制造企业信息集成系统

1、第二讲 CIMS的新发展：制造企业信息集成系统主讲人：长安大学工程机械学院 蔡宗琰 教授制造企业信息集成系统是由国际制造企业信息集成系统联合会（Manufacturing Enterprise Solution Associations International, MESA International）于2003年提出的，并已得到各种类型的制造企业、信息系统技术开发商的认可和积极响应。积极响应MESA International的信息系统技术开发商主要包括企业资源计划（Enterprise Resources Planning, ERP）、产品生命周期管理(Product Lifecycle

2、 Management, PLM)、供应链管理（Supply Chain Management, SCM）、客户关系管理(Customer Relationship Management, CRM)、制造执行系统(Manufacturing Execution System)、网络基础结构等方面的开发商。虽然MESA International还没有提出制造企业信息集成系统的定义和功能模型，但分析MESA International各成员提供的技术方案，可以发现制造企业信息集成系统是计算机集成制造理念的发展和体现，是实现企业的全面信息集成和优化运行的重要理念。1 制造企业信息集成系统的组成制造

3、企业信息集成系统的模型提供了企业全面信息集成和优化运行的框架，如图1所示。该模型基于产品生命周期管理的理念，在信息集成支撑系统的支持下，实现企业的管理信息系统、工程设计系统、制造执行系统和车间底层控制之间的全面信息集成。图1 制造企业信息集成系统的模型根据制造企业信息集成系统的模型，制造企业信息集成系统由企业资源计划系统、工程设计系统、制造执行系统、车间底层控制和信息集成支撑系统等五个系统组成。现分别介绍制造企业信息集成系统各组成系统的功能。2 企业资源计划系统企业资源计划系统是一个有效利用和管理企业整体资源的管理信息系统，它可由生产管理控制、库存管理控制、经营预测、采购管理、销售管理、质量管

4、理、成本管理、设备管理、会计核算、固定资产管理、财务管理、人力资源管理和基础数据管理等基本功能组成，如图2所示。其中，生产管理控制主要包括主生 图2 企业资源计划系统的组成产计划、物料需求计划、能力需求计划、车间控制和制造标准等子功能。采购管理主要包括供应商管理、采购计划管理、采购订单管理、采购收货管理等子功能。销售管理主要包括销售计划管理、销售订单管理、销售服务管理和收发货管理等子功能。质量管理主要包括质量标准管理、质量检验、质量分析和质量控制等子功能。库存管理主要包括库存准备计划、库存操作处理等子功能。会计核算功能主要总帐、应收帐、应付帐、现金管理、工资核算、固定资产核算和成本核算等子功能

5、；财务管理功能主要包括财务计划、财务分析和财务决策等子功能；人力资源管理主要包括人力资源规划、招聘管理、培训计划、人力资源考核和人事管理等子功能。此外，有的ERP系统还向SCM和CRM扩展，包括了供应链管理和客户关系管理的全部功能。3 工程设计系统3.1工程设计系统的组成工程设计系统的主要任务是产品和工装设计及其仿真优化、零件制造工艺和产品（部件）装配工艺设计、零件数控加工程序设计等。工程设计系统可通过产品数据管理（PDM）系统来集成计算机辅助设计（CAD）/计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助工艺设计（CAPP）和计算机辅助制造（CAM）等计算机辅助工具系统来实现。因此，工程设计系统可由PD

6、M系统、CAD/CAE系统、CAPP系统 和CAM系统等计算机辅助工具系统组成，如图3所示。CAD/CAE系统由CAD系统和CAE系统组成。CAPP系统包括技术准备计划、制造工艺设计、装配工艺设计、典型零件成组管理、基础工艺数据管理和工艺信息统计等功能。CAM系统（NC程序自动生成部分）包括工艺过程规划信息输入、NC处理程序、刀位文件生成、NC后置处理程序、刀具轨迹仿真和NC程序编辑等功能。图3 工程设计系统的组成3.2 PDM系统的功能PDM系统是3C(CAD/CAPP/CAM)系统的信息集成平台。在制造企业信息集成系统的框架下，一个完善的PDM系统应具备对技术过程（主要是更改、检验和发放过

7、程）进行控制、支持并行工程工作机制、在产品全生命周期中利用配置管理对虚拟的产品模型进行无缝集成和全面质量管理等功能。总结某企业CIMS工程规划与实施的经验，我们认为一个功能完善的PDM系统应包括文档管理、产品浏览和批注、零件分类管理、产品结构管理、工作流管理、项目管理、配置管理、系统管理和应用集成等应用模块，如图4所示。各应用模块的功能要求如下：图4 结构化的PDM应用模块文档管理：文档管理应具备的功能是：文档创建、更新、删除和另存；文件柜/文件夹管理、文档分类管理和复合文档管理；URL管理、文档参考关系管理、文档BOM和文档与工作流程关联，文档与变更信息关联、文档版本控制和比较、版本成熟度管

8、理；文档订阅机制，基于文件柜、文档分类、中文全文、信息之间关联、成组技术的分类检索，二维图形、三维CAD、CAPP的浏览，浏览工具与企业级产品数据管理系统集成；异地协同讨论、网络会议、虚拟服务器、LDAP用户验证、静态权限配置、动态权限授权、操作日志记录、报表输出管理、文档索引规则、文档通知规则和Office工具集成；电子文档的档案管理；产品浏览和批注：产品浏览和批注应具备的功能是：二维图档的查看和批注、三维图形的转换、CAD数据转换和压缩；CAD数据浏览，三维基本装配、拖动、移动、旋转、爆炸、动画仿真、动态剖切、尺寸测量、静态干涉检查、软硬干涉检查、批注、水印、属性查询、质量惯性、截面显示、

9、间隙检查，异地协同设计；CAPP的浏览和批注。零件分类管理：零件分类管理应具备的功能是：灵活配置零件属性及单位；批量的零件数据导入和分类。产品结构管理：产品结构管理应具备的功能是：零件的手工创建、产品结构的手工创建；CAD工具集成创建零件和产品结构、产品结构和其它信息的关联；产品结构的正向/逆向展开、BOM比较；产品明细打印、产品结构批注；多种BOM视图管理及报表输出、互换件/替换件管理。工作流管理：工作流管理应具备的功能是：工作流程模版创建和版本控制、工作流程编辑、流程任务控制机制、日历支持；支持CAPP的流程定义和审批，在设计流程完成后自动转入工艺设计，对数控机械加工工艺CAPP完成后能自

10、动转入NC程序生成；支持转阶段的文档管理、不同阶段的EBOM和MBOM的自动汇总；任务接收和执行、E-mail的集成、任务转发、任务委派、指定后续任务执行人、流程历史记录、流程与文档关联、启动/暂停/终止流程、流程进度监控。项目管理：项目管理应具备的功能是：项目任务分解、角色的定义和用户指派、项目资源定义、项目管理流程定义项目执行进度管理、项目预警和提示、项目执行报告管理、项目进度与技术文档管理、项目讨论区、项目文档集中存储项目管理、文档管理和流程管理的集成。配置管理：配置管理应具备的功能是：产品生命周期数据管理配置标识、配置监视、配置簿记和配置评价产品配置系统管理：系统管理应具备的功能是：

11、产品系列定义、权限控制发布评审管理输出结果、数据安全管理。系统集成与接口：系统集成与接口应具备的功能是：与CAD紧密集成,与CAE、CAM、CAT和Office应用封装,并能与产品结构树挂接；实现与CAPP的应用封装和接口集成，能管理CAPP文档、并对CAPP中各类数据进行汇总，实现与PDM中各类BOM的互动，并能通过报表工具输出；与OA系统能互通E-mail；支持企业编码实施方案，编码系统能与企业其它系统进行集成；提供ERP/MES的各类BOM数据接口；实现向MES提供正确版本的NC程序代码；支持向各种关系数据库和其它数据系统导入和导出；支持CAD/CAPP/CAM等各类应用文件的检入和检出

12、。3.3 CAD/CAE子系统的功能CAD/CAE子系统主要包括CAD系统和CAE系统，其应完成的主要功能如下： CAD子系统：进行产品的三维几何造型和特征造型、基于PDM的产品并行设计和异地协同设计、基于PDM的零部件设计信息共享，通过PDM实现与CAPP、ERP和制造执行系统的集成。CAE子系统：根据产品设计要求，完成产品零部件的有限元分析、边界元分析、机构运动分析、动力学分析和强度分析等工程分析和计算任务。3.4 CAPP子系统的功能计算机辅助工艺设计（CAPP）子系统包括技术准备计划、制造工艺设计、装配工艺设计、典型工艺成组管理、基础工艺数据管理和工艺信息统计等六个模块（图3），其应完

13、成的主要功能如下： 技术准备计划：根据设计部门或外协单位提供的产品设计信息，进行产品工艺的总体设计，制订产品总工艺方案。根据产品总工艺方案，进行工艺计划，生成粗工艺路线。在明确零部件的生产顺序、零件的加工顺序和配套关系后制定工艺技术准备计划。制造工艺设计：从CAD系统自动获得零件工艺设计的相关信息，生成零件工艺规程、加工工艺路线、加工工序卡、加工工步卡和工序图等制造工艺文件，制定工艺参数，选择工艺装备，计算工时定额，并输出制造工艺文件。装配工艺设计：从CAD系统自动获得产品装配工艺设计的相关信息，生成产品装配工艺规程、装配工艺路线、装配工序卡、装配工步卡和装配工序图等装配工艺文件，制定装配工艺

14、参数，选择装配工艺装备，计算装配工时定额，并输出装配工艺文件。典型工艺成组管理：针对零件相似性，利用产品信息编码技术和成组技术，借助零件工艺设计数据库对产品零件进行典型工艺设计和成组工艺设计。基础工艺数据管理：主要是制造资源和工艺设计资源的管理。制造资源包括各种制造装备、刀具、模具、夹具和专用量具等。工艺设计资源包括各种工艺知识数据库和工艺参数知识数据库等。工艺信息统计：统计汇总刀具、量具、模具和夹具等工艺装备信息，工艺路线、工艺规程、临时工艺路线和材料消耗定额等工艺信息和工时信息，并制订工艺信息统计汇总表。3.5 CAM子系统的功能CAM子系统包括工艺过程规划信息输入、NC程序编制、刀位数据

15、文件生成与仿真、NC后置处理和NC程序编辑与管理等模块（图3），其应完成的主要功能如下：工艺过程规划信息输入：实现和CAD系统、CAPP系统的全面集成，从CAD系统获取零件设计信息，从CAPP系统获取零件工艺信息，为NC程序设计提供依据。NC程序编制：根据零件设计信息和工艺信息，自动生成零件加工的NC程序。刀位数据文件生成与仿真：根据零件加工的NC程序，生成适合各种数控机床的刀位数据文件，并进行刀具轨迹仿真。NC后置处理：经过刀具轨迹仿真确认后，NC后置处理程序根据刀位数据文件生成适用于某台特定NC机床的NC加工程序代码，并通过PDM系统管理NC程序。NC程序编辑与管理：在首件试切后，对NC程

16、序进行编辑和修改。保存NC程序的编辑和修改结果，并反馈给制造执行系统。4车间底层控制车间底层控制是混合的硬件/软件系统，通常包括：可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller, PLC）、分布式控制系统（Distributed Control System, DCS）、计算机数控（Computerized Numerical Control, CNC）、分布式数控（Distributed Numerical Control, DNC）、监控控制与数据采集（Supervisory Control and Data Acquisition System, SCADA

17、）系统、机器人技术系统、材料传送系统和其它旨在完成生产任务的计算机化的过程控制。5 信息集成支撑系统制造企业信息集成系统的本质特征是信息集成和系统优化。实施信息集成的技术包括计算机网络技术、分布式数据库技术和软件技术等，但其信息集成的支撑技术应为计算机网络和分布式数据库技术。因此，制造企业信息集成系统的信息集成支撑系统是计算机网络和分布式数据库系统。信息集成支撑系统的功能是支持制造企业信息集成系统各组成系统的无缝集成。实现这种集成的关键技术是Java BeanJ2EE、CORBA 和DCOMMicrosoft .NET等分布式对象技术。在以上制造企业信息集成系统的各组成系统中，信息集成支撑系统为企业信息的全面集成提供支撑平台，而产品生命周期管理则为制造企业信息集成系统提供了一种面向产品全生命周期管理的理念。工程设计系统实现企业产品设计制造的技术支持和保证，而企业资源计划系统（包括供应链管理和客户关系管理）则是企业级管理信息系统，两者的全面集成实现了企业级技术信息和管理信息的全面集成。车间底层控制本质上是对车间设备的重复动作的控制。由此可见，以上所列的制造企业信息集成系统的各个系统不能有效实现车间生产管理控制的功能。而车间是企业生产任务的直接完成单位，