基于ISA95的MES集成接口研究

時(shí)間：2009-04-14 09:17:51

關(guān)鍵字：集成接口 BSP 數(shù)據(jù)交換

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[導(dǎo)讀]ISA95標(biāo)準(zhǔn)使計(jì)劃管理系統(tǒng)與MES之間獲得了良好的集成，而B2MML規(guī)范基于XML創(chuàng)建了通信規(guī)范的一種實(shí)現(xiàn)方式，用于文本信息交換。基于Web Service、ISA95、B2MML技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種MES集成接口方案。該方案實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)、跨地域、低成本的數(shù)據(jù)接口，具有良好的開放性和可擴(kuò)展性。

1 引言
美國先進(jìn)制造研究機(jī)構(gòu)AMR(Advanced Manufacturing Research)將 MES (Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng))定義為“位于上層的計(jì)劃管理系統(tǒng)與底層的工業(yè)控制之間的面向車間層的管理信息系統(tǒng)”，它為操作人員／管理人員提供計(jì)劃的執(zhí)行、跟蹤以及所有資源(人、設(shè)備、物料、客戶需求等)的當(dāng)前狀態(tài)。
MES作為聯(lián)結(jié)上層的計(jì)劃管理系統(tǒng)與底層的工業(yè)控制系統(tǒng)的一個(gè)中間應(yīng)用層，需要承擔(dān)的重要工作之一就是在底層的工控系統(tǒng)和上層的計(jì)劃系統(tǒng)間加工與傳遞信息，進(jìn)行系統(tǒng)間的縱向整合。例如對自動(dòng)化設(shè)備作業(yè)的工序產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)，通過獲取工控設(shè)備提供作業(yè)信號，應(yīng)用MES系統(tǒng)進(jìn)行匯總加工，作為最終的詳細(xì)產(chǎn)量數(shù)據(jù)傳遞給上層的計(jì)劃管理系統(tǒng)，這是一個(gè)典型的信息傳遞過程。為了做到這一類的信息傳遞，系統(tǒng)間的接口是保證數(shù)據(jù)順利傳遞的關(guān)鍵。

2 ISA95標(biāo)準(zhǔn)
由于沒有通用的集成模型、造成用戶交流困難、不同供應(yīng)商集成困難、集成后維護(hù)困難，因此美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(ANSI)和儀表、系統(tǒng)和自動(dòng)化學(xué)會(huì)(ISA)聯(lián)合發(fā)布了ISA-95標(biāo)準(zhǔn)，全稱“企業(yè)與控制系統(tǒng)集成”標(biāo)準(zhǔn)，以下簡稱ISA95標(biāo)準(zhǔn)。
ISA95標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)還處于發(fā)展中的參考模型。它基于四層制造企業(yè)層次結(jié)構(gòu)，定義了連接企業(yè)和控制層行為的良好集成慣例。最初的重點(diǎn)是最上面兩層(見圖1)，即業(yè)務(wù)規(guī)劃和物流層(第4層)和以及制造操作和控制層(第3層)。ISA95的目的是提供一致的功能描述術(shù)語、信息和操作模型、以及信息數(shù)據(jù)交換。目前它還沒有給出明確的協(xié)議或?qū)嵤┓桨?。它?部分組成，其中第1、2、5部分集中在第3層與第4層的接口，第3、4部分集中在制造操作。

3 B2MML規(guī)范
B2MML(Business To Manufacturing Markup Language，業(yè)務(wù)到制造標(biāo)記語言)規(guī)范是ISA95標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的XML執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。它利用XML Schema對標(biāo)準(zhǔn)定義的資源、信息流進(jìn)行具體描述，定義企業(yè)管控系統(tǒng)間需交換數(shù)據(jù)的內(nèi)容和格式。利用這一規(guī)范可以對不同應(yīng)用系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)指定統(tǒng)一的意義明確的標(biāo)簽，使同一數(shù)據(jù)可以為有需求的不同系統(tǒng)重復(fù)利用，達(dá)到系統(tǒng)間信息共享的目的。B2MML由WBF(World Batch Forum)創(chuàng)建，基于XML創(chuàng)建了第3層與第4層之間的通信規(guī)范的一種實(shí)現(xiàn)方式，用于文本信息交換。B2MML使業(yè)務(wù)過程和制造過程實(shí)現(xiàn)無縫集成，保證成本最小化的互操作性。而XML的使用也促成了異構(gòu)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

4 基于Web Service的數(shù)據(jù)交換平臺(tái)
    W3CWeb Services Architecture小組達(dá)成一致意見的Web Service的暫行定義如下：Web Service是由URI標(biāo)識的應(yīng)用程序，其接口和綁定可以通過XML構(gòu)件進(jìn)行定義、描述和發(fā)現(xiàn)，Web Service支持通過基于因特網(wǎng)的協(xié)議使用基于XML的消息與其他應(yīng)用程序直接交互。Web Service是一種通過開放標(biāo)準(zhǔn)、Intemet以及基于業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的Intranet技術(shù)動(dòng)態(tài)交互的軟件組(應(yīng)用程序和數(shù)據(jù))，它可以將不同廠商、不同硬件、不同語言編寫成的應(yīng)用程序集成到一起。Web Service是下一代的WWW，它允許在Web站點(diǎn)上放置可編程的元素，能進(jìn)行基于Web的分布式計(jì)算和處理。
    本文提出利用Web Service建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換平臺(tái)。數(shù)據(jù)交換平臺(tái)是建立在物理網(wǎng)絡(luò)之上實(shí)現(xiàn)各個(gè)應(yīng)用之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N“軟通道”，主要功能是實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞，并在一定程度上實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)整合。
    Web Service技術(shù)為企業(yè)解決多平臺(tái)、多結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、跨地域的信息交換提供了一條解決途徑?；赪eb Service的企業(yè)數(shù)據(jù)交換是當(dāng)前解決大型企業(yè)集團(tuán)數(shù)據(jù)交換與共享的有效途徑。在本文的應(yīng)用中，Web Service可以將業(yè)務(wù)規(guī)劃和物流層(第4層)的系統(tǒng)，如ERP、SCM等與制造操作和控制層(第3層)，如MES系統(tǒng)無縫地連接起來。

5 基于Web Service的數(shù)據(jù)交換平臺(tái)設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)交換平臺(tái)如圖2所示。圖2中，下方是數(shù)據(jù)交換中心，配備Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。Web服務(wù)器上面部署Web Service。系統(tǒng)l和系統(tǒng)2是需要交換數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，在本文中，可以是ERP、SCM、MES等任何需要交換數(shù)據(jù)的獨(dú)立系統(tǒng)。數(shù)據(jù)交換過程如下：假設(shè)系統(tǒng)l要發(fā)送數(shù)據(jù)給系統(tǒng)2，則系統(tǒng)1將數(shù)據(jù)目的地設(shè)置成系統(tǒng)2，將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)交換中心，數(shù)據(jù)交換中心將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫里面。然后系統(tǒng)2登錄數(shù)據(jù)交換中心再接收數(shù)據(jù)。任何系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換都按照這種過程。這種數(shù)據(jù)交換方式使各系統(tǒng)間的耦合程度最低，現(xiàn)有的系統(tǒng)只需增加Web Service的調(diào)用過程就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而不需要改動(dòng)原來的系統(tǒng)。

6 基于Web Service的數(shù)據(jù)交換平臺(tái)實(shí)現(xiàn)
本文設(shè)計(jì)了4個(gè)Web Service Method來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換：

其中“Sender，Receiver，Xml”分別代表發(fā)送者、接收者、XML文本(本文中用于發(fā)送B2MML)。根據(jù)需要還可以加上發(fā)送時(shí)間等。
以上4個(gè)Method實(shí)現(xiàn)比較簡單。在數(shù)據(jù)庫里面設(shè)計(jì)一個(gè)表，將DataX的所有屬性加入到字段里面。Send和Send2將發(fā)送的DataX對象保存到數(shù)據(jù)庫，Receive是查詢數(shù)據(jù)庫中包含receiver的第1筆記錄并返回DataX對象，發(fā)送成功后刪除該記錄。NumToReceive方法查詢數(shù)據(jù)庫中包含receiver的記錄數(shù)。

7 用B2MML實(shí)現(xiàn)XML與對象之間的轉(zhuǎn)換
    第3節(jié)已經(jīng)提到，B2MML規(guī)范是ISA95標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的XML執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。B2MML的出現(xiàn)使系統(tǒng)集成商能夠使用ISA95標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，然后用XML進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。
    B2MML定義了一系列的XML Scheme，包括Common Schema、Production Schedule Schema、Product Definition Schema、Process Segment Schema、Production Capability Schema、Production Performance Schema、Material Schema、Personnel Schema、Maintenance Schema、Equipment Schema等。這些XML Scheme總共包含了200多個(gè)類。本文利用工具將所有的類轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的Java類和．NET類，再利用XML序列化(Serialize)和反序列化(Deserialize)來分別實(shí)現(xiàn)從對象到XML和從XML到對象的轉(zhuǎn)換，即實(shí)現(xiàn)了XML到對象的雙向映射。
    XML Scheme可以從WBF官方網(wǎng)站下載最新版本，對應(yīng)的Java類或．NET類的嵌套、引用關(guān)系比較復(fù)雜，代碼過于龐大(最小的類文件都多達(dá)1600多行)，因篇幅關(guān)系，不能列舉。Java和．NET都針對XML到對象的映射設(shè)計(jì)了相應(yīng)的類庫。以．NET為例，XmlSerializer的Deserialize方法實(shí)現(xiàn)反序列化(XML到對象)，Serialize方法實(shí)現(xiàn)序列化(對象到XML)。隨著應(yīng)用的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)隨之?dāng)U展，不同的應(yīng)用也可以有一些擴(kuò)展的功能，B2MML規(guī)范規(guī)定了多達(dá)六種的擴(kuò)展方法，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。在這種情況下，本文采用的數(shù)據(jù)交換平臺(tái)可以不加修改的繼續(xù)使用，需要修改的是XML到對象的雙向映射關(guān)系。

8 結(jié)語
本文使用Web Service技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，再利用B2MML實(shí)現(xiàn)的XML執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了基于ISA95的MES集成接口。這種設(shè)計(jì)方法充分利用了Web Service的跨平臺(tái)、異構(gòu)特性，以及B2MML實(shí)現(xiàn)的XML文本信息交換，實(shí)現(xiàn)了跨行業(yè)、跨地域、跨平臺(tái)、跨異構(gòu)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)低成本、可擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)信息集成，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)良好的開放性和擴(kuò)展性。