对模型进行优化计算和押能推理等数据处理，可开发岀面向单一或多个功能需求的通用型软件 产品，如流程模拟、虚拟工厂模拟器、生产计划与优化、生产调度与

12、优化、先进控制与实吋优 化等应用软件，避免了重复定制软件的过程。2.疏松集成和信息孤岛世由于生产治理的复杂性，必然需要开发和应用多个单一功能模块。在网络环境和这些功能 模块逐步建设过程中，都是以积木块的形式搭建，利用数据库和网络资源集成在一起。很多MES 系统业务治理软件和优化软件Z间缺乏有效的沟通和信息共享，使得数据库中存在大量的数据 兀余，数据存贮效率不高。另一方面为利用原有应用系统信息，有时通过设计复杂的专有的数 据接口來实现某些后续应用系统，使得各应用系统间形成复杂的藕合关系，各系统的升级维护 十分困难，制约了综合自动化系统的总体效益。3.综合集成型为了解决这些题目，业界开始釆用同i数

13、据平台、软件小间件技术，试图把原先业已存在 的各应用套件加以整合，出现了以IBM为代表的综合数据模型模式，建立全企业同一的数据模 型，为所有的应用模块服务，大大进步了数据库的访问效率。IBM的C1PR0S建立了炼油金业所有装置及其连接关系的数据模型，即以数字表示方式的炼 油厂模型，并与实时数据幄实现了事件驱动连接,实现炼油厂生产数据的治理。各应用软件通 过接口程序与CIPROS核心数据库平台进行数据协调和沟通，集成为一个同一整体。CTPROS通 过友好的用户界而，用户可以方便地控制和维护关系数据库中的所有信息，使得数据一致性和 可维护性进步，并大大降低了数据廂中数据的冗余度。中国石化济南分公司

14、于90年代后期引进 T CTPROS集成平台，成为当时其他石化企业信息化建设的标杆。CTPROS的缺点在于当应用软 件功能需求发生变化时，必须改变数据库内核和接口程序，给系统的维护带来了麻烦和不便。4. 概念型软件产品概念型软件产品指设计理念超而，代表行业发展方向的MES系统产品，固然其技术基础和 产品成熟度仍需完善，但独具前瞻性的用户已开始接受产晶的理念。概念型软件产品代表了技 术发展的方向。1）同一工厂模型方案AspenTech开放建模环境OSE是仿真工具的集成环境，答应不同的仿真模型通过标准接口 接进模型。各个模型连接在一起并作为一个整体进行仿真和分析。OSE提供了一个标准的方法 來连接

15、共用的设备模型和工厂数据。其核心思想是支持在整个运作周期运用同一个功能模型， 并且支持多模型应用的无缝互用。通过将过程、公用系统和基本的仿真模型结合起来，形成一 个综合的、工厂级的仿真环境，使得用户理解并建立经济和技术的平衡模型，实现生产设备的 工厂级优化。2）基于开发工具的集成自动化方案西门子将MES系统建立在牛产建模结构Z上，用户可以用递阶模型，将各种专用产晶组件 协同起来，来描述业务和生产作业。西门子MES系统Simatic IT满足国际标准ISA-95的要求，包括以下软件组件： 客户端应用天生器：一个用于设计MES用户界面的工程工只。它根据数据服务器或其他 数据源获得的数据，天生图形化的用户界面。 数据集成服务：一个用于与业务系统通讯的工程环境，它答应在不同类型的应用程序和 外部系统中进行信息交换，提供与ERP系统和Windows文件系统接口,以及用于定制接口的COM 接口。 产品定义治理器：处理所有与产品定义相关的题目，例如定义生产产品所必须的操纵步 骤。把描述、组合资源和参数等产品规范集中在一起，然后利用这个规范对所有部件进行生产 操纵。 牛产套件：涵盖了 MES系统在任何制造背景下所需的核心功能。并使得第三方软件及纽 件也可以加进进來。通过这种方式，用户不需要进行复杂的技术封装就