制造执行系统综述

制造执行系统综述

本文提出遵照S95标准，结合我国制造企业生产车间的特点，深入研究车间生产控制中各具休活动对象，用UML建立活动对象模型，将活动对象下的常用功能模块开发为组件，开发二层架构下的管控系统集成框架和平台，推动我国制造业信息化向上向下得到延伸。

3 S95标准

3.1 S95标准概述

应用OAGIS可以实现MES与上层管理信息系统的集成，但并不能用于MES与车间底层控制系统之间的集成，而S95标准的目标就是实现MES与上层管理信息系统、下层车间控制系统之间的集成。S95是ISA（美国仪器、系统、自动化协会）制定的“企业－控制系统集成”标准的简称。包括以下六个部分：模型和术语、对象模型属性、制造业务管理活动模型、制造业务管理对象模型和属性、商务到制造的事务处理、制造业务管理的事务处理其中第一、二部分已成为ANSI（美国国家标准局）和IEC/ISO（国际电工委员会/国际标准化组织）标准，第三、四、五部分正在制定过程中，第六部分尚处于构思阶段。S95的最大贡献在于统一了管控系统集成的术语、信息对象模型及其数据结构、活动对象模型。

参加S95起草和讨论的工作组成员共有190人，其中独立专家、应用机构和开发机构各占约1/3。在应用机构和开发机构名单中，大部分是国际土著名的制造业、过程业和自动控制系统公司代表，如DoPont, HP，IB，ABB，Siemens，Honeywell，SAP，Rockwell，Ernerson，Invensys，GE，UC，Microsoft，Nestle，Shell，Yokogawa等等，具有相当的代表性和权威性。特别是国际上众多的自动化控制系统公司参加了S95工作组，说明了当前控制界对企业信息化和系统集成的关注程度。

3.2 S95标准的基础

S95以美国普度大学的企业参考结构（PERA）为基础，将企业功能结构分为五层，即：第4层的商业计划和后勤系统，第3层的制造操作和控制系统，第2、1、0层的控制系统，S95主要是解决第4层与第3层的接口和第3层中的制造业务活动，它包括对信息系统任务、制造任务、人的任务以及这三者之间相互关系的建模。S95采用了普度大学CIM数据流模型，以PERA中的功能模型作为研究起点。

ISA在1988年为批量生产制定了术语、模型和数据结构标准，即S88标准。S95标准参考了S88标准中的物理结构模型和产品定义、生产能力、生产计划、生产能力四种信息流。将物理结构模型分级为：企业、地点、区域、生产线/设备单元（或过程单元/零部件，或生产单位）。其中企业、地点级对应第4层的活动范围，区域、生产设备对应第3层的活动范围。

S95标准中的第二部分，即制造业务管理活动模型，是MESA的制造功能模型的进一步发展。

3.3 S95标准中的信息流和对象模型

S95将企业和控制系统所需交换的31种信息流归为4类：产品定义信息，描述如何制造一个产品；生产能力信息，说明需要的和可获得的生产资源的容量和能力；生产计划信息，说明何时何地生产何物以及需要何种资源；生产性能信息，说明生产了什么，消耗了什么资源，也包括了所有商业系统所需要的生产产品的反馈信息。

S95采用UML（Unified Modeling Language）建立了4类9大对象模型，分别是：资源信息中的人员模型、设备模型、材料模型、过程段模型；能力信息巾的生产能力模型、过程段能力模型；产品定义信息的产品定义模型；生产信息中的生产调度模型和实绩模型。

S95的第三、四部分定义了制造车间（第3层）中的8类活动模型：定义管理、资源管理、详细计划、调度、执行、数据收集、分析与追踪，以及这些活动模型之间的数据流。这些活动模型主要用于生产控制、设备维护、质最保证、库存管理等业务管理。从原材料、能源和信息到产品的转换过程中，这些活动对成本、数量、安全和时间等参数进行协调、指导和追踪。图1是生产控制业务的管理活动模型。

图1生产业务管理活动模型

S95的第五部分定义了从商务到制造的信息交换，包括请求/应答式和发布/订阅式两种数据传输模型；确定了数据传输模型中的信息内容，如图2所示；定义了各名词对象与动词的对应关系。

图2 典型的交换数据设置

3.4 S95标准的应用

目前S95标准面临的困难是它必须满足多种制造企业管控系统集成的需要，它必须是一个可用于食品工业、化学工业，以及电子工业等不同类型的工业的跨行业的定义集合，保证S95成为覆盖离散型制造业、连续流程制造业和批处理流程制造业的MES的标准。

S95系列标准目前尚未完成，国外应用工具的开发尚处于起步阶段。World Batch Forum （WBF）应用XML为流程企业开发了基于S95标准的Business To Manufacturing Markup Language（B2MML）。

西门子公司遵照S95标准，为MES的实施开发了核心产品——SIMATIC IT Production Suite。由于该产品符合S95标准，从根本卜能满足企业管理控制系统集成的需要，又由于它能够动态组织以满足企业变化的需求，因此它成为MES的主角。

SIMATIC IT Production Suite由SIMATIC IT Framework和SIMATIC IT Components组成SIMATIC IT Components提供可以满足业务墓本需要的功能组件，预置了大量只要经过初始化就可以使用的对象，这些对象都是针对具体的制造问题而设计的（例如订单管理、物料管理等）。SIMATIC IT Framework是一个建模环境，可以在图形化的环境中对企业业务流程进行建模，将制造系统的功能进行细化；通过图形方式将小同的SIMATIC IT Components功能组合在一起来定义执行逻辑，根据物理对象（实际的装置和设备）和逻辑对象（软件包及应用程序）来创建工厂模型。对生产执行逻辑的显式定义，以及对工厂模型中不同对象之间相互作用的定义，需要根据实际的生产作业来确定。SIMATIC IT Production Suite提供了第二方组件和已有应用程序集成的功能，用户不需要进行复杂的技术封装就可以拿来使用，并按照SIM ATIC IT Framework中定义的逻辑进行协调和调用。

通用电气公司所开发的MES应用工具GE Proficy，从架构设计到应用模块均参照S95标准。其主要模块（包括质量、生产、设备总体效率、消耗跟踪和生产统计）均与S95标准一致。Proficy的各个模块中贯穿了生产计划、设备、生产过程、资源等S95对象模型，通过各种标准的事件实现S95的标准功能，S95中的各种对象、信息流和功能描述在Proficy 中得到了统一和完整的体现。在与ERP系统的连接上，Proficy采取了S95标准的XML接口，从而直接连接符合标准的各大ERP厂家，如与SAP的连接，以前的做祛是各应用程序编写各自的SAP接口且需要SAP的认证，而Proficy的做法则是遵循S95标准与SAP 相连，从而无需认证而达到比认证程序更为有效的连接功能和效率。