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智機專欄
組合式智慧製造,服務平台技術
2024.05.14∣瀏覽數:265

MA工具機與零組件雜誌-智機專欄

組合式智慧製造服務平台技術

工研院智慧機械中心 智慧製造技術組 智能化軟體技術部 研究員 林依潁
  工研院智慧機械中心 智慧製造技術組 智能化軟體技術部 副工程師 王儷芬

目前國內各智慧機上盒(Smart Machine Box, SMB)平台中的應用程式(Application, APP)多為各自執行,只能透過人工作業個別單獨使用,也不容易互相交換資料,無法共同協作解決產業問題。不同APP所產出的資料與執行結果,通常只留在各自的檔案或資料庫中,缺乏統一的資訊彙整機制與管理介面,無法被共同整合為營運所需資訊。本文建構組合式智慧製造服務平台,結合過往輔導業者轉型之經驗,依照不同情境與目標問題統整生產各階段需求組合成不同的解決方案。此平台系統可針對組合方案中的APPs進行任務分派、狀態追蹤、流程控制,並定義標準化彈性資料交換介面,使方案內部能達到協同運作,以協助業者建立資訊化與智慧化的營運模式。

組合式智慧製造服務平台

MA159.智機專欄-圖1.組合式智慧製造服務平台架構組合式智慧製造服務平台的設計架構可分為建立、佈署、執行服務方案三個階段,如圖1所示。首先,建立服務方案是由管理者透過服務方案編輯器,設定營運規劃、準備、生產、監控、服務五階段各自的APP執行規劃內容,亦可藉由匯入、匯出已完成的服務方案,快速導入應用於其他相同需求的產線。之後,服務方案的佈署是由任務處理器接收來自服務方案編輯器的方案作業流程任務,把任務發佈至產線各營運單位執行,並於相同介面檢視任務的執行狀況與進度回報。最後,執行服務方案是由APP獨自透過標準化資料結構定義與彈性化資料路由,進行APP間的資料交換作業。底下將針對服務平台各項設計進行詳細說明。

MA159.智機專欄-服務方案編輯器之製程流程MA159.智機專欄-服務方案編輯器之資料路由
服務方案編輯器

為一響應式網頁人機操作介面,以視覺式程式開發方式提供使用者設定組合式服務方案內容。視覺式程式開發語言(Visual Programming Language,簡稱VPL)是透過圖形化元素進行程式設計,以視覺化「方塊與箭頭」作為基礎,將應用程式以圖形方塊的型式建立,並透過箭頭相連接,以代表兩者相互之間的關係,是一種較文字式編輯更簡單且直觀的設計方式。視覺式程式開發語言與傳統程式語言之不同點在於程式流程採用「資料流」之概念打破傳統之思維模式,因此管理者在流程圖構思完畢的同時也完成了服務方案的設定。

服務方案編輯器的設定方式分為製程流程設定與資料路由設定兩步驟。製程流程設定是由管理者根據生產製程所需,從場域內挑選指定設備中的APP,以拖拉APP方塊圖的方式至營運的五個執行階段,並使用左右箭頭連接線決定APPs間的執行順序,如圖 2 所示;資料路由設定則是指APPs 間的資 料流串接的行為,指APP 執行所需的輸入資 料可從其他APP的輸出結果來取得。利用 APP 方塊圖片頭尾間的連接線,決定兩個應用程式間的資料輸出入關係,如圖3所示,而後透過視窗指定APP每個輸入所對應的其他APP的輸出資料。當管理者利用編輯器設定完營運五階段所需的生產製程流程與資料路由的設定,即可完成組合式服務方案的編寫,並把設定的服務方案內容轉換為流程定義語言後,提供給任務分派處理器。

流程定義語言

流程定義語言(XML Process Definition Language, XPDL)[1]為國際工作流程管理聯盟(Workflow Management Coalition) 所提出的一個標準化規格。它是一種基於XML(eXtensible Markup Language)的標準,用於描述和定義業務流程和工作流程。 XPDL旨在為不同的業務流程管理系統之間實現互操作性,以便流程定義可以在不同系統之間進行共享和執行。把服務方案任務執行流程透過標準元件化的模型整合成一個工作流程程序(Workflow Process),程序 內含工作流程之參與者(Participant)、工作流程活動(Activity)、活動間移轉資訊(Transaction)等三部份。其中Participant是用來描述方案內參與工作流程的資源,此資源可以為人、系統或是硬體資源。Activities 則表示工作流程中的應用程式,可描述應用程式的識別碼、設定的營運階段與 隸屬的參與者等資訊。Transition 則是用來連 接兩個Activity,其內使用起點(From)與 終點(To)描述兩個應用程式間執行的順序 關係。圖4 顯示一個服務方案於製程各階段所執行的APP任務,在Workflow Process 內依據方案流程APP內容(Activity)、所屬人/設備(Participant)、執行順序(Transaction)三部份產生對應的流程定義語言。

MA159.智機專欄-流程定義語言示意圖MA159.智機專欄-任務分派處理器運行架構
任務分派處理器

生產任務分派處理器接收到編輯器產生的XPDL生產服務流程後,將先解析此流程需要與哪些設備或是作業人員相互合作,然後從任務流程開始處運行至流程結尾處,在此過程中會依序把要執行的工作項目分配給對應該設備的工作者。也就是說,生產任務將 在分派處理器與各站點的SMB 間傳遞,並交由各階段的實際負責單位處理,如加工路徑規劃人員、現場生產設備、品檢量測設備、銷售服務人員等。

生產任務分派處理器負責的工作項目,分別為:解析流程定義語言、流程發佈與控管、利用機邊任務接收器與應用程式溝通、回報系統執行狀態。因此,導入產線應用的服務方案,將透過生產任務流程處理器部署執行,其依照方案內容進行工序任務分派並傳遞各任務執行時所需要的資料,以觸發各生產流程所指定的應用程式執行其工作項目,並且可追蹤作業完工狀態與服務方案執行進度,如圖5所示。也就是說,工作者可以透過機邊任務接收器接收到指定任務,並瞭解到當下需要被執行的工作項目、其所需要的資源與執行期間等資訊,以協助工作者有效率的完成指定工作項目。在工作者完成任務時,會透過機邊任務接收器把結果回傳給生產任務分派處理器,讓生產服務流程得以繼續運行至下一個任務,直到生產服務流程執行完畢。

標準化資料結構定義

因APP間有溝通需求或需要向外提供資訊,服務平台使用JSON(JavaScript Object Notation) 格式做標準化資料結構定義,採用標準化格式明確的定義結構,遵循規範以符合資料模型,使APP能在一定的標準下自定義資料輸入與輸出介面。此格式為一具備固定資料欄位的可擴充式彈性資訊模型,用於在APP中描述輸入、輸出資料的內容定義,基本資料欄位包含APP代號、APP名稱、應用程式描述說明、輸出與輸入參數定義等內容,其中輸出與輸入參數定義需指明參數名稱(label)、參數使用說明(description)與參數所使用的資料型態(format)。APP開發者將依循此標準化欄位格式,自行填寫、複製、擴充,使其足以描述APP所需的完整資料結構,而此結構中所含的每一個輸出入參數資料項目即為彈性 化資料路由的定義基礎。

MA159.智機專欄-應用程式標準化資料結構範列服務平台收集應用程式資訊的方式是由應用程式在自行於SMB中啟動註冊應用程式介面(Application Programming Interface, API),並送出應用程式標準化JSON資料結構給系統做儲存。圖6為一個排程系統應用程式之標準化資料結構範本,此應用程式包含2個輸入參數,分別為:workInfo、workCnt與1個名為orderTable的輸出參數;底下分別在其輸入及輸出參數的物件格式中定義其label、format及description的內容。

彈性化資料路由

當APP完成輸出入資料參數的定義後,即可在服務編輯器上讓APP以圖像化型式串接不同功能模組的資料節點,透過資料路由設定配對具有相同資料型態的資料參數後,建立生產流程間的JSON格式資料路由規則。每一筆路由規則都標記了資料輸入來源與輸出目標,讓管理者在路由設定編輯時可參考資料節點中提供的描述內容與資料型態,互相組合滿足有資料交換需求的APP,使APP間能以更具彈性的方式完成資料交換作業,降低APP間的耦合性。為了解決APP孤島問題,透過WEB伺服器與資料路由API,從JSON資料路由規則中依照APP需求直接提供對應的路由資料項目,使APP在營運五階段中自由組合並自行與其他APP交換資料及運作,共同協作解決產業問題,並降低APP在開發資料交換作業時的技術門檻和限制。

企業內網私有雲資訊中心

把不同APP的產出成果進行整合,以彈性資料路由為基礎,建置APP產出資料含數值、檔案等相關WebAPI,用以收集APP提供的輸出結果資料項目,並統一彙整至單一儲存資料庫中。為了兼顧資訊安全,此資訊中心是以私有雲的方式建置Web 伺服器於企業內網中,並透過非關聯式資料庫(NoSQL)技術,不需事先定義資料表及資料欄位的型式及資料之間的關聯。在資料格式不確定的情況下,保留未來可以彈性調整的空間,使 資訊中心能彈性化儲存由APP自定義的資料結構與APP產出成果,減少資料儲存的前置作業。

結論

建構組合式智慧製造服務平台,統一控管作業流程,加速生產任務執行,提高協同運作的穩定性,同時也增加應用服務間交換資料的彈性,讓現行之產線技術導入時間與APP資料交換整合所需之開發時間,由4週降低為1小時。更進一步地將使臺灣具有領域知識的開發者所開發的APPs能擴大使用範圍,結合不同領域的技術共同成為整體性的解決方案,共同解決產業問題。而且,透過標準化彈性資料介面能降低機械領域的軟體開發者在整合不同服務時的技術門檻,並且讓開發者更有意願開發解決生產問題的APPs,以補足臺灣往智慧製造升級的重要軟體服務缺口。經由組合式服務方案,機械加工業者能更容易透過複合化APPs解決產業問題增加產能,將促進臺灣GDP正向成長,真正進入智慧經濟的高值領域,並帶動整個機械領域的軟體就業與成長。

參考文獻 [1] WORKFLOW MANAGEMENTCOALITION, “XPDL Support /Resources". https://wfmc.org/xpdl-support-resources/