CN103309296A - 控制制造过程 - Google Patents

Abstract

本发明涉及控制制造过程，提供了经由MES系统控制工厂的制造过程的方法和系统，该方法包括：a)向MES系统提供包括至少一个产品相关实体的产品定义模型；c)在产品定义模型内，为一个产品相关实体定义经由嵌套结构引用该一个产品相关实体和彼此引用的产品相关实体组；d)在产品定义模型内，为每个相关实体定义产品相关参数组；在产品定义模型内，定义被称作参数交换定义的附加实体；e)在设计时间，同样通过插入项c)、d)的实体和通过指定产品相关参数如何交换来建立给定最终材料的给定产品定义；f)在运行时间，将项e)的实体实例化为由给定产品定义所获取的运行时间内的生产请求对象；g)在运行时间，通过执行项f)的生产请求来控制工厂制造过程。

Description

控制制造过程

技术领域

本发明涉及一种用于控制制造过程的方法和系统，尤其是涉及在采用计算机管理的制造执行系统(manufacturing execution system,MES)的生产设备中控制制造过程的方法和系统。

背景技术

正如制造企业方案协会(Manufacturing Enterprise SolutionsAssociation,MESA)（MESA International，国际制造企业方案协会）所定义的，MES系统是通过管理“从将订单下发至制造的点到产品交付为成品的点的生产操作”和通过经由双向通信“向组织和供应链上的其它系统”提供“关于生产活动的任务关键信息”来“驱动制造操作有效地执行的动态信息系统”。

为了提高制造工厂的质量和过程性能，MES系统通常包括的功能是：资源分配和状态、派发生产订单、数据收集/采集、质量管理、维护管理、性能分析、操作/细节调度(operations/detail scheduling)、文档控制、劳动力管理、过程管理和产品跟踪。

例如，西门子有限公司提供了在其

产品系列下的大量MES产品。

通常，在设计（engineering）时间，MES客户应用程序由系统工程师用于根据特定制造工厂的需求而进行定制。替代地，在运行时间，MES客户应用程序由诸如工厂操作员或者线路负责的人员等终端用户使用。

制造过程的精确建模对于在制造活动中的调度和执行两者以及最终实现高水平的运行性能是不可缺少的。

众所周知的用于制造的模型示例可在称为ISA-S95的标准中查找到。该标准ISA S95是用于制造中的过程控制工程的标准ISA S88的批处理方式的扩展，其可应用到离散的和连续的生产类型。它限定了用于各个生产步骤的方案，该方案包括与在制造执行系统中需要的不同生产阶段之间的信息交换有关的规则。

ISA-S95标准是用于MES系统的开发的公用基础。它包括分别具有特定的范围的几个部分。特别地，ISA-S95标准[A]的部分2通过定义用于生产容量、过程段容量、人员、设备、材料、过程段、产品定义信息、生产调度和生产性能的模型来处理表示包含在制造过程中的实体的对象模型。这种实体表示要在执行生产请求或者命令的期间使用的资源。

如ISA-S95标准[B]的部分1所述的，MES系统驱动生产请求的执行和用于生成生产请求的产品生产规则的设计。

下面介绍如ISA-S95标准[B]的部分1中所记载的，用于“生产请求”、“生产规则(亦称为产品生产规则（product production rule,PPR）)”和“产品段”（或亦称为“生产阶段”）的定义：

-“生产请求定义了用于生产规则所识别的单个产品的生产请求。生产请求包括完成计划生产的制造所需要的信息。生产请求可以识别或者引用相关联的生产规则。”

-“生产规则-用于指示如何生产产品的制造操作的信息。”

-“产品段-在特定产品的资源计划和生产规则之间的共享信息。它是执行生产步骤所需要的人力资源、设备资源和材料规格的逻辑分组。”

图1示出了具有其关联的产品段的产品生产规则。图1是示出正如从图21的ISA-S95标准[B]的部分1所得到的产品定义模型的框图。如本文中所使用的，术语“产品相关实体”是指产品生产规则实体或者产品段实体。

由于生产请求和产品生产规则的结构可能需要几个嵌套级，即在包含相似对象的层或者对象中的信息组织，因此，该请求和产品生产规则的结构常常比较复杂。

从药品制造领域中列举一个简单的示例，生产一定量的给定药物可能需要使最终材料由混合在一起的两种中间材料（例如赋形剂成分和活性成分）组成。

在制造领域中，可能需要使一些中间材料不止一次地用于相同的最终材料中或者使相同的中间材料用于不同的最终材料中。

在这种情形下，所希望的是，过程/系统工程师能够通过在生产过程内指定相同的子过程若干次或者通过将子过程指定为已定义的过程的副本来对生产过程进行建模。

令人遗憾的是，自S95标准仅公开产品定义的概念以来，到现在为止，S95标准并没有记载关于子过程或者子产品定义的概念。

因此，过程/系统工程师需要以生产过程所需要的次数来复制所谓的子产品定义的内容，这是因为他/她没有工具来在先前限定子产品定义并且然后由其它产品定义引用该子产品定义。

当然，在MES系统中，子产品定义的内容的激增造成效率低下并且表现出弱点，这是由于用户应该复制相同的子产品定义若干次、从而对系统的可用性、低性能和高维护成本造成影响（例如，在过程工程师需要对在系统中激增若干次的子产品进行改变的情形下）这一事实。

如在以S95标准定义的图1中可见，上述药物生产示例的每个中间材料的生产可以通过产品段来建模，因为通过S95标准可预见嵌套产品段的结构。

然而，还希望，每个中间材料的生产通过具有更高复杂度级别的产品生产规则来建模，进而在建模过程期间避免对几个产品段的繁琐复制。例如，过程工程师可能希望利用第一产品生产规则来对第一中间材料建模以生产赋形剂，并且利用第二产品生产规则来对第二中间材料建模以生产活性成分。然后，他/她可能希望具有包括用于将药物混合物封装成药片的装配步骤的主要的“父”产品生产规则。

除了上述的对具有反映子生产过程的嵌套产品生产规则的需求之外，存在关于在嵌套产品生产规则和/或产品段中进行信息交换的需求的问题。

实际上，情况可能是，活性成分的数量与赋形剂成分的数量严格地相关并且它们的百分比在混合物内需要适当地平衡，以便在每个药片中达到期望的相同药物浓度。理论上，生产赋形剂成分的给定产品生产规则或者产品段应该产生准确的给定量的中间材料，但是，由于总是可能出现一些损耗或者不准确性，事实证明，必须调整活性成分的数量以便获取期望的混合比率。在其它的情形中，需要将赋形剂中间材料的一些输出信息用作第二产品生产规则的输入(例如温度、重量、湿度等)。

通常，当生产段(即生产阶段)或者中间产品生产规则依赖于其它步骤(中间材料或者生产阶段或者工作流程)时可能出现这种需求，并且不仅出于准确性的理由而且当特定阶段/中间生产规则的结果可能影响其所跟随的阶段/中间生产规则时也可能出现这种需求。

在现有技术的MES系统的情况中，定制逻辑用于获取产品生产规则或者产品段以相互通信。这意味着，在项目基础上，MES系统所提供的环境具有执行询问和在数据库上保存数据以便在嵌套产品生产规则和/或生产阶段之间共享过程和子过程信息的逻辑。

这种操作通常在项目基础上进行,因为甚至ISA-S95标准也无法预知诸如产品生产规则的嵌套和诸如嵌套产品生产规则和/或生产阶段中的输入/输出信息的交换等概念。

因此，迄今为止所使用的已知技术具有以下缺点：

1.它们需要高维护费用；

2.它们易于出错；

3.过程/系统工程师在项目基础上实现用户要求的工作需要高深的软件技能。

发明内容

因此，本发明的目的是通过提供能够在嵌套产品相关的实体之间共享过程参数而不需要使用定制逻辑的、用于控制制造过程的方法和系统，来克服上述缺点。

上述目的由用于通过MES系统控制工厂的制造过程的方法和系统来实现，其包括如下：

a)向MES系统提供用于定义在不同的MES实体中的信息交换的包括不同类型的MES实体的产品定义模型；其中这种MES实体包括至少一个产品相关实体；

b)将用于与根据产品定义模型所建模的给定最终材料的给定产品定义一起工作的方法与MES实体相关联；

本发明还包括：

c)在该产品定义模型内，为一个产品相关实体定义经由嵌套结构引用所述一个产品相关实体和彼此相互的产品相关实体组，其中所述一个产品相关实体在以下被称为父产品相关实体并且所述产品相关实体组在以下被称为嵌套产品相关实体组；

d)在该产品定义模型内，为每个产品相关实体定义产品相关参数组以限定可以发送给MES系统从而控制给定最终材料的工厂制造过程的信息；在该产品定义模型内，定义被称作参数交换定义的附加实体以便提供用于定义嵌套产品相关实体和父产品相关实体的产品相关参数的数据在MES系统的运行时间内如何相互交换的工具；

e)在设计时间,同样通过插入项目c)、d)的实体和通过指定产品相关参数如何交换来建立给定最终材料的给定产品定义；

f)在运行时间，将项e)的实体实例化为由给定产品定义所获取的运行时间内的生产请求对象；

g)在运行时间，通过执行项f)的生产请求来控制工厂制造过程。

在发明实施例中，参数交换定义实体可以优选地包括要交换的数据的方向的定义，产品相关参数是输入数据还是输出数据。

在发明实施例中，产品相关实体可以是产品生产规则实体或者产品段实体。

在发明实施例中，产品相关实体可以方便地是产品段实体和产品生产规则实体的组合。

在发明实施例中，参数交换定义实体可以有利地包括一组API（Application Program Interface，应用程序接口）。

在发明实施例中，产品定义模型可以优选地取自ISA-S95标准。

此外，可以提供一种计算机程序元件，其包括当被加载在计算装置的数字处理器中时根据上述方法执行各步骤的计算机程序代码。

另外，可以提供一种存储在计算机可用介质上的计算机程序产品，其包括用于使计算装置执行上述方法的计算机可读程序代码。

本发明的实施例为过程工程师提供了在设计时间限定在嵌套产品生产规则之间的信息交换的工具。实际上，为了执行信息转移过程，工程师只需要指定产品相关参数的数据如何交换而不需要直接访问数据。

本发明的实施例使产品生产规则和/或产品段能够相互通信。

本发明的实施例独立于由数据库提供的数据层并且不依赖定制逻辑。

本发明的实施例使生产规则在建模阶段期间可重复使用。

本发明的实施例减少了在设计阶段期间的定制工作。

附图说明

现在参考附图，以优选但非排它的实施例来描述本发明，其中：

图1是示出取自ISA-S95标准(先前已描述)的产品定义模型的框图；

图2是示意性示出根据本发明示范实施例的在MES产品相关实体中的信息数据交换的示例的框图。

具体实施方式

根据本发明，经由MES系统来控制工厂的制造过程。MES系统设有与图1中示出的模型相似的产品定义模型。在该产品定义模型中，存在具有至少有一个产品相关实体（即产品生产规则或者产品段）的不同类型的MES实体。

将用于与根据产品定义模型所建立的给定最终材料的给定产品定义一起工作的相关方法（例如API接口）与MES实体相关联。

在该产品定义模型内，定义嵌套结构，在该嵌套结构中一组零个或更多个嵌套产品相关实体相互引用和/或引用父产品相关实体。因此，产品生产规则可以具有用于生产中间材料或者部件的0到N个嵌套产品生产规则。

对于先前提及的简单情况示例，用于赋形剂和活性成分的两个中间产品生产规则引用用于给定的药物最终材料的父产品生产规则。在该产品定义模型内，为每个产品相关实体定义一组零个或更多个产品相关参数，以限定可以发送给MES系统从而控制给定最终材料的工厂制造过程的信息。例如，这种信息可以优选包括要发送给MES控制系统以使最终材料的制造参数化或者驱动最终材料的制造的数值的名称和类型。对于先前提及的简单情况示例，产品相关参数可以包括赋形剂和活性成分的重量、温度和湿度。

在该产品定义模型内，定义被称作参数交换定义的附加实体，该附加实体提供了用于限定嵌套产品相关实体和父产品相关实体的产品相关参数的数据在MES系统的运行时间内如何相互交换的工具。要交换的数据的方向可以有利地被定义，例如产品相关参数是输入数据还是输出数据。

参数交换定义实体优选地可以包括一组API，使得MES系统提供用于定义哪个信息将在产品相关实体之间进行交换的一组API。

例如，参数交换定义可以采用与如以下表格1中示出的下列简化XSD（XML Schema Document，XML架构文件）架构相同的XML（eXtensibleMarkup Language，可扩展标记语言）构件来建模，该表格包括主信息，即交换数据的两个不同的相关参数的名称和交换方向。

表格1

在另一个示例中，可以通过使用如C#经典编程语言并且利用用于管理参数交换定义的C#组API定义如以下表格2所示的C#类别建模参数交换定义来对参数交换定义进行建模。

表格2

在设计阶段期间，系统/过程/产品工程师使用产品定义模型来建立要被制造的给定的期望最终材料的给定产品定义。在这个阶段，他/她在产品定义模型的必要MES实体中插入例如人员、设备、材料规格以及先前定义的实体，即产品相关实体、相关联的产品相关参数和参数交换定义实体。在设计时间的该具体化期间，参数值和参数交换方向也可以被指定。

在运行时间，将在设计时间所指定的实体实例化为由用于制造期望的最终材料的给定产品定义所获取的运行时间内的生产请求对象。接着，通过执行这种实例化的生产请求来控制工厂制造过程。

因此，一旦生产/过程工程师已经在设计时间指定哪个是要被交换的数据，则MES系统本身将通过将输入/输出信息从一个产品生产规则和/或产品段转移至另一个产品生产规则和/或产品段来管理在用于创建生产请求的产品相关实体之间的数据交换的机制。

利用本解决方案的实施例，可通过使产品生产规则能够引用其它产品生产规则、通过使产品生产规则具有其自身的产品参数组和通过在产品生产规则和产品段级别上引入参数交换定义的概念来扩展ISA-S95标准。

图2是示意性示出根据本发明的示范实施例的在产品相关实体中的信息数据交换的示例的框图。

如图2所示，产品相关实体PRE_p是引用两个嵌套产品相关实体PRE_n1、PRE_n2的父实体。父实体PRE_p具有它自己的产品相关参数组PAR_0{P01，P02,P03,P04}。第一嵌套产品相关实体PRE_n1具有它自己的产品相关参数组PAR_1{P11,P12,P13,P14}并且第二嵌套产品相关实体PRE_n2具有它自己的产品相关参数组PAR_2{P23,P24,P25,P26}。

如图2所示，过程/系统工程师已经通过指定一些产品相关参数经由交换它们的数据而相互通信，来在父产品相关实体PRE_p的级别上定义了产品相关实体中的信息交换流。例如，可以规定，产品相关参数P11的值由产品相关参数P24的值经过参数交换定义实体PED来提供，该参数交换定义实体PED表明第一实体PRE_n1的产品相关参数如何与第二实体PRE_n2的产品参数（即P11=P24；P12=P23；P13=P25）进行交换。

在本示例中，产品相关实体PRE_p、PRE_n1、PRE_n2可以表示产品生产规则或者产品段。例如，通过考虑上述简单情况示例，父产品相关实体PRE_p可以表示通过封装两个中间材料的药物混合物来生产最终产品的产品生产规则。进而，两个中间材料由分别用于赋形剂成分和活性成分的生产的两个产品生产规则PRE_n1、PRE_n2来生产。产品相关参数组PAR_0、PAR_1、PAR_2可以包括诸如赋形剂和活性成分的温度、湿度和重量等参数，该参数根据药物配方的期望混合比率而相关。

这个简单示例示出了在一些情况中，中间材料的产品生产规则能够从一个传递到另一个并且产品生产规则能够接受输入信息和提供输出信息是多么重要。这种需求常常出现，这是因为不仅产品生产规则应该将传递它们的作业结果传递给其它生产阶段，甚至生产阶段也应该将它们的作业结果传递给其它生产阶段。

除上述的本发明实施例之外，本领域技术人员将能够得出未在这个文件中明确地描述然而落入所附权利要求书的范围内的各种其它布置和步骤。

例如，产品相关实体的嵌套可以具有结合产品生产规则和产品段、反映大量制造领域中的材料和部件的制造过程的、复杂度不同的多种不同的结构。

引用的缩略词的列表

API应用程序接口

MES制造执行系统

XML可扩展标记语言

XSD XML架构文件

引用的标准的列表

[A]ISA-S95标准的部分2：

ISA-草案S95.00.02

企业-控制系统集成

部分2：对象模型属性

草案5，2000年8月

[B]ISA-S95标准的部分1：

ISA-草案S95.00.01-2000

企业-控制系统集成

部分1：模型和术语

草案15，2000年1月

Claims (9)

1.一种用于经由MES系统控制工厂的制造过程的方法，包括以下步骤：

a)向所述MES系统提供用于定义在不同的MES实体中的信息交换的包括不同类型的MES实体的产品定义模型；其中所述MES实体包括至少一个产品相关实体；

b)将用于与根据所述产品定义模型建模的给定最终材料的给定产品定义一起工作的方法与所述MES实体相关联；

所述方法的特征在于，还包括以下步骤：

c)在所述产品定义模型内，为一个产品相关实体(PRE_p)定义经由嵌套结构引用所述一个产品相关实体且相互引用的产品相关实体组(PRE_n1，PRE_n2)，其中所述一个产品相关实体在以下被称为父产品相关实体(PRE_p)并且所述产品相关实体组在以下被称为嵌套产品相关实体组(PRE_n1，PRE_n2)；

d)在所述产品定义模型内，为每个产品相关实体定义产品相关参数组(PAR_n1，PAR_n2)，以限定能够发送给所述MES系统从而控制所述给定最终材料的工厂制造过程的信息；在所述产品定义模型内，定义被称作参数交换定义的附加实体以便提供用于定义所述嵌套产品相关实体和所述父产品相关实体的产品相关参数的数据在所述MES系统的运行时间内如何相互交换的工具；

e)在设计时间，同样通过插入所述步骤c)、d)的实体和通过指定产品相关参数如何交换来建立所述给定最终材料的给定产品定义；

f)在运行时间，将所述步骤e)的实体实例化为由所述给定产品定义所获取的运行时间生产请求对象；

g)在运行时间，通过执行所述步骤f)的生产请求来控制所述工厂制造过程。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述参数交换定义实体包括要被交换的数据的方向的定义，产品相关参数是输入数据还是输出数据。

3.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述产品相关实体是产品生产规则实体。

4.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中所述产品相关实体是产品段实体。

5.如权利要求1-3中的任一项所述的方法，其中所述产品相关实体是产品段实体和产品生产规则实体的组合。

6.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述参数交换定义实体包括一组API。

7.如前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述产品定义模型取自ISA-S95标准。

8.一种具有用于执行如权利要求1-7中的任一项所述的方法的步骤的装置的系统。

9.一种用于执行如权利要求1-7中的任一项所述的方法的步骤的计算机程序产品。

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