制造數(shù)據(jù)是指企業(yè)中與產(chǎn)品設計、生產(chǎn)和管理等密切相關的各種資料和數(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、設備資源和工廠日歷等信息。它們既是指導產(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對企業(yè)的各種制造數(shù)據(jù)進行管理，不僅有利于企業(yè)內(nèi)不同部門之間的信息共享和集成，也便于對產(chǎn)品的各種數(shù)據(jù)和信息進行統(tǒng)計和分析，為提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提供翔實可靠的依據(jù)。目前，許多企業(yè)正在或已經(jīng)實施PDM系統(tǒng)，但PDM主要面向產(chǎn)品設計過程的管理。考慮到PDM系統(tǒng)每個結點的高額費用問題，實施時基本局限于工廠的設計和工藝等少數(shù)部門，不能真正對全廠各生產(chǎn)車間和職能部門迫切需要的制造基礎數(shù)據(jù)提供有效的支持。
為此，我們應用組件對象模型COM和可擴展置標語言(eXtewsible Markup Language，XML)技術，開發(fā)了一個面向離散型生產(chǎn)制造車間，應用于制造執(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可以看作是一個通信工具，一方面為其他應用系統(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在車間的正常運行。CMDIMS主要包括產(chǎn)品結構管理、產(chǎn)品工藝管理、工作中心管理、工作日歷管理和用戶權限管理等業(yè)務邏輯組件，以及系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)訪問和報表處理等通用技術組件，下文將詳細介紹系統(tǒng)的體系結構、功能特點以及實現(xiàn)的關鍵技術。
1 系統(tǒng)設計
1.1 體系結構設計
目前信息系統(tǒng)的軟件體系結構主要有客戶機/服務器(C/S)和瀏覽器/服務器(B/S)兩種模式。C/S結構將應用一分為二，服務器負責數(shù)據(jù)管理，客戶端完成與用戶的交互任務。C/S體系結構具有強大的數(shù)據(jù)操作和事務處理能力，模型簡單，易于理解和接受。但隨著企業(yè)規(guī)模的日益擴大，軟件的復雜程度不斷提高，C/S結構存在客戶端程序設計復雜，開發(fā)成本高，軟件移植、維護和升級困難等缺點�；赪eb的B/S體系結構包括界面層、應用邏輯層和數(shù)據(jù)層，用通用瀏覽器就實現(xiàn)了原來需要復雜的專用軟件才能實現(xiàn)的強大功能，并節(jié)約了開發(fā)成本�；贐/S體系結構的軟件，系統(tǒng)安裝、修改和維護全部在服務器端解決。用戶使用系統(tǒng)時，僅需要一個瀏覽器就可運行全部模塊，真正達到“零客戶端”的功能，系統(tǒng)很容易在運行時自動升級。與C/S結構相比,B/S結構也存在諸如安全性難以控制、數(shù)據(jù)查詢響應速度慢、數(shù)據(jù)的動態(tài)交互性不強、不利于在線事務處理(OLTP)等缺點。
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)務邏輯均位于中間層。對于Web客戶端，瀏覽器可以通過Web服務器來訪問中間層的業(yè)務組件；對于非Web客戶端則可以直接訪問業(yè)務組件接口，所有對數(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格式進行，從而實現(xiàn)業(yè)務邏輯層與數(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)的體系結構
1.2 業(yè)務功能組件設計
(1)BOM管理。
BOM數(shù)據(jù)是整個MES系統(tǒng)中最重要的基礎數(shù)據(jù)，是車間組織生產(chǎn)的重要依據(jù)，其格式設計的合理與否直接影響到系統(tǒng)的處理性能，因此，根據(jù)實際的使用環(huán)境，靈活地設計合理高效的BOM是十分重要的。在綜合考慮單層和多層BOM優(yōu)缺點的基礎上，將產(chǎn)品結構分為自然屬性和裝配關系分別進行描述。其中物料的自然屬性以物料主文件的形式描述，產(chǎn)品的裝配關系則采用父子結構的形式來描述。采用這種定義方式有助于提高BOM數(shù)據(jù)的準確性、一致性和易維護性，并具有較低的數(shù)據(jù)冗余度。
系統(tǒng)以直觀的產(chǎn)品結構樹形式(如圖2所示)顯示組成產(chǎn)品的零部件所屬關系及其裝配數(shù)量，提供對基本物料屬性和產(chǎn)品組成結構的維護與管理功能，包括物料主文件和物料清單的錄入、修改、刪除和報表打印等，BOM的單級、多級查詢和反查詢，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)品制造過程的綱領性文件，也是車間組織生產(chǎn)的重要依據(jù)，對保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率起著至關重要的作用。系統(tǒng)分別對零件的加工工藝和部件的組裝工藝進行了詳細描述，包括工藝版本、工藝序號、工序名稱、定額工時和相關設備、工具等信息，為MES系統(tǒng)中的作業(yè)分派提供基礎信息支持。對于部件的組裝工藝，每道工序還要涉及相關零部件及裝配數(shù)量的定義，用專門的數(shù)據(jù)表進行定義，方便MES中部件派工時對物料齊套性的檢查。
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，可以隨機選擇加工。系統(tǒng)采用“工序相關性”的方式較好地描述了這一問題，即對每個工序定義其工序相關性。若工序相關性為TRUE，則執(zhí)行該工序時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，可并列進行。另外，頁面提供對產(chǎn)品結構樹和物料基本屬性的支持，工藝人員可以對產(chǎn)品結構樹中任意零部件的工藝信息進行瀏覽、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)計劃和日生產(chǎn)調(diào)度的時間依據(jù)，主要包括對工作日和休息日的設定和維護，系統(tǒng)提供有效工作日計算、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)計劃、控制產(chǎn)品制造等階段的重要信息依據(jù)。主要包括對資源的基本屬性、加工能力、所處狀態(tài)、負荷情況等的描述，可方便地進行錄入、修改、刪除、查詢、統(tǒng)計和匯總打印等管理功能。同時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)用戶權限設置。
系統(tǒng)管理員通過該功能組件完成對部門、用戶、登錄密碼的管理以及相應的權限設置(查詢/瀏覽權限或修改/刪除權限等)，以保證系統(tǒng)運行的安全性。系統(tǒng)采用部門與用戶相結合的方式來管理，可為部門設置一定的權限，屬于該部門的用戶自動繼承相應的權限；另外，也可以根據(jù)實際需要單獨對每個用戶設置特殊的權限，只有具有權限的用戶才可以執(zhí)行相應的操作。
1.3 通用技術組件設計
系統(tǒng)采用面向對象技術，將一些通用功能(如數(shù)據(jù)訪問、報表處理等)封裝成獨立的組件，為其他業(yè)務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)庫的專用對象集，提供了完整的數(shù)據(jù)庫訪問解決方案。使用ADO對象(Connection，Command，DataAdaptor，DataSet等)建立和管理數(shù)據(jù)庫的連接，為業(yè)務邏輯層提供訪問數(shù)據(jù)的能力。業(yè)務功能組件需通過數(shù)據(jù)訪問組件從數(shù)據(jù)庫服務器獲取數(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)實體操作接口IEntityDAO(繼承自IDisposable接口)和自定義數(shù)據(jù)實體類EntityData(繼承自DataSet類)。數(shù)據(jù)實體操作接口中封裝了控制數(shù)據(jù)的基本操作，如增加實體、修改實體、刪除實體和查詢實體等，為業(yè)務邏輯層提供數(shù)據(jù)操作服務。
(2)報表處理組件。針對系統(tǒng)的多個功能組件需要頻繁使用報表功能的需求，專門設計了通用的報表處理組件。該報表處理組件可以根據(jù)用戶設定實現(xiàn)報表的動態(tài)生成，并可以根據(jù)用戶的需求將報表內(nèi)容按Word或Excel格式導出，方便用戶的進一步處理。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)存取負責與數(shù)據(jù)庫建立連接，獲取報表應用要處理的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)表現(xiàn)則負責按照一定的格式在界面上顯示報表數(shù)據(jù)。
(3)系統(tǒng)配置組件。系統(tǒng)配置組件用來對系統(tǒng)的一些環(huán)境參數(shù)進行初始化設置，并可對所有的系統(tǒng)參數(shù)進行管理和維護，提供其他功能組件對系統(tǒng)參數(shù)的訪問接口，方便系統(tǒng)的快速實施。如設置和管理數(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)的可移植性和可擴展性。
1.4 數(shù)據(jù)庫和安全性設計
采用不同的數(shù)據(jù)訪問組件，系統(tǒng)可以適應于SQL Server，Oracle，DB/2等常見的企業(yè)級關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(RDBMS)，通過XML文件實現(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、擴展性強等優(yōu)點。BOM數(shù)據(jù)表采用上述物料主文件和裝配關系的方式定義，對所有的數(shù)據(jù)表均建立完整的主外鍵參照關系，以及視圖、觸發(fā)器和存儲過程等數(shù)據(jù)庫對象，保證基礎數(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限設置組件，確保只有合法的用戶才能進入系統(tǒng)進行許可的操作(查詢、修改或刪除)，從而保證對服務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過程的定義，限制用戶對部分敏感數(shù)據(jù)的訪問。
2 系統(tǒng)開發(fā)的關鍵技術
2.1 COM組件開發(fā)
組件(Component)是指應用系統(tǒng)中可以明確辨識的、具有一定功能的構成模塊�；诮M件技術的開發(fā)方法，它具有開放性、易升級、易維護等優(yōu)點。系統(tǒng)基于Microsoft公司的COM/COM+技術，將制造數(shù)據(jù)管理的各業(yè)務邏輯模塊和通用技術模塊制作成獨立、可重用的組件，各組件間具有標準的接口規(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，其結構簡單且易于調(diào)整，系統(tǒng)升級可透明進行。整個系統(tǒng)由業(yè)務邏輯組件和通用技術組件搭建而成，由于遵循統(tǒng)一的接口定義語言IDL(Interface Definition Language)標準，組件間可實現(xiàn)互操作，開放性較好。此外，各組件間耦合性較松，易于實現(xiàn)大粒度組件復用，進而有效縮短開發(fā)周期，降低維護難度和成本。
2.2 XML技術
XML以一種開放的自我描述方式定義了數(shù)據(jù)結構，在描述數(shù)據(jù)內(nèi)容的同時突出對數(shù)據(jù)結構的描述，從而體現(xiàn)出數(shù)據(jù)之間的關系，因此數(shù)據(jù)不需要外部描述就能被交換和處理。系統(tǒng)將所有對數(shù)據(jù)庫的操作語句(SQL語句)均存儲在XML文件中，在運行時系統(tǒng)首先根據(jù)條件讀取相應的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)結果首先被轉換為XML文件格式，然后傳輸?shù)侥繕藢嶓w——業(yè)務邏輯組件中進行相應的處理，從而實現(xiàn)業(yè)務邏輯層與數(shù)據(jù)層的有效隔離，并且可以突破網(wǎng)絡訪問協(xié)議的限制實現(xiàn)跨平臺操作和訪問。
2.3 異常處理及數(shù)據(jù)驗證
由于制造數(shù)據(jù)的復雜性和多樣性，因此，很可能出現(xiàn)因用戶操作不當?shù)仍蛞鹣到y(tǒng)出錯。為了使系統(tǒng)能夠安全可靠地運行，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用戶所有的輸入進行有效性驗證，以提高系統(tǒng)的容錯能力。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)會給出相應的提示信息，并禁止執(zhí)行請求的操作。同時，系統(tǒng)會自動切換到物料主文件管理頁面，方便用戶的進一步操作。
3 系統(tǒng)特點和應用效果
3.1 系統(tǒng)特點
組件化制造數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)以功能集成為基礎，以信息集成為目標，以方便、實用為原則，充分利用企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)提供的豐富資源，實現(xiàn)對各種制造基礎數(shù)據(jù)的有效管理和快速檢索，為MES進行日常的車間生產(chǎn)管理提供實時、準確的信息流，從而將車間生產(chǎn)管理水平推向一個更高的層次。
系統(tǒng)主要運行于制造執(zhí)行系統(tǒng)MES環(huán)境下，用大量的功能接口為車間生產(chǎn)管理提供基礎數(shù)據(jù)支持。采用B/S三層體系結構，主要的業(yè)務邏輯功能都集中在服務器端，而客戶端只需安裝瀏覽器，便于系統(tǒng)的維護和升級。另外，系統(tǒng)界面非常友好，功能實用，操作簡便。
利用COM和XML技術真正實現(xiàn)與底層數(shù)據(jù)庫的無關性，有效地提高系統(tǒng)的移植性和擴展性，為企業(yè)異構數(shù)據(jù)源的集成提供了便利條件。
3.2 系統(tǒng)應用效果
組件化制造數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)目前已在大連機車廠機械二車間投入應用，是該車間構件化智能制造執(zhí)行系統(tǒng)的重要組成部分。實際應用效果表明，該系統(tǒng)與MES實現(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、實用和可擴展等要求，也為企業(yè)信息化建設奠定了堅實的基礎。系統(tǒng)雖然最初是為機車行業(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 結束語
應用組件對象模型COM和XML技術，開發(fā)了MES環(huán)境下基于B/S體系結構的組件化制造數(shù)據(jù)集成管理系統(tǒng)，使系統(tǒng)的可重用性、可移植性和可維護性有了極大的提高。我們將進一步完善系統(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，使之可以應用于基于Internet的分布式網(wǎng)絡制造環(huán)境。
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