CN110032149A - 用于监视和控制产品批次的生产的能量成本的方法 - Google Patents

用于监视和控制产品批次的生产的能量成本的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于监视和控制产品批次的生产的能量成本的方法。本发明的目的通过使用制造执行系统监视和/或控制产品批次生产的能量成本的方法来实现，包括以下步骤：a)执行制造执行系统调度和控制的生产过程以生产产品批次；生产过程具有多个调度的生产步骤；b)对于每个单独的生产步骤测量该特定产品批次的单独生产步骤的执行过程中的能量消耗；c)在制造执行系统内创建将生产特定数据和与该产品批次有关的能量消耗数据相关联的数据模型；d)定义用于管理生产特定数据和能量消耗数据的命令，其中命令被设计为网络API，优选地为RESTful网络API；以及e)评估生产特定数据和能量消耗数据，并且为与该生产的产品批次有关的生产过程创建能量消耗简况。

Description

用于监视和控制产品批次的生产的能量成本的方法
技术领域
本发明涉及一种用于使用制造执行系统(MES)监视和/或控制产品批次的生产的能量成本的方法。最近，术语制造运营管理(MOM)被越来越多地用于代替术语MES。
背景技术
如由制造企业解决方案协会(MESA国际)所定义的，MES/MOM系统是通过管理“从订单下达至制造的点到产品交付至成品的点的生产运营”，并且通过“经由双向通信跨组织和供应链向其他人提供关于生产活动的关键任务信息”来“推动制造运营的有效执行的动态信息系统”。此外，ISA-95标准详细描述了制造过程为了优化和简化生产过程而必须考虑的有意义的资源。重点特别放在材料、设备、工具和人员的管理。
为了提高制造工厂的质量和过程性能，MES/MOM系统通常包括的功能是资源分配和状态、分发生产订单、数据收集/获取、质量管理、维护管理、性能分析、操作/细节调度、文档控制、劳务管理、过程管理和产品跟踪。
例如，西门子公司在其SIMATIC产品系列中提供广泛的MES/MOM产品。
在MES/MOM系统中，到目前为止，电力形式的能量消耗不包括在需要在生产过程期间被模拟、调度、跟踪和追踪(traced)的标准资源中。通常考虑能量，但是所有测量、消耗和成本都与设备和机械操作有关，并且与生产过程分开计算。因此，能量成本与产品间接有关，从而将全球能量成本分散到生产设施的全球生产中。具体地，生产特定数据和能量消耗数据通常由在不同领域中操作的单独系统来管理。
生产特定数据通常依赖于MOM/MES系统来进行生产的高效计划、调度和执行，并且必然与产品批次有关。能量消耗数据主要由以设备为基础检索能量消耗的工具/传感器来记录。这意味着能量消耗数据与机器和设备有关，但是与特定产品批次无关。因此，通常在给定时间段内针对生产线计算能量消耗，而与产品批次和特定生产步骤没有任何直接关系。上述方法很难使生产设施的操作者优化能量消耗以及针对各种生产过程执行其他资源使用。
到目前为止，将生产特定数据与能量消耗数据相关联的通常方法是建立专家团队，该专家团队分析在确定的时间段内的能量消耗测量和生产特定数据，然后在生产过程中设计一些优化以提高效率。这种处理具有一些缺点，例如缺乏刚性、不可重复性、高费用。该处理还缺乏与实时约束的任何联系，并且因此仅可以实现有限的结果。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种使用制造执行系统(MES)监视和/或控制产品批次的生产的能量成本的方法，该方法还使生产设施的操作者能够在能量消耗和能量成本方面优化生产过程。
根据本发明，该目的通过使用制造执行系统监视和/或控制产品批次的生产的能量成本的方法来实现，该方法包括以下步骤：
a)执行由制造执行系统调度和控制的生产过程来生产产品批次；所述生产过程具有多个调度的生产步骤；
b)对于每个单独的生产步骤，测量针对特定产品批次的单独生产步骤的执行过程中的能量消耗；
c)在制造执行系统内创建数据模型，其将生产特定数据和与该产品批次有关的能量消耗数据相关联；
d)定义用于管理生产特定数据和能量消耗数据的命令，其中，命令被设计为网络API(应用程序编程接口)，优选地，被设计为RESTful网络API；以及
e)评估生产特定数据和能量消耗数据，并且为与该生产的产品批次有关的生产过程创建能量消耗简况。
因此，该方法允许在执行生产过程期间将特定产品批次的生产特定数据与能量消耗数据相关联。现在能够在特定产品批次的生产步骤级别处获得能量消耗数据。数据模型允许经由ODATA准确地将该生产特定数据与能量消耗数据相关联，从而要求经由与检索其他生产特定数据相同的MES路径来获取与能量消耗相关的信息。
为了在该执行期间在必要的能量消耗方面优化生产过程，可以将能量消耗简况与能量成本简况进行比较。所述能量成本简况可以例如从能量供应商提供，或者可以在一组能量供应商中进行协商。有利地，生产调度器可以使用比较的结果，以调整至少一个生产步骤的调度顺序。可以例如在生产设施内协调能量密集型生产步骤，以避免消耗峰值和/或以低成本间隔消耗能量和/或一次性生产大批量产品批次。
此外，能量消耗数据可以链接到生产特定数据，从而确定产品批次的生产的能量成本。作为示例，生产特定数据可以包含产品批次已被处理的设备的识别和该设备的使用时段。根据数据模型，系统提供了一种机制来查询能量消耗监视单元/传感器，以提供该特定产品批次在该使用时段期间所消耗的能量的量。
为了使生产特定数据和能量消耗数据的这种相关性制度化，在提供能量和资源管理系统(ERMS)作为嵌入在制造执行系统中的自洽应用程序时可能是有利的。该应用程序还可以独立运行，这使得能够经由超文本传输协议(http)访问数据，这极大简化了ERMS的集成。此外，能量和资源管理系统(ERMS)可以将运行时的生产特定数据以及从传感器(其与生产步骤中涉及的生产资源在逻辑上连接)检索到的能量数据作为输入数据处理，并且输出与每个生产步骤的特定产品批次相关联的能量消耗数据和生产特定数据的有序(ordinated)数据集。
为了获得与特定生产步骤中涉及的生产资源有关的知识，制造执行系统可以提供在特定生产步骤中涉及的生产资源的信息。此处，数据模型可以允许查询产品批次的生产所需的产品区段(根据ISA-S95的生产步骤)。
此外，根据本发明，要求保护一种计算机程序产品，该计算机程序产品执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
附图说明
现在将参照附图描述本发明的优选的但非排他性实施方式，附图中描述了：
图1示意性地示出了产业集群场景内的能量资源管理系统(ERMS)的架构；
图2示意性地示出了能量资源管理系统的数据模型上的设备模型视图的实体/关系图；
图3示意性地示出了能量资源管理系统的数据模型上的生产模型视图的实体/关系图；
图4示意性地示出了能量资源管理系统的数据模型上的集群模型视图的实体/关系图；
图5示意性地示出了与ERMS交互的命令执行方案；
图6示意性地示出了ERMS的内部交互部件；以及
图7示意性地示出了制造执行系统的环境内的能量资源管理系统的实现方式。
具体实施方式
本发明涉及制造执行系统(MES/MOM)的技术领域。作为非限制性示例，将参考西门子公司的SIMATIC IT统一架构基础(简称SIT UAF)产品的架构。
SIMATIC IT统一架构基础是一种平台，用于创建集成MES/MOM生态系统，目标是正在塑造制造业的未来的当前和未来的变革型技术：移动互联网、知识工作自动化、物联网和云。SIT UA基础的核心是统一的制造运营数据总线，其为遗留应用程序的集成提供了共同的骨干，同时为统一的集成系统提供了第一个基本步骤。
简而言之，SIT UAF是：
-创建制造运营管理策略的平台方法；
-用于执行、跟踪和监视生产进度和性能的核心元素；
-PLM与车间自动化之间的用于创建数字企业的数据桥梁。
围绕领域驱动设计(DDD)来构建SIT UAF。应用程序数据、服务和事件由设置应用程序结构的模型来定义，并且在任何层作为元数据公开。
SIT UAF包括通用MOM部件和服务，用于连接外部系统、聚合和公开数据、定义工厂模型以及连接底层自动化数据和系统。
该产品的概要可以在网站www.siemens.com上可得到的文档“SIMATIC ITUnified Architecture Foundation”中找到。
本发明现在提供一种解决方案，用于将生产设施/生产线相对于特定产品批次的能量消耗作为生产的直接组成部分进行考虑，从而提供了一种自动化实例，该实例以灵活且可重复的方式将与确定能量消耗有关的所有数据关联起来。
为了实现该解决方案，已经设计并实现了以下特定的数据模型，该特定的数据模型将生产数据和能量消耗数据以及算法相关联，以将信息公开给优化工具(如果存在的话)。数据模型和算法形成下文中称为ERMS(能量资源管理系统)的软件应用程序。ERMS定义了框架基础结构、数据模型和用于管理数据的命令集。ERMS是可以单独使用、或嵌入到生产设施的制造执行系统(如上所述)中的自洽应用程序。
ERMS的输入数据是：
i)从连接到生产线及其资源的传感器分别检索到的运行时间生产和能量数据；
ii)从制造执行系统或周围系统例如ERP(企业资源计划系统)或从专用接口提供的产品批次信息；以及
iii)由第三方系统提供的能量成本简况，例如来自能量供应商的成本表。
ERMS的输出数据是与每个生产步骤的给定生产批次相关联的生产和能量数据的经处理数据集。通常，ERMS输出馈送优化工具以管理生产，特别是计划和调度生产步骤，以实现最佳能量效率和/或以最低能量成本进行生产。
构思数据模型以将生产数据、资源数据和能量波动设置为程序化的关系。通过管理相关数据的命令集和可以查询的框架来保证数据模型的互操作性。在这些示例中公开的实现方式中，命令是RESTful网络API，并且经由ODATA来执行查询，这极大地简化了与制造执行系统(MES或MOM)的集成。
根据图1所示的示例的ERMS框架2被集成在MES系统中，以用于控制生产线4和生产线6(此处是石油化学工业中的列(column))。由诸如作为西门子股份公司的TIA门户产品的 和的本地自动化系统来管理生产线4至6。生产线4、6连接到连接层8，连接层8根据定义的数据模型管理数据流。ERMS 2经由RESTful网络API 12和其他数据查询命令14来连接到连接层10。ERMS 2还包括到MES 10和ERP系统16(例如SAP)的直接链接。此外，ERMS 2连接到优化工具18，该优化工具18能够根据诸如交付日期、资源可用性、能量成本等的预定义的优化标准来重新计算生产过程的顺序。可以在ERP系统16和MES 10两者中评估优化工具18的结果，例如重新调度生产活动。
用于在产品批次方面反映能量成本的数据模型提供了适合外部应用程序的大多数可能需求的整个实体/关系结构。在下文中，通过描述逻辑上分组成三个主要集群的实体及其关系来更详细地描述数据模型：
i)设备模型视图：提供生产资源的物理层次结构的定义，其定义设备和实用工具(utility)(例如传感器、仪表等)；
ii)生产模型视图：提供运行时生产数据的快照；
iii)集群模型视图：简单描述生产线的集群如何与物理工厂相关以及它们将如何相互协作。
图2示意性地示出了能量资源管理系统ERMS 2的数据模型上的设备模型视图的实体/关系图。该视图说明了所涉及的实体的设计，并且描述了它们如何互连。具体的：
-工厂表示生产单位；
-线定义生产单位内部的设备的逻辑/物理集群；
-线分配表示线与线中的设备之间的链接；
-设备定义作为生产单位(工厂)中的线的一部分的生产和动力设备；
-实用工具表示链接到可以执行测量的设备的单元的任何实用工具；
-实用工具类型定义了实用工具的类型，并且包括实用工具(即流量计、温度计、电流表、压力计等)的通用规范；以及
-测量表示由实用工具中的可用传感器收集的运行时测量。这可以是由优化工具18执行的已经得出的计算。
图3示意性地示出了能量资源管理系统的数据模型上的生产模型视图的实体/关系图。同样，该图提供了所涉及的实体的设计，并且描述了它们如何互连。具体的：
-批表示生产操作的主要元素；换句话说就是要生产的产品批次；
-控制配方定义用于生产最终材料/产品的配方；
-操作表示在生产单位中的一台设备中执行的生产步骤；
-材料定义操作中管理的输入和/或输出材料；材料表示运行时实体，该运行时实体指示利用其质量和测量的相关实用工具实际上消耗或生产的材料；
-配置参数表示与生产操作和/或资源/机器有关的生产步骤参数；
-调度的操作链接到操作实体，该操作实体是优化工具可以在学习阶段(数据收集阶段)期间托管其结果和/或其计算的实体；
-调度的材料链接到调度的操作实体，该调度的操作实体是优化工具可以根据调度的操作来存储其结果的实体；
-调度的配置参数链接到调度的操作实体，该调度的操作实体是优化工具可以根据调度的操作来存储其结果的实体；以及
-能量定价作为实体提供通过作为生产单位的能量供应商的能量提供商“每日”提供的能量价格。
图4示意性地表示能量资源管理系统的数据模型上的集群模型视图的实体/关系图。具体的：
-集群表示一组公司，该组公司基于它们之间可能具有的互连，可能在一个集群中、在能量/资源共生中被分组；
-公司定义拥有生产单位(工厂)的公司；
-流类型表示集群中的公司之间可能的互连。流类型实体对所涉及的连接和资源进行建模，而不详细说明其类型或性质。
命令用于管理这些数据模型内的数据流。这些命令是包括业务逻辑的服务，以根据外部应用程序的需要关联和公开数据。每个命令包括接口及其特定的实现，即所谓的命令处理例程。在命令处理例程级别而不是在数据库级别实现业务逻辑。当调用命令时，在称为工作线程(worker)的宿主进程内执行适当的命令处理例程。每个工作线程可以同时执行不同的命令。可以从网络或命令处理例程调用命令。这些命令是任何复杂的面向服务架构(SOA)中的基本服务。
图5示意性地示出了用于与ERMS 2交互的命令执行方案。ERMS公开了表示与ERMS2交互的唯一方式的命令集。图5相应地示出了管理命令执行请求的工作线程实例，然后在命令处理例程级别执行该命令执行请求。命令处理例程通过数据库中的单个事务来检索数据。
图6示意性地示出了ERMS 2的内部交互部件。当外部应用程序执行请求时，开始典型的工作流程。服务层20识别被配置成执行命令的工作线程22；工作线程22的实例执行命令处理例程24中包括的逻辑。
因此，本发明公开了自洽ERMS 2的设计，以关联和公开制造场景中的生产数据、能量消耗数据、资源消耗和能量成本。聚合数据集允许管理生产计划和调度，以实现能量效率和降低能量成本。该设计是高度灵活的，从而允许在多个可操作场景中和不同信息系统内部署系统。主要的技术优势是：
-关联不同类型的数据，其通常来自现在由单独的系统处理的不同的、单独的源；
-计算给定产品批次的直接能量消耗曲线；
-根据需要将数据公开为服务；
-公开的数据被提供为实时响应；
-可重复和自动化系统；
-在单个单元或分布式场景中进行操作；
-可以嵌入第三方应用程序；以及
-可以作为分布式架构中的外部服务被调用。
这种设计可以实现以下经济优势：
-提高能量效率(通过减少需求峰值和波动)；以及
-降低能量成本(根据能量成本重新安排和优化生产步骤)。
图7示意性地示出了制造执行系统的环境内的能量资源管理系统的实现方式。下面简述了生产环境内部的ERMS的作用。
在级别1处，生产单位(或生产线)由专门用于执行特定生产步骤的一组设备构成。在级别2处，每个设备具有提供给定生产步骤中消耗的能量值的能量计(传感器)。传感器可以嵌入设备中或在设备外部。
在级别3处，来自传感器的任何原始数据存储在诸如MES公共数据存储库的公共数据存储库(在ERMS外部)中。在级别4处，ERMS API用于利用来自公共数据存储库的能量数据来填充ERMS数据模型。MES收集任何过程数据。对于每个生产步骤，ERMS将能量数据和过程数据与批次相关联，以创建批次的能量简况，其可以在工厂操作员的用户接口上以级别6来显示。在级别5处，可以将外部应用程序连接到ERMS以执行特定操作。ERMS API提供相应的数据交换。在级别6处，ERMS结果显示为能量消耗简况，其将产品批次与生产的每个步骤中消耗的能量值相关联。因此，该能量消耗简况可以用于优化生产步骤，以实现对批次方面能量消耗的生产过程的认识。通常的措施可以是根据由相应能量供应商所应用的能量成本简况来减少能量消耗峰值和/或对生产的调度。

Claims (8)

1.一种使用制造执行系统监视和/或控制产品批次的生产的能量成本的方法，包括以下步骤：
a)执行由所述制造执行系统调度和控制的生产过程，以生产所述产品批次，所述生产过程具有多个调度的生产步骤；
b)对于每个单独的生产步骤，测量该特定产品批次在该单独的生产步骤的执行过程中的能量消耗；
c)在所述制造执行系统内创建数据模型，所述数据模型将生产特定数据和与该产品批次有关的能量消耗数据相关联；
d)定义用于管理所述生产特定数据和所述能量消耗数据的命令，其中，所述命令被设计为网络API，优选地为RESTful网络API；以及
e)评估所述生产特定数据和所述能量消耗数据，并且为与该生产的产品批次有关的生产过程创建能量消耗简况。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述能量消耗简况与能量成本简况进行比较。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，生产调度器使用比较的结果来调整至少一个生产步骤的调度顺序。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述能量消耗数据链接到所述生产特定数据，从而确定所述产品批次的生产的能量成本。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，提供能量和资源管理系统作为嵌入在所述制造执行系统中的自洽应用程序。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述能量和资源管理系统将运行时的所述生产特定数据以及从逻辑上连接至所述生产步骤中涉及的生产资源的传感器检索到的能量数据作为输入数据进行处理，并且输出与每个生产步骤的所述特定产品批次相关联的能量消耗数据和所述生产特定数据的有序数据集。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述制造执行系统提供在特定生产步骤中涉及的生产资源的信息。
8.一种计算机程序产品，用于执行根据权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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