基于领域驱动设计的韧性智能制造执行系统_高建祥.pdf

2 0 2 3 4第卷总第期5459第期442 周永柏.智能监控技术 M.大连：大连理工大学出版社，2012.3 周芝梅，冯晨，万勇，等.HDMI 系统编码原理研究J.科技风，2020（27）：68-70.4 李长龙.基于 PLC 的蒸汽计量系统设计与实现 C/全国冶金自动化信息网 2015 年会论文集，2015：319-321.5 张禹阳.基于 IEC61131-3 标准的 PLC 功能块编译系统研究与实现D.大连：大连理工大学，2018.通信地址：上海市东方路 3261 号上海振华重工（集团）股份有限公司（200125）（收稿日期：2022-10-23）图 5PLC 功能块基于领域驱动设计的韧性智能制造执行系统高建祥，王家海，殷文明同济大学机械与能源工程学院摘要在制造执行系统（M anuf act uri ng E xecut i on S yst em）的落地实践中，由于不同企业的生产流程和业务需求存在差异，导致市场上的制造执行系统产品开发周期长、开发成本高和扩展性较差。为了提高制造执行系统的可重构和扩展性，提出韧性智能制造执行系统（R esi l i entI nt el l i gentM anuf act uri ng E xecut i on S yst em）的概念，根据领域驱动设计和微服务模型，阐述韧性智能制造执行系统的架构模型和设计方法。在此基础上完成韧性智能制造执行系统的开发，并在同济大学智能制造实验室 FM S 阀体生产线进行验证。研究结果表明，韧性智能制造执行系统扩展方便，二次开发周期短，维护成本低。关键词：制造执行系统；领域驱动设计；微服务；云平台作者简介：高建祥（1996），男，山西朔州人，硕士研究生，研究方向：制造执行系统集成。王家海（通信作者）（1964），男，上海人，副教授，研究方向：制造执行系统集成与智能生产调度、数字化制造。随着工业 4.0 的发展和中国制造 2025 战略的推动，以及市场和客户需求的快速变化，制造业正在朝着数字化、信息化和智能化的方向迈进1。制造执行系统（Man-ufacturing Execution System，MES）作为连接上层企业资源计划管理系统（Enterprise Resource Planning，ERP）和下层车间控制层（Shop Floor Control，SFC）的中间层，成为制造企业实现制造数字化管理的关键2。20 世纪 80 年代，上海宝钢从西门子引进的 MES 是我国最早的 MES，但是，由于当时有限的自动化程度、不完善的通信技术和不成熟的管理理念，MES 并没有得到重视。国外的 MES 产品主要用于航空航天、汽车制造、机械制造、消费品、半导体和流程型生产领域的企业。MES产品的提供商主要有德国的 Siemens、MPDV 公司和美国的 HoneyWell、Rockwell 及 GE 公司3。72 0 2 3 4信息化与智能化Information and Intelligentization目前，制造企业的信息系统包含不同的子系统，子系统之间差异较大，因此子系统之间的通信和集成非常困难。由于不同行业、不同生产规模的制造企业有着不同的生产以及业务流程，对 MES 的功能要求也不尽相同，所以客观上造成了市场中 MES 产品多样性、定制化和成本高的特点。为了提高 MES 的通用性，本文提出了基于领域驱动设计的韧性智能制造执行系统（Resilient IntelligentManufacturing Execution System，RIMES），完成了 RIMES的开发，并以同济大学智能制造实验室 FMS 阀体生产线为例进行了验证。1R I M E S1913 年，福特开创的流水线大批量和规模化生产是传统刚性制造系统的代表。20 世纪 60 年代，数控机床技术的成熟促进了柔性制造系统的发展，柔性制造系统通过模块化、标准化和系列化的设计，实现产品小批量多品种制造。进入 21 世纪后，信息技术革命推动了工业互联网的发展，全制造流程数字化管理运营、产品全生命周期管理和虚拟模型与物理模型的映射等新概念和新技术为制造业赋能，推动智能制造的实现4。人员、生产设备、生产原料、产品、生产环节、规章制度、生产车间、仓储物流、网络、通信和数据等生产资料和过程单元都可以定义为工业互联网中的智能体，这些智能体都是工业互联网的重要组成元素5。在工业互联网和工业 4.0 的大背景下，智能制造执行系统要具有按需组合、快速扩展、即插即用和维护简单的特点，因此被定义为韧性智能制造执行系统。随着全球化的深入和用户需求变化，刚性制造系统难以满足制造区域化、个性定制化和产品多样化的需求，导致不同制造业行业生产模式不同，同一行业的不同企业之间生产流程不同。因此，定制化的 MES 有开发工作量大，开发周期长，开发成本高和系统扩展性差的缺点。RIMES 对系统各功能模块进行解耦，有利于内部不同功能模块的组合和集成，并可供外部系统集成，不同制造业行业的企业可以根据生产模式组合功能模块。RIMES 具有良好的开放性和扩展性，企业可以考虑未来发展需要的功能进行扩展，也可以根据生产需求灵活设置生产工艺流程，快速应对市场变化。此外，RIMES 可以实现敏捷开发，缩短开发周期，减少开发和运维成本，有利于企业的长期发展。1.1R I M E S 的架构模型RIMES 的架构模型见图 1，各层的内容和功能为：（1）应用层，软件即服务（Software-as-a-Service，SaaS），包括纵向集成和横向集成。纵向集中是制造企业内部的集成，包括生产制造模块和生产管理模块。横向集成是制造企业之间以及与其他交涉部门的集成，包括供应链管理模块和工商财务管理模块。（2）平台层，平台即服务（Platform-as-a-Service，PaaS），包括大数据平台、物联网平台、应用开发和智能交互。大数据平台主要提供数据建模和数据分析的服务。物联网平台主要负责接口管理、网关管理和元素集成服务。应用开发提供开发工具和开发框架服务。智能交互主要通过 VR、AR 和 MR 等技术实现人机交互与虚实交互。（3）设施层，基础设施即服务（Infrastructure-as-a-Service，IaaS），需要具有虚拟化、计算分析能力、数据存储、数据采集和网络通信的功能。（4）通信层，主要负责包括人员、生产设备、产品、物流等智能体之间的通信，包括 MQTT、Ethernet、Https、Modbus 和 RS-485 等工业通信协议。（5）边缘层，即设备层，主要包括生产设备、机械臂、各类传感器、仓储货架以及 AGV 小车等生产要素。1.2R I M E S 的功能1990 年，美国先进制造研究中心（Advanced Manufac-turing Research，AMR）提出了制造执行系统 MES 概念。MES 是连接 ERP 和 SFC 的中间层，可以有效提高车间的执行效率和生产管理。1997 年，美国制造执行系统协会（Manufacturing Execution System Association，MESA）提出的 MES 功能组件和集成模型包括 11 个功能，同时规定，只要具备 11 个功能之中的某一个或几个，也属 MES 系列的单一功能产品。2004 年，MESA 提出了协同 MES 体系结构 c-MES6。根据行业规范和制造企业的实际需求，RIMES 包含生产管理、生产调度、设备管理、质量管理、物料管理等 582 0 2 3 4第卷总第期5459第期44图 1RIMES 的架构模型个主要功能模块，每个模块包含若干子功能。图 2 为RIMES 主要功能的流程图。2领域驱动设计与微服务架构2.1领域驱动设计领域驱动设计（Domain Driven Design，DDD）由 EricEvans 在 2004 年提出7。DDD 的核心理念是通过合理地构建领域模型来解决软件开发的复杂性问题。在软件开发的过程中，解决业务领域的复杂性远远大于技术领域的复杂性。因此，领域驱动设计的核心是建立正确的领域图 2RIMES 主要功能流程图92 0 2 3 4信息化与智能化Information and Intelligentization模型，实现软件设计与软件开发的绑定，软件设计的概念也在软件开发过程中得以实现8。制造执行系统由不同的子模块组成，不同模块之间依赖数据流和信息流交互，业务复杂度远高于技术复杂度。面向过程设计是一种结构化自上而下的设计方法，不能保证制造执行系统的灵活性、扩展性和敏捷性。领域驱动设计是以领域模型设计为主的程序设计方法，领域模型内都基于对象，十分便于分模块，而领域之间通过划分界限上下文进行隔离，具有高内聚低耦合的特点，保证对各个模块和整个系统不断优化调整。2.2微服务架构微服务（Microservices）的概念最早在 2012 年提出，得益于其去中心独立化、易开发部署、灵活稳定的优点，在软件架构层面成为适应持续软件工程发展的必然趋势，已经成为当前主流的软件设计架构之一9。微服务提倡根据业务功能或者业务需求将较为复杂的系统拆分为相对较小且可独立部署的服务模块，各服务模块之间通过轻量级通信机制相互协调配合来满足客户的服务需求。相比基于单一架构的软件开发流程，基于微服务架构的软件开发流程有开发部署运维成本低、效率高、适应性强、故障隔离和开发配置灵活的优点10。2.3领域驱动设计与微服务架构的关系DDD 与微服务架构密不可分。DDD 的目标是建立合理的领域模型，保证更快速地响应需求变化和软件维护。微服务的目标是细化业务的粒度，强调将业务彻底地组件化和服务化。DDD 包括战略设计和战术设计，它们分别从不同的视角出发，完成领域建模和微服务的拆分和设计。二者共同关注业务自顶向下的合理设计和分解，共同强化软件系统的可维护性和扩展能力，共同支持实现软件系统的持续性特征。因此，领域驱动设计与微服务架构的结合是实现制造云平台下 RIMES 的理想方式，可以满足 RIMES 的不同功能模块按需组合、快速扩展、即插即用和易于维护的需求。3基于领域驱动设计的 R I M E S 的开发3.1总体设计RIMES 包含生产管理、生产调度、设备管理、质量管理及物料管理等 5 个主要功能模块，如图 3 所示。生产管理模块具有文件管理、数据采集、工艺管理、工单管理、过程监控、车间报警和报工台账功能。生产调度模块具有计划排产、车间调度和生产派单功能。设备管理模块具有设备台账、周期维护、故障报警、故障预测和故障分析功能。质量管理模块具有质量检验、质量分析和质量追溯功能。物料管理模块具有入库管理、即时库存、车间物流和出库管理功能。此外，还有接口管理和系统管理辅助功能模块，接口管理负责 RIMES 与 ERP、SCM 和 PLM 进行数据信息交互，系统管理主要负责账户管理、权限设置和日志记录。图 3RIMES 的主要功能模块3.2确定领域事件领域事件一般是业务流程的一个环节，例如接收订单、计划排产、生产派工、生产制造和订单完成环节，也包括一个事件引发的后续或者辅助事件，例如生产监控、数据采集和数据分析事件。每个领域事件又包含若干子功能。例如，工艺管理功102 0 2 3 4第卷总第期5459第期44表 1RIMES 的聚合和聚合根模块聚合聚合根生产管理文件管理、工艺管理文件 ID数据采集、过程监控、车间报警时间序列订单管理订单 ID报工统计人员 ID生产调度 计划排产、生产派单排产计划表 ID设备管理设备台账、周期维护设备 ID故障报警、故障预测设备 ID故障分析设备 ID质量管理 质量检验、质量分析、质量追溯成品 ID物料管理入库管理、即时库存（物料）物料 ID出库管理、即时库存（产品）产品 ID系统管理 账户管理、权限设置账户 ID能是生产管理模块中的一个领域事件，用于对工艺信息和工艺文件的操作。工艺管理功能包括新建零件的工艺文件、修改工艺、查询零件的工艺信息、删除工艺、工艺发布、工艺版本管理和信息导入子功能。工艺管理中的子功能组合形成