产品生命周期管理系统(PLM)在风电企业中的应

0 引言 在产品开发过程中,不可避免会有反复的设计更改,以及由此产生的对项目周期和成本的影响。一个典型的新产品开发周期包括概念设计、初步设计、详细设计以及后续生产等几


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       在产品开发过程中,不可避免会有反复的设计更改,以及由此产生的对项目周期和成本的影响。一个典型的新产品开发周期包括概念设计、初步设计、详细设计以及后续生产等几个阶段。如何尽量把设计更改限制在产品开发的前期,将对降低成本和缩短周期至关重要。图1 从统计学的角度诠释了PLM 系统可以帮助企业实现以上目标。
 
图1 PLM对于产品开发中设计更改的影响
 
 
       根据德国机械设备制造业联合会(VDMA)的研究统计,一张A4图纸(元件)的平均维护管理成本要达到上千美元。除了元件本身的建模绘图,还需要相应的人工和时间进行工程分析、首件认证、采购计划、设计变更、备品备件等工作。
 
 
       PLM 系统可以有效地协调企业各方面资源,建立对应的流程来满足以上需要,并降低企业成本。此外,将来的法律法规和技术指令会对工业产品对环境的影响和回收利用有越来越严格的要求,因此原始设备制造商(OEM)需要借助PLM系统实现产品生命周期管理
 
 
       这不仅限于开发、制造和销售,还包括产品最终的回收再利用。例如现行的《欧盟关于报废汽车的技术指令2000/53/EC》详细地规定了汽车制造商在汽车报废、回收利用中的责任,这也印证了PLM 在汽车行业中的广泛应用。同样,风电行业在将来也会面临相似的监管。
 
 
1 PLM系统的定义和功能

       结合业内权威的PLM 咨询公司CIMdata 的解释,PLM 系统可定义如下:

       (1)PLM 系统是一种战略意义上的企业策略,它应用一套可持续发展的企业解决方案,能够跨地域、跨部门地实现产品信息的定义、维护、传播等。

       (2)能够支持扩展的企业运作机制,例如与客户、供货商、合作伙伴等的协作。

       (3)能够覆盖从产品最初的概念设计到最终的报废回收整个生命周期的维护管理。

       (4)能够实现企业人员、流程、系统、信息等的高度整合。
 
 
       PLM 不仅是某一项软件技术,更是一套完整的企业范畴解决方案,以应对贯穿整个生命周期的产品管理。从某种意义上看,在PLM 系统中,流程比数据更加重要。相对于什么样的数据被创造出来,PLM 系统更关注数据是如何被创造出来和后期维护的。
 
 
       同其他企业解决方案如企业资源规划(ERP)相比,PLM 系统有着显著的不同。ERP 侧重于优化实物产品和事务或交易的流程。对于反复的事务性工作,ERP 可以表现得很好。但是对于开发新产品所需的快速迭代和创新工作,PLM 系统有着先天优势。
 
 
       PLM 系统提供了从概念到实施的解决方案,覆盖所有相应的部门。数字化产品使企业能够快速进行试验分析、更改设计、细化设计等各种操作。这一切都可以在费用高昂的实际生产前完成。
 
 
       如今由于Web 2.0 的应用, 更把PLM 系统扩展成现实世界的网络,很多业务流程可以很方便地通过网络进行激活、配置与使用。PLM 系统成了可以发挥集体智慧共同协作的在线社区。
 
 
2 PLM系统的实施

       本节详述了PLM 系统在风电机组制造企业的实施应用,并从不同模块的实施过程中展现了PLM 系统如何满足企业各方面需求。
 

2.1 PLM系统用户管理
 
       作为大型的产品信息管理系统,严格的用户管理是PLM 最重要的功能。在PLM 系统中,可以定义十几个不同的用户权限分类,比如设计工程师、制图工程师、生产工程师、采购工程师、项目工程师、商务经理、系统管理员等。
 
 
       不同的角色和权限设置保证了产品信息的创建和更改都是受控的,让企业能够开发出适合自身特点的企业流程,使PLM 系统真正描绘现实产品的虚拟化数字化管理。
 
 
2.2 分步骤的PLM模块化实施

       因为PLM 系统涵盖了整个产品生命周期,涉及到多个部门和流程,所以整个项目也是分阶段、分步骤地具体到不同的模块化实施。每个PLM模块都实现各自独立的功能。图2 包含了在本例PLM 实施中的各个模块,本文会以其中的部分模块为重点详述。
 
 
       在所有的模块中,工程模块处于核心位置,同其他各个模块有着密不可分的联系。作为PLM 系统的一个重要功能,它需要具备与其他系统接口的能力,比如ERP、商务管理等。同时由于不同行业产品以及企业的特殊性,PLM 系统应该能够根据企业的不同需求进行定制。
 
图2 PLM系统的功能模块与接口
 

2.2.1 工程模块

       工程模块包含了定义产品设计细节的3D模型、图纸、规范、物料清单等,是整个PLM 系统的核心,也是最先实施的模块。表格1 展示工程模块的基本功能。
 

       每一个独立的、可被采购的螺栓、螺母、支架、开关、电线等都被赋予一个元件号,成为PLM 系统虚拟世界中的一部分。每一个元件都有相应的设备属性,例如单位、尺寸、描述等。同时,不同类别的元件还会具备某些特殊属性,如电气元件的电压、频率等。这些元件的大部分属性都是可编辑、可更改的。
 
 
       但是,单位就是一个例外。一旦元件被创建后,单位就是不可更改的,这与大部分的ERP 系统规则相一致。对于复杂的元件,仅有PLM 系统预设的设备属性不足以充分地描述元件特性,所以需要借助额外的图纸或规范。PLM 系统能够把元件和相关的设计文档以一种可视化的方式关联起来。
 
 
       如图3 所示,以风电机组叶片为例,需要从外形尺寸、材料、防腐、运输、质量控制等各个方面定义不同的文档,并形成完整描述叶片信息的一整套技术资料。PLM 系统同时提供了强大的查询功能,例如“where used”功能可以查询某一张图纸被哪些元件所调用。任何一张图纸再被修改时,PLM 系统可以方便地查出它影响的所有元件,保证设计更改的准确性。
 
图3 元件与其图纸/规范在PLM系统中的关系体现
 
 
       设计更改管理是PLM 系统中的一项重要功能,是企业在维护产品信息中不可或缺的一环。本例的PLM 系统借助更改通知单(ECO)实现此功能。每一个新创建、修改、废除的元件、图纸、规范、物料清单都需要以ECO为载体实现,并且得到相关不同人员的批准才能生效。由此也印证了PLM系统用户权限管理的重要性。不同权限的用户只能在ECO 的特定范围内使用自己的批准权利进行电子签名。
 
 
       物料清单包含了组装所需的所有元件清单及相关文档。在PLM系统中,物料清单的装配图可以调用3D 模型的简化版直接呈现给用户,有效地指导工厂组装,并提高工程师检查物料清单的准确性。
 
 
2.2.2 ERP 接口

       PLM 系统从本质上不能完全替代ERP 系统处理有关实物产品的事务交易,但是建立PLM 与ERP 的接口可以加强工程部门与采购、生产部门的紧密联系,极大地减轻在产品设计信息传递过程中的人工工作量,相应降低人工出错的几率。
 
 
       由于实际中采购生产工厂往往会分布在多个不同国家的不同城市,但是企业的研发中心往往会集中在一地。通过建立PLM 系统与不同工厂数据库系统的接口,可以确保任何工厂生产出来的风电机组都能同样地满足设计要求,同时又可以发挥本地供应链的特殊优势。由此也印证了PLM 系统在全球化设计与本地化生产中的重要枢纽作用。
 
 
       在PLM 和ERP 接口中,PLM系统中创建出来的元件、物料清单都可以实时地从系统后台自动传输到ERP 系统中。因为不同的产品线往往会安排在不同的工厂生产,所以PLM系统允许用户可以有选择地传输数据。某一个元件可以被选择传输到特定工厂的ERP 系统中。类似地,在PLM系统中创建的更改通知单也会被传输到ERP 系统中并自动执行。如此可以极大的减少工作量。
 
 
       在PLM 与ERP 的接口设计中,还可以充分考虑不同用户的需求做一些客户化定制。例如,为满足风电机组产品的全球化市场需要,企业必须充分考虑到不同国家地区技术规范指令的要求,如欧盟的产品认证(CE)要求。
 
 
       在ERP 系统中可以定制某个属性栏位用来专门接收PLM 系统中元件的CE 特性,并对其设置提醒机制,提醒采购人员需要从供货商处收集CE认证声明,并确保最终风电机组产品满足CE 要求。
 
 
       对于某些复杂的元件,往往借助图纸、技术规范等描述具体的技术细节,而这些详细资料会保存在PLM 系统中。通过PLM 与ERP 的接口,这些资料的超链接可以被发送到ERP 系统中,方便采购、生产等部门直接点击查看元件的相关技术细节。这也是一种客户化的定制功能。
 
 
2.2.3 产品配置模块


       产品配置是PLM 系统的一项重要功能。风电机组是由成千上万的元件组成的,每个机组制造商都会有一系列的产品线,每个风电场客户可能又会有不同的要求。这就需要PLM系统能够把所有的设计资料组织成清晰的结构,满足外部市场和公司内部的需要。
 
 
       如图4 所示,PLM 系统可以定义不同的风电机组产品线,每个产品线下包含不同的机型,每一个机型都有一系列相应的机组特性来描述风电机组能够满足的风电场和客户需求,例如常温型或低温型机组、塔筒高度、航空灯要求等。不同的风电机组特性会关联到不同的设计资料。
 
 
       当客户根据风电场特点选择了不同的风电机组特性后,相应的设计资料就会被组织起来形成一套特定的风电机组物料清单。通过PLM 系统与ERP 的接口,风电机组物料清单可以被导出到任何指定的工厂ERP 中指导采购生产。这些过程基本都是由PLM 系统自动完成的,只需要极少的人工干预。
 
图4 PLM系统中风电机组产品特性的结构化体现
 

       风电机组生命周期的管理也具体体现在产品配置模块中。对任意风电机组,都会有不同的生命周期节点,例如计划、生产、安装、调试、质保等。在PLM 系统中,不同的风电机组生命周期节点可以反映此时具体的机组配置和对应的物料清单,实现了机组在PLM 系统中的虚拟化体现。同时,PLM 系统的用户权限管理也会在这里得到充分的发挥。在风电机组的不同状态节点下,只能由相应权限的人员操作修改PLM 系统里机组的具体配置。
 
 
       产品配置模块还可以定义一些其他的高级客户化功能,例如风电机组控制参数的定义。通常风电机组的控制参数会受到以下几方面因素的影响,机型、机组特性、风电场特点以及主要元器件的选择。
 
 
       其中,机型/ 机组特性/ 元器件的参数都可以在PLM 系统中预先设置好,并关联到相应的机组属性上。对于某个风电场的风电机组,PLM 系统可以自动生成整套机组的控制参数,只需额外做少量的风电场参数设置,就可减少人工操作和出错率。
 
 
       此外, 产品配置模块还可以设置与公司商务部门系统的接口。不同的风电机组特性往往成本不同。通过PLM 系统与商务系统的接口,商务部门可以快速准确地得到风电机组配置,并计算出整个机组的成本,提高客户响应速度。
 
 
2.2.4 其他功能模块

       PLM 系统的供货商模块可以帮助企业实现首件认证的功能,协调采购及质量部门跟踪整个流程的状态,并处理与供货商的技术澄清等问题。对于某些重要元件,PLM 系统可以设置序列号或批次跟踪功能。备品备件的管理是供货商模块的另一项重要功能。
 
 
       PLM 系统同时可以提供元件之间相互替换关系的管理功能,例如取代(supercede)、互换(alternative)、交叉销售(cross-sell)等。生产部门可以相应地调配库存,组织生产。
 
 
       PLM 系统的项目管理模块提供了人力资源管理、任务分配、进度跟踪等功能。在PLM 环境下类似web 2.0的社区讨论功能方便了跨部门之间的技术交流,并保证了完整的系统记录。
 
 
2.2.5 综合应用范例
 
图5 的流程示意图展示了一个在
 
 
       PLM 系统中的实际应用范例,综合了上述多个模块功能。首先客户基于风电场特点选择适合的风电机组产品和特性。通过预先设定的规则,不同的风电机组特性会到工程模块中挑选出相应的元件和图纸,形成工程设计模式下的物料清单。
 
 
       通过PLM 系统中预设的生产模板,元件会被分配到不同工厂的不同工位和工序,最终形成适合采购和生产的物料清单,并被传输到ERP 系统中。与此同时,相应的控制参数列表也会根据机型、机组特性、风电场特点和主要元件等自动生成。
 
 
       控制参数列表可以方便地被下装到风电机组调试设备。除了少数的人工操作,例如需要客户选择风电机组特性外,整套流程都由PLM 在数小时内自动完成,这体现了PLM 系统在快速准确满足客户需求方面的优势。
 
 
3 总结

       本文以实际应用范例为基础阐述了PLM 系统的概念、功能以及模块化的实施细节,展示了GE 风电在推进产品研发,改善产品质量,满足客户需求,提高响应速度等方面的努力。除了构建PLM 系统本身外,一系列的流程规范也同时被建立起来指导企业运作,以最大限度地发挥PLM 系统的优势。




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