目前,国内很多企业的信息化建设方兴未艾。一方面,随着信息技术、自动化技术、制造技术和管理技术的应用,在企业设计、生产、制造、管理过程中,势必有大 量底层基础信息需要处理;另一方面,由于缺少PDM/MES的管理和基础数据的导入,源头数据没有得到有效管理和控制,大量的ERP系统信息,仍然依靠人 工输入,造成信息不及时、不准确,影响了ERP的实施效果。因此,企业更加关注如何根据实时信息来辅助经营决策和订单管理,同时又能将生产目标转化为生产 过程控制。这就需要将企业的设计、生产、管理和控制的实时信息引入到企业的生产和计划中,实现信息流的无缝集成。
1 ERP/PDM/MES/PCS相互关系
1.1 PDM与ERP集成关系
产品数据管理PDM是面向管理产品生命周期的数据系统。从广义角度上看,它包括产品的设计,制造及各种相关资源的管理等,是一个管理工程数据的理念;从狭 义角度上看,它是着重于管理产品设计资源的一个系统,即先通过解决好产品设计资源的集成,再与其它系统进行更高层次的集成。
ERP系统强调在产品设计目标确定后使重要任务得到自动处理。材料明细表(BOM)和产品结构(Product Structure)是PDM与ERP系统最关键的结合点,即使在这个最基本的层次上,2种技术的出发点也不同:PDM系统的产品结构给出了产品“按设计 角度”的视图,以及怎样用与之相关的工程数据来描述,而ERP系统的材料明细表是“按制造角度”的视图,描述产品怎样在车间生产以及怎样将它们装配起来。 2类系统之间的差别也反映在它们所采用的底层技术上。ERP系统在结构上以企业组织为基础,而PDM系统是构建在企业组织的基础设施环境之上,这个基础结 构支持企业快速改变工程计算环境。从系统的应用上看,PDM与ERP之间的差异主要表现在捕获产品定义数据、有效地进行用户化、产品结构和产品定义数据、PDM控制的是更改管理、配置管理等方面。
1.2 MES与ERP集成关系
20世纪90年代初,美国提出了既重视计划又重视执行的管理新思想——将计划与制造过程统一起来的制造执行系统MES。它位于上层企业资源计划(ERP) 和底层工程控制系统(PCS)之间,是计划层和车间控制层之间的信息纽带,集成模型如图1。MES处于ERP/SCM和DCS/PLC的中间位置。MES 与上层ERP等业务系统和底层PCS等生产设备控制系统一起构成企业的神经系统,一是把业务计划的指令传达到生产现场,二是将生产现场的信息及时收集、上 传和处理。MES作为上、下两个层次之间双方信息的传递系统,是连接现场层和经营层,改善生产经营效益的关键。
1.3 MES与PCS集成关系
过程控制系统PCS(Process Control System)结合了包括顺序、运动和过程控制在内的多种控制平台,并具备更强的信息处理能力。这种技术提供了开放的工业标准、增强的区域功能以及公共的开发平台。
同时,PCS又能够跟踪和管理整个操作过程中的性能表现,访问隐藏在工厂现场控制系统中的信息。PCS设计为软硬件最大可能地集成在一起,整个系统只有一 个编程和支撑环境。这种能力包括了对系统中所有功能的访问,结合了远程I/O、运动控制、传动、PID控制和其它控制,并通过使用工业以太网、 Intemet以及IT标准集成到企业的MES和ERP中。
2 ERP/PDM/MES/PCS信息流程
采用ERP/PDM/MES/PCS集成产品数据管理、生产计划与执行控制,是实现数字制造系统的一个有效解决方案。图2反映了ERP/PDM/MES/PCS的信息流动关系。
在产品形成过程中,PDM与ERP发生关系是在生产计划阶段。PDM数据库可以提供各种不同的产品数据,ERP根据管理的需要,要获得产品数据中的零件基本记录和物料清单(BOM)。产品BOM和零件基本记录是PDM和ERP数据交换的主要内容。
MES上承ERP等计划系统,下接车间现场控制,填补了ERP与车间控制之间的断层,提供信息在垂直方向的集成。MES可看作是一个通信工具,它为其它各 种应用系统提供现场实时信息。MES向上层ERP提交生产盘点、物料盘点、实际订单执行等涉及生产运行的数据,向PCS系统发布生产指令及有关生产运行的 各种参数。
3 ERP/PDM/MES/PCS信息集成模型
数字制造的信息集成是通过ERP/PDS/MES/PCS的信息流集成得以实现的。图3为ERP/PDM/MES/PCS的集成模型及其功能实现。这种模 式用PDM技术来控制产品数据、流程和工程变更,一方面PDM将产品几何信息送往ERP系统,同时从PDM这一方需要访问ERP的生产计划信息,从而保证 ERP的有效运作。在ERP系统应用基础上,通过集成制造执行系统MES解决生产现场科研试制问题,使生产管理系统能适应多种生产模式。
ERP系统中物料管理、订单管理、生产管理、库存管理、销售管理、财务管理、产品数据、人力资源8个主要功能模块和PDM/MES之间存在非常紧密的联系。而MES是整个系统中信息流和控制流的枢纽,是连接ERP和底层控制的桥梁。
4 ERP/PDM/MES/PCS信息集成的关键技术
信息集成是系统发展到较高阶段所要求的性能,它是系统发生质变的标志。研究信息集成的技术是各系统之间集成的基础,是实现产品协同设计和数字制造的关键。
现在主要有以下3种技术实现信息集成:内部函数调用、直接数据库访问和中间文件交换。内部函数调用集成技术,是利用系统各自提供的API函数访问底层数据 库,实现两系统之间的信息交换,需要原系统开发人员的支持,开发工作量大、集成成本高;直接数据库访问集成技术,是直接对数据库及其属性进行访问来实现两 系统之间的信息交换。由于大多数企业实施的PDM与ERP系统不属于同一家开发公司,因此采用此种集成技术的可行性较小,而风险性却很大;中间文件交换集 成技术,是将PDM系统与ERP系统需要交换的信息,按照统一的文件格式和接口要求进行存储,PDM系统与ERP系统通过各自编制的数据导Ⅳ导出接口来实 现两系统的信息交换,这种技术有开发周期短、集成成本低、易实施、见效快等特点。
4.1 基于OPC的数据集成技术
在PCS层碰到的较普遍的问题即上层的客户应用程序(或监控组态软件)与现场数字设备之间的通信不尽如人意。尽管可以开发定制接口程序进行相互通信,但由 于硬件类型和应用软件种类繁多,使得驱动程序的开发数量急剧增长,增加了应用软件开发的难度,其问题的关键是接口不规范。OPC(OLE for Process Contr01)标准的发布,为此提供了一种良好的解决方案。
PCS与MES的通讯采用OPC标准。OPC定义了一套应用于支持过程数据访同、报警、事件、过程历史数据访问等功能的COM接口,OPC服务器一方面负 责与现场设备的通信,另一方面将获取的数据通过标准的OPC接口供调用方调用。OPC采用Client/Server的通信模式,客户应用程序通过标准的 OPC协议和OPC Server进行通信,从OPC Server中取得所需的实时数据。
4.2 基于XML的数据交换技术
数据共享目前多采用3种方式实现,包括数据交换标准,可扩展标记语言XML(Extensible Markup Language),统一产品信息模型。
ERP/PDM/MES/PCS的数据库体系是一个典型的分布式数据库,数据库分布在管理层、车间或生产单元,这给分布异构数据库系统的信息集成和共享带 来了困难。XML凭借其良好的扩展性和自描述性、形式与内容分离、以及对多语种的支持等特点,适用于网上发布和数据交换,给跨平台跨地域异构应用间的协同 工作、智能搜索等领域带来了重大突破。
使用XML作为信息交换的载体,异地、异构数据库之间不仅可以使用已定义的公共数据结构交换信息,也可以在公共交换协议的基础上利用XML的数据自定义功 能定义自己的特殊格式。由于XML的含义性使客户端在收到XML数据的同时也能理解XML数据的含义,从而使通用的分布式计算成为可能,将XML数据映射 到本地数据库,达到信息共享与数据交换的目的。
4.3 基于中间件的集成技术
在数字制造集成环境中,分布式计算环境的异构性十分明显,它阻碍了各应用系统间的互操作。为了解决异构性的问题,实现信息和软件资源的共享,提出了中间件MW(Middle Ware)的概念。中间件是一个软件,它通过规定一系列的应用编程接口,转换客户端和服务器端之间的访问、通性来实现其屏蔽底层异构性的作用。其中基于分布对象技术的中间件公共对象请求代理体系结构CORBA(Conunon Object Request Broker Architecture)和DCOM是影响最大的,它们为信息集成的互操作性提供了途径。
CORBA制定了一套对象间通信的协议,其核心是ORB(Object Request Broker),它负责在对象之间传递消息。ORB是CORBA应用的基础,不同的公司可以开发出不同的ORB,但由于都使用相同的通信协议,因此,基于不同的ORB之间可以实现无缝通信。
5 ERP/PDM/MES/PCS系统集成架构
根据本文提出的信息系统集成的思路,以Rockwell公司的Logix为平台,构建了如图4从底层的设备网到Intranet网的信息系统集成架构,将车间级设备的信息和企业的资源计划系统ERP、制造执行系统MES和产品数据管理PDM的信息无缝连接。
系统集成架构由设备层、控制层、信息管理层、Intranet网组成,采用基于NetLinx网络结构,通过统一的协议实现对EtherNet/IP、 Controlnet和DeviceNet的支持,同时也可实现对第三方网络的支持,如Profibus、Modbus、Modbus Plus等的支持。利用以太网或ControlNet控制网访问系统中的任何DeviceNet设备,并对其参数进行调整。通过OPC Server软件RSLinx,实现对异构设备状态信息的采集。通过RSView Supervisory Edition可以开发出一套即可用于人机操作界面又可用于SCADA系统的监控系统。
ERP/PDM/MES系统的数据库之间通过XML实现信息集成,也可以使用通用的数据库,将数据送至ODBC数据源,如Microsoft SQL Server,Sybase或Orcale来实现数据的共享与交换。
6 结 语
ERP/PDM/MES/PCS之间的信息集成对现代制造业运作来说是至关重要的。PDM/PCS作为数据源,是ERP实施成功的基础;MES弥合了计划 层和车间过程控制系统之间的间隔,是制造过程信息集成的纽带,起着关键作用。本文给出的ERP/PDM/MES/PCS信息集成模型和系统集成架构,为最 终实现以ERP/PDM/MES/PCS为主要模式的数字制造企业提供了解决方案。