CN105446289B - 由制造执行系统收集工作状态的时间戳的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及由制造执行系统收集工作状态的时间戳的方法和系统。一种用于由制造执行系统收集用于制造任务中的劳动力综合效率指示和设备综合效率指示的时间相关分量的计算的、机器和操作者(也称为行动者)的工作状态的时间戳的方法和系统包括：a)提供用于将数据提供的责任分配给行动者的实体；b)定义用于任务中的机器的两个元状态，分别称为操作元状态和登记元状态，元状态被定义为以下：当机器处于参与任务的状态并且能够知道和通知其自己状态时，机器被定义为处于操作元状态；当机器处于参与任务的状态并且不能通知其自己状态时，机器被定义为处于登记元状态；c)由制造执行系统收集给定制造任务中的机器和/或操作者的状态的时间戳。

Description

由制造执行系统收集工作状态的时间戳的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种用于由MES(制造执行系统)收集工作状态的时间戳或时间日志的方法和系统。

背景技术

在当今的工业自动化的世界中，为了增加竞争性，制造公司需要同时减少进入市场的时间，增加处理可视性和生产灵活性，优化预报和调度，以及减少废料、库存水平和停工期；所有这些同时保证了全部全球设施范围内的最优质量和生产效率。

为了满足这些需要的目标，制造公司需要帮助他们协调全球级的生产的集成IT基础设施，并且如果必要，制造公司需要实时地帮助他们协调全球级的生产的集成IT基础设施。MES一般被称为集成商业系统(例如， ERP)和生产控制系统的IT层。

西门子公司提供了在其产品系列下的广泛范围的MES产品。

如制造企业解决方案联盟(MESA国际)所定义的，MES系统是通过管理“从进入到制造的订购投放点到进入到完成商品的产品交付点的生产操作”以及通过“经由双向通信将关于生产活动的任务关键信息”提供到“供应链和组织内的其它”，“驱动制造操作的有效执行的动态信息系统”。用于开发MES系统的国际标准通常称为ISA-95或S95。通常，在工程时间，系统工程师根据特定制造工厂需求而灵活地定制MES应用。

相反，在运行时，MES应用由可以是工厂操作者或生产线负责人员的端用户来利用。

制造控制和自动化中的MES应用的重要特征是关键性能指示(KPI) 的计算。

KPI是被计算用于对规划的或执行的制造生产的特定性能进行量化的度量值。

例如，KPI可以是被计算为时间间隔中的制造件的数量的给定工厂或给定机器的生产率。另一示例可以是生产日中的某些工厂机器的空闲时间。

制造公司需要通过关注于人力/劳动力效率和机器/设备效率来监视和改进其资源的性能。

复杂制造过程通常是手动操作和机器操作的混合。在复杂制造中使用的机器提供在任务执行期间的高度自动化能力，然而，在各个任务之前、期间和之后，它们仍可需要一些手动操作用于机器的准备、监视和维护。

在复杂的制造工厂中，非常重要的是准确地跟踪效率损失的主要原因，该效率损失可能是由于过程组织而导致的并且负面地影响人力结果，或者可能是由于资源性能和可用性而导致的。另外，在这样的制造环境中，人力引起的损失可以影响设备的效率，并且反之亦然，设备引起的损失可以降低人力的性能。

因此，MES系统需要为制造公司提供对人力和资源效率的容易且可靠的监视。

在现有技术中，通常用于测量劳动力和设备性能的两个KPI分别是用于监视人力结果的劳动力综合效率(OLE)和用于监视资源结果的设备综合效率(OEE)。

OEE指示和OLE指示分别测量设备和人力的利用、性能和质量以及它们对生产力的影响。

OEE指示和OLE指示测量可用性、性能和质量，其中：

-可用性是做出有效贡献所花费的设备/人力的百分比；

-性能是针对给定目标的交付产品或任务的量；

-质量是完美或可销售实现的产品的百分比。

OEE和OLE通过给予制造者分析这些因素对生产输出的累积影响的能力而使得制造者做出操作决定。

在低水平的自动化处理中，OEE不提供重要的信息，这是由于工作的主要部分包括在由操作者执行的手动活动中。

为了计算OEE和OLE，需要定义：

-用于对定义的“工作状态”(也简称为“状态”)(例如，繁忙、空闲、停止等)中的逝去时间进行分类的时间模型；

-用于搜集时间模型记录和时间戳或日志的操作者与MES系统之间的交互模式。

现有技术的MES应用提供了用于计算OLE指示和OEE指示的方法和系统。用于OLE指示和OEE指示的测量技术实际上是许多生产场所 (shop-floor)实践和MES系统中的商品，即使在细节的解释方面存在一些微小的差别。

为了说明目的，以下提供了用于OLE和OEE指示的计算的公式的示例；如本领域技术人员所知道的，可以存在并且实际使用以下公式的许多其它变型。

OLE公式示例：

可用性＝(有效时间)/(总存在时间)

质量＝(好件数)/(总件数)

性能＝(分配时间)/(有效时间)

OLE＝可用性*质量*性能

OEE公式示例

可用性＝(运行时间)/(总时间)

质量＝(好件数)/(总件数)

性能＝(机器时间)/运行时间

OEE＝可用性*质量*性能

不幸的是，当同时应用用于计算OLE和OEE的已知技术时，所计算的OLE指示和OEE指示的精度没有保证。

实际上，对于OLE和OEE监视与计算之间的关系，不存在固化的最好实践。由于这些环境中的大部分低效和损失原因是同时由于人力和机器资源并且同时影响人力和机器资源，因此这是对于复杂制造的严重缺陷。这样的问题通常由为每个工程创建客户自组织解决方案的顾问活动来管理，而没有保证解决方案实现的解决方案的最终结果是准确的并且提供可靠的性能监视系统的被证明且标准化的技术。

实际上，在现有技术中，用于OEE和OLE计算的所需输入数据可以具有可以是错误的、不完整的、冗余的和/或冲突的信息。

示例是损坏的机器的情况，效率损失(例如，10％损失)反映在OEE 指示和OLE指示中，但是当输入数据对于OLE或OEE的组合计算不可靠时，真实的效率损失原因不是明显的。

用于改进所计算的OLE和OEE指示的可靠性的已知解决方案包括以下：

–后获取数据处理：例如利用数据净化、稍后时间的数据完成和固化分析报告来获得。该解决方案需要另外的努力，它是易于出错过程，并且其延迟了然后被校正“后验”的结果的可用性。当OLE和OEE指示评估的获取由MES系统来管理时，该解决方案是严重的限制，这是由于需要是具有较高的精确度水平，而不需要后获取数据处理。另外，如MES 系统的IT解决方案旨在开拓自动报告效率测量和指示的机器能力。

–双数据输入，例如通过要求操作者代表制造机器来通知性能信息或者验证自动获取的数据来获得。该解决方案要求操作者花费的另外时间，并且部分地或全部地中断自动从机器获取OEE数据的能力。

–仅关注于合计指示。取代获取和监视具体损失原因，OEE指示和 OLE指示仅被评估用于高水平的制造状态(例如，正常工作、问题、空闲)。该简化使得在存在不准确的数据获取中方法也有效。另一方面，在计算这些合计指示中不幸地存在很少的值，这是由于它们不能实际上帮助采取校正动作。

发明内容

因此，本发明的目的是克服上述缺陷，具体是通过提供用于由MES 系统收集用于OLE和OEE指示的时间相关分量的计算的、机器和操作者的工作状态的时间日志的方法和系统来克服上述缺陷，其中，不收集重叠的数据，其中，不需要双重或冗余数据输入并且不需要校正动作。

上述目的由用于由MES系统收集用于制造任务中的OLE和OEE指示的时间相关分量的计算的、机器和操作者的工作状态的时间戳的方法和系统来实现，其中，操作者和机器被分配任务，所述操作者和机器在下文中称为行动者；所述发明包括：

a)提供用于将数据提供责任分配给行动者的实体，这样的实体在下文中称为令牌；

b)定义用于任务中的机器的两个元状态，每个元状态对一组机器状态进行归类：第一元状态在下文中被称为操作元状态；第二元状态在下文中被称为登记元状态；其中，所述两个机器元状态被定义为如下：

-当机器处于参与任务的状态并且它能够知道和通知其自己的状态时，机器被定义为处于操作元状态；

-当机器处于参与任务的状态并且它不能通知其自己的状态时，机器被定义为处于登记元状态；

c)由MES系统如下收集给定制造任务中的机器和/或操作者的状态的时间戳：

c1)在给定制造任务开始时，由MES系统将令牌分配给行动者；

c2)在给定制造任务在进行中时：

c21)由MES从拥有令牌的行动者收集状态的时间戳；

c22)如果发生了状态转变事件并且这样的事件也表示元状态转变事件，则：

-由操作者向MES通知元状态转变事件发生；

-如果元状态从登记元状态切换为操作元状态，则MES将令牌所有权分配给机器，或者替选地，如果元状态从操作元状态切换到登记元状态，则MES将令牌所有权分配给操作者。

在发明实施例中，令牌可便利地是PLC(可编程逻辑控制器)标记。

在其它发明实施例中，令牌可以是MES系统的内部变量或标记。

在发明实施例中，其中，在子项c21)中，状态的时间戳由状态转变的事件来触发或者由MES来轮询。

在发明实施例中，其中，项c1)还包括创建新记录会话。

此外，可以提供一种计算机程序元素，其包括当加载在计算装置的数字处理器中时用于执行根据上述方法的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，其包括用于使得计算装置执行上述方法的计算机可读程序代码。

对于发明实施例，不需要对于数据净化、完成或操纵的另外努力。该方法允许完全利用来自机器的实时和自动化指示数据获取，并且由于输入数据是正确同步的，因此其不会使得操作者承担过多的大量数据输入任务。

对于发明实施例，所收集的时间日志实现了组合解决方案中的OLE 和OEE指示的计算，并且明确了在通知性能结果和损失时操作者或机器的责任。

对于发明实施例，复杂制造可以有利于如下清楚且可靠的监视解决方案：该解决方案实现真实数据调查以发现主要损失原因并且做出必要对策。

附图说明

现在将参照附图在优选的但是不是排他性的实施例中描述本发明，其中：

图1是示意性地表示包括操作元状态和登记元状态的元状态模型的示例性实施例的图；

图2是示意性地表示具有状态转变的状态机的示例性实施例的框图。

具体实施方式

本发明的至少一些实施例解决了上述问题，其中，在给定制造任务中， MES系统正收集用于OLE和OEE指示的时间相关分量的计算的机器和操作者的状态的时间日志/戳。一般地，对于术语“时间相关分量”，其表示与一些预定义的工作状态中的持久时间有关的指示的分量，诸如例如“运行”类型的状态、属于操作和/或登记元状态的状态中的持久时间：状态中的持久时间可被计算为最终时间戳或日志与初始时间戳或日志之间的差。

以上给出的OLE和OEE指示公式的示例的时间相关分量的示例可由可用性分量或性能分量给出。

在给定制造任务中，机器和操作者被分配任务，并且他们在这里被称为行动者。

为了将所有权和/或数据提供责任分配给行动者，提供了称为令牌的实体。在发明实施例中，令牌可优选地是PLC标记或者MES的内部变量或标记。

令牌所有权规则便利地提供有所提出的发明的元状态模型，其中，两个元状态被定义用于任务中的机器，其中，每个元状态对一组机器状态进行归类：

1)在操作元状态中，机器处于参与任务的状态并且它能够知道和通知其自己的状态；

2)在登记元状态中，机器处于参与任务的状态并且它不能通知其自己的工作状态。

所有权规则如下：

-当机器处于登记元状态时，令牌由操作者拥有，即，这表示处理关注于手动操作(具有或者没有机器参与)；

-当机器处于操作元状态时，令牌由机器拥有，即，这表示处理关注于自动机器操作。

MES系统收集给定制造任务中的机器和/或操作者的状态的时间戳或日志，以便提供用于计算OEE和OLE指示的时间分量的输入数据。

根据所提出的发明，以同步方式执行用于OEE和OLE计算的时间戳收集，以使得有利地：

-不收集重叠的输入数据；

-不需要双重或冗余的输入数据输入；

-不收集垃圾数据，例如，当机器处于属于登记元状态的空闲状态时，来自机器的所有输入数据被忽略；

-不需要校正动作。

当通常由操作者开始任务时，MES系统将令牌分配给两个行动者之一。然后，当给定任务在进行中时，MES从拥有令牌的行动者收集机器和操作者的工作状态的相关时间戳。MES时间戳数据收集可优选地由状态转变的事件来触发或者可由MES以特定时间间隔来轮询。

在存在也表示元状态转变事件的状态转变事件的情况下，操作者向 MES通知元状态转变事件发生，以使得MES可以如下将令牌所有权分配给相关行动者：如果元状态从登记元状态切换到操作元状态，则分配给机器，或者替选地，如果元状态从操作元状态切换到登记元状态，则分配给操作者。

在机器任务开始时，可有利地创建新的记录会话，并且在任务结束时可由MES保存所收集的时间戳，但是如果需要，也可在任务期间保存所收集的时间戳。

在发明实施例中，可针对工厂中有效的多于一个制造任务而便利地执行时间戳收集，如果期望，也可同时执行。

所收集的时间戳和日志由MES系统用于计算OEE和OLE指示的时间分量。

此外，可以提供一种计算机程序元素，其包括用于在加载在计算装置的数字处理器中时执行根据上述方法的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，其包括用于使得计算装置执行上述方法的计算机可读程序代码。

仅拥有令牌的行动者提供用于OEE和OLE计算的输入数据，而没有令牌的其他行动者从拥有令牌的行动者被动地继承OEE和OLE相关输入数据。

当机器用于手动辅助活动时，例如，机器正为主要任务做准备，机器处于登记元状态，并且机器不拥有令牌。当机器正执行主要生产任务时，机器处于操作元状态，并且机器拥有令牌。

一旦任务所有者是机器，则即使任务所有者是机器，也不停止对于操作者的劳动时间计数。这是由于假设操作者至少在其执行时间的百分比内照管拥有任务的机器。

实际上，考虑到监视活动不会引起损失，辅助操作者的OLE被认为是100％或者是所声明的分配部分时间，例如，如果操作者正同时监视2 个机器，则为50％。

机器具有自动控制系统，并且能够在以操作模式运行时通知其状态。

图1是示出包括操作元状态和登记元状态的元状态时间模型的示例性实施例的图。

图1旨在通过引入根据本发明的示例性实施例的元状态模型MSM而以图形表示OEE机器时间模型。图1的图的水平轴表示时间。在图1的上部中，存在总机器时间TMT，并且在下部中，存在机器OEE工作状态中所花费的时间WST，如现有技术中已知的。

根据本发明的示例性实施例的元状态模型MSM表示在图的中部，并且包括处于操作元状态OMST的机器花费的时间和处于登记元状态 BMST的机器花费的时间。

应指出，由于机器工作状态可以定义有最高期望粒度，如例如：运行、设置、暂停、丢失、等待等，因此元状态模型MSM的引入不影响OEE 数据获取的精度水平。

操作元状态对一组工作状态进行归类，在该操作元状态中，机器参与在任务中并且机器能够知道和通知其自己的工作状态。处于操作元状态的机器可以是被照管的或者未被照管的。图1在左侧示出了属于操作元状态 OMST的工作状态的一些示例，诸如：

-运行：机器正执行任务，例如，使得给定程序或例程在进行中；

-等待：机器正等待被照管动作(例如，确认运行机器程序或例程的下一部分)；

-结束：机器完成当前任务(例如，完成最后程序或例程)；

-暂停：机器处于暂停(例如，由于需要降温)；

-丢失：机器由于意外的机器引发事件(例如，机器液压故障、安全警报等)而停止。

登记元状态对一组工作状态进行归类，在该登记元状态中，机器参与在任务中(因此不可用于其它任务)并且不能通知其自己的工作状态。机器可在操作之前和之后在用于链接到任务的准备、清洁和其它活动的操作者控制之下。图1在右侧示出了属于登记元状态BMST的工作状态的一些示例，诸如：

-准备：机器准备好并且可以接受新程序/例程开始信号；

-丢失：机器由于意外的处理引发事件(例如，缺失工具、不清楚的工作指令等)而停止。

如本领域技术人员所知道的，另外的或其它的工作状态可根据任务的类型、机器的类型和/或期望客户要求来定义。

图2是示意性地表示具有状态及其转变的状态机的示例性实施例的框图，其以操作者记录上班时间IN开始并且以操作者记录下班时间OUT 结束。

在图2的状态机中，每个块是由如下一对状态标识的工作状态：操作者工作状态和机器工作状态。

机器工作状态可归类在操作或登记元状态下。

这里随后是图2所示的各个状态块的简要描述。

由虚线椭圆ST1强调的状态：

-状态11：操作者处于“空闲”状态/机器不可用

-状态12：操作者“间接活动有效”状态/机器不可用

-状态13：操作者处于“暂停”状态/机器不可用

-状态14：操作者处于“丢失”状态/机器不可用

-状态15：操作者处于“有效”状态/机器不可用

所有这样的状态ST1是由没有正使用机器的操作者拥有令牌的状态。这样的状态ST1的时间日志或持久时间仅与OLE指示的计算有关。

由虚线椭圆ST2强调的状态：

-状态21：操作者处于“有效”状态/机器处于“准备”状态(登记元状态)

-状态22：操作者处于“暂停”状态/机器处于“准备”状态(登记元状态)

-状态23：操作者处于“丢失”状态/机器处于“准备”状态(登记元状态)

所有这样的状态ST2是正使用机器的操作者拥有令牌的状态。这样的状态ST2的时间日志或持久时间可与OEE和OLE指示两者的计算有关。

由虚线椭圆ST3强调的状态：

-状态31：操作者处于“照管”状态/机器处于“运行”状态(操作元状态)

-状态32：操作者处于“照管”状态/机器处于“等待”状态(操作元状态)

-状态33：操作者处于“照管”状态/机器处于“结束”状态(操作元状态)

所有这样的状态ST3是由操作者辅助的机器拥有令牌的状态。这样的状态ST3的时间日志或持久时间仅与OEE指示的计算有关。

在各个状态中，仅一个行动者(操作者或机器)拥有令牌。更具体地，在强调的状态ST1中，令牌由操作者拥有，在强调的状态ST2中，令牌由操作者拥有，机器处于作为登记元状态的状态中，在强调的状态ST3 中，令牌由机器拥有，机器处于作为操作元状态的状态中。

箭头表示从一个状态到其它状态的切换，并且它们称为转变。引起转变的事件称为触发事件。对于每个状态，仅令牌所有者可以触发事件。在每个转变中，指示了谁是触发行动者，例如，被指示为“O.<转变名>”的转变由操作者触发，并且被指示为“M.<转变名>”的转变由机器触发。

从机器处于操作元状态的一个状态开始的每个输出转变由同一行动者触发；例如，在状态31中，两个输出转变“M.例外”和“M.结束”由机器触发。

允许操作者从状态32移动到操作者照管的转变可有利地允许例如利用转变“O.激活机器(load_factor)”指定作为需要由操作者照管的机器工作的百分比的负载因素。根据所示出的状态图，一旦操作者处于照管状态31，他不能移动到暂停状态22或丢失状态23中。

在发明实施例中，包括《subs》的状态块(例如，状态块14、21、 23、31、32)可有利地根据客户需要和对收集时间进行分类时所需的精度水平、而以关于子状态或原因的附加信息来具体化和改进。例如，对于具有状态对“丢失/n.a”的状态14，附加信息可以是如下：<<subs>>＝{缺失工具/n.a.,缺失材料/n.a,机器不可用/n.a…}。有利地，对于这样的实施例，可获取期望水平的数据精度。

在发明实施例中，包括自循环的状态块(例如，状态块21、31)可根据所需的细节水平而便利地重复，例如，对于对“照管/操作”，《subs》＝{照管/设置，照管/运行，…}。

Claims (7)

1.一种由制造执行系统收集用于制造任务中的劳动力综合效率指示和设备综合效率指示的时间相关分量的计算的、机器和操作者的工作状态的时间戳的方法，其中，操作者和机器被分配任务，所述操作者和机器在下文中称为行动者；所述方法包括以下步骤：

a)提供用于将数据提供的责任分配给行动者的实体，这样的实体在下文中称为令牌；

b)定义用于任务中的机器的两个元状态，每个元状态对一组机器状态进行归类：第一元状态在下文中称为操作元状态；第二元状态在下文中称为登记元状态；其中，两个机器元状态被定义为以下：

-当机器处于参与所述任务的状态并且能够知道和通知其自己状态时，所述机器被定义为处于操作元状态；

-当机器处于参与所述任务的状态并且不能通知其自己状态时，所述机器被定义为处于登记元状态；

c)由所述制造执行系统如下收集给定制造任务中的所述机器和/或所述操作者的状态的时间戳：

c1)在所述给定制造任务开始时，由所述制造执行系统将所述令牌分配给行动者；

c2)当所述给定制造任务在进行中时：

c21)由所述制造执行系统从拥有所述令牌的行动者收集状态的时间戳；

c22)如果发生了状态转变事件并且这样的事件也表示元状态转变事件，则：

-由所述操作者向所述制造执行系统通知元状态转变事件发生；

-如果所述元状态从登记元状态切换到操作元状态，则由所述制造执行系统将令牌所有权分配给所述机器，或者替选地，如果所述元状态从操作元状态切换到登记元状态，则由所述制造执行系统将令牌所有权分配给所述操作者。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述令牌是可编程逻辑控制器标记。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述令牌是所述制造执行系统的内部变量或标记。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在子步骤c21)中，状态的时间戳由状态转变事件来触发或者由制造执行系统来轮询。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤c1)还包括创建新的记录会话。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述方法以软件来实现。

7.一种由制造执行系统收集用于制造任务中的劳动力综合效率指示和设备综合效率指示的时间相关分量的计算的、机器和操作者的工作状态的时间戳的系统，其中，操作者和机器被分配任务，所述操作者和机器在下文中称为行动者；所述系统包括以下装置：

a)用于提供用于将数据提供的责任分配给行动者的实体的装置，这样的实体在下文中称为令牌；

b)用于定义用于任务中的机器的两个元状态的装置，每个元状态对一组机器状态进行归类：第一元状态在下文中称为操作元状态；第二元状态在下文中称为登记元状态；其中，两个机器元状态被定义为以下：

-当机器处于参与所述任务的状态并且能够知道和通知其自己状态时，所述机器被定义为处于操作元状态；

-当机器处于参与所述任务的状态并且不能通知其自己状态时，所述机器被定义为处于登记元状态；

c)用于由所述制造执行系统如下收集给定制造任务中的所述机器和/或所述操作者的状态的时间戳的装置：

c1)在所述给定制造任务开始时，用于由所述制造执行系统将所述令牌分配给行动者的装置；

c2)当所述给定制造任务在进行中时：

c21)用于由所述制造执行系统从拥有所述令牌的行动者收集状态的时间戳的装置；

c22)如果发生了状态转变事件并且这样的事件也表示元状态转变事件，则：

-用于由所述操作者向所述制造执行系统通知元状态转变事件发生的装置；

-用于如果所述元状态从登记元状态切换到操作元状态，则由所述制造执行系统将令牌所有权分配给所述机器的装置，或者替选地，用于如果所述元状态从操作元状态切换到登记元状态，则由所述制造执行系统将令牌所有权分配给所述操作者的装置。