汽車工業(yè)是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)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(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)；其業(yè)務(wù)內(nèi)容覆蓋并貫穿目前整車制造常見(jiàn)的5大制造過(guò)程，即：沖壓件制造過(guò)程、車身制造過(guò)程、涂裝過(guò)程、動(dòng)力總成制造過(guò)程以及總裝過(guò)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(gè)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(dāng)時(shí)沒(méi)有跟上不斷發(fā)展的業(yè)務(wù)需求而產(chǎn)生的一種妥協(xié)。但從目前技術(shù)和業(yè)務(wù)的成熟度以及生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)說(shuō)，汽車廠的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)將會(huì)最終統(tǒng)一到一個(gè)集成的制造執(zhí)行平臺(tái)之下。
1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)
上海汽車集團(tuán)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱上海汽車) 是國(guó)內(nèi)汽車業(yè)的龍頭企業(yè)之一，通過(guò)20多年的合資合作，積累了豐富的汽車設(shè)計(jì)、制造以及相關(guān)的管理經(jīng)驗(yàn)。在汽車制造的信息化建設(shè)中，上海汽車在國(guó)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(tái)IFLEX，以提升自主品牌汽車的設(shè)計(jì)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(tái)是上海汽車核心應(yīng)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)制造執(zhí)行系統(tǒng)采用微軟的技術(shù)架構(gòu)，本文重點(diǎn)介紹發(fā)動(dòng)機(jī)制造執(zhí)行系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
圖1 上海汽車核心應(yīng)用架構(gòu)
系統(tǒng)架構(gòu)是企業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的核心，一個(gè)優(yōu)秀的企業(yè)應(yīng)用的系統(tǒng)架構(gòu)，必須有一個(gè)明確的設(shè)計(jì)目標(biāo)，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(shè)計(jì)目標(biāo)如下：
a. 建立系統(tǒng)平臺(tái)框架，可以支持上海汽車整車廠、動(dòng)力總成廠和零部件廠的模塊部署。
b. 完成企業(yè)級(jí)制造執(zhí)行系統(tǒng)的架構(gòu)建設(shè)，為實(shí)現(xiàn)集成制造，物流和質(zhì)量全生命周期管理打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
c. 設(shè)計(jì)方案立足于先進(jìn)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(shè)達(dá)到和具備國(guó)際先進(jìn)水平，并處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。
d. 為了保證該系統(tǒng)的正常穩(wěn)定地運(yùn)行，系統(tǒng)建設(shè)采取目前已經(jīng)在業(yè)界經(jīng)過(guò)考驗(yàn)、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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)具有良好的開(kāi)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(yīng)用程序功能彼此分開(kāi)，以便這些功能可以單獨(dú)用作單個(gè)的應(yīng)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(yīng)用程序，并能迅速修改業(yè)務(wù)流程模型。
g. 集成的系統(tǒng)必須降低系統(tǒng)維護(hù)的難度和要求，方便用戶使用、管理和日常維護(hù)。系統(tǒng)架構(gòu)和功能在設(shè)計(jì)的同時(shí)，必須完成相關(guān)的系統(tǒng)管理和維護(hù)設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)未來(lái)穩(wěn)定運(yùn)行。
2 發(fā)動(dòng)機(jī)制造執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 功能架構(gòu)設(shè)計(jì)
發(fā)動(dòng)機(jī)制造執(zhí)行系統(tǒng)的功能架構(gòu)設(shè)計(jì)充分結(jié)合ISA 95和上海汽車動(dòng)力總成車間實(shí)際的業(yè)務(wù)模式，功能架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)制造執(zhí)行系統(tǒng)功能架構(gòu)
發(fā)動(dòng)機(jī)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(hù)該系統(tǒng)用到的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括手工維護(hù)、批量導(dǎo)入和通過(guò)接口導(dǎo)入等。
b. 生產(chǎn)計(jì)劃和排產(chǎn)(Production Planning and Scheduling，PP&S)：為機(jī)加工線、分裝線和總裝線提供生產(chǎn)計(jì)劃及排產(chǎn)，并對(duì)執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)控。
c. 生產(chǎn)過(guò)程控制(Production Control，PC)：對(duì)生產(chǎn)過(guò)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(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制與追溯，并監(jiān)控每個(gè)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(duì)生產(chǎn)中的生產(chǎn)能力、設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并通過(guò)按燈、終端等方式顯示報(bào)警處理，最終進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
f. 物料管理(Material Management，MM)：生產(chǎn)過(guò)程中所有的物料需求由生產(chǎn)需求向供應(yīng)商拉動(dòng)，力求降低零件庫(kù)存到最少。
2.2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)
發(fā)動(dòng)機(jī)制造執(zhí)行系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。
圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)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(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控客戶端、供應(yīng)商客戶端及報(bào)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(guò)WCF實(shí)現(xiàn)，而每個(gè)子系統(tǒng)模塊之間的交互都是通過(guò)傳統(tǒng)的3層架構(gòu)完成，這樣最大限度地實(shí)現(xiàn)了高內(nèi)聚、低耦合的設(shè)計(jì)理念，也大大增強(qiáng)了系統(tǒng)擴(kuò)展性及性能。
基于WPF的生產(chǎn)監(jiān)控客戶端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了最新的用戶界面技術(shù)，支持對(duì)區(qū)域監(jiān)控畫面的無(wú)級(jí)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(shí)現(xiàn)B/S架構(gòu)，并且在實(shí)時(shí)性高的功能中將采用AJAX技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)需刷新網(wǎng)頁(yè)即可獲取最新信息的用戶體驗(yàn)。手持終端采用Socket方式與Windows服務(wù)通訊，完成功能的實(shí)現(xiàn)，并且最大限度地提高性能，達(dá)到快速響應(yīng)的目的。數(shù)據(jù)報(bào)表將采用SQL Server報(bào)表進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)
發(fā)動(dòng)機(jī)制造執(zhí)行系統(tǒng)的物理架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示，該物理架構(gòu)設(shè)計(jì)充分保障了系統(tǒng)的可靠性。物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說(shuō)明：
圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)制造執(zhí)行系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計(jì)
a. 數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器將各安裝2塊網(wǎng)卡，其他服務(wù)器將各安裝1塊網(wǎng)卡，分別連接至2組交換機(jī)，每組交換機(jī)各2臺(tái)，3臺(tái)Web服務(wù)器使用負(fù)載均衡，2臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器連接到磁盤陣列設(shè)備，并且采用故障轉(zhuǎn)移群集技術(shù)。手持設(shè)備將通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。
b. 由2組(每組2臺(tái)) 具有路由功能的3層千兆交換機(jī)保持千兆的線速交換。每臺(tái)服務(wù)器連接2組交換機(jī)，如果一臺(tái)交換機(jī)失效，則自動(dòng)把流量切換到連接另一臺(tái)交換機(jī)上，做到雙機(jī)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(luò)骨架，進(jìn)行無(wú)線信號(hào)的傳輸，做到至少雙點(diǎn)覆蓋，在發(fā)生單點(diǎn)無(wú)線接入點(diǎn)故障的情況下，仍能保證整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境的信號(hào)覆蓋。
2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)制造執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)
a. 使用微軟WCF技術(shù)構(gòu)建基于SOA的基礎(chǔ)架構(gòu)，確保系統(tǒng)架構(gòu)的可擴(kuò)展性。WCF是使用托管代碼建立和運(yùn)行面向服務(wù)(Service Oriented)應(yīng)用程序的統(tǒng)一框架。它使得開(kāi)發(fā)者能夠建立一個(gè)跨平臺(tái)的安全、可信賴、事務(wù)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(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的集大成者，它整合了.Net平臺(tái)下所有的和分布式系統(tǒng)有關(guān)的技術(shù)，例如.Net遠(yuǎn)程調(diào)用、微軟消息隊(duì)列等。以通信范圍而論，它可以跨進(jìn)程、跨機(jī)器、跨子網(wǎng)、跨企業(yè)網(wǎng)乃至跨萬(wàn)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(wù)(Service) 、COM+(組件) 作為宿主( Host) 。WCF可以支持的協(xié)議包括TCP、HTTP、跨進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)與模式。也就是說(shuō)，在WCF框架下，開(kāi)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(dòng)機(jī)制造執(zhí)行系統(tǒng)使用了企業(yè)服務(wù)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(yīng)商客戶端等，因此采用WCF分布式技術(shù)實(shí)現(xiàn)了服務(wù)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(wù)2種宿主方式，WCF在該系統(tǒng)中的使用可以用圖5來(lái)表示。
圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)制造執(zhí)行系統(tǒng)WCF應(yīng)用模式
b. 使用微軟WPF技術(shù)解決了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控顯示技術(shù)難題，現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)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�；贒irectX 9/10技術(shù)的WPF不僅帶來(lái)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(jìn)了傳統(tǒng)的2D界面。WPF相對(duì)于Windows客戶端的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，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(dòng)文字支持浮動(dòng)文本支持，三維視覺(jué)效果和強(qiáng)大無(wú)比的控件模型框架。
c. 采用多層計(jì)算結(jié)構(gòu)，從邏輯角度看，系統(tǒng)分成客戶端、Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器4層；從物理角度看，應(yīng)用服務(wù)器可以視用戶并發(fā)數(shù)從1到N臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)充，以保證客戶端用戶的響應(yīng)要求。每一層可以被單獨(dú)改變，而無(wú)需其他層的改變；降低了部署與維護(hù)的開(kāi)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(jì)算被集中至服務(wù)器端，使性能提高成為可能。
d. 應(yīng)用程序各部分之間松耦合，因而應(yīng)用程序各部分的更新相互獨(dú)立；業(yè)務(wù)邏輯集中放在服務(wù)器上由所有用戶共享，使得系統(tǒng)的維護(hù)和更新變得簡(jiǎn)單，也更安全。數(shù)據(jù)庫(kù)不再和每一個(gè)活動(dòng)的用戶保持一個(gè)連接，而是由應(yīng)用程序組件負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫(kù)打交道，降低數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，提高了性能。
3 結(jié)束語(yǔ)
集成的支持柔性生產(chǎn)的汽車制造執(zhí)行平臺(tái)完成后，帶來(lái)了以下效益：
a. 使上海汽車擁有一個(gè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的統(tǒng)一的制造執(zhí)行系統(tǒng)，這是很大的無(wú)形資產(chǎn)。
b. 該平臺(tái)封裝了汽車制造領(lǐng)域的核心功能，不僅可以在整車廠、發(fā)動(dòng)機(jī)廠使用，也可以直接應(yīng)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(gè)生產(chǎn)制造鏈上下游節(jié)約數(shù)千萬(wàn)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用。目前，該系統(tǒng)不僅用在上海汽車集團(tuán)下的乘用車動(dòng)力總成廠，還用在上海汽車集團(tuán)下的變速箱等生產(chǎn)企業(yè)。
c. 在上海汽車集團(tuán)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(hù)；上海汽車集團(tuán)下屬制造鏈上下游中的各個(gè)企業(yè)每年的軟件維護(hù)費(fèi)可以節(jié)約數(shù)百萬(wàn)。同時(shí)，該項(xiàng)目完成后，也會(huì)給中國(guó)的汽車工業(yè)，尤其是自主品牌的發(fā)展帶來(lái)以下效益：
(1)上海汽車集團(tuán)20多年的合資合作經(jīng)驗(yàn)可以充分體現(xiàn)在該軟件的功能設(shè)計(jì)上，為中國(guó)的汽車制造執(zhí)行系統(tǒng)樹(shù)立了標(biāo)桿。
(2) 在自主品牌的制造過(guò)程中打造出中國(guó)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(guó)家試點(diǎn)項(xiàng)目(兩化融合)稱號(hào)，同時(shí)也得到了國(guó)內(nèi)權(quán)威專家的認(rèn)同。
e. 基于該系統(tǒng)架構(gòu)的系統(tǒng)目前已經(jīng)成功實(shí)施，自2010年1月上線使用以來(lái)，已經(jīng)為上海汽車生產(chǎn)出各種型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)共30余萬(wàn)臺(tái)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，也充分證明了該系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)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(shí)踐
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