制造數據是指企業中與產品設計、生產和管理等密切相關的各種資料和數據，主要包括物料主文件、物料清單、工廠行程、產品工藝、設備資源和工廠日歷等信息。它們既是指導產品生產的重要依據，也是產品數據管理(PDM)中的重要內容。通過Intranet對企業的各種制造數據進行管理，不僅有利于企業內不同部門之間的信息共享和集成，也便于對產品的各種數據和信息進行統計和分析，為提高生產效率和產品質量提供翔實可靠的依據。目前，許多企業正在或已經實施PDM系統，但PDM主要面向產品設計過程的管理。考慮到PDM系統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部門，不能真正對全廠各生產車間和職能部門迫切需要的制造基礎數據提供有效的支持。
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，開發了一個面向離散型生產制造車間，應用于制造執行系統(Manufacturing Execution System，MES)環境下的組件化制造數據集成管理系統(Component integrated management system for manufacturing data，CMDIMS)，為MES提供有力的數據支持。作為車間層生產作業管理核心的MES可以看作是一個通信工具，一方面為其他應用系統提供制造現場的數據信息；另一方面，MES也要從其他系統中獲取必要的數據，這些數據保證了MES在車間的正常運行。CMDIMS主要包括產品結構管理、產品工藝管理、工作中心管理、工作日歷管理和用戶權限管理等業務邏輯組件，以及系統配置、數據訪問和報表處理等通用技術組件，下文將詳細介紹系統的體系結構、功能特點以及實現的關鍵技術。
1 系統設計
1.1 體系結構設計
目前信息系統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，服務器負責數據管理，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據操作和事務處理能力，模型簡單，易于理解和接受。但隨著企業規模的日益擴大，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，開發成本高，軟件移植、維護和升級困難等缺點。基于Web的B/S體系結構包括界面層、應用邏輯層和數據層，用通用瀏覽器就實現了原來需要復雜的專用軟件才能實現的強大功能，并節約了開發成本。基于B/S體系結構的軟件，系統安裝、修改和維護全部在服務器端解決。用戶使用系統時，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、數據查詢響應速度慢、數據的動態交互性不強、不利于在線事務處理(OLTP)等缺點。
鑒于以上考慮，系統采用基于Web的多層B/S模式(如圖1所示)，主要的業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務組件；對于非Web客戶端則可以直接訪問業務組件接口，所有對數據庫的訪問及操作需通過通用數據訪問組件以XML格式進行，從而實現業務邏輯層與數據層的分隔。
圖1 組件化制造數據集成管理系統的體系結構
1.2 業務功能組件設計
(1)BOM管理。
BOM數據是整個MES系統中最重要的基礎數據，是車間組織生產的重要依據，其格式設計的合理與否直接影響到系統的處理性能，因此，根據實際的使用環境，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優缺點的基礎上，將產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數據的準確性、一致性和易維護性，并具有較低的數據冗余度。
系統以直觀的產品結構樹形式(如圖2所示)顯示組成產品的零部件所屬關系及其裝配數量，提供對基本物料屬性和產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。
工藝信息是規定產品制造過程的綱領性文件，也是車間組織生產的重要依據，對保證產品質量和生產效率起著至關重要的作用。系統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系統中的作業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量的定義，用專門的數據表進行定義，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，頁面提供對產品結構樹和物料基本屬性的支持，工藝人員可以對產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系統中編制生產作業計劃和日生產調度的時間依據，主要包括對工作日和休息日的設定和維護，系統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，是企業編制工藝規程、制定生產計劃、控制產品制造等階段的重要信息依據。主要包括對資源的基本屬性、加工能力、所處狀態、負荷情況等的描述，可方便地進行錄入、修改、刪除、查詢、統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系統的調用。
(5)用戶權限設置。
系統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)，以保證系統運行的安全性。系統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行相應的操作。
1.3 通用技術組件設計
系統采用面向對象技術，將一些通用功能(如數據訪問、報表處理等)封裝成獨立的組件，為其他業務邏輯組件提供通用性支持。
(1)數據訪問組件。基于XML和ADO.NET技術開發了通用數據訪問組件。ADO是Microsoft開發的一組優化訪問數據庫的專用對象集，提供了完整的數據庫訪問解決方案。使用ADO對象(Connection，Command，DataAdaptor，DataSet等)建立和管理數據庫的連接，為業務邏輯層提供訪問數據的能力。業務功能組件需通過數據訪問組件從數據庫服務器獲取數據，或執行添加、更新、刪除等數據操作。用C#語言定義如下所示的數據實體操作接口IEntityDAO(繼承自IDisposable接口)和自定義數據實體類EntityData(繼承自DataSet類)。數據實體操作接口中封裝了控制數據的基本操作，如增加實體、修改實體、刪除實體和查詢實體等，為業務邏輯層提供數據操作服務。
(2)報表處理組件。針對系統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用戶設定實現報表的動態生成，并可以根據用戶的需求將報表內容按Word或Excel格式導出，方便用戶的進一步處理。該組件主要包括數據存取和數據表現兩部分，數據存取負責與數據庫建立連接，獲取報表應用要處理的數據；數據表現則負責按照一定的格式在界面上顯示報表數據。
(3)系統配置組件。系統配置組件用來對系統的一些環境參數進行初始化設置，并可對所有的系統參數進行管理和維護，提供其他功能組件對系統參數的訪問接口，方便系統的快速實施。如設置和管理數據庫的訪問參數、系統管理員的訪問口令以及一些可選的系統參數等，從而有效地提高系統的可移植性和可擴展性。
1.4 數據庫和安全性設計
采用不同的數據訪問組件，系統可以適應于SQL Server，Oracle，DB/2等常見的企業級關系數據庫管理系統(RDBMS)，通過XML文件實現中間組件層與底層數據庫管理系統的交互，具有操作簡單、伸縮性強、擴展性強等優點。BOM數據表采用上述物料主文件和裝配關系的方式定義，對所有的數據表均建立完整的主外鍵參照關系，以及視圖、觸發器和存儲過程等數據庫對象，保證基礎數據的完整性和一致性，以及較低的數據冗余。
系統運行于廠內局域網上，因此安全性主要是指系統的內部安全性。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，在數據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據的訪問。
2 系統開發的關鍵技術
2.1 COM組件開發
組件(Component)是指應用系統中可以明確辨識的、具有一定功能的構成模塊。基于組件技術的開發方法，它具有開放性、易升級、易維護等優點。系統基于Microsoft公司的COM/COM+技術，將制造數據管理的各業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約及通信協議，按照一定的組裝規則以及全局和局部約束，使系統可以像堆積木那樣來建造，其結構簡單且易于調整，系統升級可透明進行。整個系統由業務邏輯組件和通用技術組件搭建而成，由于遵循統一的接口定義語言IDL(Interface Definition Language)標準，組件間可實現互操作，開放性較好。此外，各組件間耦合性較松，易于實現大粒度組件復用，進而有效縮短開發周期，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據結構，在描述數據內容的同時突出對數據結構的描述，從而體現出數據之間的關系，因此數據不需要外部描述就能被交換和處理。系統將所有對數據庫的操作語句(SQL語句)均存儲在XML文件中，在運行時系統首先根據條件讀取相應的XML文件中的一條SQL語句，并傳入必要的參數，然后提交到數據庫管理系統執行；返回的數據結果首先被轉換為XML文件格式，然后傳輸到目標實體——業務邏輯組件中進行相應的處理，從而實現業務邏輯層與數據層的有效隔離，并且可以突破網絡訪問協議的限制實現跨平臺操作和訪問。
2.3 異常處理及數據驗證
由于制造數據的復雜性和多樣性，因此，很可能出現因用戶操作不當等原因引起系統出錯。為了使系統能夠安全可靠地運行，提高系統的穩定性，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，系統會給出相應的提示信息，并禁止執行請求的操作。同時，系統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 系統特點和應用效果
3.1 系統特點
組件化制造數據集成管理系統以功能集成為基礎，以信息集成為目標，以方便、實用為原則，充分利用企業內聯網提供的豐富資源，實現對各種制造基礎數據的有效管理和快速檢索，為MES進行日常的車間生產管理提供實時、準確的信息流，從而將車間生產管理水平推向一個更高的層次。
系統主要運行于制造執行系統MES環境下，用大量的功能接口為車間生產管理提供基礎數據支持。采用B/S三層體系結構，主要的業務邏輯功能都集中在服務器端，而客戶端只需安裝瀏覽器，便于系統的維護和升級。另外，系統界面非常友好，功能實用，操作簡便。
利用COM和XML技術真正實現與底層數據庫的無關性，有效地提高系統的移植性和擴展性，為企業異構數據源的集成提供了便利條件。
3.2 系統應用效果
組件化制造數據集成管理系統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行系統的重要組成部分。實際應用效果表明，該系統與MES實現了緊密的集成，為車間層各部門的生產調度管理提供了高效的制造數據集成和共享，是一個功能較完善的制造數據管理系統。系統不僅滿足了企業制造數據管理的集成、靈活、實用和可擴展等要求，也為企業信息化建設奠定了堅實的基礎。系統雖然最初是為機車行業的生產車間開發的，同樣也適用于大多數離散型制造業。
4 結束語
應用組件對象模型COM和XML技術，開發了MES環境下基于B/S體系結構的組件化制造數據集成管理系統，使系統的可重用性、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的功能以滿足更多用戶的不同需求，并提高系統的安全性管理，使之可以應用于基于Internet的分布式網絡制造環境。
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