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基于SysML的MES系统建模应用
 
作者:付梅 来源:万方数据   发布于 2016-10-25
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制造执行系统(简称MES)由多个子系统组成,其建模方法比较混乱和复杂。介绍了系统工程建模语言SysML的特点,并结合实例给出了基于SysML的MES建模方法,重点描述了需求图和功能图。此建模方法既有利于前期与客户讨论需求,又可指导后期软件开发测试的建模,从而减小MES项目的开发实施风险。

1 MES介绍以及目前建模技术现状

MES(Manufacturing Execution SyStem)直译成制造执行系统(以下简称MES),属于生产管理系统。被定义为:“通过信息的传递对从生产指令下发到产品完工入库的整个生产过程进行优化管理。”它与上层ERP等业务系统和底层DCS等生产设备控制系统一起构成制造企业的神经系统,不单是面向生产现场的系统,而是作为上、下两个层次之间双方信息的传递系统,是连结经营层和现场层,改善生产经营效益的关键系统。

当前,MES是制造企业应用热点之一。实现MES系统时,工程师使用的建模语言、工具和技术种类很多,如行为图、IDEF0图,ARIS企业建模工具等,这些建模方法使用的符号与语义不同,彼此之间不能相互操作和重用。虽然UM L设计初衷是为软件开发提供一种标准建模语言,但毕竟UML不是系统工程专用建模语言,在使用和实现上有一定的局限性。

2 SysML产生以及主要特点

SysML(systems modeling language)是UML 2.0在系统工程应用领域的延续和扩展,是一种新的建模语言,一种可视化、图形化建模语言。作为系统工程的标准建模语言,和其他系统工程建模语言相比,它提高了描述的正确性,增强了描述的可读性,消除了不同建模方法在表达和术语上的差异,避免了符号表示和理解上不必要的混乱 SysML的定义主要包SysML 语义和SysML表示(图形)法两个部分。

SysML语义是指为系统的结构模型,行为模型需求模型和参数模型定义了语义,图形表示是SysML 的可视化表示,是用来为系统建模的工具。SysML 定义了需求、行为图、类图、装配图、活动图、用例图九种基本图形来表示模型的各个方面。

SysML与UML相比具有以下三方面的特点。一是采用更为准确的系统信息分析方法,增添了需求模型;二是综合了面向对象方法和面向过程方法的体系结构设计优点,能更方便地描述系统问的连接与数据交换,方便系统设计单元分解,从系统节点分解到组件系统单元及系统组件;三是活动图支持系统工程的加强型功能流块图。

3 基于SysML的MES系统建模应用

由于MES系统是制造企业现场生产管理系统,功能需求比较复杂,本文将以SysML建模语言三大特点为基础,用三个典型SysML图形来给出MES系统的部分建模方案,分别为:需求图、用例图、功能图在MES系统的建模应用。

3.1 需求图在MES的建模应用

传统的需求都被表示为文档的形式,它们经常与数据和图表联系在一起,存储在文件或数据库中。但是SysML中的需求用图形来表示,能够描述需求和需求之间以及需求和其他建模元素之间的关系。

图1 需求图在MES生产作业计划管理应用

图2 用例图在MES计划调度系统的应用

需求是系统必须满足的能力或条件,一个需求能够分解成多个子需求。SysML用《requirement》说明需求,用户可以定义自己的子需求,如操作系统、功能需求、接口需求、性能需求等等。使用导出关系《derive》表示一个需求可以从另一个需求产生,使用满足关系《satisfy》表示一个需求能被其它的模型元素实现,使用验证关系《verify)壤示需求能被测试例子验证。“生产作业计划管理”是MES系统中的关键需求,下面以“生产作业计划管理”需求为例,说明需求图在MES系统建模应用。

《requirement》是来说明需求的,“制定生产计划”需求也是一个类,有两个属性:text 和id,前者是需求的文本描述,后者是需求的标识符。同时需求“制定生产计划”使用导出关系《derive》导出了“制定生产计划性能需求”、“车间制定生产计划需求”和“生产计划结果查询”。

MES中一个需求可以分为多个子需求,图1中“生产计划结果查询”需求可以细分为“任务周计划查询”和“设备周计划查询”。

《satisfy》表示一个需求能被其他的模型元素实现,图1中“车间制定生产计划”需求用“计划排产子系统”进行实现。《verify》表示一个需求能被测试例子验证。图1中“车间制定生产计划”需求用“计划排产测试用例”进行验证。

通过需求图能够描述MES中主要需求的分解、细化、实现以及验证过程。这是SysML对MES建模应用的最大特点。

3.2 用例图在MES的建模应用

SysML语言用例图描述了外部参与者对系统的使用,是通过系统向参与者提供一系列服务来实现的。用例图包括用例、参与者以及它们之间的通讯。用例之间的关系有包含关系、扩展关系和泛化关系。下图是一个MES生产计划排产系统的SysML 用例图:

SysML把需求图和用例图结合起来,从两个角度共同完成对系统的需求分析。这使得MES需求更易理解与实现。

3.3 功能块图在MEs的建模应用

功能模块图征MES的建模应用分为:MES系统整体功能图和MES分解功能图。

从业务流程角度出发,本人认为MES要有五大子系统:计划管理、物流管理、绩效考核,质量管理、基础数据管理。

计划管理予系统是指企业从接收订单开始,计划排产、派工单下达,直至订单任务完成整个过程。其核心是作业任务调度。

物流管理子系统是指在生产指令的驱动下,工件经过领料、周转、加工、入库等过程它需要随时提供工件在任意时刻的位置、数量等动态信息。

质量管理子系统主要指企业生产过程中的质量信息流,生产过程中产生的各类质量有关事件。

绩效考核子系统主要用于评价一个企业各个环节的健康指数,包括计划履约率,产品合格率及成本消耗情况等。

基础数据管理主要包括产品生产过程中的Item 主信息,工艺管理、BOM 信息。

SysML功能块图能够对顶层系统、子系统、逻辑组件及物理组件等各层次系统的接口进行描述。SysML提供了标准端口对块之间的交互进行描述,标准端口是按照它所能提供的和所需求的建立相应的Require/Provide端口。

图表3中详细描述MES五个子系统,即计划管理、物流管理、质量管理、绩效考核、基础数据管理的特征以及它们各自的接口情况。

MES各子系统都需要进一步细化内部功能模块,如计划管理子系统就需要进一步细化,分成订单管理,任务分解、计划任务管理子系统及计划排产子功能模块。对每个子功能模块SysML可以进一步细化其内部功能模块图。

图3 MES系统整体功能块图

4 结语

SysML是一种先进实用、功能强大的标准建模语言,能对系统工程的各种问题进行建模,适用于系统工程的不同阶段。在MES的开发过程中,采用SysML进行系统建模后,我们可以根据对系统工程需求的全过程进行跟踪,包括定义新需求,处理需求的变更和细化,需求的实现,测试用例的编写。而基干SysML的MES建模实现能有效地缩短开发测试周期,而且为模型驱动提供了可能性。用该建模语言管理复杂系统,可以提升系统设计开发质量。

   
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