PLM的制造过程管理系统

现有的PLM系统主要实现了设计过程和图文档的管理,并没有真正实现制造过程的管理,本章从企业实际需求出发,重点论述了面向制造过程的PLM系统的设计思想与设计原则,并在此基础

    现有的PLM系统主要实现了设计过程和图文档的管理,并没有真正实现制造过程的管理,本章从企业实际需求出发,重点论述了面向制造过程的PLM系统的设计思想与设计原则,并在此基础上阐述了PLM系统的总体框架及体系结构。




1系统设计思想
    PLM通常是由传统的PDM系统延伸和发展而来,最早的PDM系统是采取基于胖客户端的C/S(客户端/服务器,Client/Server)体系框架。这种体系框架将所有应用程序、业务逻辑计算都放在客户端计算机上,服务器仅负责管理对数据的访问并负责执行一些业务规则。
 
    这种PDM系统在应用和部署过程中存在很多问题,如客户端维护困难、系统安全性差、系统重用性差等,随着网络技术的发展,基于瘦客户端的B/S(浏览器/服务器,Browser/Server)体系框架已逐步应用到PLM系统中来。这种体系框架使用浏览器,通过输入URL远程访问服务端,并向服务端发送命令,获取服务端的资源,然后在客户端的浏览器上显示出来。与胖客户端相比,它解决了许多与应用程序部署和维护相关联的问题。
 
    但是仍然存在一些不足,如网络环境要求高、响应速度慢、用户界面单一,所以本章在现有PLM系统的基础上,构建了基于智能客户端的服务导向架构,提供了一种松散耦合的模型,同时在该系统框架中增加了制造过程管理相关功能,实现了PLM系统向制造下端的延伸。基于智能客户端,面向制造过程的PLM系统,是一个实现了产品全生命周期管理的集成平台,完成对产品的设计、制造的过程及相关信息的管理,该系统的设计思想主要包括以下几个方面:
 
    (1)实现产品数据的唯一性、完整性、准确性、及时性本系统作为所有设计相关信息的集成平台,为提高产品数据管理的有效性、集成性,以单一产品数据源为设计原则,通过建立统一的产品设计数据库、制造数据库和文件仓等手段来保证数据管理的完整性、正确性和一致性,使得各系统能够在准确的时间以准确的方式访问到准确的数据。
 
    (2)“以产品主模型为核心,面向过程的”数据模型的管理。船舶零部件极其繁多,而企业对船舶产品的设计相关知识的积累却很缺乏。因此,本系统在对产品全生命周期数据组织的管理上,提出“以产品主模型为核心,面向过程的”数据模型,取代了传统的“以产品结构为中心”的数据模型。
 
    所谓产品主模型,是由产品几何模型及相应事物特性表组成。在事物特性表中利用事物特性和导出特性来描述产品外型和尺寸之间的联系。只要在产品主模型中输入一组数值,就可以通过几何模型自动地派生出零部件的一个变型实例。通过对这种数据模型的管理,本系统将帮助企业快速地完成产品变形设计,满足客户个性化需求和定制要求。
 
    (3)以项目管理为中心的流程管理。目前,世界著名船舶制造企业都具有其先进、完整的项目管理及设计开发方法.有着严格的工作步骤及流程。这使得其产品的开发生产周期不断缩短,开发质量不断提高。
 
    开发资金和人力资源的投人得到有效节省与合理利用。我国船舶制造企业的管理比较落后,因此,必须要采取先进的项目管理,才能使其加快创新步伐。而流程管理又是实现企业持续创新的重要部分。本系统可以指导企业实施以项目管理为中心的流程管理。它主要包括:
 
    第一,引导企业建立标准化的工作流程。船舶产品的开发是一个很复杂,高难度的过程。而中国船舶企业知识积累少,又缺乏先进的管理制度。因此,本系统将指引企业改变传统的不规范的工作流程,实施以项目管理为中心的标准化和制度化工作流程。
 
    通过实施标准化的工作流程,企业相关部门可以及时得到完整、准确的知识信息,缩短产品上市周期,提高效率。基于统一的标准工作流程,可以使企业或部门之间的相关人员参与进来,及时有效地响应产品的不断改进,以优化数据,改进工作流程。
 
    第二,确保变更管理有效、及时响应到各相关部门。变更管理在任何企业中都是一个重要的流程。面对中国造船工业的现状,工程变更管理尤其显得重要,这也是经验数据、知识积累的一个重要过程。
 
    本系统支持的工程变更流程,将确保工程变更所涉及到的产品和业务领域都能得到有效规划、沟通、审查、批准、执行和发放,最大限度地降低变更所带的影响。无论变更开始于哪个部门,提供的变更流程都将把该变更的信息,及时地传递给所涉及到的部门和人员。
 
    (4)协同化的工作环境通过实施本系统,企业可以建立一个数字化的协同工作环境。在这种工作环境下,分散的团队能同时参与进来,通过数字化造船技术,洞悉产品的全部关键信息,在产品开始生产之前,就做出关键决策。
 
    基于这种工作环境,企业可以协调产品生命周期各阶段的数据,并把数据及其所在的工作环境的信息,传递给企业各部门有权限的人员。基于协同化的工作环境,各参与者通过基于自己的权限查看最新的数据,并对数据快速地响应。
 
    (5)实现制造过程的管理与监控
    过去的PLM系统主要实现了设计数据和相关文档过程以及虚拟产品的管理,缺乏对实物产品和生产制造的管理和监控,本系统通过工作流引擎构建生产制造流程模型,应用制造过程监控和管理技术实现生产物料的实时追踪和进度监控。实现了对实物产品状态的管理和生产制造过程的监控。

 



 
2系统建模
2.1系统建模方法

    目前系统建模的方法有多种,包括IDEF、UML等。IDEF方法是面向结构的分析方法,用来描述系统或企业的功能,各功能之间的联系及支持这些功能集成的数据。其中,UML是一种可视化的面向对象建模语言,具有严格定义的抽象语法和语义,它的定义采用了四层元模型体系结构,由下至上分别为元元模型层、元模型层、模型层和用户模型层,这种体系结构为定义复杂模型的精确语义提供了基础。
 
    目前UML已成为面向对象方法中的标准建模语言,并在软件开发中被大量采用。UML在对系统进行建模时主要是用五种视图、九种图形来对系统进行描述,即用例视图、静态视图、动态视图、交互视图和实现视图;其中静态视图中包括类图和对象图;动态视图中包括状态图、活动图;交互视图中包括顺序图和合作图;实现视图中包括配置图和构件图。
 
    这些图所描述的内容可归纳为静态建模和动态建模两部分。由于UML具有面向对象方法的封装和继承的特点,能够通过实体映射关系把企业模型的各个模型有机结合起来,同时UML提供了各种图形元素可以方便直观地描述用户需求、系统的静态特性和动态特性,从而可以很好地实现对企业应用和集成环境的描述,所以论文在以上建模方法的指导下,总结、分类、抽象典型企业的制造过程与管理特点,基于UML建立制造过程应用交互的用例模型、框架模型、数据交互模型等,在此基础上分析其中的数据流和控制流,以指导集成规范的制订和集成框架的开发。下面通过UML构建了基于PLM的制造过程管理系统的功能模型、数据库模型及操作模型。
 
2.2系统功能模型
    功能模型是系统建模的首要部分,它是系统用户需求与技术开发人员之间的桥梁。系统功能模型主要表达的是系统用户与各个功能模块以及多个功能模块之间的交互。系统功能的UML模型如图3.1所示。

 
    从图中可以看出系统包含制造过程管理零部件管理文档管理项目管理产品设计管理产品配置管理用户管理以及系统管理等功能模块,其中制造过程管理是主要功能。
 
2.2系统数据库模型
    数据是现代管理系统的主要管理对象和管理基础。所谓数据是客观事实的反映,是人们用来反映客观世界时记录下来的可以鉴别的符号。随着现代管理系统的处理的业务类型和事务对象日趋复杂,其数据库系统变得越来越复杂,因此,在设计数据库过程中需要运用特定的建模方法构建系统的数据库模型。下图3.2采用UML建模方法构建系统的数据模型,模型中仅仅给出了系统中制造过程管理的主要数据库表单内容和主外键关系。

 
2.3系统操作模型
    操作模型主要描述系统内部各部分之间操作的顺序,以及操作过程中调用的功能函数等,采用UML中的顺序图进行描述。篇幅的原因,本文仅仅给出制造过程管理及计划监控台的相关顺序图。

 
    上图3.3描述了制造过程系统的操作顺序,系统管理员登陆系统后,首先获取制造BOM信息,当点击制造BOM上节点时,系统首先判断是产品节点还是零件节点,如果是产品节点系统将自动调用产品模型管理模块,显示产品信息;如果是零件节点系统将调用零件管理模块,显示零件信息。右键点击零件节点,选择制造过程状态查询,将调用工艺工序管理模块,返回工艺工序数据,同时通过MES系统查询制造状态返回相关制造状态信息。

 
    上图3.4描述的是计划监控台操作顺序图。计划员登陆系统后,点击弹出的界面上的查询按钮,系统调用计划管理模块的查看函数,通过查询日期进入MES系统后查询该日期的零件相关信息,返回数据。点击预警按钮,调用处理信息函数,如果有异常将返回异常信息。点击整改方案将弹出对话框,计划员输入处理意见并点击提交后,等车间主任审核通过后将发布。

 



 
3系统总体框架及体系结构
    要实现PLM系统向制造延伸,从总体技术思路上需要明确三个问题:①采取什么样的体系结构;②涵盖哪些功能;③采取哪些具体措施。
 
3.1系统框架
    依据某厂整体船舶快速响应制造系统信息平台技术的规划,本系统所处位置如图3.7所示。该信息平台分为基础设施硬件平台、操作系统软件平台、基础架构软件平台、业务支撑软件平台、综合验证应用平台,本系统就处于综合验证应用平台中,其中:
 
    基础设施硬件平台包括主机、网络、存储设备和硬件方面的安全技术,例如防火墙、网闸等,以及这些设备的管理。它为综合验证系统提供一个可靠稳定的基础硬件平台。
 
    ◆操作系统软件平台在硬件设备的基础上提供操作系统、网络服务、存储服务、高可用服务、网络和系统的安全管理,它为所有软件的运行提供了最基本的系统支撑和可靠的、可扩展的以及高可用性的平台。
 
    ◆基础架构软件平台包含了数据库、数据仓库和中间件应用服务器这些构筑综合验证应用所必需的技术平台,和管理这些技术平台的工具。
 
    ◆业务支撑软件平台提供支撑企业应用的服务,包括数据驱动服务、应用驱动服务、应用集成服务、应用共享服务、用户身份和安全管理、开发框架和服务管理。
 
    ◆综合验证应用平台是具体的企业应用服务,潜艇快速响应制造综合验证系统的四个子系统应用将部署在这一层,提供具体的功能和服务,以供用户在系统上完成相关的业务工作。

 
    依据该厂整体快速响应制造综合验证系统信息平台和本系统在该平台中的位置,同时实现PLM系统对制造过程的管理,依据面向制造过程管理的PLM系统设计思想,本系统采用基于SOA的体系架构,其架构见下图3.8示。该平台分为系统层、功能层和用户层三层,其中:

 
    (1)系统层:系统层支撑系统的运行,主要包括软硬件平台及面向对象的核心架构。系统层所包括的异构硬件平台、网络协议、操作系统和数据库系统等,提供了网络状况下数据的存取以及应用程序的运行所必需的各种环境。网络通信及协议负责解决网际信息交换问题,如数据的传输速度、一致性、安全性等问题,实现了异构环境下的网络传输;以通用的关系数据库管理系统作平台,通过数据库的增、查、改、删等基本功能支持PDM系统对象在底层数据库的管理,同时提供数据库访问接口。
 
    (2)功能层:功能层是整个PLM系统的核心,它集成了异构环境处理、核心功能集成等信息处理逻辑,是实现可互操作、可重用、可移植得分布式应用系统的关键,主要包括应用服务器和Web服务器。应用服务器包括PLM基本的功能模块和应用系统集成模块。前者给PLM提供基本功能,如零部件管理、工作流管理、变更管理等;后者给PLM提供与其它应用系统集成的工具,如AutoCAD、PRO/E等。Web服务器集成应用服务器的所有功能组件,负责PLM系统与用户之间的通信、处理Web用户对PLM数据库中获得有关的信息,实现企业异地积怨成的协同设计、制造及管理。
 
    (3)用户层:用户层包括用户接口层和工具层。各种不同的用户界面是用户及系统之间的接口,为人机交互提供可能。工具层包括企业内邮箱服务、联络聊天工具等。 这种基于智能客户端框架的PLM系统通常提供了一个中央部署服务器(通过该服务器,可以将智能客户端的部件部署到客户端)和一些提供对后端业务功能(即智能客户端使用的业务逻辑和数据)进行访问的Web服务。
 
    由于智能客户端在客户端上运行业务逻辑,因此它可以更为明晰地将用户界面与客户端数据和逻辑分开。此外,视它被授予的权限而定,它可以更为自由地与其他集成在PLM系统中的CAX软件进行数据交换。与以前胖客户端和瘦客户端框架的PLM系统相比,基于智能客户端框架的PLM系统具有以下优势:
 
    (1)零接触部署与自动更新。部署PLM客户端时只需将一个主程序文件下载到本地,直接运行即可,无须改变注册表或共享的系统组件,其他应用组件将在第一次运行时自动下载。管理员只需将新版本的程序发布在服务器上,由客户端自动发现最新版本的程序和应用组件,并自动下载和更新。这样有效的降低了PLM系统实施的难度。
 
    (2)模块之间更松散的耦合。构件之间的相互调用并不采用直接引用方式,系统实现了更松散的耦合和模块化,为PLM系统升级更新提供了方便。
 
    (3)网络加载应用程序组件。PLM客户端可以很方便的从网络服务器WebServices所在的服务器加载应用程序,而且因为程序及加载是从HTTP端口实现,故无须考虑防火墙问题,这样为PLM系统的集中管理提供了方便。
 
    (4)提升了系统性能。PLM客户端尽管使用网络加载程序集,但一旦加载之后,程序集就被缓存到了本地。当用户启动了一次PLM系统模块之后,其业务逻辑就被下载和缓存到本地内存中了,用户再次使用该模块的时候不需要连接服务器,提高了服务器的效率和充分发挥了客户端计算机的作用。
 
    (5)个性化用户界面。用户可根据喜好自行设置客户端应用程序,配置信息将被存到服务器上,从而迎合了PLM用户的不同需求。
 
3.2系统总体功能结构
    基于PLM的制造过程管理系统在制造环节的功能可以用“1-2-3”来概括,即覆盖一个面、打通两条线、管好三个点。“覆盖一个面”是指PLM的产品数据管理功能应覆盖船舶制造的各阶段、各种类信息,并提供分类组织、可控共享、多维查询和多视图展现;“打通两条线”是指利用PLM的数据集成能力,打通船舶制造企业生产运行的两大关键链条——工艺和计划,实现基于PLM的工艺设计、工艺管理、计划编制和计划管理;“管好三个点”是指提供相应的组件模块,实现生产过程质量管理、物资配套管理和车间现场管理,从而连通全过程的质量控制流、内部和外部的物料流、从计划层到执行层的信息流。
 
    PLM向制造延伸的总体功能结构图如下图3.9,PLM以数据库系统及文件数据仓为数据存储平台,基于用户管理、权限管理邮件管理属性集管理参数管理编码管理公告板管理以及系统管理等基础组件,在项目管理及工作流管理的控制下,以运行于对象版本管理版本有效性管理、对象生命周期管理等方面的管理机制之上的工程更改发放管理方式,最终向用户提供个人桌面管理文档管理产品零部件管理工艺数据管理、系统集成接口等具体应用功能。

 
3.3系统拓扑结构
    PLM系统的拓扑结构如下图3.10所示。整个系统主要采用SOA结构的模式,整个使用群可以分为两种类型:一类用户通过企业内部的局域网来访问系统,一类用户可以通过Internet来访问系统,这类用户访问系统的时候必须通过企业的防火墙或者其他安全设施。通过使用这种方式,可以极大地拓展企业信息交换的视野。

    一方面,企业可以通过授权让企业内部员工使用,另一方面可以授权给合作伙伴来访问企业数据。
 
3.4系统体系结构
    为了解决该造船厂管加车间存在的问题,根据企业需求,本文针对船舶开发周期长,单件小批量生产、设计与制造并行进行、设计更改频繁的特点,构建了面向制造过程的PLM系统功能框架,见下图3.11。
 
    该框架将产品对象库、设计资源库、制造资源库、文件数据仓等作为数据存储层,在此基础上实现对基础组件的管理,包括用户组织、权限、版本、系统参数、对象状态的管理和实现消息流、工作流、数据流引擎。在协同控制平台,实现团队管理、项目管理、变更管理、消息管理和流程管理,通过该平台实现产品设计管理、制造过程管理和车间MES的集成。

 



 
4 本章小结
    本章应用UML建模方法构建了基于PLM的制造过程管理系统功能模型、数据库模型和操作模型,提出了制造过程管理系统总体功能框架和体系结构,实现了PLM系统向制造端延伸。

 

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