汽车工业是我国的支柱产业,在国民经济中占有举足轻重的位置。在汽车行业中,支持柔性生产的汽车制造执行系统是汽车制造领域的一个关键系统;其业务内容覆盖并贯穿目前整车制造常见的5大制造过程,即:冲压件制造过程、车身制造过程、涂装过程、动力总成制造过程以及总装过程。在老牌的汽车巨头中,如:通用和丰田,整车的生产执行系统都不是由一套完整的系统组成,而是由大大小小多个零散的系统组成。之所以形成这种架构,是由于技术的更新在当时没有跟上不断发展的业务需求而产生的一种妥协。但从目前技术和业务的成熟度以及生产执行系统的未来发展趋势来说,汽车厂的生产执行系统将会最终统一到一个集成的制造执行平台之下。
1 系统架构设计的目标
上海汽车集团股份有限公司(以下简称上海汽车) 是国内汽车业的龙头企业之一,通过20多年的合资合作,积累了丰富的汽车设计、制造以及相关的管理经验。在汽车制造的信息化建设中,上海汽车在国内率先提出了集成的支持柔性生产的汽车制造执行系统平台IFLEX,以提升自主品牌汽车的设计和制造水平。从图1可以看出,上海汽车集成的支持柔性生产的汽车制造执行平台是上海汽车核心应用架构的重要组成部分,由整车制造执行系统和发动机制造执行系统两大系统组成,其中整车制造执行系统采用J2EE架构,而发动机制造执行系统采用微软的技术架构,本文重点介绍发动机制造执行系统的架构设计与实现。
图1 上海汽车核心应用架构
系统架构是企业应用设计的核心,一个优秀的企业应用的系统架构,必须有一个明确的设计目标,集成的支持柔性生产的汽车制造执行系统的架构设计目标如下:
a. 建立系统平台框架,可以支持上海汽车整车厂、动力总成厂和零部件厂的模块部署。
b. 完成企业级制造执行系统的架构建设,为实现集成制造,物流和质量全生命周期管理打下坚实的基础。
c. 设计方案立足于先进技术,采用最新的成熟的软件技术,以使该系统的建设达到和具备国际先进水平,并处于国内领先地位。
d. 为了保证该系统的正常稳定地运行,系统建设采取目前已经在业界经过考验、论证的技术和方案,尽量采用成熟稳定的产品和集成技术。
e. 遵循ISA95和MESA国际标准,同时具有良好的开放性,可以和不同厂家的产品互操作和互连。
f. 采用SOA架构,将该系统的应用程序功能彼此分开,以便这些功能可以单独用作单个的应用程序功能或“组件”。这些组件可以用于在企业内部创建各种其他的应用程序,并能迅速修改业务流程模型。
g. 集成的系统必须降低系统维护的难度和要求,方便用户使用、管理和日常维护。系统架构和功能在设计的同时,必须完成相关的系统管理和维护设计,保证系统未来稳定运行。
2 发动机制造执行系统架构设计
2.1 功能架构设计
发动机制造执行系统的功能架构设计充分结合ISA 95和上海汽车动力总成车间实际的业务模式,功能架构设计如图2所示。
图2 发动机制造执行系统功能架构
发动机制造执行系统的功能架构主要包括以下6大核心功能模块。
a. 主数据管理(Master Data Administrator,MDA):维护该系统用到的基础数据,包括手工维护、批量导入和通过接口导入等。
b. 生产计划和排产(Production Planning and Scheduling,PP&S):为机加工线、分装线和总装线提供生产计划及排产,并对执行情况进行监控。
c. 生产过程控制(Production Control,PC):对生产过程数据采集、汇总和分析。
d. 产品质量和追溯(Production Quality and Traceability,PQ&T):对产品的质量及生产过程进行控制与追溯,并监控每个缺陷变化的状态。
e. 生产监控和分析(Production Monitoring and Analyzing,PM&A):针对生产中的生产能力、设备状态进行监控,并通过按灯、终端等方式显示报警处理,最终进行统计分析。
f. 物料管理(Material Management,MM):生产过程中所有的物料需求由生产需求向供应商拉动,力求降低零件库存到最少。
2.2 系统逻辑架构设计
发动机制造执行系统的逻辑架构设计如图3所示。
图3 发动机制造执行系统逻辑架构
该系统的逻辑架构由制造执行系统门户、手持终端设备、现场监控客户端、供应商客户端及报表子系统组成,子系统与子系统及子系统和第三方系统的交互都通过WCF实现,而每个子系统模块之间的交互都是通过传统的3层架构完成,这样最大限度地实现了高内聚、低耦合的设计理念,也大大增强了系统扩展性及性能。
基于WPF的生产监控客户端系统实现了最新的用户界面技术,支持对区域监控画面的无级缩放和其他人性化的显示功能。制造执行系统的Web端采用Asp.Net技术实现B/S架构,并且在实时性高的功能中将采用AJAX技术实现无需刷新网页即可获取最新信息的用户体验。手持终端采用Socket方式与Windows服务通讯,完成功能的实现,并且最大限度地提高性能,达到快速响应的目的。数据报表将采用SQL Server报表进行设计和展示,这也是为了配合今后使用的商业智能技术做的铺垫。
2.3 物理架构设计
发动机制造执行系统的物理架构设计如图4所示,该物理架构设计充分保障了系统的可靠性。物理结构设计说明:
图4 发动机制造执行系统物理架构设计
a. 数据库服务器将各安装2块网卡,其他服务器将各安装1块网卡,分别连接至2组交换机,每组交换机各2台,3台Web服务器使用负载均衡,2台数据库服务器连接到磁盘阵列设备,并且采用故障转移群集技术。手持设备将通过无线网络连接。
b. 由2组(每组2台) 具有路由功能的3层千兆交换机保持千兆的线速交换。每台服务器连接2组交换机,如果一台交换机失效,则自动把流量切换到连接另一台交换机上,做到双机热备。
c. 采用思科公司的air-wlc4402-50-k9产品和air-lap1242AG-c-k9产品组成网络骨架,进行无线信号的传输,做到至少双点覆盖,在发生单点无线接入点故障的情况下,仍能保证整个生产环境的信号覆盖。
2.4 发动机制造执行系统架构设计优点
a. 使用微软WCF技术构建基于SOA的基础架构,确保系统架构的可扩展性。WCF是使用托管代码建立和运行面向服务(Service Oriented)应用程序的统一框架。它使得开发者能够建立一个跨平台的安全、可信赖、事务性的解决方案,且能与已有系统兼容协作。WCF是微软分布式应用程序开发的集大成者,它整合了.Net平台下所有的和分布式系统有关的技术,例如.Net远程调用、微软消息队列等。以通信范围而论,它可以跨进程、跨机器、跨子网、跨企业网乃至跨万维网;以宿主程序而论,可以以Asp.Net、可执行文件(EXE)、WPF、Windows表单(Forms)、NT服务(Service) 、COM+(组件) 作为宿主( Host) 。WCF可以支持的协议包括TCP、HTTP、跨进程以及自定义,安全模式则包括SAML、Kerberos、X509、用户/密码、自定义等多种标准与模式。也就是说,在WCF框架下,开发基于SOA的分布式系统变得容易了,微软将所有与此相关的技术要素都包含在内。
发动机制造执行系统使用了企业服务总线的方式和第三方系统交互,如工控、企业资源管理系统、供应商客户端等,因此采用WCF分布式技术实现了服务总线,并且在WCF中使用了wshttp的绑定方式,使数据传输更加安全。WCF的使用需要宿主程序,本系统分别采用了IIS7.0和Windows服务2种宿主方式,WCF在该系统中的使用可以用图5来表示。
图5 发动机制造执行系统WCF应用模式
b. 使用微软WPF技术解决了现场监控显示技术难题,现场监控一般使用昂贵的专用软件,在IFLEX Powertrain系统中,采用WPF技术,不仅显示效果好,而且还大大节约了成本。WPF是微软新一代图形系统,运行在.Net框架架构下,为用户界面、2D/3D图形、文档和媒体提供了统一的描述和操作方法。基于DirectX 9/10技术的WPF不仅带来了前所未有的3D界面,而且其图形向量渲染引擎也大大改进了传统的2D界面。WPF相对于Windows客户端的开发来说,向前跨出了巨大的一步,它提供了超丰富的.NET用户界面框架,集成了矢量图形、丰富的流动文字支持浮动文本支持,三维视觉效果和强大无比的控件模型框架。
c. 采用多层计算结构,从逻辑角度看,系统分成客户端、Web服务器、应用服务器、数据库服务器4层;从物理角度看,应用服务器可以视用户并发数从1到N台进行扩充,以保证客户端用户的响应要求。每一层可以被单独改变,而无需其他层的改变;降低了部署与维护的开销,提高了灵活性、可伸缩性;瘦客户端的引入使Internet接入方便,而计算被集中至服务器端,使性能提高成为可能。
d. 应用程序各部分之间松耦合,因而应用程序各部分的更新相互独立;业务逻辑集中放在服务器上由所有用户共享,使得系统的维护和更新变得简单,也更安全。数据库不再和每一个活动的用户保持一个连接,而是由应用程序组件负责与数据库打交道,降低数据库服务器的负担,提高了性能。
3 结束语
集成的支持柔性生产的汽车制造执行平台完成后,带来了以下效益:
a. 使上海汽车拥有一个具有自主知识产权的统一的制造执行系统,这是很大的无形资产。
b. 该平台封装了汽车制造领域的核心功能,不仅可以在整车厂、发动机厂使用,也可以直接应用于汽车零部件生产企业,可以为上海汽车从零部件到整车整个生产制造链上下游节约数千万的开发费用。目前,该系统不仅用在上海汽车集团下的乘用车动力总成厂,还用在上海汽车集团下的变速箱等生产企业。
c. 在上海汽车集团内部使用统一的汽车制造执行系统后,非常方便系统和软件的维护;上海汽车集团下属制造链上下游中的各个企业每年的软件维护费可以节约数百万。同时,该项目完成后,也会给中国的汽车工业,尤其是自主品牌的发展带来以下效益:
(1)上海汽车集团20多年的合资合作经验可以充分体现在该软件的功能设计上,为中国的汽车制造执行系统树立了标杆。
(2) 在自主品牌的制造过程中打造出中国品牌的特色。
d. 集成的支持柔性生产的汽车制造执行系统(IFLEX)还获得了国家试点项目(两化融合)称号,同时也得到了国内权威专家的认同。
e. 基于该系统架构的系统目前已经成功实施,自2010年1月上线使用以来,已经为上海汽车生产出各种型号的发动机共30余万台,取得了良好的经济效益,也充分证明了该系统架构设计的合理性。
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本文标题:集成的支持柔性生产的汽车制造执行软件系统MES架构研究与实践
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