一種基於模塊化的控制單元的MES系統的製作方法

2023-07-28 20:18:19

本發明屬於製造執行系統(manufacturing execution system，簡稱MES)領域，尤其涉及一種基於模塊化的控制單元的MES系統。

背景技術：

製造執行系統能通過信息傳遞對從訂單下達到產品完成的整個生產過程進行優化管理。它能夠與上端的ERP系統通訊獲取信息並能收集位於末端的終端設備的數據信息，對末端設備的操作進行控制。現有的MES產品主要存在以下幾點問題：

·產品方案移植性差

產品方案尤其是開發代碼移植性差是困擾MES市場發展的一個主要問題。由於傳統的軟體框架思路過分追求集中的流程監控，在方案初期設計階段，開發人員必須充分預估製造系統的加工能力和流程可能，這樣使得系統軟體內核對硬體設備依賴過強，並限制了系統自身擴展和產品方案移植的可能性，同樣也從根本上約束了整個製造系統潛在加工柔性的發揮。

·行業局限性太強

因為之前所提到的產品方案移植性差的問題，所以今天幾乎所有的MES供應商的產品都只針對非常特定的行業，甚至行業內特定類型的企業，市場推廣具有很強的局限性。

·產品開放性差

MES市場被嚴重分割，數據和模式方面缺少通用標準的採用。很多MES開發商甚至本身也是設備製造商，開發的軟體系統與自身設備耦合度極高，與第三方設備和軟體的整合能力較差，系統開放性嚴重缺失，與之前兩點互為因果，限制了自身產品的發展。甚至像SAP這樣的大型軟體企業，其自身的ERP產品和MES產品在數據上也有一定交流不暢，說明其之前ERP和MES產品在設計開發上缺少全局規劃設計。

·開發成本極高

移植性差，原因在於其客戶方案中代碼的再利用率非常低，定製化開發無法避免大量的低效重複工作，這直接造成了開發商在MES方案設計、開發和實施中的巨大投入。

傳統集中框架靈活性較差(如圖1所示)，也造成了系統對隨機情況的應對能力不足，任何改動都可能涉及到系統的基礎框架和內核程序，不但開發困難，對客戶企業來說也意味著更長的系統停擺和測試周期，可能直接影響其正常生產。

總體來說，傳統MES系統多採用集中式控制，其控制單元被固化在系統之中，這樣要求系統在設計階段，程序開發設計人員就必須充分考慮到整個製造系統可能採用的生產流程以及不同設備的接口、工藝特徵，這在很大程度上限制了各工藝設備產能的充分發揮和製造流程控制的靈活度。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種基於模塊化的控制單元的MES系統，以通過互相獨立的控制單元形成分布式的架構，提高靈活度、降低程序開發成本。

本發明公開了一種基於模塊化的控制單元的MES系統，所述控制單元至少包括能力模塊和控制模塊；

所述能力模塊用於讀取外界發送的運行邏輯文件和功能函數庫；

所述控制模塊用於加載並運行所述運行邏輯文件和所述功能函數庫。

優選的，所述運行邏輯文件包括代表外部環境或者內部狀態值的變量、函數指向以及運行指向的函數的條件流程；

所述控制單元還包括認知模塊，用於獲取並保存所述變量的值；

所述控制模塊用於驗證根據所述變量的值是否符合所述條件流程，並在滿足時，運行所述函數指向所指向的功能函數。

優選的，所述控制單元還包括通訊模塊，用於建立通訊連接，按照通訊協議與ERP系統和/或生產設備進行數據傳送。

優選的，所述MES系統包括至少兩個所述控制單元，所述控制單元涉外通訊模塊之間通過統一的數據格式進行通訊。

優選的，所述功能函數庫為DLL功能函數庫。

優選的，運行邏輯文件為XML格式。

優選的，所述能力模塊還包括一個統一程序類接口，所有自定義的功能函數繼承所述接口。

優選的，所述能力模塊還用於通過自身的所述功能函數對所述數據的格式進行識別和處理。

優選的，所述認知模塊還用於保存所述運行邏輯文件、設備配置和運行日誌信息。

優選的，所述通訊模塊，用於按照UDP協議傳送第一類型數據，並用於按照HTTP協議傳送第二類型數據，所述第一類型數據與所述第二類型數據的屬性不同。

本發明通過提供一種包含有可實時讀取外界傳送的運行邏輯文件和功能函數庫並以此來定義自身功能的控制單元的MES系統，使得程序開發人員可以根據需要自定義運行邏輯文件和功能函數庫中的功能函數，將不同的功能通過不同的控制單元完成，無需將控制單元的功能事先固化在系統中，相比現有技術，提高了製造流程控制的靈活度，降低了開發成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本申請中記載的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是現有技術中的MES系統架構圖；

圖2是本發明MES系統架構圖；

圖3是本發明控制單元結構圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本申請中的技術方案，下面將結合本申請實施例中的附圖，對本申請實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本申請保護的範圍。

本發明旨在將MES傳統的集中式控制改變成為分布式控制，其主要採用了能夠根據實時讀取的外界文件實現不同功能的控制單元，這樣每一個控制單元只需要對某一臺特定的生產設備進行數據收集和流程監控，充分保證這臺設備的效能和靈活度充分發揮，並可以儘可能獨立運轉。

如圖2所示，為本發明中的MES系統結構圖，其包括多個控制單元，每一控制單元對應一生產設備。由於每一控制單元均是獨立存在的，因此，不論增加、刪除或是改變控制單元，都不會對其他控制單元造成影響。

以下首先對上述控制單元的結構進行介紹：

如圖3所示，控制單元包括能力模塊12和控制模塊11。

控制模塊11本身運行控制單元的控制線程，是控制單元的核心模塊。首先，它包含一個主線程，在啟動階段，載入基於XML格式的運行邏輯文件和DLL功能函數庫，之後根據實時的環境信息和內部信息數據不間斷的循環檢驗運行邏輯，任何滿足條件的邏輯關係將激活一個支線程啟動運行功能函數庫所指向的一個或多個功能函數。

本發明中，一個基於XML格式定義的運行邏輯文件大概分三個組成部分：

·變量Variable

一個變量代表一個外部環境或者內部狀態值。例如這裡的控制單元控制一臺設備，那麼它可以通過感應器的電子信號來確定這臺設備是否已經連接，這時我們就需要定義一個布爾值變量DeviceConnected來保存這個數據。

·函數指向Function

控制單元的一個主要特徵在於對外部環境做出反應，而這裡的反應就是運行特定的功能函數。以下顯示了一個定義指向某功能函數去與設備建立連接。

·條件流程Process

環境變量和功能函數指向都已經存在，需要對運行此函數的臨界條件需要進行定義。在這個例子中，我們可以很好理解，在控制單元啟動完成和設備相關設置載入之後，如果設備沒有連接，系統應該發起對設備的連接申請。

本發明中，控制模塊11的功能還包括對自身線程的管理和異常情況處理等功能。

能力模塊12用於從外界讀取運行邏輯文件以及功能函數庫，負責管理控制單元載入的所有功能性函數。此模塊提供一個統一程序類接口ICapability，任何自定義的功能函數類必須繼承此接口，以保證其在被載入時可以自動被能力模塊識別並運行。

控制模塊11發起的功能函數線程最終由能力模塊12檢驗和啟動。根據運行邏輯文件中不同的參數設定，同樣的功能函數這裡可以以同步和異步兩種模式運行。

上述的運行邏輯文件可採用XML格式，功能函數庫可以為DLL功能函數庫。能力模塊12可以從任何外界接口如ERP系統或是其他終端等獲取運行邏輯文件等。

進一步的，本發明控制單元還可包括認知模塊13。如之前在控制模塊11中所介紹的，所有對環境和內部運行情況的監控都是通過一系列變量，而這些變量就可以由認知模塊13來進行管理。除這些實時變量之外，認知模塊13也在運行中負責保存控制單元的運行邏輯、程序及設備配置和運行日誌等所有信息。

更進一步的，控制單元還可以包括通訊模塊14。控制單元的數據通訊分為外部和內部兩個主要部分。這裡所說的外部，是指MES系統軟體部分之外的設備或軟體，例如生產加工設備。所以為了實現比較廣泛的外部通訊功能，這裡的通訊模塊14支持多種工業常用的通訊協議和格式例如HTTP、UDP、USB、RS232、RS485、TCP/IP等等。此模塊負責建立連接，並通過此連接發送和接收數據。

內部通訊，這裡包括控制單元與另一控制單元或是控制單元與ERP系統的數據交流。例如從ERP系統中獲取最新的生產計劃參數進行更新等。

本發明中，內部通訊數據可規定全部基於XML格式化傳遞，而通訊協議根據數據單元的大小可進行不同處理，以保證時效性和安全性符合要求。根據數據的特點和要求，本發明採用兩種通訊協議：

小於4K或對完整性安全性要求低的數據

小於4K的小數據，例如控制單元基本狀態信息，當前IP和運行信息，需要不間斷在MES內部廣播。這種數據使用UDP協議，一般不需要接受方確認。如有需要，通許模塊也支持接受方確認，來實現handshake模式。

大於4K或對完整性安全性要求高的數據

這部分可能是複雜的設備狀態信息、來自於資料庫的數據、文件或者高通量測試設備的測試結果信息以及設備控制指令，將通過更加安全但可能處理效率略低的HTTP協議傳輸。如果對於安全性要求更高，可以對所傳輸數據進行SSL加密，保證內部信息不會被第三方惡意軟體截取。

這裡，通許模塊14實現控制單元在MES系統裡對內以及對外的通訊能力，而不同的數據處理方式可以根據需求靈活採用，滿足定製化的不同需求。

需要說明的是，實際應用中會有多種數據格式，本發明中，對具體數據格式的識別和處理，可由能力模塊中自定義的功能函數完成，以此保證通訊模塊在不同方案中的通用性。

可見，在上述控制單元中，其基本的結構都相同，不同的在於其函數庫以及邏輯文件是控制單元運行時動態載入的，這使得在針對不同的工藝設備開發時，可採用同樣的核心編碼，然後針對其不同編寫邏輯文件和功能函數即可，實現了程序主體部分的高度可移植性。

每一個控制單元的上述四個模塊互相調用有機結合。例如，如果我們需要開發一種針對某種設備的功能函數，例如連接某種設備Connect2Device，在這函數內部我們可以調用通訊模塊的對外部設備的通訊協議，然後根據運行結果更改認知模塊的相關變量。

在MES系統中，可通過採用多個上述結構的控制單元完成各項功能需求的，不但包括設備的監控，而且還包含對第三方軟體的數據交互(例如ERP，CRM等等)，以及對MES系統的監控和分析等等。這種模塊化的控制單元之間互相獨立又協同工作，構成了如圖2所示的MES，並實現MES系統靈活高效的管理。

以下為本發明的柔性製造系統的一個具體實施例，其包括ERP系統、MES系統以及4個不同的生產設備，其中MES系統包含6個獨立的控制單元A、B、C、D、E、F，控制單元A用於與ERP系統進行通訊，控制單元B、C、D、E與4個生產設備一一對應，用於對生產設備進行監控，控制單元F用於對MES系統本身進行分析。每個控制單元的功能通過自身能力模塊讀取的邏輯運行文件和功能函數庫進行定義。控制單元A獲取ERP系統發送的XML格式的新的生產計劃數據進行同步並通過XML格式的文件發送至其他幾個控制單元，控制單元B、C、D、E與各自的生產設備進行通訊，對接收到的數據，由自身的能力模塊進行識別並處理。控制單元F接收XML格式的數據，對MES系統本身進行分析。這6個控制單元之間通過XML文件進行數據的交互。

當增加有新的生產設備時，可對應該生產設備的屬性，定義相應功能的邏輯運行文件和功能函數庫，在不影響整個柔性製造系統的前提下，增加一個控制單元並讀取新定義的邏輯運行文件和功能函數庫實現對新的生產設備的監控。

與現有技術相比，本發明的MES系統具有如下優點：

生產靈活度高

通過具有獨立邏輯與預定義能力的自治性控制單元最大程度分散模擬工人的行為模式，實現對不同情況的隨機處理能力，最大限度的發揮製造設備群的柔性生產能力。

同時，採用模塊化的控制單元的框架去提高系統開發平臺的通用性，解決傳統製造控制系統MES在擴展度、靈活性和代碼通用性等方面嚴重不足的問題。

系統擴展性佳

傳統MES結構當需要對生產流程進行調整或者添加新的設備時，需要對系統進行整體改動，而之後往往伴隨著整個製造系統的停機測試，造成極大的浪費。而採用本發明框架的MES，生產流程的變動只需要對資料庫中的相關參數進行重新設置，並不需要對任何程序改動，可以在生產運行中隨時進行。另外一方面，新的工藝及設備的添加，只需要對其進行局部的開發和測試，對系統現有部分不會造成任何影響。

加工效率提高

基於本發明框架的分布式結構，在通過對整體流程的高效運算和數據分析，可以對每一個控制單元進行實時管控和調整，充分發揮設備的生產效率，高效分配生產資源，解決某些生產環節所造成的瓶頸效應問題。並有效的避免生產過程所造成的資源浪費，提高生產效率，降低生產消耗，優化企業產能。

二次開發成本低

因為MES的高昂價格主要在於其二次開發成本之上，更進一步說，其系統開發平臺的可移植性差是造成其二次開發成本過高的主要原因。在本發明中，MES開發平臺的主體編碼具有高度的通用性，對客戶所採用的設備的無耦合關係，使得二次開發成本得到顯著降低。

雖然通過實施例描繪了本申請，本領域普通技術人員知道，本申請有許多變形和變化而不脫離本申請的精神，希望所附的權利要求包括這些變形和變化而不脫離本申請的精神。