CN103034920B - 用于控制制造设施的操作的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了用于控制制造设施的操作的系统（2）和方法（S1至S6）。系统（2）包括多个生产资源（12至24）、制造执行系统（MES）、至少一个人机接口（MMI）和/或图形用户接口（GUI）、生产调度器数据库（DB）以及数据服务器过程（SP）。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于控制制造设施的操作的系统和方法。
背景技术
可以在现代制造过程的背景下考虑本发明。这些制造过程是高度自动化的并且可以被划分成若干个阶层。例如，在最高级别处，企业资源计划(ERP)发生，其可以被称作商业层。在较低级别处，硬件实施和控制发生，其可以被称作各种控制级别。工业标准ISA S95定义了将商业层和控制层集成和连接在一起的中间层。该中间层被称作制造执行系统(MES)，制造执行系统(MES)在功能之间的相互作用以及数据方面定义了MES过程，其比如是生产建模、生产调度、资源管理、资源分配、分派、数据收集和获取、质量保证管理、维护管理、性能分析、纠正性调度、文档控制、劳动力管理以及材料和生产跟踪。
在制造执行系统的领域中，例如来自德国西门子公司的IT产品的一大类产品可供用于解决多种技术任务。在此背景下，存在众多IT解决方案来将接近于技术和/或逻辑过程的实际硬件连接到驱动该装置的客户端的应用层。因此，开发了多种制造执行系统来满足面向服务的架构(SOA)的所有需求以无缝地集成到全集成式自动化(TIA)中。例如，IT是TIA中的制造执行系统，而PCS 7是适合于与制造执行系统协作的过程控制系统。
US 2005/0159932表示了呈金字塔形式的制造过程的各个级别。在该表示中，金字塔的最高级别是ERP级别，而金字塔的最低级别是自动化/控制级别，其中，MES级别是链接级别。在自动化级别上通常使用与视觉化和过程控制系统(PCS)相结合的可编程逻辑控制器(PLC)。在生产和/或制造设施中使用的单独的驱动器、致动器和传感器与自动化级别的系统直接接触。
US 2005/0159932还说明了MES系统包含：运行时间系统(RTS)，用于提供所涉及的组件(子组件、模块、任务、操作系统过程等)的基于时间的顺序控制；以及工程系统(ES)，用于创建并编辑用于在运行时间系统中执行的程序。控制设施的运行时间系统(或者自动化系统或MES系统的运行时间系统)与技术过程之间的连接借助于输入/输出来实现。在工程系统中执行控制设施的编程以及运行时间系统的行为规范。工程系统包含用于对机器进行配置、计划和编程以及对技术过程进行控制的工具。将在工程系统中创建的程序传递到目标系统的运行时间系统RTS。
在目标系统上执行由工程系统创建的控制程序或装置规范例如以控制技术过程。目标系统包括处理器、存储设施和运行时间系统。将ES创建的控制程序加载到目标系统的运行时间系统上。经由输入和输出来控制例如用于MES解决方案的作为基础的技术过程。运行时间系统经由输入和输出影响致动器。技术过程通过如下方式作出反应：将传感器数据经由输入和输出送回到运行时间系统，以便在应用中进一步处理。
用于装置描述或者用于制造或组装解决方案的元件(装置零件，装置组件，机器、阀等)在工程阶段中与元信息链接或者物理地包含生产模型中的元信息。元信息可以是关于元件本身的信息(例如，谁正在使用元件？该元件与哪些其它元件相互作用？该元件不能与哪些其它元件并行地相互作用)。然而，元信息还可包括关于应用、待实施的商业过程或整个装置的知识。此类型的知识存在于工程阶段中(功能规范、设计规范或其它装置文档中)并且简单地需要被并入到元件中作为元信息。特别而言，标记语言XML(可扩展标记语言)适合于描述元信息以及将其与元件链接。
此外，客户端需要实施其自己的软件程序和应用，为此，IT提供了使得用户能够定制IT软件的客户端应用构建器(CAB)工具。所有其它MES软件解决方案可能还将包括允许用户定制标准相关MES软件的用户接口。在此具体背景下，特别而言且一般而言，由通过CAB工具并入到MES软件中的网页应用来管理一大类数据相互作用和数据处理例程。
为了执行制造过程，因此有必要具有管理制造设施(工厂)的所有过程的生产计划。使用对生产订单的用户请求、利用MES生产调度器组件来准备主生产调度器(MPS)。MPS是用于生产、人员配备、存货清单等的计划，并且指示何时需要每种产品以及需要每种产品的数量。MPS量化重要过程、零件和其它资源以便优化生产过程，从而识别瓶颈并且预期需要和成品。由于MPS驱动许多工厂活动，所以其准确度和可行性显著地影响工厂的盈利能力。在MPS之后，需要向工厂中的各个生产线和设备分配并执行生产订单以实现MPS。这种被称作详细调度的阶段现在是与本发明相关的阶段。工业场景中的详细调度的目的是最小化生产时间和成本。当最佳地管理自然资源如水和电时，其还具有环境保护的组件。详细调度告诉生产设施要生产什么、何时、用哪个人员和在哪个设备上生产。
在详细调度期间，用户(调度器/计划器)加载在制造执行系统的生产调度器环境中准备调度计划(例如以甘特图(Gantt chart)形式显示)所需要的所有数据。当用户修改生产订单计划以优化调度时，可能发生的是，另一用户同时地修改其调度结果，从而招致由第二用户作出的修改使由第一用户所计划的调度结果无效的风险，这将通过一些例子来说明：
a)第一用户准备其调度计划，且第二用户调度如下生产订单：该生产订单生产由第一用户所管理的生产订单用作输入材料的材料。如果第二用户修改其调度计划，则第一用户的调度计划可能变得不可行，且第一用户不得不尽快修改其调度计划以避免生产中的问题。
b)生产订单在生产中由于相应生产线的失调/失效而需要停止；所有用户需要被尽快通知并立即审视该情况以便根据失调的严重性来修改其调度计划。
c)由于新的紧急的顾客请求而在系统中创建了新的生产订单；所有用户需要立即审视这些新的生产订单以调整/修改其调度计划。
目前，制造执行系统(MES)通过使用了自动过程的应用来管理这种通知和更新调度计划的问题，该自动过程从MES的数据库中周期性地检索所有相关/敏感数据并使得该数据引起用户的注意，比如以MMI/GUI、SMS消息等显示该数据。遗憾的是，此过程具有相当低的性能，因为在许多情形中数据不改变而是被传输由此占据MES的通信中枢中的带宽。另一方面，如果用户之一修改了不同的生产订单，则需要向所有其它用户通知此修改而不仅通知新近的改变。在其它方法中，更新操作由控制用户完全人工地完成，具有倾向于延迟、故障和低能力的重大缺点。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于控制制造设施的操作的系统和方法，其提供了调度生产过程方面的高度灵活性、同时仅需要有限量的带宽来管理与实时调度相关的数据的传递。
此目的是根据本发明、通过一种用于控制制造设施的操作的系统来实现的，所述系统包括：
a)多个生产资源，所述生产资源根据生产调度结果执行生产过程；
b)制造执行系统，所述制造执行系统在工程级别处包括生产建模器和生产调度器，所述生产建模器对所述生产资源及其生产依赖性和/或约束进行建模，所述生产调度器根据待被执行的生产订单、由此使用所述生产建模器的数据模型来调度所述生产过程；
c)至少一个人机接口和/或图形用户接口，这二者使得用户能够将生产订单和/或生产调度数据输入到所述制造执行系统中并且当调度所述生产过程时呈现与用户相关的所有数据记录以使得用户的生产订单被相应地调度和执行；
d)生产调度器数据库，所述生产调度器数据库存储所有生产订单和/或生产调度数据并且为负责调度的用户提供送往所述人机接口和/或图形用户接口的存储在所述数据库中的预定义数据；其中，所述预定义数据是从存储在所述数据库中的数据中确定出的敏感数据和/或敏感数据类；所述敏感数据和/或敏感数据类是实时调度所需要的；
e)数据服务器过程，当用户修改了至少一部分所述敏感数据和/或敏感数据类时，所述数据服务器过程为用户更新所述敏感数据和/或敏感数据类；其中，使得所述数据服务器过程能够执行事件列表队列；所述事件列表队列包括由所述数据库发起的数据修改事件；使得所述数据服务器过程进一步能够：
i)在所述事件列表队列中周期性地查找覆盖所述敏感数据和/或敏感数据类的数据修改事件，
ii)从所述数据库中仅读取所述敏感数据和/或敏感数据类中的修改后的数据，以及
iii)将修改后的数据与现有的数据融合，其中，更新后的数据是所有用户均可访问的。
关于方法，该目的是根据本发明、通过一种用于控制制造设施的操作的方法来实现的，该方法包括：
a)提供多个生产资源，所述生产资源根据生产调度结果执行生产过程；
b)提供制造执行系统，所述制造执行系统在工程级别处包括生产建模器和生产调度器，所述生产建模器对所述生产资源及其生产依赖性和/或约束进行建模，所述生产调度器根据待被执行的生产订单、由此使用所述生产建模器的数据模型来调度所述生产过程；
c)提供至少一个人机接口和/或图形用户接口，所述人机接口和/或图形用户接口使得用户能够将生产订单和/或生产调度数据输入到所述制造执行系统中并且当调度所述生产过程时显示与用户相关的所有数据以使得用户的生产订单被相应地调度和执行；
d)提供生产调度器数据库，所述生产调度器数据库存储所有生产订单和/或生产调度数据并且为负责调度的用户提供送往所述人机接口和/或图形用户接口的存储在所述数据库中的预定义数据；其中，所述预定义数据是从存储在所述数据库中的数据中确定出的敏感数据和/或敏感数据类；所述敏感数据和/或敏感数据类是实时调度所需要的；
e)提供数据服务器过程，当用户修改了至少一部分所述敏感数据和/或敏感数据类时，所述数据服务器过程为用户更新所述敏感数据和/或敏感数据类；其中，使得所述数据服务器过程能够执行事件列表队列；所述事件列表队列包括由所述数据库发起的数据修改事件；使得所述数据服务器过程进一步能够：
i)在所述事件列表队列中周期性地查找覆盖所述敏感数据和/或敏感数据类的数据修改事件，
ii)从所述数据库中仅读取所述敏感数据和/或敏感数据类中的修改后的数据，以及
iii)将修改后的数据与现有的数据融合，其中，更新后的数据是所有用户均可访问的。
因此，该系统和方法具有如下主要优点：所有用户都总是能够查看更新后的数据并且相应的应用仅当确实有必要时才读取更新，由此将那些更新附加地限制于自上一次起已改变并且属于预定义敏感数据的部分。该措施在相应地控制生产时极大地最小化了生产建模器和生产调度器中的数据交换、由此减小了所消耗的带宽并且增大了整个制造执行系统的性能。因此，计划和调度模块的鲁棒性也增大，这是因为所有负责调度的用户总是面对更新后的(最新近的)实时数据。
为了满足对实时更新的要求，该系统和方法有利地提供了数据输入，其使得主用户能够定义用于在事件列表队列中进行查找的周期。考虑到工厂中的延迟时间，用于查找的典型时间周期在几秒一直到最多几分钟的范围内。
在本发明的背景下，敏感数据和/或敏感数据类例如是与资源的使用、储备的材料的量、待递送或生产的材料的量、资源被维护或者由于其它原因而不具生产性时所处的时间间隔等相关的所有数据。
在本发明的优选例子中，该方法和系统能够以SQL服务器通知服务的形式实施，当在数据库中修改了观察到的数据时，SQL服务器通知服务允许用户应用被通知。通知服务提供了用于基于相应地反映在事件列表队列中的个人订阅来生成和格式化通知的易于使用的编程模型。利用微软的ADO API，例如可以定义用于推断何时在数据库中改变了观察到的敏感数据和/或敏感数据类的事件。
还提供了本发明的更多优选实施例。
附图说明
下面参照附图说明本发明的优选实施例，在附图中：
图1是生产工厂环境中的制造执行系统的一个实施例的示意性图示，以及
图2是用于控制生产工厂中的操作的方法的基本工作流程的表示。
具体实施方式
图1图示了作为制造执行系统(MES)工作的工厂控制系统2的示意性概览。系统/网络2包括多个数据处理单元4、6、8、10，数据处理单元4、6、8、10运行MES软件来控制和/或监视生产过程，其操作多个生产组件12至24。生产组件12至24可以是传感器、致动器、电动机、步进驱动器、传送带、阀、泵、全套设备等。数据处理单元4至10是通常包括逻辑单元、计算装置、存储装置、显示装置(人机接口MMI和/或图形用户接口GUI)等的网络计算机。数据处理单元4至10连接在工厂网络内以便在所需范围内交换数据。通常，此连接通过W-LAN或线缆承载的以太网连接来实现。数据处理单元之一(下文中被称作主控制台4)执行用于控制和监视工厂的操作的MES软件。
主控制台4在MES软件内包括生产建模器PM和生产调度器PS。使得该生产建模器PM能够在由MES软件帮助实现的全图形环境内定义商业逻辑BL。商业逻辑BL当由生产建模器最终生成时包括生产过程的工厂模型以及全图形环境中的生产组件12至24的相关操作过程。甚至为了创建商业逻辑BL，优选地与ISA-95标准符合地在MES软件内使用高级图形语言。
主控制台4进一步包括生产调度器PS，当在生产建模器PM中已对资源进行了建模时，生产调度器PS使得用户能够关于资源12至24及其依赖性和/或约束定义生产过程的工作流程。生产调度器PS通常还在数据处理单元4至10中的一个或多个数据处理单元的显示器上显示生产操作的过程。通常将所显示的数据准备为配合到实时甘特图中，实时甘特图示出了资源12至24在过去、当前和未来的实质操作和使用。
主控制台4在MES软件内进一步包括客户端应用构建器CAB，其能够为了各种目的而提供本地的基于网页的图形用户接口。一个目的是生成交叉功能性图形屏幕S，所述屏幕构成作为展示客户端PC、PC1至PC4的网络2的一部分并且显示数据D，数据D产生自生产组件12至24并且在需要时(即，当产生自生产组件12至24之一的数据必须被进一步处理或者与产生自其它生产组件的数据取平均时)由生产建模器PM根据商业逻辑BL来操纵。通常，IT软件套件内的客户端应用构建器CAB提供CAB工程模块，CAB工程模块提供其中由用户开发CAB应用的Visual Studio.NET环境。此外，客户端应用构建器CAB包括其中应用户的请求而执行CAB应用(用CAB工程环境开发出的CAB应用)的CAB网页服务器。此外，包括在客户端应用构建器中的CAB服务器负责与各个IT数据源以及与客户端侧交换数据。最后的但不是最不重要的，客户端应用构建器CAB包括CAB客户端，CAB客户端借助于网页浏览器通常需要去往CAB网页服务器的资源(例如，一组数据的显示)。在CAB网页服务器上，安装了两个网页应用，一方面是IT入口以及IT控制台。这两个应用允许也包含在IT软件套件如生产建模器、生产调度器、生产追踪器等中的组件的使用和视觉化。
利用数据处理装置4至10的人机接口和/或图形用户接口，使得用户能够将生产订单和/或生产调度数据输入到制造执行系统MES中并且当调度生产过程时通常以所显示的形式接收与用户相关的所有数据以使得用户的生产订单被相应地调度和执行。生产调度器数据库DB存储所有生产订单和/或生产调度数据，并且为负责调度的用户提供送往人机接口和/或图形用户接口的存储在数据库中的预定义数据。由此，进一步使得用户能够定制预定义数据以便从存储在数据库DB中的数据中确定出敏感数据和/或敏感数据类。
在本发明的背景下，敏感数据和/或敏感数据类例如是与资源的使用、储备的材料的量、待递送或生产的材料的量、资源被维护或者由于其它原因而不具生产性时所处的时间间隔等相关的所有数据。为了使实时调度被通知其它用户已输入到生产调度器中的调度决定，敏感数据和/或敏感数据类是必需的。
主控制台4进一步与数据服务器过程SP链接，当用户修改了至少一部分敏感数据和/或敏感数据类时，数据服务器过程SP为用户更新敏感数据和/或敏感数据类。使得数据服务器过程SP能够执行事件列表队列ELQ；所述事件列表队列ELQ包括由数据库DB发起的数据修改事件。操作数据服务器过程SP以便：
i)在事件列表队列EQL中周期性地查找覆盖敏感数据和/或敏感数据类的数据修改事件，
ii)从数据库DB中仅读取敏感数据和/或敏感数据类中的修改后的数据，以及
iii)将修改后的数据与现有的数据融合，其中，更新后的数据是生产调度器PS的所有用户均可访问的。
图2图示了当控制生产工厂2的生产操作时根据本发明的工作流程中的主要步骤。当用户在其个人计算机PC1至PC4或者在数据处理装置4至10之一上启动生产调度器(应用)PS时，该应用从数据库DB中加载所有有用数据(至少敏感数据和/或所有敏感数据类)，其中，对于敏感数据和/或敏感数据类，激活SQL依赖性(SqlDependency)以接收由服务器过程SP发起的相关数据改变事件，即SQL服务器过程。
为了避免对于单个数据输入的每次改变总是刷新向负责调度的用户显示的所有数据，在专用的事件列表队列ELQ中收集和添加从数据库向服务器过程SP的事件列表队列ELQ通知的所有数据更新(其中，需要将数据包括在敏感数据和/或敏感数据类当中)。以指定的时间间隔周期性地检查事件列表队列ELQ，如果发现敏感数据部分上存在更新，则用存储在数据库中并且正存在于观察到的(敏感的)表格(其中新近修改后的数据从上次更新到当前更新产生)中的值来更新初始读取的数据。为了避免已被修改的数据在时间顺序上的任何不匹配，在敏感数据和/或敏感数据类的表格中设置了时间戳栏。每当记录由于更新时间戳而改变时，生产调度器应用也负责更新该时间戳栏值。时间戳本身通常必须以毫秒的精度存储。
此方式保证了向负责调度的用户显示的数据总是正确的并且实时地反映调度过程。任何更新操作都确保限制于那些在事件列表队列ELQ中发现敏感数据和/或敏感数据类的改变的事件。甚至在许多数据输入已在短期内改变的情况下，也可通过从数据库DB中进行仅一次读取操作来执行更新。图2中所示的流程图图示了根据本发明的当前过程的必需步骤。
在步骤S1中，任意用户修改其经调度的生产订单。在步骤S2中，将该用户输入存储在生产调度器数据库DB中。在步骤S3中，生产调度器数据库DB通知数据服务器过程SP数据已被用户改变。在步骤S4中，数据服务器过程SP接收由生产调度器数据库DB发起的数据改变事件的通知。将这些通知存储到事件列表队列ELQ中。在步骤S5中，生产调度器应用周期性地检查事件列表队列ELQ并且从数据库DB中仅读取被分配给敏感数据和/或敏感数据类的插入的/修改的/删除的数据行。读取的数据随后与现有的且未修改的数据融合以便生成完整的数据记录，准备传送给负责调度的用户。在步骤S6中，向所有关联的用户示出更新后的数据记录并且根据最新确认的生产调度结果将生产过程在当前持续到经调度的操作。由于数据的可能修改，使得每个用户能够在实时模式下反映对该用户的各个经调度的生产操作的新近修改的结果。
因此，上述系统和方法具有如下主要优点：所有用户都总是能够查看更新后的数据并且相应的生产调度器应用仅当确实有必要时才读取更新，由此将那些更新附加地限制于自上一次起已改变并且属于预定义敏感数据的部分。该措施在相应地控制生产时极大地最小化了生产建模器和生产调度器中的数据交换、由此减小了所消耗的带宽并且增大了整个制造执行系统的性能。因此，计划和调度模块的鲁棒性也增大，这是因为所有负责调度的用户总是面对更新后的(最新近的)实时数据。
本发明的解决方案基于IT生产套件数据库，其中仅考虑了生产订单和生产订单输入数据库。生产调度器应用加载该数据并将该数据以两个表格向用户显示。从简单的例子中容易明白本发明的优点。考虑用户从生产调度器数据库16,000中加载生产订单的情况。生产调度器应用以约300ms从生产调度器数据库DB中读取所有生产订单，其中，该时间跨度仅反映用于从数据库DB中加载数据的时间)。现在另一用户修改约200个现有的生产订单(从当前16,000个待生产订单量中)。生产调度器应用在对200个修改后的生产订单检查了事件列表队列之后加载，这需要约30ms，是用于加载所有现有订单的完整数据的时间的十分之一。这个简单的例子容易地证明了通过本发明实现的性能的提高。
Claims (4)
1.一种用于控制制造设施的操作的系统(2)，包括：
a)多个生产资源(12至24)，所述生产资源(12至24)根据生产调度结果执行生产过程；
b)制造执行系统(MES)，所述制造执行系统(MES)在工程级别处包括生产建模器(PM)和生产调度器(PS)，所述生产建模器(PM)对所述生产资源(12至24)及其生产依赖性和/或约束进行建模，所述生产调度器(PS)由此使用所述生产建模器(PM)的数据模型、根据待被执行的生产订单来调度所述生产过程；
c)至少一个人机接口(MMI)和/或图形用户接口(GUI)，所述人机接口(MMI)和/或图形用户接口(GUI)使得用户能够将生产订单和/或生产调度数据输入到所述制造执行系统(MES)中并且当调度所述生产过程时呈现与用户相关的所有数据记录以使得用户的生产订单被相应地调度和执行；
d)生产调度器数据库(DB)，所述生产调度器数据库(DB)存储所有生产订单和/或生产调度数据并且为负责调度的用户提供送往所述人机接口(MMI)和/或图形用户接口(GUI)的存储在所述数据库(DB)中的预定义数据；其中，所述预定义数据是从存储在所述数据库(DB)中的数据中确定出的敏感数据和/或敏感数据类；所述敏感数据和/或敏感数据类是实时调度所需要的；
e)数据服务器过程(SP)，当用户修改了至少一部分所述敏感数据和/或敏感数据类时，所述数据服务器过程(SP)为用户更新所述敏感数据和/或敏感数据类；其中，使得所述数据服务器过程(SP)能够执行事件列表队列(ELQ)；所述事件列表队列(ELQ)包括由所述数据库(DB)发起的数据修改事件；使得所述数据服务器过程(SP)进一步能够：
i)在所述事件列表队列(ELQ)中周期性地查找覆盖所述敏感数据和/或敏感数据类的数据修改事件，
ii)从所述数据库(DB)中仅读取所述敏感数据和/或敏感数据类中的修改后的数据，以及
iii)将修改后的数据与现有的数据融合，其中，更新后的数据是所有用户均可访问的。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，用于在所述事件列表队列中进行查找的周期是用户可定义的。
3.一种用于控制制造设施的操作的方法，包括：
a)提供多个生产资源，所述生产资源根据生产调度结果执行生产过程；
b)提供制造执行系统，所述制造执行系统在工程级别处包括生产建模器和生产调度器，所述生产建模器对所述生产资源及其生产依赖性和/或约束进行建模，所述生产调度器由此使用所述生产建模器的数据模型、根据待被执行的生产订单来调度所述生产过程；
c)提供至少一个人机接口和/或图形用户接口，所述人机接口和/或图形用户接口使得用户能够将生产订单和/或生产调度数据输入到所述制造执行系统中并且当调度所述生产过程时显示与用户相关的所有数据以使得用户的生产订单被相应地调度和执行；
d)提供生产调度器数据库，所述生产调度器数据库存储所有生产订单和/或生产调度数据并且为负责调度的用户提供送往所述人机接口和/或图形用户接口的存储在所述数据库中的预定义数据；其中，所述预定义数据是从存储在所述数据库中的数据中确定出的敏感数据和/或敏感数据类；所述敏感数据和/或敏感数据类是实时调度所需要的；
e)提供数据服务器过程，当用户修改了至少一部分所述敏感数据和/或敏感数据类时，所述数据服务器过程为用户更新所述敏感数据和/或敏感数据类；其中，使得所述数据服务器过程能够执行事件列表队列；所述事件列表队列包括由所述数据库发起的数据修改事件；使得所述数据服务器过程进一步能够：
i)在所述事件列表队列中周期性地查找覆盖所述敏感数据和/或敏感数据类的数据修改事件，
ii)从所述数据库中仅读取所述敏感数据和/或敏感数据类中的修改后的数据，以及
iii)将修改后的数据与现有的数据融合，其中，更新后的数据是所有用户均可访问的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，用于在所述事件列表队列中进行查找的周期是用户定义的。
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