基于 PLM 的制造企业应用系统集成的研究

基于 PLM 的制造企业应用系统集成的研究

随着信息技术的发展，制造企业也在发生巨大的变化。目前，制造企业所使用的应用软件越来越多，像 CAX（CAD、CAM、CAPP 和 CAE）、PLM和 ERP 技术也得到不断地推广和应用。这些应用系统具有异构环境，用于处理产品定义、流程描述和生产控制中的异构信息，并将各种数据信息分别存放在不同的物理系统中，这就使他们迫切要求通过网络实现各企业应用系统的集成，进行企业间信息的共享与集成。但是各个企业的信息系统与数据库不尽相同，这样就对信息的共享与交换带来了问题。本文正是出于此种目的，提出了一种基于 PLM 的企业间系统的的集成，来实现企业间信息的共享与集成。
 
1 基于 PLM 实现应用系统集成的必要性制造企业的应用系统集成是基于产品生命周期的信息模型的系统集成。对产品生命周期中的所有产品数据进行定义，而这些数据分别存储在不同的应用系统中，为了使产品信息模型对所有用户来说都是透明的，必须把这些分散的系统集成为一个整体。这些系统主要包括 CAX、PLM 和 ERP 等。对于基于 PLM 系统的集成其必要性主要可以概括为以下三个方面：
首先，在产品的全生命周期中各个系统的侧重点不同，CAX 系统主要用于产品的设计、分析与制造，PLM 系统用于管理与产品有关的数据和过程，而 ERP 系统则侧重于实现管理企业的人、财、物、信息等企业资源；其次，由于这些系统的应用范围和侧重点不同，其信息模型的不一致从而造成了各应用系统之间的“信息孤岛”，没有实现企业信息资源最大限度的重用和共享，从而对企业来说是一种信息资源的浪费；最后，企业实现产品全生命周期管理是企业信息化的主要发展方向。现有的任何一个单一的系统都无法完成制造企业的整个产品生命周期管理，因而需要利用企业的现有信息资源进行系统集成，这也是一种经济可行的实现途径。
 
2  基于 PLM 应用系统集成框架
2.1  系统集成需要考虑的问题
企业对应用系统进行集成时，不仅要考虑现有系统的技术因素，更要考虑企业组织结构、人员配备、技术条件以及企业所能承担的集成费用等。集成度越高，费用支出也将越高，同时对企业相关业务部门的冲击也越大。总的来说，系统集成需要几个方面的考虑：首先是要定义某一对象的数据，在不同的应用系统中所进行的信息定义和描述方式并不相同，需进行数据的统一定义和描述；其次是数据的控制问题，即那些数据是由那些人员产生的。以及由谁来控制需要共享的信息资源；最后是异构计算机应用系统集成的实现问题。
 
2.2  系统集成的结构框架
根据系统集成方式的不同，本文提出 PLM 的PLM 应用系统集成框架。下面对本系统框架进行详细说明。
CAX 系统具有多样性与异构性的特点，并且现有的不同 PLM 系统也是采用不同的系统架构和外部接口，因此必须采用基于 Web 的平台无关的技术来实现通用的 CAX 和 PLM 系统的集成。由于 Web Service 是完全与 Web 平台无关的，它定义应用程序在 Web 上的互相通信，而与各应用程序的底层实现无关，因此选择 Web Service 平台实现 CAX 和PLM 系统的集成。
对于平台无关性的要求使得我们必须屏蔽不同系统的底层实现细节，不同的系统对外提供统一的调用接口，Facade 设计模式恰恰具有上述优点，因此 CAX 和 PLM 系统的底层接口分别用 Facade 模式封装成 Web Service，以对外部屏蔽各自的底层接口，只暴露互相调用所需要的 API，PLM 系统可以通过 Web 调用封装了 CAX 接口的Web Service。反之，CAX 也可以调用 PLM 的 Web Service，两者通过 Web 互相调用，关系是对等的。
 
PLM 系统和 CAX 系统互为 Web Service 的客户端和服务器端，客户端和服务器之间用 SOAP 协议通信。两个系统之间采用 XML 格式进行信息交换，各自通过数据交换封装接口把各自的内部数据格式转换成 XML  数据格式发送请求，收到 XML 格式的数据之后也是通过数据交换封装接口把收到的XML 数据解析为各自的内部格式（图 1）。

    ERP 与 PLM 集成的最重要的数据集成是BOM，一个产品要经过工程设计、工艺设计、生产制造才能最终形成产品，BOM 表在此设计过程中也由工程物料清单 EBOM 到制造物料清单 MBOM的转变，在 PLM 中，BOM 以产品结构树的形式进行表达，主要包括物料信息和产品结构信息，这些都是PLM需要向ERP导入的数据。在ERP中，BOM的最根本作用是进行物料需求、成本、能力等方面的计算。
 
    进行统的集成要首先解决 BOM 表不一致的处理。我们可以通过建立装备 BOM（ABOM）作为两者的中间阶段，不但包含产品装配文件，还包含产品工艺装备、消耗品、专用工具以及技术文件等。由于 PLM 和 ERP 往往出自不同的生产厂商，应用 XML 进行 BOM 信息的传递是一种有效的方式。经由 ERP 系统和 PLM 系统提供的 API 组建，将系统需要提供的信息导入或导出，将其转换成统一的 XML 文件进行信息的传递。
 
3实现系统集成的关键技术
3.1  Web Service  技术  
通过 Web 服务，企业可以将共享信息、外协信息对外发布，其信息可以被 Web 程序所使用，也可以被其它企业的应用程序使用。Web服务特征如下。
    1) 完好的封装性，对于使用者而言，它能且仅能看到该对象提供的功能列表。
    2) 松散耦合对于松散祸合而言，尤其是在Internet 环境下的 Web 服务而言，需要有一种适合Internet 环境的消息交换协议。而 XML/SOAP 正是目前最为适合的消息交换协议。
    3) 软件平台无关性，高度可集成能力。选择 Web Service 平台作为 PLM 和其它系统集成框架的集成平台。该平台是通过一系列标准和协议来保证程序之间的动态连接。其中最基本的协议包括：SOAP，WSDL，UDD I。SOAP（Simple Object  Access Protocol 简单对象存取协议）是 Web Services消息通信的协议，是核心内容；WSDL  （Web Services Description Language）是 Web 服务定义语言，用来说明 SOAP 的消息和如何交换这些消息；UDDI（Universal Descrip tion，Discovery，and Integration 通用发现、说明和集成）用于集中存放和查找 WSDL 描述文件，起着目录服务器的作用。
 
    对底层接口封装之后，在统一的高层数据交换接口上编写 Web Service 应用程序，由于不同系统提供了统一的高层数据交换接口，Web Service 只与高层数据接口进行交互，因此可以编写通用的 Web Service 服务程序应用于不同 CAPP 和 PDM 系统的集成。通过对 PLM 和其它系统分别编写通用的 Web Service 应用程序，在 Web 上进行各自 Web Service的调用，实现 PDM 和其它系统的无缝集成。

3.2  XML 技术
    由于 CAX（CAD/CAM/CAPP）与 ERP 等系统的数据格式不同，因此必须提供一种中间的通用数据格式来实现两个系统之间的信息集成。
XML 作为一种高效、简单且具有高度开放性、兼容和跨平台性能的数据存储和数据交换标准，越来越显示出其强大的优越性。XML 的优点主要有：
    （1）良好的数据格式    便于设计与特定领域相关的标记语言，同时又利于在异构系统间数据交换。
    （2）良好的可扩展性和灵活性XML 的扩展性和灵活性允许它描述不同种类的应用软件中的数据，且能集成不同来源的数据，方便了数据的建立。
    （3）便于网络传输XML 的压缩性能好，不会给网络传输增加太大的负担。
    （4）文档高度结构化XML 通过自定义标识，将文档分解为有一定含义的标记表达的元素，并可给每个元素附带额外的信息（属性），由此成为层次分明的数据结构。由于 XML 具有如此多的优点，选择XML作为中间格式实现PLM应用系统集成之间的数据交换。每个独立的系统各自把自己的数据转换成 XML 这种中间格式，通过集成框架实现数据交换与信息的共享，实现了集成框架的平台无关性和强大的可移植性。
 
    我们以 CAPP 与 PLM 系统之间的数据交换为例来说明：CAPP 与 PLM 系统是以 BOM 的形式进行数据交换的。CAPP 从 PLM 系统中得到 EBOM 及其属性，CAPP 系统和 PDM 系统之间主要的交换数据是 BOM（Bill Of Material，物料清单）表，CAPP 从 PDM 中得到设计 BOM 和设计属性，PDM 从 CAPP 中得到工艺 BOM 和装配BOM，产品结构树是 BOM 表的中心内容。
系统之间交换的数据全部封装成 XML 格式，通过各自的数据交换封装接口进行 XML 格式和内部数据格式的互相转换。
4  结语
    随着信息化的进一步发展，制造业的信息集成将成为势在必行的发展趋势，充分利用有限的企业资源，使各项资源达到最大限度的利用，也是每个设计者以及企业管理者的心愿。本文通过基于 PLM的企业应用集成，把设计、分析、制造以及管理各个环节有机的结合起来，达到一定程度的信息共享与交换。由于系统的复杂性，此方案还有一些方面如服务安全性等需进一步深入探讨和研究。