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:面向復雜制造系統集成信息系統建模與優化”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 。基于數字化工廠的制造業信息化集成平臺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 信息系統平臺中的必要性,提出了完整的制造企業信息化集成平臺,探索了基于數據庫的數字化工廠系統與P D M 系統間的集成技術。關鍵詞:信息化集成平臺;數字化工廠系統(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,對于各類制造業而言,每個企業都面臨著持續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。在制造企業內部,現有的各個領域的應用軟件系統(設計、制造、仿真、P D M 、ERP 等通常處于分布的異構環境中,缺乏有效的信息共享,使企業運作效率低、成本高,必須通過集成以提高信息

6、交流和反饋的效率,提高企業對市場需求的反映能力。計算機集成制造系統C I M S (Co mputer -I ntegrated M anufacturing Syste m 實現了企業的各個環節的信息集成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的信息化平臺,必須在企業中實施數字化工廠技術。完整的企業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協調在統一的平臺下,同時以訂單為驅動將企業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構建制造企業信息化平臺1.1目前制造業廣泛采用的信息化平臺CAX /P D M 技術和M I S /ERP 的結合,實現企業設計、管理、經營的數字化實現,實現企業內部的信息化建設數字化企業。這是目前多數大型制造企業已經實施了的信息化系統,它以P D M 為平臺集成C AX 和ERP 而構成,C AX 系統為企業形成了完善的產品結構,ERP 則以訂單為驅動形成了企業完整的后勤鏈管理,P D M 系統可看作各個信息系統的集成橋梁。1.2存在的問題單純的以P D M 為平臺集成C AX /ERP 系統是不完善的。多數制造企業實施的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;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系統的固定工藝卡片階段,或是傳統的手工編制階段。這種傳統的生產組織方式,就處在先進的產品設計開發和自動化加工和裝配之間,形成了制約整個企業自動化和生產信息化進程的效率瓶頸,形成了企業制造自動化的缺口。制造企業對于工藝過程的迫切希望是:(1整個工藝過程應該統一在同一個平臺環境下;(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化;(4所有工藝信息可以在企業內部和整個企業供應鏈環節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的信息化平臺,必須在企業中實施數字化工廠技術平臺。數字化工廠系統(D igital Fact ory Syste m,DFS作為一個制造企業綜合的生產制造過程工藝信息管理系統,包含工廠規劃、工藝規劃、仿真優化等內容,勢必要成為企業信息化平臺的組成部分。數字化工廠系統是一個完整的工藝信息平臺,在此之上,可以規劃整個制造過程的全部信息。在整個制造企業的信息平臺構架

10、中,數字化工廠系統起著一個新穎、獨特而又關鍵的作用,是現代制造企業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是一個制造企業綜合的生產制造過程工藝信息管理系統,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、規劃和制造分系統。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劃和生產線規劃為核心,根據虛擬制造系統的原理,通過提供虛擬產品開發環境,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化、車間生產過程的仿真優化等。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,在三維虛擬環境中,

12、驗證設計和制造方案的可行性,盡早發現并解決潛在的問題,為實際的生產組織提供優化的方式指導4。CAD數據、加工工藝和預計的生產計劃作為輸入,如圖1,通過優化仿真系統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周期、提高產品質量 、降低開發和生產成本,降低決策風險。圖1e M-Power與外部系統(CAD與ERP數據交換e M-Power中的功能模塊(如圖2主要包括:工藝規劃e M-Planner、生產物流過程分析仿真e M-Plant、生產線布局規劃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信息化集成平臺我們根據離散制造業的特點,提出以制造過程管理為核心的CAD/P DM/DFS/CAM集成構建企業級的信息集成系統。系統協調運行在企業制造過程的各個環節,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系統中獲取生產計劃數據,在設備數字化環境中對產品生產過程進行仿真分析,并將仿真和優化

14、結果反饋到ERP系統中,給出系統生產能力方面的驗證。P DM(S marTeam系統將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,ERP系統安排企業的生產經營活動(如進料、加工、裝配和成本核算等協同企業各部門之間的工作。同時ERP產生的CBOM信息需要傳遞給P DM系統,由P DM系統進行管理和維護,并提供資源訪問。此外,保證MBOM、CBOM及Routing在兩系統中的一致性。整個系統可以描述為:CAD系統從幾何造型變為產品和產品相關知識的創建和優化,從“產品幾何信41圖2完整的制造企業信息化集成平臺息”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,是CAD與CAM 之間的橋梁,同時集成定制化的CAPP系統,并融合到產品生命周期管理之中,實現制造過程管理;ERP系統有助于帶動企業的管理創新和組織創新。基于P DM 理念的S marTea m系統提供協同產品設計、制造和管理的平臺,是產品創新與協同管理平臺。2D FS系統與PDM的集成技術2.1PDM系統企業級P DM系統管理著整個企業的所有產品數據,支持產品各個生命周期的數據管理過程,企業各個應用系統(設計、制造、經營、服務等都構造在P DM系統之上,可保證產品的所有數據(即從市場開發到設計、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:面向復雜制造系統集成信息系統建模與優化”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信息系統平臺整合e M-Power,關鍵

17、是要解決e M-Power的其他信息系統的集成問題,這里主要是e M-Power與P DM系統的集成,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、如何規定統一的數據格式等,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,所以實現企業信息系統的集成關鍵是實現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系統所需的制造BOM數據,統計所用的刀具、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環境下的P DM、DFS系統的信息集成。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,都為系統自動創建,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均采用.NET 平臺來進行編寫,使用C#+ADO.Net 技術。這兩個系統中的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。第二層是由一些業務規則構成,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務層組件要用到的數據庫操作。這樣,業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。基于數據庫的集成方案是非常有效的集成方式,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(DFS 的體系框架及功能特點,分析了DFS 在生產工藝信息規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 系統是制造業信息化系統發展的迫切要求,并在此基礎上建立了基于P DM /CAX /ERP /DFS 的完整的制造企業信息化集成平臺。實現制造企業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