基于數字化工廠的制造業(yè)信息化集成平臺

1、文章編號:1001-2265(200607-0103-04收稿日期:2006-01-233基金項目:中德政府合作項目(NO.20002DFG00027“數字化工廠:面向復雜制造系統(tǒng)集成信息系統(tǒng)建模與優(yōu)化”作者簡介:賈晨輝(1970,男,河南開封人,同濟大學博士研究生,研究方向為企業(yè)信息化理論、并行工程、計算機集成制造、CAD /CAPP /CAM 集成等,(E -mail xjiachenhui ?；跀底只S的制造業(yè)信息化集成平臺3賈晨輝1,張浩1,2,陸劍峰1,張世翔3(1.同濟大學C I M S 研究中心,上海200092;2.上海電力學院,上海200090;3.同濟大學經濟與管理學院

2、,上海200092摘要:分析了現代制造企業(yè)信息化平臺的問題,研究了數字化工廠DFS 功能特點,及其在C AX /P D M /ERP 信息系統(tǒng)平臺中的必要性,提出了完整的制造企業(yè)信息化集成平臺,探索了基于數據庫的數字化工廠系統(tǒng)與P D M 系統(tǒng)間的集成技術。關鍵詞:信息化集成平臺;數字化工廠系統(tǒng)(DFS ;P D M;e M -Po wer 中圖分類號:F273.1文獻標識碼:AM anufactur i n g I nfor ma ti on I n tegra ted Pl a tfor m Ba sed on D i g it a l FactoryJ I A Chen 2hui 1,Z

3、 HANG Hao 2,LU J ian 2feng 1,ZHANG Shi 2xiang3(1.C I M S Research Center,T ongji University,Shanghai 200092,China;2.Shanghai University of ElectricPower,Shanghai 200090,China Abstract:The existed p r oble m of conte mporary manufacturing Enter p rise was analyzed .The functi on of D igitalFact ory S

4、yste m (DFS was researched,and it is i m portant t o put DFS in p ractice in inf or mati on integrated p latf or m base on CAX /P DM /ERP .The intact inf or mati on integrated p latfor m of manufacturing Enter p rise was put f or ward .Finally,the integrated technol ogy bet w een DFS and P DM based

5、database .Key words:I nf or mati on I ntegrati on p latf or m;digital fact ory syste m ,P DM;e M 2Po wer0概述經濟競爭已成為世界各國競爭的一個焦點,對于各類制造業(yè)而言,每個企業(yè)都面臨著持續(xù)多變和不可完全預測的全球化市場競爭。誰能在最短的時間內,把采用最新技術生產出的高質量低成本的產品推向市場,誰將是競爭的勝利者。在制造企業(yè)內部,現有的各個領域的應用軟件系統(tǒng)(設計、制造、仿真、P D M 、ERP 等通常處于分布的異構環(huán)境中,缺乏有效的信息共享,使企業(yè)運作效率低、成本高,必須通過集成以提高信息

6、交流和反饋的效率,提高企業(yè)對市場需求的反映能力。計算機集成制造系統(tǒng)C I M S (Co mputer -I ntegrated M anufacturing Syste m 實現了企業(yè)的各個環(huán)節(jié)的信息集成1,C I M S 的核心關鍵是集成。在C I M S 工程應用推廣及P D M 技術的實施過程中,要完全完善地構造制造企業(yè)的信息化平臺,必須在企業(yè)中實施數字化工廠技術。完整的企業(yè)信息平臺應在原有的以P D M 為平臺的構架基礎上進行擴展,企業(yè)不僅要通過計算機高效地生產和工程設計CAD 技術,也需要以P D M 為平臺將各種應用系統(tǒng)協調在統(tǒng)一的平臺下,同時以訂單為驅動將企業(yè)管理過程的信息進行

7、集成的管理(ERP ;并且要重視數字化工廠(DFS 技術。1構建制造企業(yè)信息化平臺1.1目前制造業(yè)廣泛采用的信息化平臺CAX /P D M 技術和M I S /ERP 的結合,實現企業(yè)設計、管理、經營的數字化實現,實現企業(yè)內部的信息化建設數字化企業(yè)。這是目前多數大型制造企業(yè)已經實施了的信息化系統(tǒng),它以P D M 為平臺集成C AX 和ERP 而構成,C AX 系統(tǒng)為企業(yè)形成了完善的產品結構,ERP 則以訂單為驅動形成了企業(yè)完整的后勤鏈管理,P D M 系統(tǒng)可看作各個信息系統(tǒng)的集成橋梁。1.2存在的問題單純的以P D M 為平臺集成C AX /ERP 系統(tǒng)是不完善的。多數制造企業(yè)實施的CAX /

8、P D M /ERP 信息化平臺,表現為在產品設計層,普遍應用CAD 設計軟件系301統(tǒng);在管理層,P D M/P L M、ERP已經逐步實施,基本實現了產品數據的全生命周期管理;在生產層,對于加工設備,其自動化進程明顯,基本實現了數字化自動加工;但對于生產的組織方式還是停留于專用C APP系統(tǒng)的固定工藝卡片階段,或是傳統(tǒng)的手工編制階段。這種傳統(tǒng)的生產組織方式,就處在先進的產品設計開發(fā)和自動化加工和裝配之間,形成了制約整個企業(yè)自動化和生產信息化進程的效率瓶頸,形成了企業(yè)制造自動化的缺口。制造企業(yè)對于工藝過程的迫切希望是:(1整個工藝過程應該統(tǒng)一在同一個平臺環(huán)境下;(2各種工藝數據(資源、工序和

9、產品結構能夠高度集成;(3工藝規(guī)劃可以量化地進行產能分析、定額分配和設備布局設計和優(yōu)化;(4所有工藝信息可以在企業(yè)內部和整個企業(yè)供應鏈環(huán)節(jié)中為所有相關人員實現高度共享。在C I M S工程應用推廣中我們深刻體會到,要完全完善地構造制造企業(yè)的信息化平臺,必須在企業(yè)中實施數字化工廠技術平臺。數字化工廠系統(tǒng)(D igital Fact ory Syste m,DFS作為一個制造企業(yè)綜合的生產制造過程工藝信息管理系統(tǒng),包含工廠規(guī)劃、工藝規(guī)劃、仿真優(yōu)化等內容,勢必要成為企業(yè)信息化平臺的組成部分。數字化工廠系統(tǒng)是一個完整的工藝信息平臺,在此之上,可以規(guī)劃整個制造過程的全部信息。在整個制造企業(yè)的信息平臺構架

10、中,數字化工廠系統(tǒng)起著一個新穎、獨特而又關鍵的作用,是現代制造企業(yè)全面提升信息化進程的重要需求點2。1.3數字化工廠解決方案數字化工廠系統(tǒng)是一個制造企業(yè)綜合的生產制造過程工藝信息管理系統(tǒng),是C AD與CA M之間的橋梁,能很好的將各種定制化的C APP系統(tǒng)集成并融合到制造過程管理之中,形成完整的協同的設計、規(guī)劃和制造分系統(tǒng)。實現設計BO M向制造BO M的平滑過渡,實現加工過程中的資源、項目和時間的合理配置。將工藝設計延伸到生產管理之中。數字化工廠技術是以工藝規(guī)劃和生產線規(guī)劃為核心,根據虛擬制造系統(tǒng)的原理,通過提供虛擬產品開發(fā)環(huán)境,利用計算機技術和網絡技術,實現產品生命周期中的設計、制造、裝配

11、、質量控制和檢測等各個階段的功能,達到縮短新產品的上市時間、降低成本、優(yōu)化設計、提高生產效率和產品的質量3。DFS可以全面實現制造過程管理(M P M。M P M 也可稱為數字化制造,主要解決的是產品工藝的設計與優(yōu)化、車間生產過程的仿真優(yōu)化等。也就是說C AD/ P D M是解決“生產什么”,M P M是解決“如何生產”, ERP是解決“何時、何地生產”。制造過程管理(M P M是產品生命周期管理平臺的一個關鍵部分。e M-Po wer軟件是是實現數字化工廠的軟件支持平臺。在這個平臺上,計劃和工藝人員可以采用組群工作的方式,采用計算機仿真的技術手段模擬產品的整個生產制造過程,在三維虛擬環(huán)境中,

12、驗證設計和制造方案的可行性,盡早發(fā)現并解決潛在的問題,為實際的生產組織提供優(yōu)化的方式指導4。CAD數據、加工工藝和預計的生產計劃作為輸入,如圖1,通過優(yōu)化仿真系統(tǒng)進行制造過程的模擬,對產品的設計和制造過程進行評價。這將有助于縮短新產品開發(fā)周期、提高產品質量 、降低開發(fā)和生產成本,降低決策風險。圖1e M-Power與外部系統(tǒng)(CAD與ERP數據交換e M-Power中的功能模塊(如圖2主要包括:工藝規(guī)劃e M-Planner、生產物流過程分析仿真e M-Plant、生產線布局規(guī)劃e M-Workp lace、裝配過程仿真分析e M-A sse mbly、人機工程分析仿真e M-Human 等。

13、這些功能模塊建立在統(tǒng)一的數據庫e MServer中,支持整個制造過程中的應用軟件和信息共享。1.4建立完整的制造企業(yè)信息化集成平臺我們根據離散制造業(yè)的特點,提出以制造過程管理為核心的CAD/P DM/DFS/CAM集成構建企業(yè)級的信息集成系統(tǒng)。系統(tǒng)協調運行在企業(yè)制造過程的各個環(huán)節(jié),如圖2。CAD是以產品結構(零件為核心來組織產品數據P DM的數據來源,實現知識驅動的產品設計工程。DFS可以從CAD和P DM系統(tǒng)中獲取產品數據(E BOM,并返回工藝數據到P DM,輸出制造物料清單(MBOM到ERP,也能從ERP系統(tǒng)中獲取生產計劃數據,在設備數字化環(huán)境中對產品生產過程進行仿真分析,并將仿真和優(yōu)化

14、結果反饋到ERP系統(tǒng)中,給出系統(tǒng)生產能力方面的驗證。P DM(S marTeam系統(tǒng)將EBOM、產品配置、MBOM 和在工藝制造設計階段產生的產品加工路線Routing 傳遞給ERP系統(tǒng),ERP系統(tǒng)安排企業(yè)的生產經營活動(如進料、加工、裝配和成本核算等協同企業(yè)各部門之間的工作。同時ERP產生的CBOM信息需要傳遞給P DM系統(tǒng),由P DM系統(tǒng)進行管理和維護,并提供資源訪問。此外,保證MBOM、CBOM及Routing在兩系統(tǒng)中的一致性。整個系統(tǒng)可以描述為:CAD系統(tǒng)從幾何造型變?yōu)楫a品和產品相關知識的創(chuàng)建和優(yōu)化,從“產品幾何信41圖2完整的制造企業(yè)信息化集成平臺息”到“產品-流程-資源整合信息數

15、據”;e M-Power 是生產制造過程工藝信息管理系統(tǒng),是CAD與CAM 之間的橋梁,同時集成定制化的CAPP系統(tǒng),并融合到產品生命周期管理之中,實現制造過程管理;ERP系統(tǒng)有助于帶動企業(yè)的管理創(chuàng)新和組織創(chuàng)新?；赑 DM 理念的S marTea m系統(tǒng)提供協同產品設計、制造和管理的平臺,是產品創(chuàng)新與協同管理平臺。2D FS系統(tǒng)與PDM的集成技術2.1PDM系統(tǒng)企業(yè)級P DM系統(tǒng)管理著整個企業(yè)的所有產品數據,支持產品各個生命周期的數據管理過程,企業(yè)各個應用系統(tǒng)(設計、制造、經營、服務等都構造在P DM系統(tǒng)之上,可保證產品的所有數據(即從市場開發(fā)到設計、制造、銷售,一直到服務整個產品生命周期的

16、數據的有效性、完整性、最新性及共享性,這是集成系統(tǒng)的核心問題。S marTea m軟件支持P DM解決方案,具有快速實施、可擴展性的,可客戶化,它能夠在設計和制造過程中跟蹤和管理大量的數據,達到支持和維護產品的目的5。2.2D FS與PDM平臺集成的實現在實施“數字化工廠:面向復雜制造系統(tǒng)集成信息系統(tǒng)建模與優(yōu)化”項目的過程中,我們認識到,e M-Planner模塊的初始數據是產品結構樹,也即通常所說的BOM(B ill of Materiel,如果沒能與P DM及CAX實現集成,要手工輸入BOM的話,要花費很大的人力物力。所以要在P DM/CAX/ERP信息系統(tǒng)平臺整合e M-Power,關鍵

17、是要解決e M-Power的其他信息系統(tǒng)的集成問題,這里主要是e M-Power與P DM系統(tǒng)的集成,包括如何實現數據訪問/傳遞控制、如何實現數據交換的標準、如何規(guī)定統(tǒng)一的數據格式等,因為信息平臺與文件格式的互異性成為企業(yè)信息孤島的最大障礙。其中信息集成的主要內容是BOM表,包括E BOM和MBOM。由于BOM表是存儲產品數據及結構的基礎數據庫,所以實現企業(yè)信息系統(tǒng)的集成關鍵是實現BOM表的集成6。P DM中包含了許多數據,而DFS系統(tǒng)需要的是CAD設計圖紙、零件圖檔信息和產品BOM表(EBOM或P BOM。數字化工廠軟件與P DM的集成內容主要包括:把P DM中由CAD生成的產品結構與零件屬

18、性信息傳遞到數字化工廠軟件系統(tǒng)中,零件屬性信息作為機械加工工藝卡片中的表頭信息,產品結構樹用來確定工藝過程與工序所需的零部件;提取DFS中產生的工藝數據放入P DM的工藝路線數據庫中,生成ERP系統(tǒng)所需的制造BOM數據,統(tǒng)計所用的刀具、夾具、量具和工時等。P DM與ERP的集成功能已經研究得很成熟了,主要也是BOM表的集成,還包括文檔的集成、工作流的集成等。對于DFS與P DM之間的集成可以有多種方案,如基于STEP標準文件格式的集成方案,基于CORBA技術的集成方案,基于數據庫的集成方案,基于X ML的集成方案,可用到的集成技術包括中性文件交換技術,如STEP技術和X ML技術,CORBA技

19、術和中間件技術等,這里的中間件是指開發(fā)基于數據庫的數據交換組件7。方案一和方案二由于它們的技術不夠成熟或開發(fā)要求很高,將造成實施難度大,成本高,而集成層次卻較低。根據CAX、P DM、DFS和ERP 系統(tǒng)在我國的運用情況和信息集成要求,在此選擇方案三、四來實現C I M S環(huán)境下的P DM、DFS系統(tǒng)的信息集成。本文主要討論基于數據庫的集成方案。S marTea m數據庫是一個非常龐大的數據庫,大約由四百張表組成,屬性名稱以T DM開頭的表,都為系統(tǒng)自動創(chuàng)建,用戶不能刪除的。S marTea m數據庫雖然龐大,但結構非常清晰。它把所有的數據都分成了類和子類,每一張表都對應一個類或子類。主要的類

20、有:項目類、文檔類、零件類、物料類、工作流類、用戶類、表關系類等。比如,Parts類又包括standard parts(標準件、Component(組件、Mechanical(機械件等子類。51 e MPower 數據庫是基于O racle 8i,龐大但有跡可尋。它也是和S marTea m 數據庫一樣,是分類來建表的。 本文的數據庫組件開發(fā)均采用.NET 平臺來進行編寫,使用C#+ADO.Net 技術。這兩個系統(tǒng)中的BOM 表都是一個描述產品父子關系的表,其主要字段為物料號、父件號和相應的數量等。在生成組件時,可將BOM 表及其中的字段作為組件的類對象,給出訪問這些對象的具體實現方法,并在接

21、口中描述訪問該對象的方法和屬性,最后按照DLL 或EXE 的形式將其編譯生成服務器組件。在客戶端,只要調用組件給出的接口就可以實現對BOM 表的操作。組件原理圖如圖3所示。在這里接口組件要實現的功能有:(1將E BOM 從S marTea m 數據庫導入到e M -Po wer 數據庫;就是要將S marTea m 數據庫中的Ite m s_Tree 中的數據根據用戶的要求導入到e M -Power 數據庫中的Part 表中;(2將與EBOM 相關的各種文檔信息導入到e M -Po wer 數據庫;就是要將S marTea m 數據庫中的T N _DOCUME NT ATI O N 中的相應的

22、數據導入到e M -Power 數據庫中的External_Document 數據庫中。 圖3數據庫訪問組件結構圖該圖由三層構成,首先是“表示層”,即圖中的數據集成界面,它是一個如圖4所示的用戶界面,用戶可以在左邊窗口中選擇要導入到e M -Power 數據庫中BOM 表或子BOM 表,然后再在右邊窗口中選擇要導入到e M -Power 中的項目號。第二層是由一些業(yè)務規(guī)則構成,即圖中的項目樹組件和數據傳輸組件。項目樹組件主要用來顯示界面中的項目樹及其下面的BOM 表。數據傳輸組件是數據集成中的核心組件,它實現把EBOM 及相關文檔信息從S marTea m 數據庫拷貝到e M -Po wer

23、數據庫中的功能,即要把S marTea m 數據庫中Ite m s_Tree 視圖中的數據和T N _DOCUMENT ATI O N 中的數據導入到e M -Po wer 數據庫中的Parts 表和External_Docu ment 表中。第三層是數據服務層,數據庫訪問組件封裝了所有業(yè)務層組件要用到的數據庫操作。這樣,業(yè)務對象被設計成獨立于數據源,通過調用數據服務組件提供的方法來訪問數據,而不必和數據存儲器直接打交道?；跀祿斓募煞桨甘欠浅Ｓ行У募煞绞?只要集成數據完整、正確地表達了P DM 、DFS 及ERP 集成的信息,就能很好地實現P DM 、DFS 及ERP 系統(tǒng)間的無縫集成,達到產品信息的共享。圖4直接數據庫訪問界面圖3總結本文研究了數字化工廠系統(tǒng)(DFS 的體系框架及功能特點,分析了DFS 在生產工藝信息規(guī)劃和管理和制造過程管理(MP M 中的作用,指出將DFS 集成到P DM /CAX /ERP 系統(tǒng)是制造業(yè)信息化系統(tǒng)發(fā)展的迫切要求,并在此基礎上建立了基于P DM /CAX /ERP /DFS 的完整的制造企業(yè)信息化集成平臺。實現制造企業(yè)內部暢通信息流的和信息資源在產品制造生命周期的信息共享,同時實現DFS 與P DM 的集成。參