用于对制造过程进行建模的方法和系统 【技术领域】
本发明涉及一种用于对由企业资源规划(ERP)所规划并由车间(shopfloor)进行生产的制造过程进行建模的方法和系统，其中制造执行系统(MES)实施所建模的制造过程并规划和/或控制在车间进行的相应制造。
背景技术
众所周知，用于管理和控制由企业资源规划(ERP)所规划并由车间进行生产的制造过程的方法提供制造执行系统(MES)，以用于实施所规划的制造过程并控制在工厂底层(plant floor)进行的相应生产步骤。
特别地，企业资源规划(ERP)是包括硬件装置和相应的软件应用的系统，以用于规划企业的商业资源，企业的商业资源即物料供应、人力资源管理、采购、订单、利润、财务、库存控制、客户管理等等，而术语“工厂底层”已被用于指示支持对在制造过程中所涉及的单个机器进行控制的系统，例如通过测量每个机器每小时所生产的部件的数量或者其运行参数(functioning parameter)、所生产的部件的质量等等来进行控制。
如在图1中所示意性表示的那样，MES是在ERP上层与工厂底层下层之间提供计算机器和软件工具1-n的中间层，所述软件工具包括用于生产订单管理的软件工具1和用于生产建模的软件工具2，该用于生产订单管理的软件工具1从ERP接收生产请求，该用于生产建模的软件工具2支持选择和管理在制造过程中要涉及的资源(即员工、机器和物料)的阶段，以便在所要求的时间约束内实现所规划的制造过程。
因此，制造执行系统需要对工厂设备进行建模以便控制活动和规划活动。尽管关注的是同一组机器，但控制活动和规划活动具有不同的目标并且可能需要不同的模型方法。然而，用于同一组机器的两个分离的模型不能被用在MES应用中，因为这种分离将导致建模差距。
为了阐明这种状况，可以考虑下面的简单实例：
可编程喷涂设备由多个喷嘴机器构成；每个喷嘴机器都能够喷涂特定颜色。例如，考虑一种四色喷涂设备(青色、品红色、黄色、黑色)。假设该喷涂设备能够将基本色混合并利用大量衍生色来喷涂，这种状况引起在比较规划策略和控制策略时完全不同的方法。
根据控制活动，MES将最大得益于针对每个喷嘴机器的分离的模型，这意味着该实例中的喷涂器设备将包括四个机器。该模型可以容易地管理被MES应用用来控制机器执行的一组机器变量和动作，例如每个喷嘴机器需要对一组机器属性进行建模，该组机器属性描述例如油墨液面、喷嘴的清洁度、周期性的喷嘴清洁程序的执行等。换句话说，控制活动希望实现待控制的机器方面的高粒度(granularity)。
相反地，根据规划活动，MES模型将得益于针对整个喷涂设备的单个模型。该模型可以容易地管理描述由喷涂器设备所执行的动作的一组设备属性(与机器属性不同)，例如非四个喷嘴机器之一的基本色的合成色和每个喷嘴机器所需的基本色的份额(portion)、用于喷涂的强度等。
因此，两个模型只关注于MES应用的特定方面，对于主要方面提供优势，但是对于次要方面却招致不利，反之亦然。例如，通过借助于四个分离的机器来对喷涂器设备进行建模，控制每个喷嘴中的油墨的可用性是简单的；然而，不清楚如何对喷涂合成色(即绿色)的设备的概念进行建模。通过借助于单个机器来对喷涂器设备进行建模，表示先进可编程喷涂器的高级概念是简单的；然而，为了对每个喷嘴机器的所有技术要求进行建模，必须在高级模型中包括一大组机器属性，其中完全不保证各种数据之间地连贯性(例如，建模差距可应用如下模型，该模型主张将黑色设为100；将青色、品红色和黄色喷嘴设为0，而同时喷涂器设备被配置为喷涂绿色)。
当一组机器可以以用于提供(如通常在灵活制造系统中所应用的)不同功能的不同配置来组织时，这些方法的严重局限性就显现出来。例如，可以一起使用四个喷嘴机器以用于执行利用合成色(例如绿色)来进行的单个喷涂阶段，并且可以分离地和同时地使用这四个喷嘴机器以用于执行利用基本色(例如黄色和黑色)来进行的两个或更多个喷涂阶段。当必须在MES应用中对该制造情况进行建模时，统一的(单个)机器模型和分离的机器模型都不能够有效地支持现代化生产环境中所需要的规划和控制活动。
不幸的是，现有的MES软件应用提供允许用户通过描述机器属性和功能来表示工厂机器的建模特征。用户负责选择最佳模型来与其自己的工厂要求相拟合。现有的MES软件应用都不允许通过覆盖所希望的控制和规划活动的不同方面来对一组机器进行建模。当模型需要突显同一个设备的不同方面时，用户负责在处理部分拟合模型和自定义应用方面的问题，该问题暗示在观察可能的建模差距方面需要付出巨大努力，其中该建模差距可能导致重大的生产错误或者死锁状况。
【发明内容】
因此，本发明的目的是提供一种用于对由企业资源规划(ERP)所规划并由车间进行生产的制造过程进行建模的系统和方法，其中制造执行系统(MES)实施所建模的制造过程并且规划和/或控制在车间进行的相应制造，从而提供充足的建模灵活性以便满足规划和控制两者的需求。
根据本发明通过如下方法来实现该目的，所述方法是一种用于对由企业资源规划(ERP)所规划并由车间进行生产的制造过程进行建模的方法，其中制造执行系统(MES)实施所建模的制造过程并且规划和/或控制在车间进行的相应制造，所述方法包括如下步骤：
-在车间提供多个实际机器，并且通过包括机器属性的实际机器模块来对每个实际机器进行描述以便控制所述实际机器的执行；
-在制造过程中定义特定的制造活动，所述特定的制造活动要求执行实际机器的独特的子集以便进行该子集的特定的生产活动，
-通过组合在所述子集中所包括的实际机器来提供虚拟设备，并且通过虚拟设备模型来对所述虚拟设备进行描述以规划并控制所述特定的生产活动，所述虚拟设备模型包括规划级模型和控制级模型。
该方法现在允许提供新的建模方法以实现灵活的制造工厂。该新的建模方法描述规划方面和控制方面，在这两个表示之间具有紧密关系。规划级内的数据基于分层生产结构，该分层生产结构允许通过使用现有的实际和/或虚拟机器的现有机器模块来组成虚拟设备。控制级内的数据使用面向实际硬件的方法来描述虚拟设备，该方法允许用户按照控制机器执行的确切需要对机器属性进行定义。因此，创建虚拟设备(其由已经存在的实际机器和/或其他虚拟机器组成)和描述包括特定建模级和特定控制级的虚拟机器允许满足对生产建模和生产控制两方面的需求。
在优选实施例中，所述方法附加地包括如下步骤：
-将a)所述虚拟设备的高级生产属性和b)高级生产属性之中的可能的约束分配给规划级模型；并且
-将实际机器模块的机器属性分配给控制级。
这意味着(例如参考前面所提及的实例)定义作为虚拟喷涂器的各种喷涂器设备(诸如针对每个喷嘴一个喷涂器和用于所有合成色的分离的喷涂器)的高级生产属性。因此，只要实际规划没有违反在规划级模型中所列出的约束，就可以并行地规划生产和使用虚拟设备。
因此，在本发明的另一优选实施例中，所述方法可包括如下步骤：
-使用虚拟设备模型的规划级模型来规划制造过程；并且
-使用虚拟设备模型的控制级模型来控制制造过程。
该方法允许将使用尽可能多的控制参数的控制方法和使用尽可能少的设备规划模型的规划方法相结合。
【附图说明】
图1示意性地表示根据现有技术的用于管理和控制制造过程的方法。
图2示意性地表示当前技术水平下面向控制的模型的图示。
图3示意性地表示当前技术水平下面向规划的模型的图示。
图4示意性地表示用于复合颜色喷涂器的创新解决方案模型的图示。
图5示意性地表示用于灵活制造系统的创新解决方案模型的图示。
【具体实施方式】
图2表示当前技术水平下面向控制的模型的图示。每个喷嘴机器10至16都可以在其显著的实际机器属性(诸如油墨液位、强度、状态、喷嘴清洁度)方面被单独控制。因此，通过借助于四个分离的喷嘴机器10至16来对喷涂器设备进行建模，可以容易地分离地控制这些实际机器属性。目前，该模型不允许对喷涂合成色的设备概念进行建模。通过如图3中所示借助单个机器来对喷涂器设备进行建模，可对先进可编程喷涂器的高级概念进行表示，但是为了实际上对每个喷嘴机器10至16的所有技术要求进行建模，必须在高级模型中包括一大组变量，其中完全不保证各种数据之间的连贯性。
现在，创新的想法是为制造工厂提供新的建模方法，该新的建模方法允许描述控制方面和规划方面，在这两个表示之间具有紧密关系。
该建模方法基于分层结构，其允许通过使用其它设备模型模块(即用于单个喷嘴或者用于这些喷嘴机器10至16之中的每种可能组合的模型模块)来构成用于喷涂器的设备模型。控制级模型使用面向实际硬件的方法来描述该设备。这意味着，用户能够按照控制机器执行的确切需要来定义机器属性。换句话说，当在两个规划活动中同时使用相同的喷嘴机器时，规划不需要观察除了可能约束之外的任何实际机器属性。在上面给出的实例中，用户可以在四个不同喷嘴机器(10至16)的属性只集中于控制方面(例如油墨液位、喷嘴的清洁度状态)的情况下对这四个不同喷嘴机器进行建模。为了覆盖MES应用的规划方面，用户现在可以对表示高级喷涂器设备的虚拟设备进行建模。在该模型中，用户插入高级属性(例如喷涂器的颜色配置)。可以通过图4来描述虚拟设备的模型与实际喷嘴机器的模型之间的紧密关系。
例如，用户能够对虚拟设备变量和实际机器变量之中的约束进行建模(例如，只有当四个喷嘴机器被适当地配置为混合其基本色以便合成绿色时，喷涂器设备的颜色才被设为绿色值)。此外，所应用的组合模式允许系统检测：机器被为高级设备模型预定(reserve)并设置值的规划活动所使用并配置。例如，MES应用的规划活动规定：喷涂器设备被在时间ts开始、在时间te结束并要求绿色配置的喷涂阶段所预定。通过在高级模型处作出该规划决策，系统还意识到两个喷嘴机器从时间ts至时间te忙碌，并且这两个喷嘴机器按照其低级机器属性被单独地配置以用于合成绿色(例如，青色和黄色喷嘴是忙碌的并且被设为100；品红色和黑色喷嘴是空闲的)。
如图5中所示，该方法现在还允许对多个使用喷嘴机器的不同方式(如在根据图2和3的当前技术水平下实例中所示出的)进行建模。如果可以将机器联合地用于喷涂合成色或者单独地用于喷涂基本色，则用户可以对多个虚拟设备进行建模(例如，如图5中所示为每个单独的颜色建模一个虚拟设备和为合成色建模一个虚拟设备)。每当虚拟设备使用被规划时，系统可以容易地检测：非可行性状况是否由于在规划级模型中所给定的约束而产生。例如，不可能规划将复合颜色喷涂器与黑色喷涂器同时使用，因为复合颜色喷涂器和黑色喷涂器两者都依赖于实际黑色喷嘴机器10。然而，有可能规划将黑色喷涂器机器和青色喷涂器机器同时使用，因为该黑色喷涂器机器和青色喷涂器机器依赖于不同的机器。
因此，该解决方案允许发展MES的先进的工厂建模能力，该先进的工厂建模能力对各种工业情况和灵活制造系统具有杰出的适配性。这种能力显著地减少在工厂建模阶段中为每个MES应用部署所作的努力。此外，该能力允许发展MES软件的丰富特征，这些特征填补不同ISA95建模级之间的信息管理差距。