基于数字化工厂的制造业信息化集成平台

1、文章编号:1001-2265(200607-0103-04收稿日期:2006-01-233基金项目:中德政府合作项目(NO.20002DFG00027“数字化工厂:面向复杂制造系统集成信息系统建模与优化”作者简介:贾晨辉(1970,男,河南开封人,同济大学博士研究生,研究方向为企业信息化理论、并行工程、计算机集成制造、CAD /CAPP /CAM 集成等,(E -mail xjiachenhui 。基于数字化工厂的制造业信息化集成平台3贾晨辉1,张浩1,2,陆剑峰1,张世翔3(1.同济大学C I M S 研究中心,上海200092;2.上海电力学院,上海200090;3.同济大学经济与管理学院

2、,上海200092摘要:分析了现代制造企业信息化平台的问题,研究了数字化工厂DFS 功能特点,及其在C AX /P D M /ERP 信息系统平台中的必要性,提出了完整的制造企业信息化集成平台,探索了基于数据库的数字化工厂系统与P D M 系统间的集成技术。关键词:信息化集成平台;数字化工厂系统(DFS ;P D M;e M -Po wer 中图分类号:F273.1文献标识码: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概述经济竞争已成为世界各国竞争的一个焦点,对于各类制造业而言,每个企业都面临着持续多变和不可完全预测的全球化市场竞争。谁能在最短的时间内,把采用最新技术生产出的高质量低成本的产品推向市场,谁将是竞争的胜利者。在制造企业内部,现有的各个领域的应用软件系统(设计、制造、仿真、P D M 、ERP 等通常处于分布的异构环境中,缺乏有效的信息共享,使企业运作效率低、成本高,必须通过集成以提高信息

6、交流和反馈的效率,提高企业对市场需求的反映能力。计算机集成制造系统C I M S (Co mputer -I ntegrated M anufacturing Syste m 实现了企业的各个环节的信息集成1,C I M S 的核心关键是集成。在C I M S 工程应用推广及P D M 技术的实施过程中,要完全完善地构造制造企业的信息化平台,必须在企业中实施数字化工厂技术。完整的企业信息平台应在原有的以P D M 为平台的构架基础上进行扩展,企业不仅要通过计算机高效地生产和工程设计CAD 技术,也需要以P D M 为平台将各种应用系统协调在统一的平台下,同时以订单为驱动将企业管理过程的信息进行

7、集成的管理(ERP ;并且要重视数字化工厂(DFS 技术。1构建制造企业信息化平台1.1目前制造业广泛采用的信息化平台CAX /P D M 技术和M I S /ERP 的结合,实现企业设计、管理、经营的数字化实现,实现企业内部的信息化建设数字化企业。这是目前多数大型制造企业已经实施了的信息化系统,它以P D M 为平台集成C AX 和ERP 而构成,C AX 系统为企业形成了完善的产品结构,ERP 则以订单为驱动形成了企业完整的后勤链管理,P D M 系统可看作各个信息系统的集成桥梁。1.2存在的问题单纯的以P D M 为平台集成C AX /ERP 系统是不完善的。多数制造企业实施的CAX /

8、P D M /ERP 信息化平台,表现为在产品设计层,普遍应用CAD 设计软件系301统;在管理层,P D M/P L M、ERP已经逐步实施,基本实现了产品数据的全生命周期管理;在生产层,对于加工设备,其自动化进程明显,基本实现了数字化自动加工;但对于生产的组织方式还是停留于专用C APP系统的固定工艺卡片阶段,或是传统的手工编制阶段。这种传统的生产组织方式,就处在先进的产品设计开发和自动化加工和装配之间,形成了制约整个企业自动化和生产信息化进程的效率瓶颈,形成了企业制造自动化的缺口。制造企业对于工艺过程的迫切希望是:(1整个工艺过程应该统一在同一个平台环境下;(2各种工艺数据(资源、工序和

9、产品结构能够高度集成;(3工艺规划可以量化地进行产能分析、定额分配和设备布局设计和优化;(4所有工艺信息可以在企业内部和整个企业供应链环节中为所有相关人员实现高度共享。在C I M S工程应用推广中我们深刻体会到,要完全完善地构造制造企业的信息化平台,必须在企业中实施数字化工厂技术平台。数字化工厂系统(D igital Fact ory Syste m,DFS作为一个制造企业综合的生产制造过程工艺信息管理系统,包含工厂规划、工艺规划、仿真优化等内容,势必要成为企业信息化平台的组成部分。数字化工厂系统是一个完整的工艺信息平台,在此之上,可以规划整个制造过程的全部信息。在整个制造企业的信息平台构架

10、中,数字化工厂系统起着一个新颖、独特而又关键的作用,是现代制造企业全面提升信息化进程的重要需求点2。1.3数字化工厂解决方案数字化工厂系统是一个制造企业综合的生产制造过程工艺信息管理系统,是C AD与CA M之间的桥梁,能很好的将各种定制化的C APP系统集成并融合到制造过程管理之中,形成完整的协同的设计、规划和制造分系统。实现设计BO M向制造BO M的平滑过渡,实现加工过程中的资源、项目和时间的合理配置。将工艺设计延伸到生产管理之中。数字化工厂技术是以工艺规划和生产线规划为核心,根据虚拟制造系统的原理,通过提供虚拟产品开发环境,利用计算机技术和网络技术,实现产品生命周期中的设计、制造、装配

11、、质量控制和检测等各个阶段的功能,达到缩短新产品的上市时间、降低成本、优化设计、提高生产效率和产品的质量3。DFS可以全面实现制造过程管理(M P M。M P M 也可称为数字化制造,主要解决的是产品工艺的设计与优化、车间生产过程的仿真优化等。也就是说C AD/ P D M是解决“生产什么”,M P M是解决“如何生产”, ERP是解决“何时、何地生产”。制造过程管理(M P M是产品生命周期管理平台的一个关键部分。e M-Po wer软件是是实现数字化工厂的软件支持平台。在这个平台上,计划和工艺人员可以采用组群工作的方式,采用计算机仿真的技术手段模拟产品的整个生产制造过程,在三维虚拟环境中,

12、验证设计和制造方案的可行性,尽早发现并解决潜在的问题,为实际的生产组织提供优化的方式指导4。CAD数据、加工工艺和预计的生产计划作为输入,如图1,通过优化仿真系统进行制造过程的模拟,对产品的设计和制造过程进行评价。这将有助于缩短新产品开发周期、提高产品质量 、降低开发和生产成本,降低决策风险。图1e M-Power与外部系统(CAD与ERP数据交换e M-Power中的功能模块(如图2主要包括:工艺规划e M-Planner、生产物流过程分析仿真e M-Plant、生产线布局规划e M-Workp lace、装配过程仿真分析e M-A sse mbly、人机工程分析仿真e M-Human 等。

13、这些功能模块建立在统一的数据库e MServer中,支持整个制造过程中的应用软件和信息共享。1.4建立完整的制造企业信息化集成平台我们根据离散制造业的特点,提出以制造过程管理为核心的CAD/P DM/DFS/CAM集成构建企业级的信息集成系统。系统协调运行在企业制造过程的各个环节,如图2。CAD是以产品结构(零件为核心来组织产品数据P DM的数据来源,实现知识驱动的产品设计工程。DFS可以从CAD和P DM系统中获取产品数据(E BOM,并返回工艺数据到P DM,输出制造物料清单(MBOM到ERP,也能从ERP系统中获取生产计划数据,在设备数字化环境中对产品生产过程进行仿真分析,并将仿真和优化

14、结果反馈到ERP系统中,给出系统生产能力方面的验证。P DM(S marTeam系统将EBOM、产品配置、MBOM 和在工艺制造设计阶段产生的产品加工路线Routing 传递给ERP系统,ERP系统安排企业的生产经营活动(如进料、加工、装配和成本核算等协同企业各部门之间的工作。同时ERP产生的CBOM信息需要传递给P DM系统,由P DM系统进行管理和维护,并提供资源访问。此外,保证MBOM、CBOM及Routing在两系统中的一致性。整个系统可以描述为:CAD系统从几何造型变为产品和产品相关知识的创建和优化,从“产品几何信41图2完整的制造企业信息化集成平台息”到“产品-流程-资源整合信息数

15、据”;e M-Power 是生产制造过程工艺信息管理系统,是CAD与CAM 之间的桥梁,同时集成定制化的CAPP系统,并融合到产品生命周期管理之中,实现制造过程管理;ERP系统有助于带动企业的管理创新和组织创新。基于P DM 理念的S marTea m系统提供协同产品设计、制造和管理的平台,是产品创新与协同管理平台。2D FS系统与PDM的集成技术2.1PDM系统企业级P DM系统管理着整个企业的所有产品数据,支持产品各个生命周期的数据管理过程,企业各个应用系统(设计、制造、经营、服务等都构造在P DM系统之上,可保证产品的所有数据(即从市场开发到设计、制造、销售,一直到服务整个产品生命周期的

16、数据的有效性、完整性、最新性及共享性,这是集成系统的核心问题。S marTea m软件支持P DM解决方案,具有快速实施、可扩展性的,可客户化,它能够在设计和制造过程中跟踪和管理大量的数据,达到支持和维护产品的目的5。2.2D FS与PDM平台集成的实现在实施“数字化工厂:面向复杂制造系统集成信息系统建模与优化”项目的过程中,我们认识到,e M-Planner模块的初始数据是产品结构树,也即通常所说的BOM(B ill of Materiel,如果没能与P DM及CAX实现集成,要手工输入BOM的话,要花费很大的人力物力。所以要在P DM/CAX/ERP信息系统平台整合e M-Power,关键

17、是要解决e M-Power的其他信息系统的集成问题,这里主要是e M-Power与P DM系统的集成,包括如何实现数据访问/传递控制、如何实现数据交换的标准、如何规定统一的数据格式等,因为信息平台与文件格式的互异性成为企业信息孤岛的最大障碍。其中信息集成的主要内容是BOM表,包括E BOM和MBOM。由于BOM表是存储产品数据及结构的基础数据库,所以实现企业信息系统的集成关键是实现BOM表的集成6。P DM中包含了许多数据,而DFS系统需要的是CAD设计图纸、零件图档信息和产品BOM表(EBOM或P BOM。数字化工厂软件与P DM的集成内容主要包括:把P DM中由CAD生成的产品结构与零件属

18、性信息传递到数字化工厂软件系统中,零件属性信息作为机械加工工艺卡片中的表头信息,产品结构树用来确定工艺过程与工序所需的零部件;提取DFS中产生的工艺数据放入P DM的工艺路线数据库中,生成ERP系统所需的制造BOM数据,统计所用的刀具、夹具、量具和工时等。P DM与ERP的集成功能已经研究得很成熟了,主要也是BOM表的集成,还包括文档的集成、工作流的集成等。对于DFS与P DM之间的集成可以有多种方案,如基于STEP标准文件格式的集成方案,基于CORBA技术的集成方案,基于数据库的集成方案,基于X ML的集成方案,可用到的集成技术包括中性文件交换技术,如STEP技术和X ML技术,CORBA技

19、术和中间件技术等,这里的中间件是指开发基于数据库的数据交换组件7。方案一和方案二由于它们的技术不够成熟或开发要求很高,将造成实施难度大,成本高,而集成层次却较低。根据CAX、P DM、DFS和ERP 系统在我国的运用情况和信息集成要求,在此选择方案三、四来实现C I M S环境下的P DM、DFS系统的信息集成。本文主要讨论基于数据库的集成方案。S marTea m数据库是一个非常庞大的数据库,大约由四百张表组成,属性名称以T DM开头的表,都为系统自动创建,用户不能删除的。S marTea m数据库虽然庞大,但结构非常清晰。它把所有的数据都分成了类和子类,每一张表都对应一个类或子类。主要的类

20、有:项目类、文档类、零件类、物料类、工作流类、用户类、表关系类等。比如,Parts类又包括standard parts(标准件、Component(组件、Mechanical(机械件等子类。51 e MPower 数据库是基于O racle 8i,庞大但有迹可寻。它也是和S marTea m 数据库一样,是分类来建表的。 本文的数据库组件开发均采用.NET 平台来进行编写,使用C#+ADO.Net 技术。这两个系统中的BOM 表都是一个描述产品父子关系的表,其主要字段为物料号、父件号和相应的数量等。在生成组件时,可将BOM 表及其中的字段作为组件的类对象,给出访问这些对象的具体实现方法,并在接

21、口中描述访问该对象的方法和属性,最后按照DLL 或EXE 的形式将其编译生成服务器组件。在客户端,只要调用组件给出的接口就可以实现对BOM 表的操作。组件原理图如图3所示。在这里接口组件要实现的功能有:(1将E BOM 从S marTea m 数据库导入到e M -Po wer 数据库;就是要将S marTea m 数据库中的Ite m s_Tree 中的数据根据用户的要求导入到e M -Power 数据库中的Part 表中;(2将与EBOM 相关的各种文档信息导入到e M -Po wer 数据库;就是要将S marTea m 数据库中的T N _DOCUME NT ATI O N 中的相应的

22、数据导入到e M -Power 数据库中的External_Document 数据库中。 图3数据库访问组件结构图该图由三层构成,首先是“表示层”,即图中的数据集成界面,它是一个如图4所示的用户界面,用户可以在左边窗口中选择要导入到e M -Power 数据库中BOM 表或子BOM 表,然后再在右边窗口中选择要导入到e M -Power 中的项目号。第二层是由一些业务规则构成,即图中的项目树组件和数据传输组件。项目树组件主要用来显示界面中的项目树及其下面的BOM 表。数据传输组件是数据集成中的核心组件,它实现把EBOM 及相关文档信息从S marTea m 数据库拷贝到e M -Po wer

23、数据库中的功能,即要把S marTea m 数据库中Ite m s_Tree 视图中的数据和T N _DOCUMENT ATI O N 中的数据导入到e M -Po wer 数据库中的Parts 表和External_Docu ment 表中。第三层是数据服务层,数据库访问组件封装了所有业务层组件要用到的数据库操作。这样,业务对象被设计成独立于数据源,通过调用数据服务组件提供的方法来访问数据,而不必和数据存储器直接打交道。基于数据库的集成方案是非常有效的集成方式,只要集成数据完整、正确地表达了P DM 、DFS 及ERP 集成的信息,就能很好地实现P DM 、DFS 及ERP 系统间的无缝集成,达到产品信息的共享。图4直接数据库访问界面图3总结本文研究了数字化工厂系统(DFS 的体系框架及功能特点,分析了DFS 在生产工艺信息规划和管理和制造过程管理(MP M 中的作用,指出将DFS 集成到P DM /CAX /ERP 系统是制造业信息化系统发展的迫切要求,并在此基础上建立了基于P DM /CAX /ERP /DFS 的完整的制造企业信息化集成平台。实现制造企业内部畅通信息流的和信息资源在产品制造生命周期的信息共享,同时实现DFS 与P DM 的集成。参