A web-services oriented workflow management system for integrated digital production engineering
K. Alexopoulos, S. Makris, V. Xanthakis, G. Chryssolourisdoi:10.1016/j.cirpj.2011.06.002
Abstract
Digital production engineering is a complex procedure, since distributed engineering teams, using heterogeneous IT tools, should be able to collaborate in order to design and implement a production system. This work presents the concept and its implementation of a workflow system for collaborative computer-aided production engineering. The workflow system supports the execution of production engineering activities in the Extended Enterprise (EE) and is built on the basis of web services and the BPEL (Business Process Execution Language). It also manages the electromechanical data exchange, using XML that conforms to the AutomationML format. An application of the tool, developed for an assembly engineering project in the automotive industry, is being presented.
Keywords
Concurrent engineering; Assembly; Workflow management
1. Introduction
Shorter product and production lifecycles, an increased number of product variants and the unrestrained global competition have led many industrial companies to improve their development process from product designing up to its production. Production engineering involves the design, control and continuous improvement of manufacturing systems in order for customers to be provided with high-quality products, in a timely and cost efficient manner. This work focuses in particular on the initial design and engineering of a production system. In this context, a production engineering project includes the mapping of the manufacturing system#39;s variables such as the number and type of machines, the layout, the process parameters and the control logic to product parameters such as the bill of materials and the product#39;s geometry in order to meet performance requirements such as production cost and rate, quality and flexibility [1]. The production engineering projects are usually multidisciplinary and inter-organizational in nature. The current situation, in digital production engineering, is characterized by a large number of different IT tools, based both on PCs and on workstation applications. Integrated production engineering could be operated within the entire network of collaborating enterprises, defined as the Extended Enterprise (EE), with a long term agreement involving suppliers up to end-use customers. Typical examples of production engineering projects in the automotive and aerospace industries cover the entire process from rough product geometry to the ramp-up and start of production.
Internet may provide the infrastructure by which information can become simultaneously available to all those involved in production engineering, such as designers, planners, production managers, and so forth. However, there are problems with the efficient integration of the production engineering activities in the EE:
bull;
The generation and the execution of a production engineering project may both take a long time and involve several organizations, with different roles and competencies, dispersed in different geographical locations.
bull;
Monitoring and improving the production engineering project plans may be complex, difficult to automate and manage changes.
bull;
The commercial Computer-aided Manufacturing/Engineering (CAM/CAE) systems, used by process designers and planners, may vary. The internet-based manufacturing needs to overcome this heterogeneous software environment.
bull;
Data inconsistency and data redundancy.
These problems can be tackled by distributed, adaptable, open and intelligent process planning systems within a collaborative environment.
1.1. Collaborative production engineering
In the field of production engineering, the literature presents different approaches in terms of functionalities, communication protocols, programming languages and data models. The following review focuses on systems that use technologies, such as web-services and workflow definition/management.
Siller et al. [2] proposed a workflow model defined in the BPMN (Business Process Modeling Notation) and implemented it within a commercial PLM (Product Lifecycle Management) system for a collaborative process planning environment. They demonstrated the way that the workflow approach could be successfully applied for the integration of PLM by CAPP and CAD/CAM tools. However, the workflow is not extended to include equipment automation aspects, which add additional requirements to the interoperability ones within the extended enterprise and in their approach, there is not any service oriented architecture framework, integrated into the workflow engine, to support collaborative data storage/retrieval and communication issues. Kuk et al. [3] focus on the use of a service-oriented-architecture (SOA), namely web services, intelligent software agents and a workflow engine to support integrated engineering activities. The pilot case execution has indicated a significant man-hours saving, due to the coordination of engineering activities and automation. Nevertheless, their approach was to use a proprietary implementation to bind the workflow with the SOA architecture and not some standard approach, such as the BPEL (Business Process Execution Language). Other approaches that demonstrate the use of an agent based framework for the integration of heterogeneous software tools, even non-engineering application fields, can be found in the literature (e.g. [4] and [5]). In Butala and Ueda [6] the implementation of a multi-agent system in production engineering is discussed, aiming at an emergent behavior and an adequate structural and organizational model in the real-world system. Communication protocols can be aut
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面向web服务的工作流管理系统集成的数字化生产工程
DOI：10.1016 / j.cirpj.2011.06.002
摘要：
数字化生产工程是一个复杂的过程，因为分布式的工程团队，采用不同的IT工具，才能以设计和实施生产系统进行合作。这项工作提出了它的概念及其协作计算机辅助生产工程实施的工作流系统。工作流系统支持扩展企业（EE）的生产工程活动的执行，它以内置的Web服务和BPEL（业务流程执行语言）为基础。它还管理机电数据交换，使用的XML符合AutomationML格式。此工具的应用正在向汽车行业的组装工程发展。
关键词
并行工程;部件;工作流管理
1.简介
简化产品和生产周期，产品变型数量的增加和开放的全球竞争已经导致许多工业企业提高从产品设计到生产的发展进程。生产工程涉及到设计、控制和制造系统的不断完善，以便以及时和高成本效益的方式将高品质的产品提供给客户。这项工作特别侧重于生产系统的初步设计制造工程。在此背景下，一个生产工程项目包括制造系统的变量的映射，如：机的数量和类型、布局、工艺参数以及控制逻辑产品的参数，如：材料清单和产品的几何结构来满足性能要求，如：生产成本和速度，质量和灵活性[1]。生产工程项目通常是多学科性质和组织的。目前来看，数字化生产技术的特点是大量的基于个人电脑和工作站应用不同的IT工具。综合生产工程可以在合作企业的整个网络内进行构筑，定义为扩展企业（EE），内含一项涉及到供应商及最终使用客户的长期协议。在汽车和航空工业的生产工程中的典型例子包括由粗产品的几何形状来生产的斜坡上升和启动的整个过程。
互联网可以提供通过的基础信息可能会变得可同时让所有参与生产工程所有人可获得，如设计师，规划师，生产经理等。但是，也有与在EE生产工程活动的有效整合问题：
bull;
发生产工程项目的开发和执行可能都需要很长的时间，并涉及几个组织，具有不同的角色和能力，分散在不同的地理位置。
bull;
生产工程项本文监控和改进计划可能是复杂的，难以实现自动化和管理的变化。
bull;
商用计算机辅助制造/工程（CAM / CAE）系统，通过流程设计和规划使用，可能会有所不同。基于互联网的制造需要克服这种异构软件环境。
bull;
数据不一致和数据冗余。
这些问题可以通过分布式的，适应性强，开放性和智能化的工艺规划系统的协作环境中加以解决。
1.1。协同生产工程
在生产工程领域，文献提出在功能，通信协议，编程语言和数据模型的方面不同的方法。下面综述了使用的技术，如网络的服务和工作流定义/管理系统。
siller等[2]提出的BPMN定义的工作流模型（业务流程建模符号）和一个商业PLM中实现它（产品生命周期管理）的系统，为合作的过程规划环境。他们证明，工作流程方法可以成功地应用于通过CAPP和CAD / CAM工具来集成PLM。然而，工作流没有向包括设备自动化的方面扩展，这对扩展的企业内和在他们的方法的互通性添加了额外的要求，没有任何面向服务的体系结构框架，整合到工作流引擎，以支持协作数据存储/检索和沟通的问题。kuk等[3]专注于采用面向服务的架构（SOA），即网络服务，智能软件代理和工作流引擎来支持集成的工程活动。试点情况执行已表示显著工时节省，由于工程活动及自动化的协调。然而，他们的方法是使用一个专有实现工作流与SOA架构而不是一些标准方法，如在BPEL（商务处理执行语言）绑定。说明使用用于异构软件工具，甚至非工程应用领域中，整合的试剂基于框架的其它方法可以在文献中找到（例如，[4]和[5]）。Butal[6]就生产工程多代理系统的实施进行了讨论，针对一个新兴的行为，并在实际系统足够的结构和组织模式。通信协议可以自主生成的，由代理商细化或调整。这种方法使用的综合冲突管理和开放式自适应通信机器学习的基本概念。由此，一个高度复杂的通信结构在运行时出现。 Jagdev和Wortmann [7]讨论了产品数据和模型的复杂集成到生产设施的规划阶段。的主要问题是，生产合作伙伴全球分布，导致子模型是不可能被集成到一个完整的模型。因此，今天的生产设施的一个一致的数字表示是不可能的。作者们提出的XML和用于管理生产工程一个网络的服务基础的方法;然而，它被施加到一个相当简单的方案，而不能支持的异构工具的使用的过程中，因此需要进一步改进，以使生产的工程过程的复杂性进行管理。Kiefer等[8]提出生产的数字验证的框架和它们采用AutomationML用于数据接口的减少，因为它包装和已经整合了标准化的子标准为不同的数据类型。然而，应当提到的是AutomationML未完全通过典型的生产工程软件支持，但是应当进一步传播作为不同的生产规划软件的标准。
生产工程是典型的多学科和组织间。虽然工程活动的骨干是一个典型的PLM，数字化生产工程目前的状况是基于特点是大量不同的IT工具，无论是在PC和主框架的应用[9]。有支持机械设计的操作，工艺设计与仿真，电气工程，OLP（离线机器人编程）以及PLC编码和自动化工具。
在地理上分散的生产工程环境，协作的基于Web的工具是高度相关的，但他们不是万能的。 OEM，产品设计师，工程服务提供商，系统主 - 他们应该由一个框架，使工程活动的整合与协调（产品开发，工艺设计，调试）和数据的实体（原始设备制造商之间的信息交流来补充积分）。在一个EE的情况下，不同层的工程师公共通信基础设施中的协作，由OEM提供的。工程任务通常实现在OEM，主要集成商的完整体系，大概任何额外的工程服务供应商。在一个生产工程项目，主要目的是，在制造和装配过程的顺序来建立，并且为了用于原料从它们的初始形式转化成最终产品。在带下划线的数据，参与这一活动而言，目标是通过定义组件（产品）的类型相互链接产品，过程和资源数据是要与采用的生产步骤（过程）。制造具体的生产设备（资源）。
本文的目的是描述一个基于Web的工作流程管理方法，并已在为了支持使用不同的数字工具生产技术活动的协调和整合开发了相应的工具。该方法的设计和开发试图改进整体协同生产工程中的所有问题。
2.系统体系结构和执行
在本文介绍的工作，重点是典型的生产技术方案，其中一个OEM与地理位置分散的工程团队，以确定设备通信（如机器人，夹具，PLC设备，焊接站和滑动式车）生产所需。此外，它是常见的所选工程企业，要求它的工程活动以协作方式进行规划，以使工程师的知识和与效率和鲁棒性被掺入有关的工程工具。此外，该系统必须能够处理在其整个生命周期的项目的意外变化。不断发展的工程环境的动态特性引起该工作流的稳健但管理配置。为了实现这些目标来实现的，它要求所有合作活动和数据流，包括几何产品说明，零件清单，材料工程量清单，制造工艺计划和工程软件工具来识别，他们应该被集成到一个工作流管理基础架构，让所有的合作与协调。在此背景下，“合作”是指人，团队和使用数字工具在生产工程项目合作组织的活性，而“协调”指的是管理和同步这些工程活动的过程。
本文中的工程过程的工作流程使用BPEL限定。此过程中，序列，并控制内和将要参与以及内和任务之间的信息的任务中，用户/资源之间的任务定义。一个工作流程的实例是通过使用BPEL引擎的实现，它是由一组网络的服务支持。对于用户来说，如工程师，设计师和管理者的图形用户界面，定制，以提供对工作流程的任务产生的。对于我们的办法的实施，我们使用AutomationML（自动标记语言）的开放标准[10]这是工厂工程信息交换的XML数据格式。它用于互连异构的工程工具，如机械设备制造，电气设计，人机界面的发展，PLC和机器人控制。 AutomationML的主要目的是增加中不同的工程工具[11]的互操作性。应该有必要支持合作伙伴，谁在不同格式共享数据，从不同的工程工具则AutomationML可以用作数据交换的装置。一种有效的整合AutomationML的到工作流系统是通过AutomationML服务器的发展来实现，如后不久所述。
整个系统的体系结构层（图1）为：
bull;
Web应用程序层：基本组分如下：
bull;
用户界面中的HTML页面的形式。在图2，一种用于管理典型的工程任务的用户界面呈现。它也被动态地根据该用户参与工作流的任务生成和定制。
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应用控制器组件在作为用户界面和其它层的部件之间的中介。
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用户/角色成分为用户的工作流程的适当服务的管理和授权。
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工作流/数据流组件作为数据储存库，并能够访问它的服务之间的调解人。在两个地方的系统存储工程数据：本机的数据存储在本地公共数据库，在的Oracle 11g实现，并且在壳体的工程数据在AutomationML格式表示，它是利用了AutomationML服务器。
bull;
BPEL引擎层：业务逻辑的工作流程使用BPEL的以下扩展建模：BPEL4People的和WS-人工任务。这种做法已被选中鉴于工程任务实际上是由人（工程师，设计师和管理人员）配合使用不同的工程软件工具执行。为了使工作流程的任务管理，一些网络的服务的实现。这些网络的服务自动管理，并通过提供服务，如支持的任务的执行：任务的输入数据，通知启动/释放任务和任务的连接。工作流可以稳健BPEL引擎层内进行轻松配置。该配置在工程项目的开始发生静态。在工业实践中，通常有几个类似的正在进行的工程项目，涉及相同或不同的人。在系统登录用户应该有权访问所有他参与的项目。为了支持这样的功能，工作流系统应能够“实例”和处理工作流的若干实例。这通过另一组是负责处理的工作流的不同实例网络的服务（BPEL管理网络的服务）的定义和发展是可能的。
定制工作的用户界面的屏幕截图。
图. 1.工作流管理系统架构
图.2.截图定制工作的用户界面。
附加功能是改变/反馈管理和文档版本，其中前者是由BPEL“故障处理”机制处理。在的变化，在特定任务的输入所需的情况下，最终用户的，记录那些需要进行后，启动对工作流的反馈。是用于存储和检索工作流程AutomationML数据文件的不同“快照”文档版本系统由AutomationML服务器支持。
该AutomationML服务器是支持AutomationML生产工程数据的管理，既在整个生产工程的生命周期和整个系统和公司的边界一后端服务器的解决方案。它提供了一组支持在AutomationML数据操作网络的服务。该网络服务API已经在单独的模块被结构，在一个特定的信息范围内的每个目标。有通用模块（例如用于访问与项目管理）和业务的人（例如AutomationML文档管理和元件管理）。工作流管理系统是AutomationML服务器用于管理AutomationML数据的客户端。在图3，AutomationML服务器体系结构的两者的主要成分的与工作流管理系统的集成呈现。
图.3.AutomationML架构和工作流管理系统的集成。
在这一节中，存在的，所提出的框架可以应用于来自于汽车组件来的示例性场景的方式呈现。此方案涉及汽车装配单元的设计/规划。应用场景的执行预计表示工时和节省时间的，由于自动化和工程活动的协调。工程过程包含其中有具体的输入/输出数据的几个设计/规划任务。这些任务包括设计的不同方面，如3D几何结构和设施布局，工艺规划，电力规划，机器人运动学仿真，离线机器人编程和PLC编程（图4）。有几种类型的任务之间的输入/输出数据：几何，力学，运动学，PLC代码，电气数据和一些参与对这些任务的执行相关的商业工具（西门子流程设计，流程仿真，自动化设计和SIMATIC控制器，达索CatiaV5）。生产工程项目的工作流程在BPEL（图5）初步实现了。在实施的当前状态，这是在BPEL“规划”进行，但在未来的版本，定义工作流，将被管理员/经理的支持。用户/角色由项目经理定义，被分配到工作流的任务。该网站的服务，涉及到具体的工作流程“实例”，都发起并要执行他们的任务，以便用户可以自动获得通知其自定义用户界面和数据可用性。该AutomationML已被用作与不兼容的数据格式的任务之间的数据交换的中间格式。这涉及到达索的Catia单元数据到西门子流程设计的转换。为此，一个特定AutomationML翻译工具已被用于[12]。有没有给该AutomationML是一种新的数据格式，如此多的翻译工具可用。然而，由于由一些公司和它的作为数据格式的开放性支持它的存在，可以预料更“翻译”的工具将在未来使用。
图.4.汽车电池生产计划的用例图。
图.5.BPEL实施示范装配单元的设计工作流程。
4，结论与展望
本文所研究的生产工艺和他的实现是在AutomationML标准下的基于Web的工作流管理系统为一体的生产技术与生产管理的工程数据。现代信息技术被用于所提出的概念的实施。该系统的潜在的应用，在汽车的场景中，已经呈现。生产工程项目的工作流可能很容易在BPEL引擎层配置和部署为一组协调web服务。工程数据在本地或AutomationML开放的格式成为提供给合适的合作方。与许多传统PDM和PLM系统不同,AutomationML服务器配置方法不需要深入为了匹配当前的生产工艺过程。然而，需要努力用于与遗留系统的接口，但是这是预期在更短的时间来实现的，由于开放和由网络的服务API提供的灵活性。
未来的工作需要应用系统和评估它在一个更详细的应用程序场景。主要评价指标将节省工时,由于工程活动的协调和自动化系统。基于BPEL的面向服务的工作流支持也许容易配置的初始设置阶段,包括不同的演员和他们的相互依赖关系。然而,变化可能发生在企业工作流程,生产工程项目的生命周期期间,可能还需要其他工作流过程定义,甚至改变工作流引擎,这两种成本密集型的解决方案。为了这样的动态变化,一种机制的工作流引擎需要处理的事件最初的工作流定义不。这样一个机制的结合将是未来的研究和发展的主题。此外,Automati
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