微締裝配制造生產(chǎn)線MES系統(tǒng)軟件
在CIMS體系的三層結(jié)構(gòu)中，MES系統(tǒng)軟件作為聯(lián)系制造行業(yè)管理層與過程控制層之間的紐帶，在提高企業(yè)生產(chǎn)效率和管理水平、改善產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)損耗和節(jié)能減排等方面起著至關(guān)重要的作用。在最近十幾年，MES系統(tǒng)軟件在國外的大中小企業(yè)中得到了很快的推廣和應(yīng)用，特別是一些大型的跨國企業(yè)，已經(jīng)有了非常成熟的產(chǎn)品和應(yīng)用經(jīng)驗。國內(nèi)在MES系統(tǒng)軟件的研究與應(yīng)用方面起步較晚，但受到ERP等思想廣泛推廣的影響，很多企業(yè)已經(jīng)注意到了它對生產(chǎn)的重大影響力，所以目前在國內(nèi)發(fā)展迅速，特別在流程等行業(yè)已經(jīng)有了突破性的發(fā)展。
MES系統(tǒng)軟件平臺是以裝配生產(chǎn)線為背景而開發(fā)的MES系統(tǒng)軟件通用軟件，以現(xiàn)有的MES系統(tǒng)軟件平臺的經(jīng)驗及我們在裝配制造系統(tǒng)開發(fā)方面的經(jīng)驗，實現(xiàn)裝配車間的數(shù)字化管理。平臺的核心是基于事件的處理機(jī)制，所有的生產(chǎn)過程、生產(chǎn)環(huán)節(jié)、操作都被描述成事件，通過對事件的處理來實現(xiàn)車間生產(chǎn)過程的管理。目前平臺已經(jīng)基本開發(fā)完成，但是性能尚不能滿足企業(yè)的實際需要，需要對平臺優(yōu)化，達(dá)到進(jìn)行實際應(yīng)用的目的。因此，本文針對MES系統(tǒng)軟件平臺性能問題，引入并發(fā)處理機(jī)制對平臺的核心功能進(jìn)行優(yōu)化，為MES系統(tǒng)軟件的實際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
裝配生產(chǎn)線MES系統(tǒng)軟件
平臺架構(gòu)以及關(guān)鍵服務(wù)
MES系統(tǒng)軟件平臺由基礎(chǔ)服務(wù)、模型創(chuàng)建、生產(chǎn)管理套件、質(zhì)量分析套件、微締分析套件、報表統(tǒng)計套件等模塊構(gòu)成。MES系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)中所有的功能都是以平臺服務(wù)為基礎(chǔ)運行的，實現(xiàn)生產(chǎn)事件到客戶端的發(fā)布。平臺服務(wù)是整個平臺的核心，是平臺設(shè)計與開發(fā)的重點。車間生產(chǎn)過程中的事件按照類型被分成四大類：計劃類、生產(chǎn)類、報警類、廢品類，具體包括上線事件、下線事件、缺料事件、廢料事件、廢品事件、異常事件。
信息網(wǎng)關(guān)服務(wù)(Gate Way)、服務(wù)事件監(jiān)控服務(wù)(Event Man.ager)、數(shù)據(jù)采集服務(wù)(Data Reader)為平臺的關(guān)鍵服務(wù)，其它服務(wù)都是構(gòu)建在這三個服務(wù)之上進(jìn)行擴(kuò)展后得到的，這三個關(guān)鍵服務(wù)間的通信均采用消息總線進(jìn)行信息交換。整個服務(wù)的運行機(jī)制是以事件觸發(fā)機(jī)制為基礎(chǔ)的，并通過實時監(jiān)測特定數(shù)據(jù)源的標(biāo)簽值的變化來感知事件的發(fā)生，并利用信息網(wǎng)關(guān)服務(wù)將事件發(fā)布到事件的訂閱方。其中服務(wù)事件監(jiān)控服務(wù)為事件處理的關(guān)鍵服務(wù)。事件管理服務(wù)通過事件模型的配置信息，獲得相關(guān)的事件觸發(fā)條件及事件發(fā)生時調(diào)用的業(yè)務(wù)處理過程，并通過數(shù)據(jù)讀取服務(wù)采用多線程技術(shù)動態(tài)監(jiān)測相關(guān)標(biāo)簽的變化，當(dāng)滿足事件觸發(fā)條件后，觸發(fā)相應(yīng)的業(yè)務(wù)處理過程。業(yè)務(wù)處理過程根據(jù)生產(chǎn)的狀態(tài)及業(yè)務(wù)規(guī)則進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，同時為了通知MES系統(tǒng)軟件的客戶端，將信息發(fā)布到消息隊列中，然后等待其它處理過程。
平臺優(yōu)化的實現(xiàn)
目前MES系統(tǒng)軟件平臺的處理機(jī)制在MES系統(tǒng)軟件平臺的關(guān)鍵服務(wù)中，事件的處理機(jī)制為順序處理，所有事件排隊，遵循FIFO原則。在平臺建立企業(yè)的產(chǎn)品模型、工廠模型及生產(chǎn)事件模型后，進(jìn)行生產(chǎn)計劃接收、生產(chǎn)指令下達(dá)，這個過程的完成觸發(fā)了相應(yīng)的生產(chǎn)事件，接下來就由服務(wù)事件監(jiān)控服務(wù)進(jìn)行處理。如果一個生產(chǎn)事件被觸發(fā)，服務(wù)事件監(jiān)控服務(wù)將會通過數(shù)據(jù)采集服務(wù)獲得這一事件。經(jīng)過判斷，如果滿足某些事件觸發(fā)條件，則進(jìn)入事件處理流程。
在事件處理流程中，事件相關(guān)數(shù)據(jù)首先將進(jìn)入一個列表中，和其它事件一起按順序被取出，事件的排列順序完全遵守平臺的配置順序。在接下來的處理過程中，這些事件被逐一取出，按照不同的事件類型分類，進(jìn)行不同的處理，而所有的處理過程全部由主線程來完成，處理完成后，平臺繼續(xù)監(jiān)測生產(chǎn)事件的發(fā)生，重復(fù)整個處理過程。因為只有一個線程在處理數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)等待的時間很長，這就是影響平臺性能的主要問題。如果引入多線程并發(fā)處理機(jī)制，一定能夠大幅度提高平臺性能。
性能優(yōu)化方案
并發(fā)的概念很早就已經(jīng)出現(xiàn)(尤其是多任務(wù)操作系統(tǒng)的出現(xiàn))，并發(fā)在提高系統(tǒng)資源的有效利用率和改進(jìn)軟件的性能方面具有較大的優(yōu)勢。相對于順序結(jié)構(gòu)，并發(fā)結(jié)構(gòu)可以同時進(jìn)行多項工作，加快處理速度，在更短的時間內(nèi)或在相同的時間內(nèi)解決更多的問題。而且并發(fā)結(jié)構(gòu)節(jié)省投入，可以以較低的投入完成順序計算的任務(wù)。在某些情況下，也只有采用并發(fā)結(jié)構(gòu)才能達(dá)到目標(biāo)要求。但是并發(fā)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行必須要考慮同步、沖突等問題，因此，如何實現(xiàn)進(jìn)程間相互作用控制，例如對共享資源存取的同步控制及通訊控制便成為一個關(guān)鍵問題。
目前并發(fā)處理系統(tǒng)的構(gòu)架主要采用基于線程的并發(fā)控制技術(shù)，其中包括同步多線程技術(shù)和異步多線程技術(shù)。基于同步多線程的并發(fā)結(jié)構(gòu)主要有主/從(Boss/WoOer)、對等(Peer)和流水線(Pipene)三種。多線程也帶來了線程同步、上下文切換等開銷，基于事件的并發(fā)控制，即異步多線程技術(shù)，可以省去這些開銷，它利用操作的異步執(zhí)行來提高系統(tǒng)并發(fā)性。然而，大多數(shù)操作系統(tǒng)都沒有很好的異步L/0支持，而且異步操作會使得程序難于編寫和維護(hù)。
對于MES系統(tǒng)軟件平臺的事件處理，因為處理時采用相同的方法，所以比較適合采用對等結(jié)構(gòu)的并發(fā)處理方法，同時根據(jù)平臺的實際處理情況加入一定的規(guī)則。例如，對現(xiàn)在的平臺可以根據(jù)事件的類型分別建立對應(yīng)的線程：計劃事件、生產(chǎn)事件、廢品事件、報警事件。各類事件可以定義優(yōu)先級來避免沖突，如報警事件應(yīng)該最先處理，所以定義為最高優(yōu)先級，生產(chǎn)事件數(shù)量最大，可以定義為一般優(yōu)先級，等等。在生產(chǎn)的過程中也有一些生產(chǎn)規(guī)則需要遵守，例如，車間實際生產(chǎn)時，首先要建立生產(chǎn)計劃，然后才能進(jìn)行生產(chǎn)操作。所以，首先出發(fā)的應(yīng)該是計劃事件，計劃事件進(jìn)程應(yīng)該擁有最高的優(yōu)先級。在生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)廢品和報警事件時需要及時處理，降低對生產(chǎn)的影響。所以，廢品和報警事件的線程優(yōu)先級要高于生產(chǎn)事件的線程。
優(yōu)化方案應(yīng)用
根據(jù)以上制訂的優(yōu)化策略，將原來平臺的事件處理主線程分為幾個線程，分別處理不同工位產(chǎn)生的事件。事件隸屬的工位可以在事件初始化時獲得。實際上相當(dāng)于首先獲取工位數(shù)，以結(jié)構(gòu)為驅(qū)動，中心詞的作用不太明顯。然后進(jìn)行分組。有需要處理的數(shù)據(jù)時，根據(jù)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的工位確定調(diào)用哪一個線程進(jìn)行處理。同時建立一個線程池，保證只有一個線程讀寫數(shù)據(jù)庫核心數(shù)據(jù)，防止產(chǎn)生沖突和錯誤。在平臺優(yōu)化的過程中，只有事件處理的部分進(jìn)行了修改，保證了平臺其他部分的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)調(diào)試的過程中減少了很大的工作量，也防止出現(xiàn)修改錯誤，提高了工作效率。
盡管采用線程池并增加線程的個數(shù)可以提高系統(tǒng)的性能。但是線程的數(shù)量并不是說越多越好，因為如果線程數(shù)量過多，會造成CPU不停地中斷，反而影響速度。已有研究給出了并發(fā)用戶數(shù)為N時，線程池性能達(dá)到最大值時的線程數(shù)n滿足下列公式：
其中，設(shè)定每一個用戶具有同等的概率去發(fā)送同樣多的請求數(shù)，C1為創(chuàng)建一個線程的開銷，C：為單個線程的管理開銷。考慮到一個線程能夠使用的最大虛擬內(nèi)存空間以及線程占用的棧空間大小和其他資源，很多時候是不會使線程數(shù)達(dá)到最大線程數(shù)n，而且系統(tǒng)支持的線程數(shù)是有限的。
通過上面的公式，考慮到平臺性能測試的數(shù)據(jù)，以及實施的環(huán)境，得出線程數(shù)不需要超過10個。因為平臺首先要保證運行穩(wěn)定，性能只要能夠達(dá)到用戶實際生產(chǎn)要求就可以，所以選擇線程數(shù)為5。這時平臺的性能既有很大的提高，同時也能穩(wěn)定運行。
平臺應(yīng)用
MES系統(tǒng)軟件平臺是以裝配生產(chǎn)線為背景而開發(fā)的MES系統(tǒng)軟件通用軟件，按照裝配線的生產(chǎn)節(jié)拍為3分鐘，150個工位，每個工位同時產(chǎn)生lO個生產(chǎn)事件計算，優(yōu)化前平臺勉強(qiáng)能夠滿足企業(yè)的生產(chǎn)需要，但是在實際的生產(chǎn)中，這樣的性能是無法滿足企業(yè)要求的。現(xiàn)在將事件處理機(jī)制改為多線程并發(fā)處理機(jī)制后，性能有了明顯提高。在相同的測試環(huán)境下，平臺的響應(yīng)時間有了明顯的縮短，能夠達(dá)到實際生產(chǎn)的需要。
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