（机械电子工程专业论文）基于组件的发动机产品车间资源管理系统研究与设计.pdf

摘要 基于组件的发动机产品车间资源管理系统研究与设计 摘要 本论文以发动机产品关键件车间快速响应制造技术研究为背景，着重对车间快速 响应制造技术中可重构的发动机产品车间资源管理子系统进行研究与设计。本论文主 要研究内容如下： 在对项目实施企业现状及其存在问题分析的基础上，对发动机产品车间资源管理 子系统的功能需求进行了详细分析，并分别对该子系统的体系结构、网络结构以及安 全性进行了有针对性的设计。 采用面向对象的系统分析方法，应用统一建模语言u m l ，对发动机产品车间资 源管理子系统进行面向对象的建模。从子系统的功能、静态结构和动态行为三个方面 出发，分别建立子系统用例模型、静态结构模型和动态行为模型。 将发动机产品车间资源管理子系统c s 三层体系结构中的中间层划分为业务实 体层、数据访问逻辑层和业务规则层。按照组件化设计开发流程，结合对所建立的子 系统u m l 模型分析，对上述各层中所封装的相应组件进行设计；应用基于n e t 平 台的开发工具c 群n e t 对子系统中的组件进行开发实现：通过对各层中组件的调用、 装配，构建出一个具有可重构性的发动机产品车间资源管理子系统。 关键字：车间资源，u m l ，组件化设计 a b s t r a c t 基于组件的发动机产品车间资源管理系统研究与设计 a b s t r a c t t h i sp a p e rb a s e do nt h eb a c k g r o u n do fs h o pf l o o rr a p i dr e s p o n s i v em a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u er e s e a r c h i n gw h i c ha p p l i e df o rt h em a n u f a c t u r eo ft h ek e yp a r t si ne n g i n e p r o d u c t s t h em a i nr e s e a r c hw o r k si nt h i sp a p e rw e r ee m p h a s i z e do nr e s e a r c h i n ga c o n f i g u r a b l es h o pf l o o rr e s o u r c e sm a n a g e m e n ts u b s y s t e m t h ep r i m a r yr e s e a r c h c o n t e n t so ft h i sp a p e ra r el i m e db e l o w ： f i r s t l y , c o m b i n e dw i t l lt h ea n a l y s i so ft h ea p p l i c a t i o ne n t e r p r i s e sr e q u i r e m e n t s t h e s u b s y s t e m sf u n c t i o nr e q u i r e m e n t sw e e ea n a l y z e dm i n u t e l y f o rt h ec o n s i d e r a t i o no ft h e u s e r s d e m a n d s ，t h es u b s y s t e m sa r c h i t e c t u r e ，n e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n ds y s t e ms e c u r i 母 w e r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l y s e c o n d l y , t h em e t h o do fo b j e c t - o r i e n t e ds y s t e ma n a l y s i sw a sa p p l i e di n t os u b s y s t e m s d e s i g np r o c e s s b yu s i n gu m l ( t h eu n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) m o d e l i n gt e c h n i q u et h e s u b s y s t e m sm o d e l i n gw a sc r e a t e di nt h ea s p e c t so ff u n c t i o n ，s t a t i cc o n s t r u c t i o na n d d y n a m i ca c t i o na n df i n a l l ya c h i e v e dt h ep u r p o s eo nr e a l i z i n gt h eo b j e c t - o r i e n t e dm o d e l i n g o fs h o pf l o o rr e s o u r c e sm a n a g e m e n ts u b s y s t e m a tl a s t , t h es u b s y s t e m sc o m p o n e n tt i e r , t h em i d d l et i e ro ft h e3 - t i e rc l i e n t s e v e r s y s t e ma r c h i t e c t u r e ，w a sd i v i d e di n t ob u s i n e s se n t i t yt i e r , d a t aa c c e s sl o g i c a lt i e ra n d b u s i n e s sr u l et i e r a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fs u b s y s t e m su m lm o d e l i n ga n dt h ep r o c e s s o fc o m p o n e n t b a s e dd e v e l o p m e n t ，t h es u b s y s t e m sc o m p o n e n t sw h i c he n c a p s u l a t e di n d i f f e r e n tt i e r sw e r ed e v e l o p e db y a p p l y i n gt h ec 雾n e ts u i t c a s e o nt h ed o tn e t d e v e l o p i n gp l a t f o r m t h ec o n f i g u r a b l es u b s y s t e mw a sr e a l i z e db yd e p l o y i n g a n d a s s e m b l i n gt h ed e v d o p e dc o m p o n e n t sw h i c hb e l o n g e dt od i f f e r e n tt i e r s k e yw o r d s ：s h o pf l o o rr e s o u r c e s ，u m l ，c o m p o n e n t - b a s e dd e v e l o p m e n t 图表目录基于组件的发动机产品车间资源管理系统研究与设计 图表目录 图l ，1a m r 制造业用三层模型2 图1 ，2m e s 功能组件和集成模型3 图1 3 企业信息系统架构6 图1 4 课题研究技术路线1 0 图1 5 课题总体方案框架图：1 1 图2 1 箱体机加工生产线平面布局1 5 图2 2 缸盖机加工生产线平面布局1 6 图2 3 子系统功能模块图18 图2 4 基础数据功能模块1 8 图2 5 设备管理功能模块1 9 图2 6 刀具管理功能模块2 0 图2 ，7 工装管理功能模块2 2 图2 8 量检具管理功能模块。2 3 图2 9 物料管理功能模块2 3 图2 1 0 发动机产品车间资源管理子系统三层体系结构图2 5 图2 ，1 1 子系统网络结构示意图2 6 图2 1 2 基于角色的权限管理流程2 8 图3 1 眦中几个主要图之问的关系3 3 图3 2u m l 建模过程3 4 图3 3r a t i o n a lr o s e 运行时设计界面3 6 图3 4 子系统用户角色图3 7 图3 5 子系统顶层用例图3 8 图3 6 特殊刀具管理用例图3 9 图3 7 普通刀具管理用例图3 9 图3 8 刀柄管理用例图4 0 图3 9 特殊刀具入库用例活动图。4 2 图3 1 0 特殊刀具借出用例活动图4 4 图3 1 1 特殊刀具管理对象类图4 8 图3 1 2 普通刀具管理对象类图4 8 图3 1 3 特殊刀具借出顺序图5 1 图3 1 4 特殊刀具借出协作图5 2 v 图表目录基于组件的发动机产品车间资源管理系统研究与设计 图3 1 5 特殊刀具归还顺序图5 2 图3 1 6 特殊刀具归还协作图5 3 图3 17 子系统部分关系型数据库模型5 5 图4 1 新建类库项目界面6 3 图4 2 测试组件代码实例6 4 图4 3 添加组件引用界面6 5 图4 4 测试组件调用代码6 5 图4 5 子系统多层结构框架图6 7 图4 6 业务实体层中所包含的组件6 8 图4 7 特殊刀具业务实体组件实现代码6 9 图4 8 数据访问服务组件实现代码7 1 图4 9 特殊刀具数据访问逻辑组件接口7 2 图4 1 0 业务规则层中所包含的组件7 4 图4 1 1 特殊刀具领用归还业务规则组件接口7 5 图5 1 子系统在o r a c l e 数据库中创建的表7 7 图5 2 在o r a c l e 数据库中编译的存储过程7 8 图5 3 基础信息管理运行实例7 9 图5 4 设备管理运行实例8 0 图5 5 特殊刀具出入库管理运行实例8 1 图5 6 特殊刀具日常管理运行实例8 1 图5 7 量检具出入库管理运行实例8 2 图5 8 量检具日常管理运行实例8 2 图5 9 特殊刀具入库明细报表打印运行实例8 3 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 。 研究生签名：二0 0 6 阵7 月眨日 硕士论文基于组件的发动机产品车间资源管理系统研究与设计 1 绪论 1 1 制造执行系统相关国内外研究及应用现状 1 1 1制造执行系统的产生及发展 制造执行系统的产生具有鲜明的时代特征。伴随着信息技术和先进制造技术的迅 猛发展，制造企业的技术水平和管理水平正在发生本质性的变化。互联网的普及和市 场经济的全球化，为企业注入新的活力，同时也使得企业面临更多严峻挑战。制造型 企业如何面对变幻莫测的市场需求，如何有效整合已有生产资源，提高生产效率、降 低制造成本、缩短交货周期，这已成为关系制造型企业在未来市场竞争中成败的关键。 现代制造业运行模式的演变和信息技术的进步是促进制造业信息化发展的两个 基本动因，而这也是推动制造执行系统产生及发展的两个原动力【l 】。自2 0 世纪8 0 年 代中期以来，伴随着客户对产品需求的多样化，制造企业的生产模式开始由大批量的 刚性生产逐渐向多品种小批量的柔性化生产转变。与此同时，随着计算机网络和大型 数据库等信息技术的发展，企业的信息系统也开始从局部的、事后处理方式转向全局 的、实时处理方式。在管理系统软件领域：从m r p ( m a t e r i a l sr e q u i r e m e n t sp l a n n i n g ， 物料需求计划) ，到m r pi i ( m a n u f a c t u r i n gr e s o u r c ep l a n n i n g ，制造资源计划) ，直至 e r p ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ，企业资源计划) 系统迅速普及；在工业底层控制 领域：p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r s ，可编程逻辑控制器) 、d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ，分布式控制系统) 得到广泛应用【2 】。 尽管企业信息化在上述领域取得了长足发展，但是在实现企业生产信息集成的过 程中，仍然会面临信息交互不够及时所带来的各种问题。例如：在计划制定过程中无 法准确及时的掌握实际的生产状态，在生产过程中得不到切实可行的作业计划，车间 管理人员和操作人员难以实时跟踪产品的生产过程，不能有效控制在制品库存，用户 无法了解订单的执行情况等。产生这些问题的主要原因在于生产管理系统与工业底层 工业控制系统的相互分离，计划系统和控制系统之间的界限模糊，缺乏紧密联系，尤 其是对企业生产过程的主体生产现场管理，没有涉及到。生产现场作为制造企业 的物化中心，不仅是制造计划的具体执行者，也是制造信息的反馈者，更是大量信息 的集散地。因此，生产现场的资源管理、物流控制和信息集成是企业生产系统中极为 重要的一环，生产现场的管理与控制系统的敏捷性在一定程度上决定着整个企业的敏 捷性【3 】。 针对以上问题，工业界逐渐认识到需要一个可以将业务计划系统和工业底层控制 系统集成在一起的中间层。在此背景下，1 9 9 0 年1 1 月，美国先进制造研究机构a m r 1 绪论硕士论文 首次提出了制造执行系统( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m - m e s ) 的概念，将物料需 求计划系统与控制系统之间的制造过程执行层定义为制造执行系统。制造执行系统 ( m e s ) 从一开始就是一个特定集合的总称，用来表示一些特定功能的集合以及实现 这些特定功能的产品。随后，a m r 在1 9 9 2 年又提出了制造业用三层模型【4 】，如图1 1 所示。该模型将位于计划层和控制层之间的执行层命名为m e s ，并对各层的功能和 重要性进行相关描述如下【5 】【6 】： 1 ) 计划层 位于顶层的计划层通常是m r p i i 或e r p 等系统，强调以企业计划、客户订单和 市场需求作为计划源头。其作用是管理企业内部的各种资源，管理销售和服务、制定 生产计划、降低库存等。 2 ) 工业控制层 位于底层的工业控制层包括d c s 、d n c ( 分布式数控系统) 、p l c 等系统。其作 用是强调对车间生产过程和现场设备的控制。 3 ) 制造执行层 位于中间层的制造执行层则是介于计划层和工业控制层之间，面向制造工厂管理 的生产调度、设备管理、资源管理、质量管理等系统。m e s 填补了计划层和控制层 之间的空白，在三层结构模型中起着承上启下的作用。计划层的业务系统生成的生产 计划( 计划要做什么) 被m e s 传递给生产现场，来自工业控制层的生产实际状态( 实 际做了什么) 通过m e s 报告给计划层的业务系统。 图1 1a m r 制造业用三层模型 制造执行系统( m e s ) 在计划管理层与底层工业控制层之间架起了一座桥梁，与 上层e r p 等业务系统和底层d c s 等工业控制系统一起构成了企业的神经系统。m e s 通过控制包括物料资源、设备资源、人员、流程指令和设施在内的所有工厂资源来提 高制造竞争力，提供了一种系统的在同一平台上集成诸如质量控制、文档管理、生产 调度等功能的方式。m e s 不但是面向生产现场的系统，还作为上、下两个层次之间 双方信息的传递系统，把业务计划的指令传达到生产现场，同时又将生产现场的信息 2 硕士论文基于组件的发动机产品车间资源管理系统研究与设计 及时进行收集、上传和处理。因此，m e s 是连接现场层和经营层，改善生产经营效 益的前沿系统。m e s 不属于一个特定行业的概念，而是应用于各种制造业的重要信 息系统。近年来，一些e r p m r p i i 软件试图将其车间管理的功能向下层延拓，另一 些底层控制软件如d c s 也尝试向上层延伸功能。然而这些软件尽管增加了一些功能 模块，收效却不明显。究其原因，是由于e r p 软件缺少足够的控制信息，无法做到 与控制系统紧密相连；而d c s 等控制软件则缺乏足够的计划信息，不能实现对生产 的实时监控并对市场变化做出及时响应1 5 】。 m e s 的发展主要经历了传统m e s ( t r a d i t i o n a lm e s ，t - m e s ) 和集成m e s ( i n t e g r a t e dm e s ，i - m e s ) 两个阶段。传统m e s ( t - m e s ) 最早源于工厂内部需求，是 从2 0 世纪7 0 年代车间级应用发展起来。2 0 世纪9 0 年代，由于m e s 已经成为企业 实现生产现场管理的集成系统，集成m e s ( i m e s ) 应运而生。i - m e s 包括工厂管理、 工厂工艺设计、过程管理和质量管理4 个主要功能，并由实时数据库支持 6 1 。 到2 0 世纪9 0 年代中期，m e s 标准化和功能组件化、模块化的思路得到重视， 许多m e s 软件实现了组件化，用户根据需要就可以灵活快速的构建自己的m e s 。这 大大方便了系统的实施与集成。其中最为有名的是制造执行系统协会( m e s a ) 于1 9 9 7 年提出的m e s 功能组件和集成模型，该模型包括了1 1 个功能模块，如图1 2 所示。 随后m e s a 规定，仅仅包括1 1 个功能模块中的某一个或几个模块，也属于m e s 系 列的单一功能产品。a m r 把按照1 1 个功能实现的整体解决方案称为m e si i ( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns o l u t i o n ，制造解决方案) 【7 】【引。 源配 f ，生产丫r 产品y 绩救、 婶蜘嘶析夕 斯莳氰莳萄滴 管理人维护人管理人管理， 图1 2m e s 功能组件和集成模型 2 0 世纪9 0 年代中后期，大量的研究机构、政府组织参与了m e s 的标准化工作， 进行相关标准、模型的研究和开发，其中涉及到分布式对象技术、集成技术、平台技 术、互操作技术以及即插即用等技术。2 1 世纪初，为了适应协同制造的要求，集成 的m e s 发展成为协同的m e s 。2 0 0 4 年5 月m e s a 提出了协同的制造执行系统 ( c o l l a b o r a t i v em a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m s ，c m e s ) 概念，指出c m e s 的特征 是将原来m e s 的运行与改善企业运作效率的功能和增强m e s 与在价值链和企业中其 3 1 绪论硕士论文 他系统和人的集成能力结合起来，使制造业的各部分敏捷化和智能化。c m e s 主要 包括八个功能：资源分配与状态监控、生产计划调度、数据采集、操作者管理、质量 管理、过程管理、产品跟踪与谱系、性能分析。c m e s 的功能覆盖了制造过程管理 的全过程，并与企业经营计划层的e r p 、c r m 、c a d c a m 等集成，形成在价值链 和企业中各种系统以及人的更好集成能力，通过协同制造获取更大效益1 9 1 1 0 1 。 1 1 2 制造执行系统的内涵及其应用 m e s 发展的初期并没有一个非常明确的定义，所有那些无法准确的分配给企业 信息系统体系结构其他层的应用程序或产品，都被归类到m e s 的范畴之下。随着 m e s 的飞速发展，国际上的相关技术组织意识到应该对m e s 进行明确的定义，下面 就几个目前主流的概念进行相关论述。 美国先进制造研究机构a m r ( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h ) 将m e s 定义 为“位于上层的计划管理系统与底层工业控制系统之间的、面向车间层的管理信息系 统 。m e s 为操作人员、管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源( 人、设备、 物料、客户需求等方面) 的当前状态信息【1 l 】。a m r 把企业级的计划系统与工厂底层 的控制系统之间的各种工厂管理系统的集合称为m e s 。 制造执行系统协会( m e s a ) 对m e s 的定义是：m e s 能通过信息传递，对从订 单下达到产品完成整个的生产过程进行优化管理。当工厂发生实时事件时，m e s 能 对此做出及时反应和报告，并用当前的准确数据对事件进行指导和处理。这种对状态 变化的迅速响应使得m e s 能够减少企业内部非增值活动、有效指导工厂的生产运作 过程，从而使其既能提高工厂及时交货能力、改善物料的流通性能，又能提高生产回 报率。m e s 还通过双向的直接通讯在企业内部和整个产品供应链中提供有关产品行 为的关键任务信息 1 2 】。 m e s a 对于m e s 的定义强调了以下三点：m e s 是对整个车间制造过程的优化， 而不是单一解决某个生产瓶颈；m e s 提供实时收集生产过程数据的功能，并做出相 应的分析和处理：m e s 需要与计划层和控制层进行信息交互，通过企业的连续信息 流来实现企业信息集成1 1 3 】。 美国国家标准研究院( n i s t ) 有关m e s 的定义是：为使从接受订货到制成最终 产品全过程的管理活动得以优化，而对采集硬件、软件的各种数据和状态信息接受信 息处理的系统集成【l 引。 从上述定义中可以看出，虽然关于m e s 的定义存在一些不同的表述，但也具有 共同的基本特征：m e s 在整个企业信息集成系统中承上启下，是生产活动与管理活 动信息沟通的桥梁：m e s 采集从接受订货到制成最终产品全过程的各种数据和状态 信息，目的在于优化管理活动。它强调的是当前视角，即精确的实时数据；从对实时 4 硕士论文基于组件的发动机产品车间资源管理系统研究与设计 性的要求而言，控制层、中间层m e s 、顶层e r p 的实时时间系数是逐级扩大【1 4 j 。 m e s 的概念从提出之日起，就得到了工业界的广泛关注。在工业发达国家，m e s 已经应用于石油、化工、钢铁、冶金、医药、食品、纺织、造纸等流程工业行业和半 导体、液晶制品、电子、汽车、航空、船舶、机械等离散制造业，并取得了显著的经 济效益【1 6 】。m e s a 白皮书中统计报告表明：采用m e s 的企业可以平均减少制造循环 时间4 5 、减少数据录入时间7 5 、减少生产过程的操作量1 7 、减少文档及纸介 转换量5 6 、缩短交货周期3 2 、提高质量水平1 5 、减少文档图纸的丢失率5 7 【1 7 1 。 m e s 所带来的巨大的综合效益，使得m e s 软件的市场需求量日益扩大，并由此 产生了一批m e s 专业化研发公司，针对不同行业领域开发了一系列的m e s 软件产品。 其中具有代表性的m e s 软件有：美国c o n s i l i u m 公司面向半导体和电子行业开发的 w o r k s t r e a m 和f a b 3 0 0 ；美国h o n e y w e l l 公司面向制药行业开发的p o m s m e s ；美 国i n t e l l u t i o n 公司面向多种行业开发的f i xf o rw i n d o w $ ，在日本三菱汽车成功应用； 日本横河电机公司面向石化企业开发的终端自动化系统e x a t a s 。此外在钢铁工业领域 比较著名的m e s 产品有美国的i 2 、英国的b r o n e r p p s 和德国的p s i 1 7 1 ”】。 1 1 3制造执行系统在中国的发展及应用前景 m e s 在我国的研究起步较晚。近年来，尤其是“十五 期间，国家8 6 3 项目研 究将m e s 作为重点研究课题，以流程工业领域作为m e s 技术研究的突破口。相继开 发了钢铁企业m e s 、石化企业m e s 和矿产企业i v i e s ，并且得到成功应用。2 0 0 5 年， 由上海宝信软件公司联合六家研究院校共同承担的国家8 6 3 计划“冶金工业m e s 架 构和关键技术研究与示范应用”课题，攻克了冶金企业实际生产中多项关键技术，提 出了符合国情并具有国际先进水平的钢铁制造业m e s 控制策略与产品构架，并制定 出了行业推荐标准企业信息化技术规范制造执行系统( m e s ) 。基于该标准，开 发完成了我国首套“冶金工业软件”产品，填补了国内流程工业m e s 领域内的一项 空白。在石化行业，中石化开发出了具有自主知识产权、符合我国石化行业自身特点 的中国石化m e s 系统s m e sv 1 0 版，并通过8 6 3 专家组的评审验收，已投入实 际生产使用t 6 j t l 9 1 。 制造执行系统在国内的发展应用，使我国的制造业水平上了一个崭新的台阶。但 是，与工业发达国家相比，我国在m e s 研究和应用方面仍存在不小的差距。国内学 术界对m e s 的研究目前主要停留在m e s 思想和体系结构方面。一些高等院校如：清 华大学、北京航空航天大学、东南大学、华中科技大学、南京理工大学、南京航空航 天大学等，在敏捷化制造m e s ，w e b 环境下m e s 运行平台和智能m e s 方面做了大 量研究，出现了很多关于系统建模和m e s 系统软件开发方面的文章，但是目前所开 的系统大多局限于原型或实验阶段【2 0 】。总的来讲，m e s 产品在中国的自主研发才刚 l 绪论硕士论文 刚开始，尽管有少数国内i t 公司一方面模仿国外模式，同时也总结提炼中国工业企 业m e s 层面的经验，但是仍以实验室产品居多，距离商品化还有一段路程；在m e s 产品的应用方面，如冶金、石化、烟草、食品等行业已有应用，但仍属拓荒者或先行 者。目前相对成型、成熟和有规模、有影响的国产i v i e s 产品还较少，但随着国内对 m e s 研究与应用的深入，m e s 技术和实施手段将日趋成熟，m e s 在中国有着非常光 明的应用前景1 2 。 在我国构建和推广m e s ，首要前提是正视我国制造业的发展现状1 2 l j ： 1 ) 我国制造业的自动化水平还比较低，在我国劳动力成本的比较优势还比较大 的情况下，大量手工和半自动化的加工设备将长期存在，设备的数控改造将是一个漫 长的过程。因此，m e s 需要支持的是一个适度自动化的制造设备环境，尤其对离散 制造行业而言，更是如此。 2 ) 我国企业经营管理的规范化道路还很漫长，经营管理系统尚未完全普及，企 业精细化管理的大量基础工作尚处于起步阶段，这也会影响到m e s 的构建和运行。 3 ) m e s 的实施可能和经营管理系统和生产控制系统的实施同步，很多企业基于 现实条件的约束，希望m e s 能够独立运行，并在一定范围内支持企业的经营管理， 这使得m e s 和其他系统的界限更加模糊。 基于以上对我国制造业发展现状的分析，m e s 在我国工业企业的信息系统架构 中的定位如图1 3 所示。制造执行系统m e s 实现了经营层和底层控制层的闭环控制。 落篓裹基蹇自 生产指令 资源物料信息 土循可 在制品状态、资源消 耗情况、计划完成情 况、质量统计 设备状态 资源使用状况 生产数据 图1 3 企业信息系统架构 随着企业经营管理的扁平化，m e s 作为企业实现生产活动与经营活动有效集成， 是企业生产优化运行和控制与企业经营计划管理的桥梁和纽带，是提高企业竞争力的 有效途径。作为面向车间层的生产管理与实时信息系统，m e s 是实施企业敏捷制造 战略，实现车间生产敏捷化的基本技术手段。随着v i e s 在国内企业的不断推广深入， 可以预见，在不久的将来，在我国由制造大国向制造强国转变的过程中，m e s 将发 挥越来越重要的作用。 6 硕士论文基于组件的发动机产品车阗资源管理系统研究与设计 1 1 4制造执行系统中的车间资源管理 制造执行系统中的车间资源管理，对应于上文所述m e s a 于1 9 9 7 年提出的m e s 功能组件和集成模型中的资源分配及状态管理功能模块范畴。该模块的具体功能描述 是：对资源状态及分配信息进行管理，包括机床、辅助工具( p n 刀具、夹具、量具等) 、 物料、人员等生产能力实体以开始进行加工时所必须具备的文档( 工艺文件、数控设 备的数控加工程序等) 和资源详细历史数据，对资源的管理还应包括为满足生产计划 的要求而对资源所做的预留和调度【1 2 1 。 车间资源管理是制造执行系统的重要组成部分。对于机械类零件生产车间而言， 车间资源管理是否科学，在很大程度上决定了制造执行系统的可靠性和最终的实施效 益。车间资源按类型分，可以划分为设备类资源、辅助工具类资源、物料( 毛坯、在 制造品以及成品等) 资源以及人力资源。其中，设备类资源主要指那些用来完成产品 加工生产的生产设备；辅助工具类资源主要指那些用来完成产品加工生产时必要的辅 助资源，如刀具、刀柄、工装以及量检具等。 随着企业规模的日益壮大和企业生产复杂化程度的不断提高，企业不断的缩短产 品的设计周期、压缩产品制造的时间，产品的品种和生产批量随着市场的变化而变化。 对车间资源而言，由于生产任务的变化，将导致刀具、工装等辅助工具类资源的使用 数量、准备数量、使用类型数量都大大增加，同时生产类资源的生产准备时间也相应 延长。以辅助工具类资源为例，刀具、工装、量检具等资源在整个产品生产成本中所 占比例是1 0 一2 0 ，甚至更高1 1 。如果车间资源管理不合理，或者资源状态信息提 供不顺畅、不够及时，将会出现库存量不足或者库存量太大，前者可能造成设备停工、 生产效率降低，后者则会导致占用企业较多流动资金瞄】。 综上所述，车间资源管理所面临的环节多、状态复杂、数据量大的问题，使得车 间资源的信息处理工作的困难程度不断增加，而传统的手工操作的管理方式已经远不 能适应现代企业的生产需要，如果没有强大的管理信息系统作为支撑，将很难保证信 息的完整性、真实性和及时性。针对车间资源管理所面对的现实问题，如何运用计算 机技术与网络通信技术相结合的现代信息化管理手段，对车间各类资源有效整合，实 现对车间资源的有效管理，是制造执行系统m e s 研究的核心问题之。 1 1 5 制造执行系统开发的相关技术概况 制造执行系统作为一种车间生产管理和控制理论，其最终是要通过软件系统来实 现【2 3 j 。因此，软件开发技术是制造执行系统实现的根本所在。在上文所提及的m e s 模型和软件中也涉及了很多目前主流的软件技术在m e s 中的应用。 1 1 5 1 面向对象技术 面向对象技术( o b j e c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g y ) 采用归纳演绎的思想方法进行软件 7 1 绪论硕士论文 开发，用对象模式分析客户需求( o b j i e c t o r i e n t e da n a l y s i s ，o o a ) ，进行面向对象的 系统设计( o b j i e c t - o r i e n t e dd e s i g n ，o o d ) ，选用面向对象的编程语言实现软件系统 ( o b j i e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，o o p ) ，最后用面向对象的方法测试软件系统 ( o b j i e c t - o r i e n t e dt e s t i n g ，o o t ) 。面向对象技术的实质是从系统组成的角度对系统进 行分析，利用类及对象作为基本构造单元。面向对象技术自2 0 世纪8 0 年代提出以来， 已经逐步成为软件系统分析、设计与实现的最有影响力的方法。无论从提高软件系统 的可重用性方面，还是从降低软件系统的复杂性方面，面向对象技术作为软件开发的 新方法都表现出了明显的优势【2 4 】【2 5 1 。 随着面向对象技术发展的成熟，出现了一大批面向对象的建模语言，其中统一建 模语言u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 就是一种定义良好、易于表达、功能强大 并且普遍适用的面向对象的建模语言。u m l 是由美国r a t i o n a l 公司的三位面向对象 方法领域著名的软件工程专家提出的。u m l 承袭了面向对象分析与设计的方法，并 结合了众多面向对象优秀方法的思想，是一种描述系统蓝图的标准模式语言。u m l 的推出得到了诸如m i c r o s o f t ，h p ，i b m 等世界著名公司的大力支持。u m l 作为划时 代意义的软件技术之一，融入了软件工程领域的新思想、新方法和新技术，不仅支持 面向对象的分析和设计，还支持从需求开始的软件开发过程。面向对象技术的发展与 成熟及其在实际应用中的推广得到了软件界的共识。同时，面向对象技术也为组件技 术的发展奠定了坚实基础【2 6 j 。 1 1 5 2 组件技术 随着计算机技术的飞速发展，人们对软件产品的质量和软件的开发效率都有了更 高的要求。从传统的软件结构化开发方法到面向对象的软件开发方法无疑是软件工程 学的重大飞跃，但随着软件规模的不断扩大，人们希望软件的复用程度能够得到进一 步的提高，并且可以实现软件的“即插即用( p l u ga n dp l a y ) ”。软件工程界人士一直 希望能够像组装汽车一样来生产软件，组件技术的出现使这个愿望逐渐成为现实。 组件是具有某种特性和功能的相对独立的软件单元。基于组件的软件开发 ( c o m p o n e n t b a s e dd e v e l o p m e n t c b d ) 技术是一种将独立于特定程序语言和应用系 统、可重用和自包含的软件单元抽取出来加以复用的软件开发方法睇7 。 采用基于组件技术的软件开发方法，为大型软件的开发和生产，开辟了行之有效 的途径，克服了大型软件开发周期长、耗资巨大的缺点。组件技术实现了软件的功能 模块化、编程语言兼容性、操作系统的跨平台性等优点，极大的提高了程序代码的可 重用性，通过“搭积木”和“组件重用来实现相应领域内的不同应用系统快速的构 建。组件技术有效避免了对每个应用系统重复进行需求分析、详细设计、编码、测试、 运行维护等整个软件生命周期的工作，提高了系统开发的效率。由面向对象技术发展 而来的组件技术已成为当今软件开发技术中的主流技术，通过组件开发体现了全面应 硕士论文 基于组件的发动机产品车间资源管理系统研究与设计 用面向对象技术与概念的目的，成为开发出高效、低成本、可复用软件系统的重要方 法。当代大型商业软件广泛采用了基于组件的软件开发技术。以成熟的c b d 理论为 指导，在对系统的建模分析与设计完成之后，对系统的开发体现为复用已有组件、开 发新组件以及将所有组件装配起来最终实现系统的过程【z 7 】1 2 s 】。 随着面向对象技术和组件技术等相关技术的出现，为开发与实现可重构的m e s 提供了解决方案。所谓可重构的垭s 是指将应用软件以组件的方式设计成软件构件， 这些构件可按一定的义务规则进行重组，实现用户所要求的功能。与传统的m e s 相 比，可重构的m e s 具有集成性好、互操作性强等优点【2 9 1 。 1 2 课题来源及概况 1 2 1 课题研究背景 多品种小批量和柔性化生产是现代制造企业必须正视的现实。如何快速的响应市 场环境和需求的变化，实现多品种小批量产品的低成本、快速响应制造一直是先进制 造领域研究人员追求和探索的目标，也是现代制造业研究和应用的热点之一。国防制 造型企业基于其自身的生产特点( 产品复杂，生产模式大多为多品种小批量的混流生 产方式) ，在快速响应制造方面的需求尤为显著。因此，国防制造业是快速响应制造 技术重要的研究和应用领域。 国防制造业是国家制造业的重要组成部分。国防制造型军工企业具有高技术密集 和军民两用的特点，担负着武器装备研制生产和参与国民经济建设的双重历史使命， 军工企业的制造水平直接决定着国防科技工业的供给能力和国防现代化的进程，对国 民经济发展和技术进步具有重要推动作用【3 0 1 。因此，提高军品研制水平、缩短制造周 期、降低成本、提高对战场装备需求的快速响应能力，具有非常重要的意义。此外， 军品生产具有产品转型快、工艺变化多、零部件工艺复杂、加工周期长等特点。这些 特点表明，军工企业车间生产比较复杂，军品生产的车间管理和控制系统需要具有很 强的灵活性和适应性。而这是目前绝大多数商业化m e s 软件系统所难以胜任的。 1 2 2 课题来源 本课题来源于总装“十一五”预研项目“车间快速响应制造支撑技术的研究 。 该课题以某国有大型军工制造型企业其下属分厂车问的发动机产品关键零部件( 缸盖 和箱体) 多品种小批量、柔性化生产为论证背景，分析我国国防制造型企业车间生产 运作的现状和特点，着重研究发动机产品关键零部件快速响应制造支撑技术，并针对 该分厂车间生产的实际需求，开发出一套具有良好可重构性的车间快速响应制造系统 ( s h o pf l o o rr a p i dr e s p o n s i v em a n u f a c t u r i n gs y s t e m - s f r r m s ) ，以提升该分厂车间 的快速响应制造能力。 9 绪论硕论文 1 2 3课题研究内容及技术路线 面向发动机产品“车间快速响应制造支撑技术的研究”课题主要围绕车间资源管 理、车间生产调度、面向计划的资源重组、系统的可重构性和接口技术的研究展开。 其主要内容包括以下五个方面： 1 ) 在应用企业调研分析的基础上对该发动机产品零部件生产车间中的加工设 各、刀具、工装夹具、量检具、物料等车间制造资源进行对象建模。 2 ) 对车间生产运作及控制模式进行分析研究，在此基础上，研究适合该车间生 产调度的算法和策略。 3 ) 以该分厂车间为应用对象的车间快速响应制造系统的可复用构件( 组件) 库 开发。该构件库包括：生产资源软构件、辅助资源软构件、调度算法及调度策略软构 件、工艺规程软构件、质量规程软构件等。 4 ) 车间资源重组算法的研究，通过对车间资源的选择和重新组织过程，实现车 问的快速响应制造。在该算法研究的基础上，开发资源重组算法程序包。 5 ) 通过对车间快速响应制造系统可复用构件库中组件的调用，宴现面向发动机 产品的车间快速响应制造系统的开发，并研究开发该系统与其他系统( 如e r p 、c a p p 等) 的接口组件。 本课题的研究技术路线如图14 所示。 藿篙篱蘩键裂 p i j o 嚣：2 书一； 壁竺月一 熏一j ，孺蠹i