控车间信息化集成技术

0 引 言　　数控车间是一个信息流和物质流交汇的复杂生产系统，其生产活动涉及到人、过程、信息、技术、资源、管理等多个层面的相互服务和制约，作用方式不同于普通的机加车间。因此，传统的管理模式不适应现代化数控设备加工环境，并制约了数控加工效率的提高，而实现数控车间管理的信息化则是提高生产效率的有效途径。数控车间数字化改造是信息化的一个重要研究方向，其中的关键技术之一就是数控车间的信息集成。　　车间数字化信息集成因信息的多领域性、信息的不确定性和信息来源的多样性，给信息集成带来了一定的难度。基于公共对象请求代理体系结构（Common Objcct Request Broker Architecture，CORBA）和分布式组件对象模型（Distributed Component Object Model，DCOM）等组件技术的信息集成，对车间内的信息集成而言，因环境可控，具有速度快等优点，但对车间与企业其他部门，甚至企业外部的集成来说，就存在许多缺点。如在与其他协议进行交互时，它们都不能很好地发挥作用，使用DCOM无法调用Java组件，无法通过远程方法调用（Remote Method Invocation，RMI）调用组件对象模型（Component Object Model，COM）对象，防火墙常常阻碍TCP/IP对端口请求的访问等。而基于Web服务的集成对于车间内部对象之间的集成没有太大的意义，它没有组件技术（如DCOM）快速高效的特点。　　目前，针对数控车间生产的特点，提出的整体集成解决方案还不是很多。因此，本文在分析数控车间数字化硬件集成特点和业务活动的基础上，提出了基于DCOM组件和Web服务的数控车间信息混合集成的方法，构建了集成框架，有效地解决了数控车间内外部的信息集成问题。1 数控车间整体业务流程　　数控车间硬件环境涉及到多种异构的数字化功能实体，如数控机床、数字测量设备（三坐标测量机）、运输设备（自动导引小车、机器人）及存储设备（自动化立体仓库）等。由于这些实体的分布环境和组合形式不同，需要为其提供一系列使能服务（信息交互、功能集成），以支持异构环境下不同功能实体之间的互操作和协作，实现高效运作、因此，决定了其业务活动不同于普通的机械加工车问，信息描述、信息载体和传输，如工艺制定、数字控制（Numerical Control，NG）程序编制和传输、生产辅助保障等。　　目前，多数企业的工艺部门只承担工艺文件的审批，工艺设计任务下放到车间技术部门完成，车间活动应包含计算机辅助工艺设计（Computer Aided Process Planning，CAPP）。此处的LAPP不同于传统的CAPP，它要求其底层数据（如工装、设备等资源信息）均来自车问系统集成平台，通过工艺资源组件来获取，同时又要集成在企业级的产品数据管理（Product Data VIanagement，PDM）平台，实现零件设计信息、工艺知识获取和工艺文件存储。而车间生产任务管理系统不仅需要从企业资源管理系统获得生产计划信息，从工艺设计系统获得零件加工工艺路线和所用资源信息，还要从车间资源管理系统获得资源使用状况信息。因此，车间整体业务流程需要各单项业务间的信息交互。数控生产车间的生产模式是面向任务的，车间通过工三艺编制、订单接收、计划管理、任务分配、生产准备、生产调度、信息采集、成品人库、成本核算等联结活动，在集成制造资源管理的支持下，实现生产目标。如图1所示为数控车间业务执行流程图。

图1 车间业务执行流程图

　　本文根据车间业务的执行流程，考虑数控车间活动域及数据冗余度等要求，把数控车间生产业务分为以下几个主要执行功能系统，分别为CAPP、NC、加工仿真、生产过程管理、生产准备、资源管理、现场信息采集、设备管理与能力评价、信息导航显示等；另外，集成系统还有一些辅助子系统，如系统用户管理、基础数据管理等。2系统集成设计　　数控车间信息集成的核心是内容的集成。通过接口实现内部各功能系统之间的数据交换和功能互连，将分散的功能部件联合在一起，形成一个协同的整体，以实现车间的整体业务功能。根据以上数控车间数字化的功能域划分和相互之间信息交换的需要，设计了如图2所示数控车间内部各子系统之间的信息流程图。根据信息流程图，设计了如图3所示的数控车间数字化信息系统集成框架。

图2 车间内部信息集成流程图

图3 数控车间数字化信息集成框架

　　整个系统集成在统一的信息基础平合上，达到信息的可控和可跟踪。系统数据根据属性划归不同的子系统管理，其生成、修改和维护都由该子系统完成，做到数据一次输入全局使用，源头产生源头维护，以保证数据的唯一性和部门间良好的协同性。通过车间执行软件平台系统，实现信息的重用，并借此进行功能重叠，整合、规范车间管理的业务流程，划清各个部分的功能界限，以实现生产管理的流程优化。系统数据源存放在统一的数据库中，各个子系统分配不同的用户存取权限。底层数据库表的设计根据E-R关系图，采用第三范式。不同子系统的数据采用关系数据库的表视图（view）来达到数据共享，该方式可保证数据的一致性和同步性。车间系统一与外部环境的数据集成可采用中间件技术，各自开发相应的接口程序，读取中间数据，如文件（*．txt，*．xls）、可扩展标记语言（eXtensible Markup Language，XML），以及中间数据表，以保证系统间数据的安全性。　　数控车间数字化很重要的一点是对车间制造资源的信息描述和集成，以便支持异构环境下不同功能实体之间的互操作和协作，以及集成管理系统对其调度和使用。首先根据集成制造系统对车间硬件的要求，应用国际万维网联盟的资源描述方法，对数控车间硬件进行本体建模，构建制造资源本体库，将制造资源本体实例存人库中;然后，设计生产资源管理子系统，对制造资源本体库进行统一管理，并向集成系统提供制造资源的信息服务。所建立的资源本体模型包括资源本体、资源类别、资源集合、资源视图、资源能力和资源状态等，上述均可组合为不同的视图，使用在不同的场合，如工艺设计时用资源类别和生产过程管理的资源状态等。制造资源本体模型如图4所示。

图4 制造资源本体模型

　　2.1 基于分布式组件对象模型的车间系统内部集成　　各子系统按功能构件的方式实现，功能构件首先封装成具有DCOM接口的组件：对各个子系统进行统一对象建模与结构设计，有关的决策模型和控制算法封装在相应的知识库和数据库中；应用DCOM技术，通过对系统功能模型分析，规范业务构件和构件的边界；设计各功能子组件，然后将各功能子组件相关的生产业务活动封装起来，构成了一个功能构件，以便具体实现车间活动的某一项业务，如设备管理构件将设备添加、设备维修和设备报废，以及设备查询、设备状态发布等过程封装起来，同时用接口描述语言（Interface Definition Language，IDL）描述该功能组件，得到IDL接口文件。各功能组件采用一种动态客户端/服务器（Client/Server，C/S）结构，即每个功能组件既可以作为客户端应用程序来调用DOOM对象提供的服务，亦可作为服务器来为其他成员提供透明服务。对现有的应用系统，如CAPP等也设计了接口文件，按DCOM组件的设计要求进行封装，从而实现系统的集成。　　各功能模块设置信息访问器（信息访问组件）和信息发布器（信息发布组件）。利用信息访问器查询和获取其他模块所发布的信息，如API-FiudXXX实现信息的查询，API-GetXXX实现信息的获取；而信息发布器将本模块管辖部分所产生的车间公开信息对系统内发布，供系统内其他功能模块使用，如API-PutXXX实现信息的发布。需要发布消息的格式按事先定义好的方式进行，格式包括消息名称、消息说明、消息获取方式和注意事项等，而信息的内容则如图2所示。 本文提出的信息发布器和信息访问器的工作原理类似于发布：订阅中间件，当木组件内有某类事件发生时（如设备故障的发生），该组件的信息发布器向订阅这类事件的组件发布通知（触发一个事件），接受方组件的信息访问器在收到通知后决定是否对通知做出回应。而信息发布器同时将信息保存在集成平台的信息队列（临时数据库）中，等待信息接受方的信息访间器将信息取出。信息发布器和信息访问器的通信是异步的，事件的订阅方在订阅了事件后，可以着手去做别的事情，而发布方在发布了通知后，也不必等到订阅方给出回应信息。 具体实现时，功能构件的IDL文件经IDL编译器进行编译后，产生了给客户端应用程序使用的Stub原始程序（信息访问器），以及给服务器端使用的Skeleton原始程序（信息发布器）；然后，编写客户端程序来激发和处理对已定义对象上操作的请求，为服务器编写能响应并实现客户端请求的代码；最后，分别把Stub原始程序包含在客户端应用程序的项目中，联编生成可执行的客户端程序，把Skeleton原始程序包含在DCOM服务器的项目中，联编生成可执行的服务器程序。通过对象适配器将Server对象类注册进现实库。这样，当客户使用Server对象时，服务器能自动运行。采用DCOM规范建立了功能构件的模型后，各成员构件、系统管理构件和其他构件分别被封装成具有IDL接口的DCOM应用对象，利用DCOM规范提供的“软总线”结构和系统管理构件提供的网络注册功能，各成员构件以即插即用的方式连接到整个系统集成框架中，从而实现各类功能构件的快速集成。当运行环境发生变化时，根据环境的要求对成员构件进行增加和删除，从而实现系统的重构。　　2.2 基于Web服务的车间系统与外部相关系统的集成　　车间内部信息和外部信息的集成因一般不在同一地域，而且有可能需要通过Internet来实现通讯，所以使用组件技术就不再合适，可以通过Web Service、技术来实现信息的集成，通过在超文本传输协议（HyperText Transfer Protocol，HTTP）上便用简单对象访问协议（Simple Object Access Protocol，SUAP）来进行。对系统所要访问的各个车间外的系统，如企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）, PDM等，设置ERP访问器和PDM访问器，来获得车间所需生产计划和产品信息。同时，对车间需要发布的信息，设置信息发布器向车间外部发布系统信息。访问器采用标准的Web服务接口，根据企业ERP, PDM具体定制。访问器可实现ERP , PDM的信息查询和获取，如信息查询API-FindXXX，信息获取API-GexXXX（XXX代表企业信息，如生产计划，本月生产计划等）；发布器同样用标准的W eb服务接口来实现，将系统需要发布的信息发布出去，如API-PutXXX（生产进度，设备状况等）。Web服务就是通过Web接口提供的某个功能程序段。　　外部集成的具体实现如下：首先在企业服务器中设立不同的统一描述、发现和集成协议（Universal Description，Discovery and Integration，UDDI）注册中心，负责管理注册企业内外各部门的Web服务，即定位与所需要功能匹配的Web服务；而外部各系统（如ERP，PDM等）编写各自的Web服务接口，充当服务器功能，在系统访间器端编写相应的代码，使用Internet进行远程过程调用（Remote Procedure Call，RPC）操作，对Internet上的服务器进行请求，并接收以XML格式的返回响应（服务内容），此时系统为客户端。该过程实现了信息从系统外部到系统内部的交流。如系统需向外部提供信息时则反过来，在系统发布器端编写相应的服务接口及服务说明，并到UDDI中心注册，外部各系统读取该服务接日，完成信息从系统内部到系统外的流动。这些在客户机和服务器之间来回传递的消息被编码到一个特殊的XML语句中，这些语句称为SOAP。例如，系统需要外部服务（如来自ERP的当月生产计划等），则首先到注册中心查找相应服务，然后在系统访问器中编写相应的访问代码，通过标准的Internet协议（如HTTP）访问所需要的服务，实现访问功能。当然，还可以根据企业间动态联盟的情况，建立企业联盟中的UDDI注册中心，提供企业间的信息交互集成。如图5所示为车间系统与外部信息的集成逻辑图。

图5 车间外部信息的集成逻辑图

3 集成系统的体系结构及实现方法　　系统采用C＃在Microsoft的Visual．NET环境下开发，构建了数控车间数字化软、硬件集成执行平台，并进行了信息的集成。实现方式上采用浏览器/服务器（Browser/Server, B/S）和C/S混合的方法。因为NC加工程序可行性验证需要在客户端运行仿真软件，所以将其设计成C/S结构，系统内其余部分设计成B/S结构，充分利用B/S模式强大的可扩充性、跨平台性和广泛的可访问性，客户端基本不用维护。采用B/S三层应用结构。利用中间件将应用分为表示层、业务逻辑层和数据存储层三个不同的处理层次，使系统具有稳定、安全和处理能力强等特性，同时拥有开放系统成本低、可扩展性好等优点。B/S结构实现了系统的随时接入性，即在车间内部只要能上网就可以使用本系统。系统的安全性则通过系统安全权限来管理。采用组件设计的结构可实现系统的即插即用，便于系统重构。　　系统数据库采用Orcale 9i作为后台数据集成存储支持。根据数据库的角色管理，设计了不同用户的数据存取权限，以保证数据的安全性。采用ASP．NET Web服务模板设计了系统的信息访问器，并采用DCOM技术设计了各子系统的接口。4 应 用　　上述执行系统及信息集成解决方案在某企业的数控车间中得到了应用。该数控车间属于典型的多品种、小批量生产，30%以上结构复杂、精度高的零件需要数控精加工，因此需要生产系统具备快速响应能力。而目前的车间管理方式不能满足企业生产的需求，表现在：①CAPP的编制缺乏制造资源的有力支持，多数凭经验知识；②车间资源管理不系统、不规范，导致生产准备时问长，生产效率低下；③生产管理方式落后，计划、调度、生产状态不能有机衔接，不能动态反馈实时信息；④车问信息不能共享，车间内的各应用软件（如LAPP、立体仓库管理软件等）孤立运行，仅靠人工方式进行信息交互的手段落后，信息滞后且二次输人易造成人为差错。　　针对这种状况，设计了数控车间制造执行系统。通过系统访问器直接获得ERP对车间下达的生产计划，结合CAPP可分解为各相应加工单元的生产任务；通过遍布车间的触摸杳询一体机及信息采集终端，可实现数控设备、自动化立体仓库、对刀仪等与集成系统网络的连接，传输NC程序，采集加工任务进度、设备状态和资源使用状况等；信息经模拟导航系统的统计分析后用大屏幕发布显示；同时调度子系统对临时状况，如急插件、设备故障等进行调度，通过系统发布指令。集成系统实现厂车间信息的全面采集和综合分析、各层管理人员及操作员之间信息实时交互等，提高了车间的数字化管理水平和生产效率。经过一段时间的运行，证实了该系统的有效性。据统计，车间设备平均利用率从20%提高至60%，如车间数控设备加工效率从25%提高至60%。如图6所示为系统的部分应用页面。

图6 车间执行功能集成系统主页面

5 结束语　　本文所提出的数控车间信息集成方法，能够支持车间内外部信息的集成。通过标准的Web服务接口可支持车间外部跨Internet的信息集成，而基于DCOM的组件技术可实现车问内部信息的快速高效集成，使得信息集成具备良好的可扩展性、可重构性和易集成性。面对动态多变的车间信息和用户变化，只要对部分模块进行扩充和再定义，整个系统就可以重新组合装配。因此，本系统具有普遍性。