汽車工業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟中占有舉足輕重的位置。在汽車行業(yè)中，支持柔性生產(chǎn)的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)是汽車制造領域的一個關(guān)鍵系統(tǒng)；其業(yè)務內(nèi)容覆蓋并貫穿目前整車制造常見的5大制造過程，即：沖壓件制造過程、車身制造過程、涂裝過程、動力總成制造過程以及總裝過程。在老牌的汽車巨頭中，如：通用和豐田，整車的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)都不是由一套完整的系統(tǒng)組成，而是由大大小小多個零散的系統(tǒng)組成。之所以形成這種架構(gòu)，是由于技術(shù)的更新在當時沒有跟上不斷發(fā)展的業(yè)務需求而產(chǎn)生的一種妥協(xié)。但從目前技術(shù)和業(yè)務的成熟度以及生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢來說，汽車廠的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)將會最終統(tǒng)一到一個集成的制造執(zhí)行平臺之下。
1 系統(tǒng)架構(gòu)設計的目標
上海汽車集團股份有限公司(以下簡稱上海汽車) 是國內(nèi)汽車業(yè)的龍頭企業(yè)之一，通過20多年的合資合作，積累了豐富的汽車設計、制造以及相關(guān)的管理經(jīng)驗。在汽車制造的信息化建設中，上海汽車在國內(nèi)率先提出了集成的支持柔性生產(chǎn)的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)平臺IFLEX，以提升自主品牌汽車的設計和制造水平。從圖1可以看出，上海汽車集成的支持柔性生產(chǎn)的汽車制造執(zhí)行平臺是上海汽車核心應用架構(gòu)的重要組成部分，由整車制造執(zhí)行系統(tǒng)和發(fā)動機制造執(zhí)行系統(tǒng)兩大系統(tǒng)組成，其中整車制造執(zhí)行系統(tǒng)采用J2EE架構(gòu)，而發(fā)動機制造執(zhí)行系統(tǒng)采用微軟的技術(shù)架構(gòu)，本文重點介紹發(fā)動機制造執(zhí)行系統(tǒng)的架構(gòu)設計與實現(xiàn)。
圖1 上海汽車核心應用架構(gòu)
系統(tǒng)架構(gòu)是企業(yè)應用設計的核心，一個優(yōu)秀的企業(yè)應用的系統(tǒng)架構(gòu)，必須有一個明確的設計目標，集成的支持柔性生產(chǎn)的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)的架構(gòu)設計目標如下：
a. 建立系統(tǒng)平臺框架，可以支持上海汽車整車廠、動力總成廠和零部件廠的模塊部署。
b. 完成企業(yè)級制造執(zhí)行系統(tǒng)的架構(gòu)建設，為實現(xiàn)集成制造，物流和質(zhì)量全生命周期管理打下堅實的基礎。
c. 設計方案立足于先進技術(shù)，采用最新的成熟的軟件技術(shù)，以使該系統(tǒng)的建設達到和具備國際先進水平，并處于國內(nèi)領先地位。
d. 為了保證該系統(tǒng)的正常穩(wěn)定地運行，系統(tǒng)建設采取目前已經(jīng)在業(yè)界經(jīng)過考驗、論證的技術(shù)和方案，盡量采用成熟穩(wěn)定的產(chǎn)品和集成技術(shù)。
e. 遵循ISA95和MESA國際標準，同時具有良好的開放性，可以和不同廠家的產(chǎn)品互操作和互連。
f. 采用SOA架構(gòu)，將該系統(tǒng)的應用程序功能彼此分開，以便這些功能可以單獨用作單個的應用程序功能或“組件”。這些組件可以用于在企業(yè)內(nèi)部創(chuàng)建各種其他的應用程序，并能迅速修改業(yè)務流程模型。
g. 集成的系統(tǒng)必須降低系統(tǒng)維護的難度和要求，方便用戶使用、管理和日常維護。系統(tǒng)架構(gòu)和功能在設計的同時，必須完成相關(guān)的系統(tǒng)管理和維護設計，保證系統(tǒng)未來穩(wěn)定運行。
2 發(fā)動機制造執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)設計
2.1 功能架構(gòu)設計
發(fā)動機制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能架構(gòu)設計充分結(jié)合ISA 95和上海汽車動力總成車間實際的業(yè)務模式，功能架構(gòu)設計如圖2所示。
圖2 發(fā)動機制造執(zhí)行系統(tǒng)功能架構(gòu)
發(fā)動機制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能架構(gòu)主要包括以下6大核心功能模塊。
a. 主數(shù)據(jù)管理(Master Data Administrator，MDA)：維護該系統(tǒng)用到的基礎數(shù)據(jù)，包括手工維護、批量導入和通過接口導入等。
b. 生產(chǎn)計劃和排產(chǎn)(Production Planning and Scheduling，PP&S)：為機加工線、分裝線和總裝線提供生產(chǎn)計劃及排產(chǎn)，并對執(zhí)行情況進行監(jiān)控。
c. 生產(chǎn)過程控制(Production Control，PC)：對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)采集、匯總和分析。
d. 產(chǎn)品質(zhì)量和追溯(Production Quality and Traceability，PQ&T)：對產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)過程進行控制與追溯，并監(jiān)控每個缺陷變化的狀態(tài)。
e. 生產(chǎn)監(jiān)控和分析(Production Monitoring and Analyzing，PM&A)：針對生產(chǎn)中的生產(chǎn)能力、設備狀態(tài)進行監(jiān)控，并通過按燈、終端等方式顯示報警處理，最終進行統(tǒng)計分析。
f. 物料管理(Material Management，MM)：生產(chǎn)過程中所有的物料需求由生產(chǎn)需求向供應商拉動，力求降低零件庫存到最少。
2.2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設計
發(fā)動機制造執(zhí)行系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)設計如圖3所示。
圖3 發(fā)動機制造執(zhí)行系統(tǒng)邏輯架構(gòu)
該系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)由制造執(zhí)行系統(tǒng)門戶、手持終端設備、現(xiàn)場監(jiān)控客戶端、供應商客戶端及報表子系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)與子系統(tǒng)及子系統(tǒng)和第三方系統(tǒng)的交互都通過WCF實現(xiàn)，而每個子系統(tǒng)模塊之間的交互都是通過傳統(tǒng)的3層架構(gòu)完成，這樣最大限度地實現(xiàn)了高內(nèi)聚、低耦合的設計理念，也大大增強了系統(tǒng)擴展性及性能。
基于WPF的生產(chǎn)監(jiān)控客戶端系統(tǒng)實現(xiàn)了最新的用戶界面技術(shù)，支持對區(qū)域監(jiān)控畫面的無級縮放和其他人性化的顯示功能。制造執(zhí)行系統(tǒng)的Web端采用Asp.Net技術(shù)實現(xiàn)B/S架構(gòu)，并且在實時性高的功能中將采用AJAX技術(shù)實現(xiàn)無需刷新網(wǎng)頁即可獲取最新信息的用戶體驗。手持終端采用Socket方式與Windows服務通訊，完成功能的實現(xiàn)，并且最大限度地提高性能，達到快速響應的目的。數(shù)據(jù)報表將采用SQL Server報表進行設計和展示，這也是為了配合今后使用的商業(yè)智能技術(shù)做的鋪墊。
2.3 物理架構(gòu)設計
發(fā)動機制造執(zhí)行系統(tǒng)的物理架構(gòu)設計如圖4所示，該物理架構(gòu)設計充分保障了系統(tǒng)的可靠性。物理結(jié)構(gòu)設計說明：
圖4 發(fā)動機制造執(zhí)行系統(tǒng)物理架構(gòu)設計
a. 數(shù)據(jù)庫服務器將各安裝2塊網(wǎng)卡，其他服務器將各安裝1塊網(wǎng)卡，分別連接至2組交換機，每組交換機各2臺，3臺Web服務器使用負載均衡，2臺數(shù)據(jù)庫服務器連接到磁盤陣列設備，并且采用故障轉(zhuǎn)移群集技術(shù)。手持設備將通過無線網(wǎng)絡連接。
b. 由2組(每組2臺) 具有路由功能的3層千兆交換機保持千兆的線速交換。每臺服務器連接2組交換機，如果一臺交換機失效，則自動把流量切換到連接另一臺交換機上，做到雙機熱備。
c. 采用思科公司的air-wlc4402-50-k9產(chǎn)品和air-lap1242AG-c-k9產(chǎn)品組成網(wǎng)絡骨架，進行無線信號的傳輸，做到至少雙點覆蓋，在發(fā)生單點無線接入點故障的情況下，仍能保證整個生產(chǎn)環(huán)境的信號覆蓋。
2.4 發(fā)動機制造執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)設計優(yōu)點
a. 使用微軟WCF技術(shù)構(gòu)建基于SOA的基礎架構(gòu)，確保系統(tǒng)架構(gòu)的可擴展性。WCF是使用托管代碼建立和運行面向服務(Service Oriented)應用程序的統(tǒng)一框架。它使得開發(fā)者能夠建立一個跨平臺的安全、可信賴、事務性的解決方案，且能與已有系統(tǒng)兼容協(xié)作。WCF是微軟分布式應用程序開發(fā)的集大成者，它整合了.Net平臺下所有的和分布式系統(tǒng)有關(guān)的技術(shù)，例如.Net遠程調(diào)用、微軟消息隊列等。以通信范圍而論，它可以跨進程、跨機器、跨子網(wǎng)、跨企業(yè)網(wǎng)乃至跨萬維網(wǎng)；以宿主程序而論，可以以Asp.Net、可執(zhí)行文件(EXE)、WPF、Windows表單(Forms)、NT服務(Service) 、COM+(組件) 作為宿主( Host) 。WCF可以支持的協(xié)議包括TCP、HTTP、跨進程以及自定義，安全模式則包括SAML、Kerberos、X509、用戶/密碼、自定義等多種標準與模式。也就是說，在WCF框架下，開發(fā)基于SOA的分布式系統(tǒng)變得容易了，微軟將所有與此相關(guān)的技術(shù)要素都包含在內(nèi)。
發(fā)動機制造執(zhí)行系統(tǒng)使用了企業(yè)服務總線的方式和第三方系統(tǒng)交互，如工控、企業(yè)資源管理系統(tǒng)、供應商客戶端等，因此采用WCF分布式技術(shù)實現(xiàn)了服務總線，并且在WCF中使用了wshttp的綁定方式，使數(shù)據(jù)傳輸更加安全。WCF的使用需要宿主程序，本系統(tǒng)分別采用了IIS7.0和Windows服務2種宿主方式，WCF在該系統(tǒng)中的使用可以用圖5來表示。
圖5 發(fā)動機制造執(zhí)行系統(tǒng)WCF應用模式
b. 使用微軟WPF技術(shù)解決了現(xiàn)場監(jiān)控顯示技術(shù)難題，現(xiàn)場監(jiān)控一般使用昂貴的專用軟件，在IFLEX Powertrain系統(tǒng)中，采用WPF技術(shù)，不僅顯示效果好，而且還大大節(jié)約了成本。WPF是微軟新一代圖形系統(tǒng)，運行在.Net框架架構(gòu)下，為用戶界面、2D/3D圖形、文檔和媒體提供了統(tǒng)一的描述和操作方法。基于DirectX 9/10技術(shù)的WPF不僅帶來了前所未有的3D界面，而且其圖形向量渲染引擎也大大改進了傳統(tǒng)的2D界面。WPF相對于Windows客戶端的開發(fā)來說，向前跨出了巨大的一步，它提供了超豐富的.NET用戶界面框架，集成了矢量圖形、豐富的流動文字支持浮動文本支持，三維視覺效果和強大無比的控件模型框架。
c. 采用多層計算結(jié)構(gòu)，從邏輯角度看，系統(tǒng)分成客戶端、Web服務器、應用服務器、數(shù)據(jù)庫服務器4層；從物理角度看，應用服務器可以視用戶并發(fā)數(shù)從1到N臺進行擴充，以保證客戶端用戶的響應要求。每一層可以被單獨改變，而無需其他層的改變；降低了部署與維護的開銷，提高了靈活性、可伸縮性；瘦客戶端的引入使Internet接入方便，而計算被集中至服務器端，使性能提高成為可能。
d. 應用程序各部分之間松耦合，因而應用程序各部分的更新相互獨立；業(yè)務邏輯集中放在服務器上由所有用戶共享，使得系統(tǒng)的維護和更新變得簡單，也更安全。數(shù)據(jù)庫不再和每一個活動的用戶保持一個連接，而是由應用程序組件負責與數(shù)據(jù)庫打交道，降低數(shù)據(jù)庫服務器的負擔，提高了性能。
3 結(jié)束語
集成的支持柔性生產(chǎn)的汽車制造執(zhí)行平臺完成后，帶來了以下效益：
a. 使上海汽車擁有一個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的統(tǒng)一的制造執(zhí)行系統(tǒng)，這是很大的無形資產(chǎn)。
b. 該平臺封裝了汽車制造領域的核心功能，不僅可以在整車廠、發(fā)動機廠使用，也可以直接應用于汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)，可以為上海汽車從零部件到整車整個生產(chǎn)制造鏈上下游節(jié)約數(shù)千萬的開發(fā)費用。目前，該系統(tǒng)不僅用在上海汽車集團下的乘用車動力總成廠，還用在上海汽車集團下的變速箱等生產(chǎn)企業(yè)。
c. 在上海汽車集團內(nèi)部使用統(tǒng)一的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)后，非常方便系統(tǒng)和軟件的維護；上海汽車集團下屬制造鏈上下游中的各個企業(yè)每年的軟件維護費可以節(jié)約數(shù)百萬。同時，該項目完成后，也會給中國的汽車工業(yè)，尤其是自主品牌的發(fā)展帶來以下效益：
(1)上海汽車集團20多年的合資合作經(jīng)驗可以充分體現(xiàn)在該軟件的功能設計上，為中國的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)樹立了標桿。
(2) 在自主品牌的制造過程中打造出中國品牌的特色。
d. 集成的支持柔性生產(chǎn)的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)(IFLEX)還獲得了國家試點項目(兩化融合)稱號，同時也得到了國內(nèi)權(quán)威專家的認同。
e. 基于該系統(tǒng)架構(gòu)的系統(tǒng)目前已經(jīng)成功實施，自2010年1月上線使用以來，已經(jīng)為上海汽車生產(chǎn)出各種型號的發(fā)動機共30余萬臺，取得了良好的經(jīng)濟效益，也充分證明了該系統(tǒng)架構(gòu)設計的合理性。
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本文標題：集成的支持柔性生產(chǎn)的汽車制造執(zhí)行軟件系統(tǒng)MES架構(gòu)研究與實踐
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