制造企业信息化ERP系统与PLM系统集成应用简析.docx

plm和erp系统集成技术的研究和实施应用制造企业信息化主要由产品数据生命周期管理（pdm/plm）、企业资源规划（erp）、客户关系管理（crm）等系统组成，而产品数据生命周期管理系统在企业中作为其它信息系统管理的数据源头，它管理着企业设计、工艺、生产、销售和服务等周期中的产品状态和过程数据。本文从plm和erp在企业业务应用中的作用、集成的必要性、集成实现的方法以及plm和erp集成在企业的成功应用为例，介绍plm和erp系统有效集成技术和集成实施经验，为企业实现各信息系统之间的有效集成提供指导作用。制造企业信息化主要由产品数据生命周期管理（pdm/plm）、企业资源规划（erp）、客户关系管理（crm）等系统组成，而产品数据生命周期管理系统在企业中作为其它信息系统管理的数据源头，它管理着企业设计、工艺、生产、销售和服务等周期中的产品状态和过程数据。本文从plm和erp在企业业务应用中的作用、集成的必要性、集成实现的方法以及plm和erp集成在企业的成功应用为例，介绍plm和erp系统有效集成技术和集成实施经验，为企业实现各信息系统之间的有效集成提供指导作用。1 plm和erp在企业中的应用plm和erp系统是当前先进制造技术群中涉及企业管理的两个重要技术领域。plm是当代企业面向客户和市场，快速重组产品生命周期中的组织结构、业务过程和资源配置，从而使企业实现整体利益最大化的先进管理理念。plm以软件技术为基础，以产品为核心，集成并管理所有与产品有关的信息、资源和与产品相关的过程，并从erp系统中提取相关信息，并与产品知识发生关联，进而使之用于扩展型企业，使从制造到市场、从采购到支持的所有人都能够更快速、高效地工作。erp是企业资源计划，其核心管理思想是供需链管理，把企业作为一个有机整体，从整体优化的角度出发，运用科学的方法，对企业各种制造资源和产、供、销、财务等各个环节进行合理有效计划、组织、控制和调整，使它们在生产过程中协调有序，从而提高企业的管理水平和经济效益。在应用目标上，plm主要体现在市场订单、产品规划、产品开发、合同产品设计、文档管理、工艺过程规划和管理、工艺装备设计、制造和维修服务等方面；erp主要体现在销售、成本核算、进度计划、能力需求计划、采购、制造控制、库存管理、财务管理、计划控制和人力资源管理等方面。在管理内容和过程上，plm管理产品规划、开发、设计、工艺和资源等产品数据信息，并对产品数据信息形成过程进行过程管理；erp主要管理用于生产制造的资源，对资源利用的生产过程进行控制。所以plm和erp之间存在一定的区别和联系，在作用对象之间存在因果关系，作用过程之间存在执行和验证的关系，但两者管理的目标都是提升企业核心竞争力。2 plm和erp集成的必要性plm和erp在应用目标、管理内容和过程等方面有所不同，但plm和erp的管理目标是一致的，即通过协调管理产品的生命周期，理顺企业的业务关系，提升企业核心竞争力。既然plm和erp两个领域管理着同一产品的生命周期，它们所涉及的业务存在一定的交叉点，那么必然存在着两大系统间信息的相互传递和沟通。目前许多企业已经建立了plm和erp两大系统，而且这些系统各自发挥了其应有的作用，应用的深度和广度已经达到一定的水平，但是如何实现两大系统间信息的及时、有效的传递和沟通，却没有现成的模式可循，集成的要求迫在眉睫，所以，必须实现两个信息系统之间的有效集成，加快产品从设计到制造转化的时间，提高企业管理水平和加速企业信息化进程，使得产品的设计、制造和生产向着优质、高效、低成本、柔性高效体系发展。3 plm和erp数据的集成内容和过程3.1 plm和erp数据集成内容在制造型企业中，企业以产品结构（bom）为主线组织产品设计和生产。plm和erp系统集成的核心是bom。按照产品在工程设计、工艺设计、生产制造和销售服务等过程关注的重点不同，将会形成不同的bom视图。在工程设计阶段主要关注产品的最终形态，按照产品的最终形态将会形成产品设计结构（ebom）；在工艺设计阶段主要关注产品如何通过工艺来实现，将在ebom的基础上，进行必要的产品结构调整，加入产品加工路线(routing)，形成工艺产品结构（pbom）；在生产制造阶段主要关注产品的生产过程，将在pbom的基础上，根据企业生产状况，进行必要的调整，形成制造产品结构（mbom）。ebom描述产品设计数据结构，精确的表达了产品零部件之间的关联关系，并与产品设计有关的图纸、设计文件和技术协议等形成关联。pbom是工艺设计师根据车间生产加工能力，在ebom的基础上进行相关结构调整形成的，与产品工艺有关的图纸、工艺守则和加工文件等进行关联，是plm和erp集成的关键数据结构。routing描述了需要加工零件的各道工序、加工中心和加工工时等，主要描述了物料管理的成本，是erp主生产计划的关键数据。mbom是产品实际制造生产的结构，也是erp进行成本计算的基础结构（cbom）。一般情况下，企业以plm所管理的数据为源头，即通常所说的ebom、pbom，通过调整ebom，形成pbom，并将pbom作为plm和erp系统集成的关键内容，主要集成的内容包含产品结构信息、基本物料信息和工序路线信息，图1表述了plm和erp集成传递的数据内容和顺序。图1 plm和erp集成传递数据内容和顺序3.2 plm和erp集成数据传递业务过程plm管理着数据的源头，需要及时把符合生产实际、满足erp要求的完整bom数据传递给erp，这需要plm和erp方进行细致、深入的沟通。一般企业数据传递业务过程如下，首先，设计师按照市场的要求进行新产品的开发设计，完成产品设计说明书、技术文件、产品结构和工程图纸等的设计工作，通过plm业务流程对设计数据进行电子化审核通过后，形成了完整的ebom数据，通过一定的机制，将需要提前期采购的物料先期传递给erp，提供给erp作采购计划；接下来，工艺设计师得到产品设计阶段完成的通知后，开始进行产品工艺过程规划，也可以和产品设计阶段并行工作。工艺人员在获取产品设计数据的基础上，开始编制工艺计划、工艺卡片、工艺守则、装配计划和nc程序文件等，编制完成并通过电子化审核生效，形成产品完整的pbom。最后，在产品的生产计划阶段，plm把完整、正确的产品物料基本信息、结构信息和工序路线信息及时的传递给erp，同时erp还可以通过在系统中建立指向plm系统文档指针，在客户端读取、查询零件基本信息、工程图纸和工艺过程规划等资料。erp中相关产品制造信息和资源信息也能够及时反馈到plm系统中，以帮助设计和工艺师进行必要的产品设计和工艺分析和处理。4 plm和erp集成实现方法4.1 plm和erp集成模式目前，plm和erp集成主要有系统封装集成、统一数据模型集成和基于中间文件的交换等模式，不同模式各有其特点，下面分别介绍这三种集成模式。1）系统封装模式系统封装集成把对象的属性和操作方法同时封装在所定义的对象中。封装使数据和操作有了统一的模型界面, 提供了逻辑独立性，并可以满足以文件形式生成的所有数据的应用系统的集成需求。但封装集成往往需要专门的开发工具，必将增加集成的难度和成本。2）统一数据模型集成统一数据模型模式需要建立统一数据模型的数据库，plm和erp 系统都直接对数据库中的数据进行操作并交换数据。这种模式比较理想，但要求plm和erp建立统一的数据库表，对于不同厂商的plm和erp，这种模式实现的难度非常大。3）基于中间文件或中间临时表的集成基于中间文件的集成把plm和erp需要交换的数据信息通过中间文件进行有效的双向传输，并且这种集成方法支持通用的数据交换标准（如step 和xml技术），提供一种不依赖具体应用系统的中性机制，用来描述产品整个生命周期中的数据。以上三种常用方法，需要视不同的情况进行处理，下面将以清软英泰tiplm所支持的集成为例进行介绍。4.2 tiplm和erp集成方法清软英泰tiplm采用microsoft.net平台作为系统技术支撑平台，并结合com的成熟技术作为系统的运行环境。tiplm采用插件集成机制，如图2所示，插件集成机制具有“即插即用”和“即用即插”的特点，其插件化框架设计可以支持灵活的功能部署。tiplm和erp的集成能够完全支持上述的三种常用的集成模式，但主要通过插件集成机制，以基于中间文件和中间数据临时表的集成方法为主，采用中间文件xml的方式或把数据传递到中间数据临时表的方式实现产品数据和erp的集成。图2 tiplm插件集成机制示意图tiplm和erp集成具有如下特点：面向目标表的数据传递，可配置数据传递规则、数据有效性和完整性检查、数据转换规则和主约束定义，开放后处理存储过程与进程的调用接口等。这种集成机制在国内不同的行业客户进行了成功实施和应用。5 tiplm与erp集成在机车行业的应用清软英泰经过十多年实施实践的积累，实现了与国内外主流erp系统的紧密集成，形成了一套完整的系统集成解决方案。其中tiplm与erp集成技术在中国北车集团大同电力机车有限责任公司（以下简称“大同机车”）等单位实现了成功应用。大同机车在实施plm系统之前，已经成功上线运行了erp系统。大同机车集成的技术路线为，由tiplm系统维护pbom和routing数据，并采用中间文件交换技术将数据传递给erp系统。在数据发生变化时，由tiplm系统完成pbom、routing数据的比较，采用全量或增量方式传递给erp系统。erp系统根据pbom、routing数据维护cbom数据，并维护材料库存、刀具和设备等数据，并传递给plm系统，数据发生变化时，由erp进行数据比较，采用全量或增量方式传递给tiplm系统。图3为把erp中资源集成映射到tiplm系统中，并建立分类资源树，供设计和工艺人员进行优选。图3 erp资源与tiplm系统集成通过tiplm和erp系统的有效紧密集成，提升了大同机车企业信息化应用效果，实现了plm对erp系统资源数据的调用，为企业产品研发、工艺设计提供了保障；同时，通过tiplm系统标准制造bom和批次制造bom的搭建，也为erp系统提供了经过流程控制的有效的制造bom数据，erp系统可充分利用tiplm系统提供的物料表、结构表以及工序路线表开展相关工作。 在离散型制造企业中，plm(product life-cylce management，产品生命周期管理)与erp数据集成是企业信息化应用的重要环节。plm与erp系统之间的高效集成，是实现企业信息共享和业务协同的主要途径。plm与erp面向的业务领域不同，plm侧重于管理产品生命周期内相关的信息和过程，而erp系统侧重于对企业内部和外部资源以及产、供、销、财务等各个环节进行统一计划、控制和调整。在数据流动的过程链上，plm位于e日户系统的上游，plm系统向e日户系统提供产品结构和工艺设计的基础数据信息。然而，由于两个系统各自有不同的数据模型、数据访问方式和访问控制方法，系统之间不能之间交换和共享数据，数据的流动遇到很大困难，两个系统的数据集成问题由此产生。 本文首先分析了现有的数据集成方法，提出了一种基于领域元模型的plm-erp数据集成方法。阐述了领域元模型的定义、规则、建模方法以及基于领域元模型的转换过程，建立了测试环境，对集成方法进行了实验验证。 1、plm-erp数据集成方法分析 多年以来，许多研究人员致力于解决上述plm系统与erp系统的数据集成问题。 一种方法是建立plm-erp全局数据模型，应用程序在统一的系统框架下通过查询全局数据模型访间共享的数据。该集成方法的应用实例有基于数据仓库的集成技术、基于step中性数据模型数据集成等。该集成方法的优点是从全局观点考虑数据集成问题，通过建立统一数据模型消除了plm和erp数据结构的异构性，使plm和erp成为紧密集成的单一系统。该方法的缺点是:开发针对全局数据模型的应用程序的工作量大;难以跨应用平台使用;相应的标准(如step标准)标准过于复杂，缺乏广泛的支持。 另外一种在实践中广泛采用的方法是通过调用应用程序api的方式交换数据。plm系统和erp系统通过打包的中间数据文件交换信息。该集成方法的优点是简单、灵活。该方法的缺点是:运用该方法的前提是被集成方(erp或plm系统)必须提供应用程序api;数据集成开发工作量大;可重用性差等。 此外，还有cor日a,.net等分布式对象技术的集成方法，是为了从技术层面解决跨网络、分布式环境下的软件互操作问题，在处理plm和erp数据集成方面没有成熟的解决方案。 上述集成方法存在开发工作量大，成本高，实施难度大等不足。为了克服上述方法和技术的缺点，本文的研究采用基于plm和erp领域元模型的方法实现系统间的数据集成，可以减少plm和erp数据集成的开发工作量，达到数据高效集成的目的。 2、plm-erp数据集成的领域元模型 2.领域元模型的定义 元模型是关于模型的模型。元模型是具体数据模型的泛化(图1(a)，通过对异构数据模型的抽象描述，可以在异构的数据模型间架起沟通的纽带。元模型具有层次化的体系结构，mda(模型驱动体系结构)定义了四层元数据结构a1最高抽象层次(mof)达到了元一元模型级，可以屏蔽平台之间的异构性。元模型技术在异构信息系统集成方面具有广泛的应用，例如，omg组织制定的cwm标准用于在数据仓库产品间的集成和工具的互操作。 领域元模型与其它模型的区别在于它包含用于支配系统中数据的业务方法和规则。领域元模型是plm数据模型和erp数据模型在更高层次的抽象。通过这种抽象可以带来如下好处: 屏蔽了异构数据模型在结构和语义上的差异;在plm系统和erp系统之间建立起松藕合的连接器，应用程序的变化对各自的数据模型没有影响。 领域元模型聚集了元数据、模式映射和领域规则。(图1(b)元数据分别来自plm和erp系统的数据模式定义，通常的数据模式是关系数据模式，包括数据表定义和字段定义;模式映射在异构的数据模式之间建立映射关系，模式映射屏蔽了数据实例的命名、类型、格式的差异;映射过程将对各个输人模式加以分析并派生出对集成有用的信息，映射规则被定义，转换函数也在此产生。 2.2领域规则 领域规则是数据对象转换过程中的转换规则，是与plm/erp领域相关的集成规则的扩展。领域规则用于建立领域元模型的约束，解决模式异构引发的语法和语义冲突问题。 规则表达式作为领域元模型的组成部分，可以解决大部分的模式冲突问题。绝大部分简单规则由系统内嵌的函数来执行，复杂规则的查询表达式需有用户的参与制定。因此，准确理解领域业务知识有助于提高集成的效果。 2.3领域元模型持久存储机制 领域元模型的采用多种存储和交换方式，既可以采用常用的关系数据模型，也可以采用xml数据模型，xml的标准化使元模型实例易于维护和与其它系统交换数据。本文采用xml schema definition(xsd)作为领域元模型的模式定义语言。以下是领域元模型的元数据xsd定义片断。name=“domainruleminoccurs=0max0ccurs= 2.4定制领域规则 在领域元模型中，元数据以及模式映射关系，可以通过获取数据模式的方式获取。plm和erp数据集成的领域规则来自对通用产品的数据模型的分析。以bom(物料清单)数据为例，在大多数plm系统中，ebom(工程物料清单)是产品结构管理和配置管理的基础，也是与erp系统集成的重要数据模型。在erp系统中，ebom对应着mbom(制造物料清单)。两者语义相同，但模式往往存在着很大差异，plm系统往往本身采用元模型表达业务对象及业务对象之间的关系，在泛化程度上高于erp中bom数据模型，为了消除泛化异构，获取符合erp系统bom结构的数据，需要根据关联关系的定义查询表达式，或者定义外部查询函数。 在获取数据的方式上，erp系统通常需要plm系统的增量数据，即plm系统的产品结构数据不是一次载人erp系统后永远不变的，而是随着产品生命周期内设计的更改而变化的。特别是在离散型制造企业内，面向订单设计的生产特征决定了erp系统内的产品结构数据在动态增长。通过制定领域规则可以实现有选择的获取plm系统中的数据。 为了获取增量数据，可以采用基于版本、基于时间戳、基于视图等方式。基于版本比较的规则来源于:plm系统使用用对象版本记录不同设计阶段的产品数据，是常用的控制数据变更的方式。erp系统用户获得了需要导人数据的版本号，可以选择性的读人需要的plm产品数据。基于时间戳比较的规则(1)的思想是，当plm系统中设定了时间标记以记录数据更新的历史时，该时间标记可以作为提取数据时的基准，系统根据用户定义的时间点，提取那些更新发生在该时间点之后的数据。数据在进人erp系统数据库前，根据时间戳的定义“清洗”，满足条件的数据才进行更新。基于视图比较的规则建立在多视图的基础上，在plm产品中，有的产品数据以多视图的方式出现，视图编号可以作为选择数据的依据。 2.5领域元模型的建立过程 领域元模型的建立过程包括获取元数据、映射元数据和定制领域规则。领域元模型所需的元数据来自异构数据源元数据(数据模式)的子集。在erp和plm系统中数据源通常采用关系数据库，因此元数据来自关系数据库对象，例如表、关系、视图、触发器、存储过程等。元数据映射在关系数据表字段之间建立一对一映射关系。映射关系通常不能自动建立，需要手工建立，采用图形化的用户界面的映射工具可以加快映射的效率。映射时收集数据库的表和字段定义信息，包括数据库连接信息、字段名称、字段类型、长度、是否为空、主键信息等。元数据映射的任务是收集参与集成的plm和erp异构信息系统数据库的元数据模式，建立统一的模式视图。元数据集成工具通常定义了冲突检查机制，对于不能自动建立的映射，工具提示用户建立自定义的领域规则。 3、解析领域元模型 3.1领域元模型对象结构 为了执行数据转换，元模型实例首先要被系统所识别和验证，因此解析程序和验证程序是必要的。为了解析元模型和验证领域规则，xm的元模型数据结构转化为系统的对象结构，该对象结构是元模型的面向对象表现形式，如图3所示，是基本的元模型对象结构。 3.2解析领域规则 领域规则表达式由规则执行引擎负责解析，解析结果作为规则验证的输人。由于领域规则是在用户的参与下制定的，在设计时的语法检查可以避免运行时的转换失败。 在离散型制造企业中，经常发生产品设计更改的情况，因此plm系统中的产品设计数据经常发生变化。当plm系统的数据发生变化时，为了使该变化信息能够传递到erp系统中，需要提取更改的设计信息。例如，基于版本比较的数据提取可以根据指定的版本列的值，提取相应版本的产品数据;基于时间戳比较的数据提取:当plm数据库中定义了数据更新的时间列，该时间列可以作为提取数据时的基准，系统根据用户定义的时间点，提取那些更新发生在该时间点之后的数据。 plm与erp数据集成过程中，为了获取增量数据，即erp系统能够快速准确获取plm系统中的更新的产品设计数据。当来自plm系，统中的数据与erp系统数据库中的实例数据相同或相似时，erp系统用户需要根据业务实际情况决定数据是否更新、复制或者丢弃策略。系统根据用户设定的比较优先级顺序更新数据。系统采用的数据更新方式有表主键比较和时间戳比较。基于表主键比较的数据更新ill:当遇到输人数据记录的主键与一条已经存在的记录的键相同的情况下，应该确定处理的策略，即选择对原始记录进行更新还是更改主键并追加一条记录作为原始记录的副本，或者放弃更改。基于时间戳比较的数据更新:其原理与基于时间戳比较的数据提取相似，即通过比较数据写人的时间先后顺序决定更新策略。 3.3数据转换过程 在数据转换的运行时阶段，模型执行引擎读取元模型，交由解析器解析，解析器根据规则表达式和映射关系生成执行代码，执行代码负责从plm系统数据库中提取实例数据，按照规则定义转换为符合要求的格式，加载数据到erp系统数据库相应的表中。 转换分为四个阶段:规则解析和验证、数据抽取，数据转换和数据装载。语法检查、规则解析、规则验证贯穿于数据抽取、转换和更新过程中。数据抽取根据映射关系从plm系统中提取数据的