制造数据是指企业中与产品设计、生产和管理等密切相关的各种资料和数据，主要包括物料主文件、物料清单、工厂行程、产品工艺、设备资源和工厂日历等信息。它们既是指导产品生产的重要依据，也是产品数据管理(PDM)中的重要内容。通过Intranet对企业的各种制造数据进行管理，不仅有利于企业内不同部门之间的信息共享和集成，也便于对产品的各种数据和信息进行统计和分析，为提高生产效率和产品质量提供翔实可靠的依据。目前，许多企业正在或已经实施PDM系统，但PDM主要面向产品设计过程的管理。考虑到PDM系统每个结点的高额费用问题，实施时基本局限于工厂的设计和工艺等少数部门，不能真正对全厂各生产车间和职能部门迫切需要的制造基础数据提供有效的支持。
为此，我们应用组件对象模型COM和可扩展置标语言(eXtewsible Markup Language，XML)技术，开发了一个面向离散型生产制造车间，应用于制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)环境下的组件化制造数据集成管理系统(Component integrated management system for manufacturing data，CMDIMS)，为MES提供有力的数据支持。作为车间层生产作业管理核心的MES可以看作是一个通信工具，一方面为其他应用系统提供制造现场的数据信息；另一方面，MES也要从其他系统中获取必要的数据，这些数据保证了MES在车间的正常运行。CMDIMS主要包括产品结构管理、产品工艺管理、工作中心管理、工作日历管理和用户权限管理等业务逻辑组件，以及系统配置、数据访问和报表处理等通用技术组件，下文将详细介绍系统的体系结构、功能特点以及实现的关键技术。
1 系统设计
1.1 体系结构设计
目前信息系统的软件体系结构主要有客户机/服务器(C/S)和浏览器/服务器(B/S)两种模式。C/S结构将应用一分为二，服务器负责数据管理，客户端完成与用户的交互任务。C/S体系结构具有强大的数据操作和事务处理能力，模型简单，易于理解和接受。但随着企业规模的日益扩大，软件的复杂程度不断提高，C/S结构存在客户端程序设计复杂，开发成本高，软件移植、维护和升级困难等缺点。基于Web的B/S体系结构包括界面层、应用逻辑层和数据层，用通用浏览器就实现了原来需要复杂的专用软件才能实现的强大功能，并节约了开发成本。基于B/S体系结构的软件，系统安装、修改和维护全部在服务器端解决。用户使用系统时，仅需要一个浏览器就可运行全部模块，真正达到“零客户端”的功能，系统很容易在运行时自动升级。与C/S结构相比,B/S结构也存在诸如安全性难以控制、数据查询响应速度慢、数据的动态交互性不强、不利于在线事务处理(OLTP)等缺点。
鉴于以上考虑，系统采用基于Web的多层B/S模式(如图1所示)，主要的业务逻辑均位于中间层。对于Web客户端，浏览器可以通过Web服务器来访问中间层的业务组件；对于非Web客户端则可以直接访问业务组件接口，所有对数据库的访问及操作需通过通用数据访问组件以XML格式进行，从而实现业务逻辑层与数据层的分隔。
图1 组件化制造数据集成管理系统的体系结构
1.2 业务功能组件设计
(1)BOM管理。
BOM数据是整个MES系统中最重要的基础数据，是车间组织生产的重要依据，其格式设计的合理与否直接影响到系统的处理性能，因此，根据实际的使用环境，灵活地设计合理高效的BOM是十分重要的。在综合考虑单层和多层BOM优缺点的基础上，将产品结构分为自然属性和装配关系分别进行描述。其中物料的自然属性以物料主文件的形式描述，产品的装配关系则采用父子结构的形式来描述。采用这种定义方式有助于提高BOM数据的准确性、一致性和易维护性，并具有较低的数据冗余度。
系统以直观的产品结构树形式(如图2所示)显示组成产品的零部件所属关系及其装配数量，提供对基本物料属性和产品组成结构的维护与管理功能，包括物料主文件和物料清单的录入、修改、删除和报表打印等，BOM的单级、多级查询和反查询，以及版本管理和成批替换等功能。
图2 BOM管理页面
(2)工艺信息管理。
工艺信息是规定产品制造过程的纲领性文件，也是车间组织生产的重要依据，对保证产品质量和生产效率起着至关重要的作用。系统分别对零件的加工工艺和部件的组装工艺进行了详细描述，包括工艺版本、工艺序号、工序名称、定额工时和相关设备、工具等信息，为MES系统中的作业分派提供基础信息支持。对于部件的组装工艺，每道工序还要涉及相关零部件及装配数量的定义，用专门的数据表进行定义，方便MES中部件派工时对物料齐套性的检查。
在离散型制造车间中，存在大量的顺序工序和并列工序问题，即工件的部分工序具有严格的先后顺序约束，而部分工序之间没有顺序要求，可以随机选择加工。系统采用“工序相关性”的方式较好地描述了这一问题，即对每个工序定义其工序相关性。若工序相关性为TRUE，则执行该工序时其前面的所有工序必须完成；若为FALSE，则该工序与前面的工序无顺序要求，可并列进行。另外，页面提供对产品结构树和物料基本属性的支持，工艺人员可以对产品结构树中任意零部件的工艺信息进行浏览、添加、修改、查询以及工艺整体借用等操作。
(3)工作日历管理。
工作日历是MES系统中编制生产作业计划和日生产调度的时间依据，主要包括对工作日和休息日的设定和维护，系统提供有效工作日计算、工作日历查询、公历和厂历换算等接口。
(4)工作中心管理。
该功能组件主要完成车间设备、工具和工装等制造资源的管理，是企业编制工艺规程、制定生产计划、控制产品制造等阶段的重要信息依据。主要包括对资源的基本属性、加工能力、所处状态、负荷情况等的描述，可方便地进行录入、修改、删除、查询、统计和汇总打印等管理功能。同时提供必要的功能接口，方便工艺信息管理等组件或MES系统的调用。
(5)用户权限设置。
系统管理员通过该功能组件完成对部门、用户、登录密码的管理以及相应的权限设置(查询/浏览权限或修改/删除权限等)，以保证系统运行的安全性。系统采用部门与用户相结合的方式来管理，可为部门设置一定的权限，属于该部门的用户自动继承相应的权限；另外，也可以根据实际需要单独对每个用户设置特殊的权限，只有具有权限的用户才可以执行相应的操作。
1.3 通用技术组件设计
系统采用面向对象技术，将一些通用功能(如数据访问、报表处理等)封装成独立的组件，为其他业务逻辑组件提供通用性支持。
(1)数据访问组件。基于XML和ADO.NET技术开发了通用数据访问组件。ADO是Microsoft开发的一组优化访问数据库的专用对象集，提供了完整的数据库访问解决方案。使用ADO对象(Connection，Command，DataAdaptor，DataSet等)建立和管理数据库的连接，为业务逻辑层提供访问数据的能力。业务功能组件需通过数据访问组件从数据库服务器获取数据，或执行添加、更新、删除等数据操作。用C#语言定义如下所示的数据实体操作接口IEntityDAO(继承自IDisposable接口)和自定义数据实体类EntityData(继承自DataSet类)。数据实体操作接口中封装了控制数据的基本操作，如增加实体、修改实体、删除实体和查询实体等，为业务逻辑层提供数据操作服务。
(2)报表处理组件。针对系统的多个功能组件需要频繁使用报表功能的需求，专门设计了通用的报表处理组件。该报表处理组件可以根据用户设定实现报表的动态生成，并可以根据用户的需求将报表内容按Word或Excel格式导出，方便用户的进一步处理。该组件主要包括数据存取和数据表现两部分，数据存取负责与数据库建立连接，获取报表应用要处理的数据；数据表现则负责按照一定的格式在界面上显示报表数据。
(3)系统配置组件。系统配置组件用来对系统的一些环境参数进行初始化设置，并可对所有的系统参数进行管理和维护，提供其他功能组件对系统参数的访问接口，方便系统的快速实施。如设置和管理数据库的访问参数、系统管理员的访问口令以及一些可选的系统参数等，从而有效地提高系统的可移植性和可扩展性。
1.4 数据库和安全性设计
采用不同的数据访问组件，系统可以适应于SQL Server，Oracle，DB/2等常见的企业级关系数据库管理系统(RDBMS)，通过XML文件实现中间组件层与底层数据库管理系统的交互，具有操作简单、伸缩性强、扩展性强等优点。BOM数据表采用上述物料主文件和装配关系的方式定义，对所有的数据表均建立完整的主外键参照关系，以及视图、触发器和存储过程等数据库对象，保证基础数据的完整性和一致性，以及较低的数据冗余。
系统运行于厂内局域网上，因此安全性主要是指系统的内部安全性。第一层，是通过上述的用户权限设置组件，确保只有合法的用户才能进入系统进行许可的操作(查询、修改或删除)，从而保证对服务器的基本访问是安全的；第二层，在数据库中加入了视图和存储过程的定义，限制用户对部分敏感数据的访问。
2 系统开发的关键技术
2.1 COM组件开发
组件(Component)是指应用系统中可以明确辨识的、具有一定功能的构成模块。基于组件技术的开发方法，它具有开放性、易升级、易维护等优点。系统基于Microsoft公司的COM/COM+技术，将制造数据管理的各业务逻辑模块和通用技术模块制作成独立、可重用的组件，各组件间具有标准的接口规约及通信协议，按照一定的组装规则以及全局和局部约束，使系统可以像堆积木那样来建造，其结构简单且易于调整，系统升级可透明进行。整个系统由业务逻辑组件和通用技术组件搭建而成，由于遵循统一的接口定义语言IDL(Interface Definition Language)标准，组件间可实现互操作，开放性较好。此外，各组件间耦合性较松，易于实现大粒度组件复用，进而有效缩短开发周期，降低维护难度和成本。
2.2 XML技术
XML以一种开放的自我描述方式定义了数据结构，在描述数据内容的同时突出对数据结构的描述，从而体现出数据之间的关系，因此数据不需要外部描述就能被交换和处理。系统将所有对数据库的操作语句(SQL语句)均存储在XML文件中，在运行时系统首先根据条件读取相应的XML文件中的一条SQL语句，并传入必要的参数，然后提交到数据库管理系统执行；返回的数据结果首先被转换为XML文件格式，然后传输到目标实体——业务逻辑组件中进行相应的处理，从而实现业务逻辑层与数据层的有效隔离，并且可以突破网络访问协议的限制实现跨平台操作和访问。
2.3 异常处理及数据验证
由于制造数据的复杂性和多样性，因此，很可能出现因用户操作不当等原因引起系统出错。为了使系统能够安全可靠地运行，提高系统的稳定性，其异常处理能力也非常重要，因此在客户端采用脚本语言对用户所有的输入进行有效性验证，以提高系统的容错能力。如在BOM管理页面，如果用户输入的物料编码在物料主文件中不存在，系统会给出相应的提示信息，并禁止执行请求的操作。同时，系统会自动切换到物料主文件管理页面，方便用户的进一步操作。
3 系统特点和应用效果
3.1 系统特点
组件化制造数据集成管理系统以功能集成为基础，以信息集成为目标，以方便、实用为原则，充分利用企业内联网提供的丰富资源，实现对各种制造基础数据的有效管理和快速检索，为MES进行日常的车间生产管理提供实时、准确的信息流，从而将车间生产管理水平推向一个更高的层次。
系统主要运行于制造执行系统MES环境下，用大量的功能接口为车间生产管理提供基础数据支持。采用B/S三层体系结构，主要的业务逻辑功能都集中在服务器端，而客户端只需安装浏览器，便于系统的维护和升级。另外，系统界面非常友好，功能实用，操作简便。
利用COM和XML技术真正实现与底层数据库的无关性，有效地提高系统的移植性和扩展性，为企业异构数据源的集成提供了便利条件。
3.2 系统应用效果
组件化制造数据集成管理系统目前已在大连机车厂机械二车间投入应用，是该车间构件化智能制造执行系统的重要组成部分。实际应用效果表明，该系统与MES实现了紧密的集成，为车间层各部门的生产调度管理提供了高效的制造数据集成和共享，是一个功能较完善的制造数据管理系统。系统不仅满足了企业制造数据管理的集成、灵活、实用和可扩展等要求，也为企业信息化建设奠定了坚实的基础。系统虽然最初是为机车行业的生产车间开发的，同样也适用于大多数离散型制造业。
4 结束语
应用组件对象模型COM和XML技术，开发了MES环境下基于B/S体系结构的组件化制造数据集成管理系统，使系统的可重用性、可移植性和可维护性有了极大的提高。我们将进一步完善系统的功能以满足更多用户的不同需求，并提高系统的安全性管理，使之可以应用于基于Internet的分布式网络制造环境。
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本文标题：组件化制造数据集成管理的研究与实现
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