企业控制系统集成中的对象模型及应用

郭 栋，尹作重，秦修功，杜 峻，范 维

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

企业控制系统集成中的对象模型及应用

郭 栋，尹作重，秦修功，杜 峻，范 维

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

针对企业控制系统集成中企业行为与控制行为之间接口存在的风险、高成本与不可避免的差错，对系统集成中的人员模型、设备模型、物料模型、过程段模型、生产能力模型、过程段能力模型、产品定义模型、生产调度模型、生产绩效模型等9个模型进行了规范化，进而以人员模型为例，详解其应用，从而可降低相应的风险、成本和差错，实现生产过程的综合自动化。

对象模型；企业控制系统集成；对象模型属性

0 引言

随着计算机、信息技术的飞速发展，全球市场逐渐形成，企业间的竞争空前加剧。处在竞争中的生产企业必须降低成本、提高产品质量、完善售后服务，才能在市场中占有一席之地。这要求各个生产企业采用系统集成、信息集成的观点来组织整个生产过程，实现生产过程的综合自动化[1]。

企业系统与控制系统的系统集成研究与开发已经有十多年的历史，期间涌现很多的学派和描述模型，开发的系统数不胜数[1]。但人们对企业信息化和系统集成的标准研究不够，更不用说在应用中去遵循统一标准，为了改变这一普遍存在的现象，降低与实施这些接口有关的风险、成本和差错，对企业控制系统集成对象模型进行规范化。

本文首先对企业控制系统集成中的对象模型进行简要介绍，包括对象模型的属性、结构和涉及到的数据关系，其次详细阐述了企业控制系统集成中九种对象模型，并描述这些对象模型的资料性关系，最后举例说明对象模型的具体应用。

1 企业控制系统集成对象模型简介

1.1 概述

在企业和控制的集成系统中，信息穿过企业与控制系统的接口，在各相关的功能块之间流动。信息主要分为三类：生产能力信息、生产定义信息、生产信息。标准以对象模型的形式定义信息，用各个对象的属性描述具体信息。

1.2 对象模型属性

独立于企业的信息的最小集被定义为属性。然而，所有属性的值可能并不需要依赖于模型的实际使用。对于特殊的应用，对象模型中所定义的对象也需要扩展，它可以通过在对象类的定义上附加属性来实现，这使得属性具有了可扩展性。这样的解决方法通过使用标准的属性增加了可用性，又通过使用特性令柔性和可扩展性成为可能。

1.3 对象模型结构

对象模型是用统一建模语言（UML）符号表示法描述的。

表1定义了对象图中所用的UML符号。

1.4 数据关系

在对象模型图表中并没有充分阐明用于参照其他包中资源的模型。这种模型使用类或实例，并通过属性附加可选的规范。其数据关系并没有遵守统一建模语言（UML）的建模方法，可是它令建好的图表更加简洁。图1的左边说明了关系模型的一般表现形式，而图1的右边说明了在UML中是如何更加准确的建模的。作为一种可视化方法，UML在本标准中被使用，可是它并不描述执行情况。下面的对象和它们与另一个包的关系就采用了简化的关系图方法来表现，如表2所示。

表1 UML所用的符号

表2 对象关系表

一致性关联由以下四种可能关联中的一种（并且仅仅是一种）决定，即：和资源类定义的关联；和资源类定义以及资源类特性的关联；和资源定义的关联；和资源定义以及资源特性的关联。

在上面的模型中，“资源类”这个术语包含：人员类、设备类、物料类和物料定义。术语“资源”包括：人、设备、物料批量和物料分批量。术语“资源能力”指资源在能力模型、过程段能力模型、过程段模型、产品定义模型、生产调度模型和生产绩效模型中的使用。

2 企业控制系统集成中的对象模型

在选定的时间内，生产过程设计的所有资源统称为生产能力信息。它是关于设备、材料、人事和过程分段的信息，有人员模型、设备模型、物料模型、过程段模型、生产能力模型、过程段能力模型、产品定义模型、生产调度模型和生产绩效模型九个模型。

2.1 人员模型

人员模型包括具体人员、人员类、人员特性、人员类特性、资格测试规范和资格测试结果六个方面的信息，如图2所示。

2.2 设备模型

设备模型包括特定设备的信息、设备特性、设备的类、设备类特性、设备能力测试规范、设备能力测试结果、关于设备的维护信息、维护工作通知单和维护响应九个方面信息，如图3所示。

图1 详细的关系模型

图2 人员模型

2.3 物料模型

物料模型包括物料类、物料类特性、物料定义、物料定义特性、物料批量、物料批量特性、物料分批量、质量保证试验规范和质量保证试验结果9个方面的信息，如图4所示。物料信息包括原材料，制成物料和中间物料的库存量。当前的物料信息包含在物料批量和物料分批量信息内。物料类用来组织物料。

2.4 过程段模型

一个过程段是人力资源、设备资源和完成一个生产步骤所需的物料的逻辑分组。过程段定义了所需的人员、设备和物料的类，和/或也许给出诸如所需要的特定设备那样的特定资源。同时，过程段也可列出所需资源的数量。过程段模型对象包括过程段、人员段规范、人员段规范特性、设备段规范、设备段规范特性、物料段规范、物料段规范特性、过程段从属性和过程段参数九个方面的信息，如图5所示，它阐明了人员、设备和物料模型之间的关系，又附加了一个对象以包含过程段从属性。

图3 设备模型

图4 物料模型

2.5 生产能力模型

生产能力信息是为生产的所有资源对所选用次数的信息的汇集。这是由有关设备、物料、人员和过程段的信息组成的。生产能力描述了制造控制系统已知道的名字、术语、状态和数量。生产能力信息包含用于产能调度和维护信息的词汇表。一种生产能力是对于一个给定的时间段（目前或今后）的人员能力、设备能力、物料能力和过程段能力的汇集，并作为承担的、可利用的和难以达到的等类别列出。生产能力模型包括生产能力、人员能力、人员能力特性、设备能力、设备能力特性、物料能力和物料能力特性7个方面的信息，如图6所示，它阐明了人员、设备和物料模型之间的关系。

2.6 过程段能力模型

图5 过程段模型

图6 生产能力模型

对一个特定时间、对一个给定的过程段承担的、可利用的、或难以达到的人员资源、设备资源和物料的逻辑分组的表示法被称为一种过程段能力。过程段能力模型包括过程段能力、人员段能力、人员段能力特性、设备段能力、设备段能力特性、物料段能力和物料段能力特性7个方面的信息，如图7所示，它阐明了过程段、人员、设备和物料模型之间的关系。

图7 过程段能力

2.7 产品定义模型

产品定义信息是生产规则，物料清单，以及资源清单之间共享的信息。这三个外部模型用图8中的包表示，该模型包括产品定义、制造清单、产品段、产品参数、人员规范、人员规范特性、设备规范、设备规范特性、物料规范、物料规范特性和产品段从属性11个方面的信息。

2.8 生产调度模型

生产调度是一种生产请求。一个生产调度是由一个或者多个生产请求组成的。生产请求是为一个由生产规则标识的产品要求生产的请求。生产请求包含为了完成调度生产制造所需的信息。生产请求至少包含一个段要求，即使它跨越了产品的整个生产阶段。生产调度模型包括生产调度、生产请求、段要求、生产参数、人员要求、人员要求特性、设备需求、设备需求特性、已生产物料要求、已生产物料要求特性、已消耗物料要求、已消耗物料要求特性、预期消耗品、预期消耗品特性和请求段响应十五个方面的信息，如图9所示，清楚地说明了产品段、过程段、人员、设备以及物料模型之间的关系。

2.9 生产绩效模型

生产绩效是一个关于所请求生产的报告，也是生产响应的集合。生产响应是指与生产请求相关联的制造响应。如果生产设备需要将生产请求划分成更小的工作单元，那么一个生产请求就会有一个或者多个生产响应。生产绩效模型包括生产绩效、生产响应、段响应、生产数据、实际人员、实际人员特性、实际设备、实际设备特性、实际已生产物料、实际已生产物料特性、实际消耗的物料、实际消耗的物料特性、实际消耗品和实际消耗品特性十四个方面的信息，如图10所示，并且加入了产品生产规则，以及阐明了人员、设备、物料模型之间的关系。

图8 产品定义模型

图9 生产调度模型

图10 生产绩效模型

3 对象模型的关系

图11给出了对象模型之间相互关联的参考资料性说明[2]。生产信息给出了在制造什么和在使用什么的信息。它的元素相当于生产调度中列出的制造什么和使用什么的信息。生产调度的要素对应于表示制造一种产品所规定的产品定义中的信息。产品定义要素对应于过程段描述中的信息，它给出靠这些生产资源能做些什么。

图11中的斜矩形表示任何资源（人员、设备或者物料），或者资源特性。

4 应用实例

4.1 人员的UML模型

UML模型是商务系统、制造操作以及控制系统数据交换的软件独立描述。UML依赖于面向对象方法学。简单地讲，面向对象包含类、子类以及实例(对象)。类可以是“车”，而实例可以是“Mine夫人的车”或者“我的车”。一个类具有属性，实例具有属性的值，例如类“车”有一个属性“牌照”，而实例“Mine夫人的车”具有属性“牌照为ABC 123”。

图11所示人员模型即为人员UML模型。

4.2 带有属性的人员类实例

图11 对象模型内部关系

图11 人员UML模型

如图11所示的模型是图2的一份复制，一共定义了6个类，即：人员、人员类、人员特性、人员类特性、资格测试规范、资格测试结果。本部分为这6个类中的每一个定义属性。

表3为人的属性。

表3 人的属性

这意味着，人员类应该有ID、Description以及Name属性。

图12显示了带有属性的人员类，并且有两个实例，即John Smith以及Lou Brown。

图12 人员类的实例

相同的有另外一个类“人员类”（人员类应该被看作人员的分组或者分类）。所使用的实例依赖于应用程序，但是可以是下面的例子：工程师、夜班工人、磨床操作工人等。

4.3 XML描述实例

这是一个人员模型简化的示例，可以应用在石油化学制品行业。示例列出了人员类和人员的共享信息，包括资格测试信息。

人员类

ID – 操作人员水平A

描述(Description) – 石油化工制品厂认证最高水平操作人员。

ID – 操作人员水平B

描述(Description) – 石油化工制品厂认证基本水平操作人员。

ID – 操作人员

描述(Description) – 石油化工制品厂操作人员

特性(Properties)

ID – MTBE平均错误间隔时间过程认证

描述(Description) – 每一个完整的认证测试水平

值(Value) – TRUE, FALSE

度量单位(Units of Measure) -

资格测试规范(Qualifcation Test Specifcation)

ID – PC-MTBE-992828

描述(Description) – 决定MTBE 认证水平的测试

版本(Version) – 1997-04-02

ID – PO精练水平认证的测试（PO Refning Process Certifcation）

描述(Description) – 每一个完整的认证测试水平

值(Value) – TRUE, FALSE

度量单位(Units of Measure) -

资格测试规范(Qualifcation Test Specifcation)

ID – PC- PO-Refning -992828

描述(Description) – 决定PO精练水平认证的测试。

版本(Version) – 1997-04-02

ID – Push-Up Certifcation上推认证

描述(Description) – 操作人员暂时能够进行高层作业

值(Value) – TRUE, FALSE

度量单位(Units of Measure) -

人员

ID – 999-63-8161

描述(Description) -

姓名(Name) – John Doe

特性(Properties)

ID – MTBE 过程认证

描述(Description) – 每一个完整的认证测试水平

值(Value) – 真

度量单位(Units of Measure) -

资格测试结果(Qualifcation Test results)

ID – PC-MTBE-992828-2000-10-12

描述(Description) – 决定MTBE 认证水平的测试。

结果(Result)– 通过

到期(Expiration) – 2000-12-15

ID – PO精练水平过程认证（PO Refining Process Certifcation）

描述(Description) – 每一个完整的认证测试水平

值(Value) – 假

度量单位(Units of Measure) -

ID – 上推认证

描述(Description) – 操作人员暂时能够进行高层作业

值(Value) – 假

度量单位(Units of Measure) –

ID – 合格的消防团队

描述(Description) – 操作人员被训练来辅助消防

值(Value) – 真

度量单位(Units of Measure) -

人员类(Personnel Classes)

ID – 操作人员

ID – B级操作人员

ID – 合格的消防团队

5 结束语

通过对企业控制系统集成中的对象模型进行规范化，并对这些对象模型存在的资料性关系进行描述，并对对象模型的应用XML进行阐述，从而可以降低与实施这些接口有关的风险、成本和差错，提高生产过程自动化程度，进而提高企业竞争力。

[1] 冷杉,黄榕华.企业与控制系统集成标准研究[A].中国自动化学会制造执行系统(MES)在管控一体化中的作用研讨会[C].2007.

[2] 国际电工委员会. Enterprise control system integration – Part2: Object model attributes[S].IEC 62264-2:2013.

Objects and applications for enterprise-control system integration

GUO Dong, YIN Zuo-zhong, QIN Xiu-gong, DU Jun, FAN Wei

TP29

：A

1009-0134(2017)01-0138-11

2016-12-22

国家支撑计划项（2015BAF17B01）

郭栋（1989 -），男，山西襄汾人，硕士，研究方向为制造业信息化。