面向離散制造業(yè)的系統(tǒng)集成方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳 斌，鄧 琎

(1.中國船舶集團(tuán)有限公司 第705研究所，云南 昆明 650101；2.云南省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院 云南省機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明，650000)

隨著市場競爭日益加劇，離散制造業(yè)需逐漸適應(yīng)多品種、小批量、定制化的生產(chǎn)需求，實(shí)施企業(yè)信息化成為廣大制造企業(yè)的必然選擇.制造業(yè)信息化，就是以信息技術(shù)運(yùn)用于企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、管理、銷售和維護(hù)的全過程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品整個(gè)生命周期的管理，以提高制造企業(yè)的綜合競爭力.

CAD、CAPP、PDM、MES、ERP[1-4]等構(gòu)成了覆蓋企業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、供應(yīng)鏈、企業(yè)資源管理等全流程信息化管理過程.雖然這些系統(tǒng)各應(yīng)用于不同的制造環(huán)節(jié)，面向不同對(duì)象管理，但它們之間存在很多交叉業(yè)務(wù)，甚至存在著重復(fù)的信息和數(shù)據(jù).而各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)多是分時(shí)期、分階段投入運(yùn)行的，相互獨(dú)立運(yùn)行，存在“信息孤島”.企業(yè)各系統(tǒng)間信息和數(shù)據(jù)更新不同步甚至不一致，使得數(shù)據(jù)不能自動(dòng)傳遞、缺乏有效的關(guān)聯(lián)和共享，造成業(yè)務(wù)協(xié)同水平低，市場和制造環(huán)節(jié)存在信息落差等問題，對(duì)企業(yè)總體運(yùn)營造成影響，不利于企業(yè)在內(nèi)部信息化建設(shè)中建立競爭力.

為了避免“信息孤島”，解決企業(yè)信息資源管理難題，以某離散制造企業(yè)為例，結(jié)合當(dāng)前企業(yè)信息系統(tǒng)構(gòu)建運(yùn)行情況，提出面向離散制造業(yè)的多系統(tǒng)集成方案的設(shè)計(jì)、各主要系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，最后對(duì)系統(tǒng)集成實(shí)施情況進(jìn)行總結(jié).

1 企業(yè)主要信息系統(tǒng)介紹

CAD/CAPP/PDM等是企業(yè)主要應(yīng)用的研發(fā)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，積累了大量設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資源，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)較為獨(dú)立，CAD與CAPP應(yīng)用于不同部門，設(shè)計(jì)圖紙通過紙質(zhì)方式流轉(zhuǎn)，存在著諸多不便，不利于設(shè)計(jì)資源的管理和設(shè)計(jì)資源的積淀.系統(tǒng)間尚未形成有效聯(lián)系，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，把設(shè)計(jì)與工藝連接起來，增強(qiáng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的緊密連貫性，在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)實(shí)施CAD/CAPP/PDM等系統(tǒng)的集成是必然選擇.統(tǒng)一編碼平臺(tái)[5-7]是獨(dú)立于各信息系統(tǒng)之外的企業(yè)信息編碼管理平臺(tái)，作為基礎(chǔ)資源共享平臺(tái)，物料代碼及代碼信息能被CAPP/PDM/ERP/MES等信息系統(tǒng)提取和使用，統(tǒng)一編碼平臺(tái)的實(shí)施能夠規(guī)范企業(yè)編碼，為系統(tǒng)集成和整合資源提供標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)資源池.

MES、ERP是企業(yè)的主要管理信息系統(tǒng)，二者定位不同，ERP是面向企業(yè)層的資源管理信息系統(tǒng)，通常涵蓋了財(cái)務(wù)、生產(chǎn)、采購與銷售3大模塊，以客戶訂單、市場需求等為計(jì)劃源頭，統(tǒng)籌企業(yè)資源配置，提升企業(yè)運(yùn)行效率，其中ERP發(fā)展過程中分為2個(gè)階段：MRP階段，即物料需求計(jì)劃階段，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，制定物料需求供應(yīng)計(jì)劃，以優(yōu)化或減少庫存；MRPII階段，增加了生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)品加工工時(shí)、人力資源和生產(chǎn)能力等方面的管理，達(dá)到生產(chǎn)、供應(yīng)和銷售整個(gè)過程的信息服務(wù).企業(yè)MES系統(tǒng)上線運(yùn)行已積累了一定量的生產(chǎn)BOM資源，具有生產(chǎn)計(jì)劃管理、作業(yè)計(jì)劃管理、制造資源管理、工時(shí)成本管理等功能模塊.MES系統(tǒng)在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)尚未實(shí)施CAPP前，提供了BOM構(gòu)建功能，未實(shí)施集成前也是獨(dú)立工作的一個(gè)系統(tǒng)，在對(duì)車間管控方面取得一定成效.

2 實(shí)系統(tǒng)集成的必要性

對(duì) ERP 系統(tǒng)而言，主要解決生產(chǎn)計(jì)劃問題，但是在面向車間層管理場景時(shí)，往往暴露出功能薄弱的缺點(diǎn)，無法及時(shí)有效組織車間調(diào)度管理.也正是因此，MES逐步發(fā)展壯大，MES 在車間層和單元層分級(jí)制定作業(yè)計(jì)劃方面具有自己的優(yōu)勢.MES 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車間的每臺(tái)設(shè)備或操作人員分派任務(wù)，MES 中的調(diào)度單對(duì)車間加工單在時(shí)間和空間范圍內(nèi)的進(jìn)一步分解，將其細(xì)化到計(jì)劃期內(nèi)每個(gè)單元每臺(tái)設(shè)備每天的生產(chǎn)任務(wù).同時(shí)，以分派工單的形式把第2天或下一班的生產(chǎn)任務(wù)分派到每一個(gè)操作人員(或設(shè)備)上.而且，MES 系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)不僅包括每臺(tái)設(shè)備、每個(gè)工序和每個(gè)操作人員的數(shù)據(jù)，還包括加工過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)，而且由于采用自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集技術(shù)，使?fàn)顟B(tài)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)采集，并經(jīng)過匯總得到整個(gè)工廠的生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù).MES 系統(tǒng)所具有的獨(dú)特技術(shù)也保證了其能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能.CAPP/PDM一般較早應(yīng)用于企業(yè)，是生產(chǎn)資源的前端，是MES等系統(tǒng)設(shè)計(jì)資源和任務(wù)的來源，企業(yè)一體化管控離不開各個(gè)子系統(tǒng)的集成，從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到銷控等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)信息流的互通，并建立反饋機(jī)制.盡管各系統(tǒng)的推廣取得了一定效果，但沒有系統(tǒng)的集成，系統(tǒng)間缺乏聯(lián)動(dòng)和信息集成統(tǒng)一，不可避免地造成系統(tǒng)間信息和數(shù)據(jù)更新不同步甚至不一致等問題[8-10].

3 系統(tǒng)集成方法對(duì)比分析

數(shù)據(jù)集成的主要內(nèi)容是基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的不同硬件、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、應(yīng)用軟件組成的異構(gòu)數(shù)據(jù)處理環(huán)境下的數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)庫的模式、查詢語言、事務(wù)處理、并發(fā)性控制與數(shù)據(jù)庫狀態(tài)的一致性維護(hù)等一系列問題的集成.實(shí)施系統(tǒng)集成的目的是提供一個(gè)統(tǒng)一的、集中的視圖，確保應(yīng)用之間的互操作性，以解決跨平臺(tái)、多結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的集成問題，幫助企業(yè)提高數(shù)據(jù)資源的集成水平.CAPP、MES與ERP等系統(tǒng)的集成沒有最佳方案，企業(yè)應(yīng)該根據(jù)自己的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和目標(biāo)需求確定解決方案.通過對(duì)企業(yè)的運(yùn)營模式、發(fā)展目標(biāo)和業(yè)務(wù)過程作充分的研究，確定信息如何共享、交換以此保證信息的正確傳輸.為此綜合各方面的研究和實(shí)用成果，可以將系統(tǒng)的集成方法分為以下幾種[11-13].

表1 系統(tǒng)集成方法對(duì)比列表

續(xù)表1

4 企業(yè)信息系統(tǒng)集成總體方案設(shè)計(jì)

結(jié)合企業(yè)業(yè)務(wù)聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)統(tǒng)一性等要求，設(shè)計(jì)企業(yè)信息系統(tǒng)集成總體方案如圖1所示：初步實(shí)現(xiàn)物資統(tǒng)一編碼平臺(tái)、CAPP、MES、ERP以及WMS系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)集成與交互，支持企業(yè)技術(shù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造以及經(jīng)營管理的信息化系統(tǒng)集成一體化運(yùn)行目標(biāo).

圖1 企業(yè)信息系統(tǒng)集成總體方案

5 主要系統(tǒng)集成業(yè)務(wù)流程與技術(shù)實(shí)現(xiàn)

5.1 產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)管理業(yè)務(wù)流程

產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)管理業(yè)務(wù)流程如圖2所示，考慮到MES中已有運(yùn)行的產(chǎn)品BOM，在搭建產(chǎn)品BOM過程中，實(shí)際情況分為“有BOM”和“無BOM”兩種情況，系統(tǒng)上線后都需按要求搭建產(chǎn)品BOM.在CAPP中BOM調(diào)整后，MES根據(jù)修正后BOM生成新版本，同時(shí)禁用老版本.MES系統(tǒng)集成BOM后，再傳遞給ERP系統(tǒng).

圖2 產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)管理業(yè)務(wù)流程

5.2 產(chǎn)品生產(chǎn)制造管理業(yè)務(wù)流程

企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)制造管理業(yè)務(wù)流程如圖3所示，MES從CAPP/PDM接收物料信息、制造BOM、工藝信息等，下達(dá)生產(chǎn)計(jì)劃，組織車間資源實(shí)施生產(chǎn)，并將生產(chǎn)訂單、請(qǐng)購單等信息傳遞給ERP，形成系統(tǒng)信息的集成，增強(qiáng)企業(yè)敏捷制造能力.

圖3 產(chǎn)品生產(chǎn)制作管理業(yè)務(wù)流程

5.3 系統(tǒng)集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線

參照上述對(duì)系統(tǒng)集成方法的比較情況，綜合考慮企業(yè)主要信息系統(tǒng)集成需求和集成開發(fā)實(shí)施的難易度，企業(yè)主要采取中間數(shù)據(jù)庫的集成方法實(shí)施集成，其中主要包括系統(tǒng)運(yùn)行所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成和系統(tǒng)間交互業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成兩方面[14-15].

1)系統(tǒng)運(yùn)行所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成(見圖4).

2)系統(tǒng)間交互業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成(見圖5).

圖4 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成流程 圖5 系統(tǒng)間交互業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成流程

6 結(jié)語

離散制造業(yè)自身的特性導(dǎo)致生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度困難，企業(yè)生產(chǎn)管理與信息化建設(shè)是一個(gè)持續(xù)完善的過程，通過實(shí)施CAPP/PDM/MES/ERP等系統(tǒng)集成，打通了企業(yè)內(nèi)部信息流，構(gòu)建了從企業(yè)計(jì)劃、研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造的一體化集成框架.實(shí)施系統(tǒng)集成，并通過統(tǒng)一編碼平臺(tái)規(guī)范數(shù)據(jù)管理，為企業(yè)提升數(shù)據(jù)質(zhì)量和信息資源的利用打好了基礎(chǔ).但由于各系統(tǒng)是分時(shí)期分階段投入運(yùn)行的，系統(tǒng)集成上線運(yùn)行時(shí)間有限等多方面因素，仍需解決系統(tǒng)運(yùn)行中可能存在的問題.前期各系統(tǒng)的孤立和功能重疊，導(dǎo)致同一產(chǎn)品的BOM出現(xiàn)不一致的情況，相似產(chǎn)品BOM差異很小、特征不明顯而未做區(qū)分造成BOM數(shù)據(jù)的不統(tǒng)一，系統(tǒng)集成前建立的設(shè)計(jì)資源、BOM樹資源的遷移，三維圖形特征提取等都是系統(tǒng)集成面臨的局部待解決問題，文中特別針對(duì)產(chǎn)品BOM等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)操作規(guī)范進(jìn)行了說明.系統(tǒng)集成沒有最佳方案，文中對(duì)系統(tǒng)集成方法進(jìn)行了對(duì)比分析，企業(yè)應(yīng)該根據(jù)自己的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境和目標(biāo)需求確定解決方案，把握亟待解決的痛點(diǎn)問題，統(tǒng)籌全局，特別是注重基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性，數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的合理性等，逐步展開實(shí)施.