制造數(shù)據(jù)是指企業(yè)中與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理等密切相關(guān)的各種資料和數(shù)據(jù)，主要包括物料主文件、物料清單、工廠行程、產(chǎn)品工藝、設(shè)備資源和工廠日歷等信息。它們既是指導(dǎo)產(chǎn)品生產(chǎn)的重要依據(jù)，也是產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)中的重要內(nèi)容。通過Intranet對(duì)企業(yè)的各種制造數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，不僅有利于企業(yè)內(nèi)不同部門之間的信息共享和集成，也便于對(duì)產(chǎn)品的各種數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，為提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提供翔實(shí)可靠的依據(jù)。目前，許多企業(yè)正在或已經(jīng)實(shí)施PDM系統(tǒng)，但PDM主要面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的管理�？紤]到PDM系統(tǒng)每個(gè)結(jié)點(diǎn)的高額費(fèi)用問題，實(shí)施時(shí)基本局限于工廠的設(shè)計(jì)和工藝等少數(shù)部門，不能真正對(duì)全廠各生產(chǎn)車間和職能部門迫切需要的制造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)提供有效的支持。
為此，我們應(yīng)用組件對(duì)象模型COM和可擴(kuò)展置標(biāo)語言(eXtewsible Markup Language，XML)技術(shù)，開發(fā)了一個(gè)面向離散型生產(chǎn)制造車間，應(yīng)用于制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)環(huán)境下的組件化制造數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)(Component integrated management system for manufacturing data，CMDIMS)，為MES提供有力的數(shù)據(jù)支持。作為車間層生產(chǎn)作業(yè)管理核心的MES可以看作是一個(gè)通信工具，一方面為其他應(yīng)用系統(tǒng)提供制造現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息；另一方面，MES也要從其他系統(tǒng)中獲取必要的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)保證了MES在車間的正常運(yùn)行。CMDIMS主要包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理、產(chǎn)品工藝管理、工作中心管理、工作日歷管理和用戶權(quán)限管理等業(yè)務(wù)邏輯組件，以及系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)訪問和報(bào)表處理等通用技術(shù)組件，下文將詳細(xì)介紹系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)以及實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
目前信息系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)主要有客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S)和瀏覽器/服務(wù)器(B/S)兩種模式。C/S結(jié)構(gòu)將應(yīng)用一分為二，服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理，客戶端完成與用戶的交互任務(wù)。C/S體系結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)操作和事務(wù)處理能力，模型簡單，易于理解和接受。但隨著企業(yè)規(guī)模的日益擴(kuò)大，軟件的復(fù)雜程度不斷提高，C/S結(jié)構(gòu)存在客戶端程序設(shè)計(jì)復(fù)雜，開發(fā)成本高，軟件移植、維護(hù)和升級(jí)困難等缺點(diǎn)�；赪eb的B/S體系結(jié)構(gòu)包括界面層、應(yīng)用邏輯層和數(shù)據(jù)層，用通用瀏覽器就實(shí)現(xiàn)了原來需要復(fù)雜的專用軟件才能實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)大功能，并節(jié)約了開發(fā)成本。基于B/S體系結(jié)構(gòu)的軟件，系統(tǒng)安裝、修改和維護(hù)全部在服務(wù)器端解決。用戶使用系統(tǒng)時(shí)，僅需要一個(gè)瀏覽器就可運(yùn)行全部模塊，真正達(dá)到“零客戶端”的功能，系統(tǒng)很容易在運(yùn)行時(shí)自動(dòng)升級(jí)。與C/S結(jié)構(gòu)相比,B/S結(jié)構(gòu)也存在諸如安全性難以控制、數(shù)據(jù)查詢響應(yīng)速度慢、數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)交互性不強(qiáng)、不利于在線事務(wù)處理(OLTP)等缺點(diǎn)。
鑒于以上考慮，系統(tǒng)采用基于Web的多層B/S模式(如圖1所示)，主要的業(yè)務(wù)邏輯均位于中間層。對(duì)于Web客戶端，瀏覽器可以通過Web服務(wù)器來訪問中間層的業(yè)務(wù)組件；對(duì)于非Web客戶端則可以直接訪問業(yè)務(wù)組件接口，所有對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問及操作需通過通用數(shù)據(jù)訪問組件以XML格式進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)層的分隔。
圖1 組件化制造數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
1.2 業(yè)務(wù)功能組件設(shè)計(jì)
(1)BOM管理。
BOM數(shù)據(jù)是整個(gè)MES系統(tǒng)中最重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是車間組織生產(chǎn)的重要依據(jù)，其格式設(shè)計(jì)的合理與否直接影響到系統(tǒng)的處理性能，因此，根據(jù)實(shí)際的使用環(huán)境，靈活地設(shè)計(jì)合理高效的BOM是十分重要的。在綜合考慮單層和多層BOM優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分為自然屬性和裝配關(guān)系分別進(jìn)行描述。其中物料的自然屬性以物料主文件的形式描述，產(chǎn)品的裝配關(guān)系則采用父子結(jié)構(gòu)的形式來描述。采用這種定義方式有助于提高BOM數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一致性和易維護(hù)性，并具有較低的數(shù)據(jù)冗余度。
系統(tǒng)以直觀的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹形式(如圖2所示)顯示組成產(chǎn)品的零部件所屬關(guān)系及其裝配數(shù)量，提供對(duì)基本物料屬性和產(chǎn)品組成結(jié)構(gòu)的維護(hù)與管理功能，包括物料主文件和物料清單的錄入、修改、刪除和報(bào)表打印等，BOM的單級(jí)、多級(jí)查詢和反查詢，以及版本管理和成批替換等功能。
圖2 BOM管理頁面
(2)工藝信息管理。
工藝信息是規(guī)定產(chǎn)品制造過程的綱領(lǐng)性文件，也是車間組織生產(chǎn)的重要依據(jù)，對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率起著至關(guān)重要的作用。系統(tǒng)分別對(duì)零件的加工工藝和部件的組裝工藝進(jìn)行了詳細(xì)描述，包括工藝版本、工藝序號(hào)、工序名稱、定額工時(shí)和相關(guān)設(shè)備、工具等信息，為MES系統(tǒng)中的作業(yè)分派提供基礎(chǔ)信息支持。對(duì)于部件的組裝工藝，每道工序還要涉及相關(guān)零部件及裝配數(shù)量的定義，用專門的數(shù)據(jù)表進(jìn)行定義，方便MES中部件派工時(shí)對(duì)物料齊套性的檢查。
在離散型制造車間中，存在大量的順序工序和并列工序問題，即工件的部分工序具有嚴(yán)格的先后順序約束，而部分工序之間沒有順序要求，可以隨機(jī)選擇加工。系統(tǒng)采用“工序相關(guān)性”的方式較好地描述了這一問題，即對(duì)每個(gè)工序定義其工序相關(guān)性。若工序相關(guān)性為TRUE，則執(zhí)行該工序時(shí)其前面的所有工序必須完成；若為FALSE，則該工序與前面的工序無順序要求，可并列進(jìn)行。另外，頁面提供對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹和物料基本屬性的支持，工藝人員可以對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中任意零部件的工藝信息進(jìn)行瀏覽、添加、修改、查詢以及工藝整體借用等操作。
(3)工作日歷管理。
工作日歷是MES系統(tǒng)中編制生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃和日生產(chǎn)調(diào)度的時(shí)間依據(jù)，主要包括對(duì)工作日和休息日的設(shè)定和維護(hù)，系統(tǒng)提供有效工作日計(jì)算、工作日歷查詢、公歷和廠歷換算等接口。
(4)工作中心管理。
該功能組件主要完成車間設(shè)備、工具和工裝等制造資源的管理，是企業(yè)編制工藝規(guī)程、制定生產(chǎn)計(jì)劃、控制產(chǎn)品制造等階段的重要信息依據(jù)。主要包括對(duì)資源的基本屬性、加工能力、所處狀態(tài)、負(fù)荷情況等的描述，可方便地進(jìn)行錄入、修改、刪除、查詢、統(tǒng)計(jì)和匯總打印等管理功能。同時(shí)提供必要的功能接口，方便工藝信息管理等組件或MES系統(tǒng)的調(diào)用。
(5)用戶權(quán)限設(shè)置。
系統(tǒng)管理員通過該功能組件完成對(duì)部門、用戶、登錄密碼的管理以及相應(yīng)的權(quán)限設(shè)置(查詢/瀏覽權(quán)限或修改/刪除權(quán)限等)，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。系統(tǒng)采用部門與用戶相結(jié)合的方式來管理，可為部門設(shè)置一定的權(quán)限，屬于該部門的用戶自動(dòng)繼承相應(yīng)的權(quán)限；另外，也可以根據(jù)實(shí)際需要單獨(dú)對(duì)每個(gè)用戶設(shè)置特殊的權(quán)限，只有具有權(quán)限的用戶才可以執(zhí)行相應(yīng)的操作。
1.3 通用技術(shù)組件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，將一些通用功能(如數(shù)據(jù)訪問、報(bào)表處理等)封裝成獨(dú)立的組件，為其他業(yè)務(wù)邏輯組件提供通用性支持。
(1)數(shù)據(jù)訪問組件�；赬ML和ADO.NET技術(shù)開發(fā)了通用數(shù)據(jù)訪問組件。ADO是Microsoft開發(fā)的一組優(yōu)化訪問數(shù)據(jù)庫的專用對(duì)象集，提供了完整的數(shù)據(jù)庫訪問解決方案。使用ADO對(duì)象(Connection，Command，DataAdaptor，DataSet等)建立和管理數(shù)據(jù)庫的連接，為業(yè)務(wù)邏輯層提供訪問數(shù)據(jù)的能力。業(yè)務(wù)功能組件需通過數(shù)據(jù)訪問組件從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，或執(zhí)行添加、更新、刪除等數(shù)據(jù)操作。用C#語言定義如下所示的數(shù)據(jù)實(shí)體操作接口IEntityDAO(繼承自IDisposable接口)和自定義數(shù)據(jù)實(shí)體類EntityData(繼承自DataSet類)。數(shù)據(jù)實(shí)體操作接口中封裝了控制數(shù)據(jù)的基本操作，如增加實(shí)體、修改實(shí)體、刪除實(shí)體和查詢實(shí)體等，為業(yè)務(wù)邏輯層提供數(shù)據(jù)操作服務(wù)。
(2)報(bào)表處理組件。針對(duì)系統(tǒng)的多個(gè)功能組件需要頻繁使用報(bào)表功能的需求，專門設(shè)計(jì)了通用的報(bào)表處理組件。該報(bào)表處理組件可以根據(jù)用戶設(shè)定實(shí)現(xiàn)報(bào)表的動(dòng)態(tài)生成，并可以根據(jù)用戶的需求將報(bào)表內(nèi)容按Word或Excel格式導(dǎo)出，方便用戶的進(jìn)一步處理。該組件主要包括數(shù)據(jù)存取和數(shù)據(jù)表現(xiàn)兩部分，數(shù)據(jù)存取負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫建立連接，獲取報(bào)表應(yīng)用要處理的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)表現(xiàn)則負(fù)責(zé)按照一定的格式在界面上顯示報(bào)表數(shù)據(jù)。
(3)系統(tǒng)配置組件。系統(tǒng)配置組件用來對(duì)系統(tǒng)的一些環(huán)境參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，并可對(duì)所有的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行管理和維護(hù)，提供其他功能組件對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的訪問接口，方便系統(tǒng)的快速實(shí)施。如設(shè)置和管理數(shù)據(jù)庫的訪問參數(shù)、系統(tǒng)管理員的訪問口令以及一些可選的系統(tǒng)參數(shù)等，從而有效地提高系統(tǒng)的可移植性和可擴(kuò)展性。
1.4 數(shù)據(jù)庫和安全性設(shè)計(jì)
采用不同的數(shù)據(jù)訪問組件，系統(tǒng)可以適應(yīng)于SQL Server，Oracle，DB/2等常見的企業(yè)級(jí)關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(RDBMS)，通過XML文件實(shí)現(xiàn)中間組件層與底層數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的交互，具有操作簡單、伸縮性強(qiáng)、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。BOM數(shù)據(jù)表采用上述物料主文件和裝配關(guān)系的方式定義，對(duì)所有的數(shù)據(jù)表均建立完整的主外鍵參照關(guān)系，以及視圖、觸發(fā)器和存儲(chǔ)過程等數(shù)據(jù)庫對(duì)象，保證基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性和一致性，以及較低的數(shù)據(jù)冗余。
系統(tǒng)運(yùn)行于廠內(nèi)局域網(wǎng)上，因此安全性主要是指系統(tǒng)的內(nèi)部安全性。第一層，是通過上述的用戶權(quán)限設(shè)置組件，確保只有合法的用戶才能進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行許可的操作(查詢、修改或刪除)，從而保證對(duì)服務(wù)器的基本訪問是安全的；第二層，在數(shù)據(jù)庫中加入了視圖和存儲(chǔ)過程的定義，限制用戶對(duì)部分敏感數(shù)據(jù)的訪問。
2 系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)
2.1 COM組件開發(fā)
組件(Component)是指應(yīng)用系統(tǒng)中可以明確辨識(shí)的、具有一定功能的構(gòu)成模塊�；诮M件技術(shù)的開發(fā)方法，它具有開放性、易升級(jí)、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)基于Microsoft公司的COM/COM+技術(shù)，將制造數(shù)據(jù)管理的各業(yè)務(wù)邏輯模塊和通用技術(shù)模塊制作成獨(dú)立、可重用的組件，各組件間具有標(biāo)準(zhǔn)的接口規(guī)約及通信協(xié)議，按照一定的組裝規(guī)則以及全局和局部約束，使系統(tǒng)可以像堆積木那樣來建造，其結(jié)構(gòu)簡單且易于調(diào)整，系統(tǒng)升級(jí)可透明進(jìn)行。整個(gè)系統(tǒng)由業(yè)務(wù)邏輯組件和通用技術(shù)組件搭建而成，由于遵循統(tǒng)一的接口定義語言IDL(Interface Definition Language)標(biāo)準(zhǔn)，組件間可實(shí)現(xiàn)互操作，開放性較好。此外，各組件間耦合性較松，易于實(shí)現(xiàn)大粒度組件復(fù)用，進(jìn)而有效縮短開發(fā)周期，降低維護(hù)難度和成本。
2.2 XML技術(shù)
XML以一種開放的自我描述方式定義了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在描述數(shù)據(jù)內(nèi)容的同時(shí)突出對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的描述，從而體現(xiàn)出數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，因此數(shù)據(jù)不需要外部描述就能被交換和處理。系統(tǒng)將所有對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作語句(SQL語句)均存儲(chǔ)在XML文件中，在運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)首先根據(jù)條件讀取相應(yīng)的XML文件中的一條SQL語句，并傳入必要的參數(shù)，然后提交到數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)執(zhí)行；返回的數(shù)據(jù)結(jié)果首先被轉(zhuǎn)換為XML文件格式，然后傳輸?shù)侥繕?biāo)實(shí)體——業(yè)務(wù)邏輯組件中進(jìn)行相應(yīng)的處理，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯層與數(shù)據(jù)層的有效隔離，并且可以突破網(wǎng)絡(luò)訪問協(xié)議的限制實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)操作和訪問。
2.3 異常處理及數(shù)據(jù)驗(yàn)證
由于制造數(shù)據(jù)的復(fù)雜性和多樣性，因此，很可能出現(xiàn)因用戶操作不當(dāng)?shù)仍蛞鹣到y(tǒng)出錯(cuò)。為了使系統(tǒng)能夠安全可靠地運(yùn)行，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，其異常處理能力也非常重要，因此在客戶端采用腳本語言對(duì)用戶所有的輸入進(jìn)行有效性驗(yàn)證，以提高系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。如在BOM管理頁面，如果用戶輸入的物料編碼在物料主文件中不存在，系統(tǒng)會(huì)給出相應(yīng)的提示信息，并禁止執(zhí)行請(qǐng)求的操作。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到物料主文件管理頁面，方便用戶的進(jìn)一步操作。
3 系統(tǒng)特點(diǎn)和應(yīng)用效果
3.1 系統(tǒng)特點(diǎn)
組件化制造數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)以功能集成為基礎(chǔ)，以信息集成為目標(biāo)，以方便、實(shí)用為原則，充分利用企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)提供的豐富資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種制造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的有效管理和快速檢索，為MES進(jìn)行日常的車間生產(chǎn)管理提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的信息流，從而將車間生產(chǎn)管理水平推向一個(gè)更高的層次。
系統(tǒng)主要運(yùn)行于制造執(zhí)行系統(tǒng)MES環(huán)境下，用大量的功能接口為車間生產(chǎn)管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。采用B/S三層體系結(jié)構(gòu)，主要的業(yè)務(wù)邏輯功能都集中在服務(wù)器端，而客戶端只需安裝瀏覽器，便于系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)。另外，系統(tǒng)界面非常友好，功能實(shí)用，操作簡便。
利用COM和XML技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)與底層數(shù)據(jù)庫的無關(guān)性，有效地提高系統(tǒng)的移植性和擴(kuò)展性，為企業(yè)異構(gòu)數(shù)據(jù)源的集成提供了便利條件。
3.2 系統(tǒng)應(yīng)用效果
組件化制造數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)目前已在大連機(jī)車廠機(jī)械二車間投入應(yīng)用，是該車間構(gòu)件化智能制造執(zhí)行系統(tǒng)的重要組成部分。實(shí)際應(yīng)用效果表明，該系統(tǒng)與MES實(shí)現(xiàn)了緊密的集成，為車間層各部門的生產(chǎn)調(diào)度管理提供了高效的制造數(shù)據(jù)集成和共享，是一個(gè)功能較完善的制造數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)不僅滿足了企業(yè)制造數(shù)據(jù)管理的集成、靈活、實(shí)用和可擴(kuò)展等要求，也為企業(yè)信息化建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)雖然最初是為機(jī)車行業(yè)的生產(chǎn)車間開發(fā)的，同樣也適用于大多數(shù)離散型制造業(yè)。
4 結(jié)束語
應(yīng)用組件對(duì)象模型COM和XML技術(shù)，開發(fā)了MES環(huán)境下基于B/S體系結(jié)構(gòu)的組件化制造數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)，使系統(tǒng)的可重用性、可移植性和可維護(hù)性有了極大的提高。我們將進(jìn)一步完善系統(tǒng)的功能以滿足更多用戶的不同需求，并提高系統(tǒng)的安全性管理，使之可以應(yīng)用于基于Internet的分布式網(wǎng)絡(luò)制造環(huán)境。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題：組件化制造數(shù)據(jù)集成管理的研究與實(shí)現(xiàn)
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