按照客戶訂單分離點在生產(chǎn)過程中位置的不同，可以將企業(yè)分為按訂單銷售(sale to order，STO)、按訂單制造(make to order，MTO)、按訂單裝配(assemble to order，ATO)、按訂單設計(engineer to order，ETO)等類型 。其中ETO類型的企業(yè)中，需要按照客戶訂單的要求，重新設計滿足這些要求的零部件，或對其他零件進行變形設計，在此基礎上，向客戶提供定制產(chǎn)品。在ETO的生產(chǎn)方式中，全部或部分零部件的設計、采購、制造、裝配都是由客戶訂單驅動的，典型的ETO類型的企業(yè)有飛機、鐵路機車制造等。對于ETO類型的企業(yè)來說，由于產(chǎn)品的復雜性與特殊性，以及產(chǎn)品的技術準備周期長、設計變更多、工藝種類繁多、裝配任務重等特點，使得產(chǎn)品源頭數(shù)據(jù)的準確與規(guī)范以及設計工藝的協(xié)同應用顯得尤為重要。對于某些復雜裝備制造(飛機、機車)企業(yè)來說，售后運維也是企業(yè)重要的業(yè)務環(huán)節(jié)，在運維業(yè)務執(zhí)行的過程中也需要能夠及時、準確地消化產(chǎn)品源頭的數(shù)據(jù)信息。產(chǎn)品全生命周期管理(product lifecyele management，PLM)是一種在系統(tǒng)思想指導下，綜合人、過程和技術對產(chǎn)品全生命周期內與產(chǎn)品相關信息、過程、資源等進行管理的方法，它覆蓋產(chǎn)品從需求分析至報廢的整個生命周期。實際上PLM技術是由PDM(product data management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)技術發(fā)展而來，但又不局限于PDM技術，它的核心理念是以產(chǎn)品數(shù)據(jù)為核心，將產(chǎn)品數(shù)據(jù)及時地分發(fā)到企業(yè)業(yè)務的各個環(huán)節(jié)，并對過程進行統(tǒng)一的管理。對于PDM來說，其側重于產(chǎn)品開發(fā)階段數(shù)據(jù)的管理，PLM則側重于對產(chǎn)品全生命周期內數(shù)據(jù)的管理；PDM側重于對企業(yè)內部產(chǎn)品數(shù)據(jù)的管理，PLM則強調對產(chǎn)品生命周期內跨越供應鏈的企業(yè)聯(lián)盟內的所有信息進行管理和利用 。對于ETO類型的企業(yè)來說，由于企業(yè)自身的特點，使得PLM系統(tǒng)的建設在實現(xiàn)企業(yè)信息化的過程中具有舉足輕重的地位。
從信息化在離散制造企業(yè)的應用來看，目前大多數(shù)企業(yè)已實施了PDM系統(tǒng)，實現(xiàn)了諸如圖文檔管理、工作流審批、CAD集成、BOM管理等PDM核心功能的建設，達到了設計內部的協(xié)同及信息化的應用。但此時企業(yè)面臨的問題是如何將PDM的價值延伸到企業(yè)的工藝、生產(chǎn)、維護等各個業(yè)務環(huán)節(jié)，實現(xiàn)各個業(yè)務環(huán)節(jié)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)的消費及再創(chuàng)造，所以設計工藝的一體化、PLM系統(tǒng)平臺的建設成為離散制造行業(yè)的信息化應用熱點。
1 PLM系統(tǒng)平臺的架構及實施理念
Teamcenter是西門子工業(yè)軟件公司的產(chǎn)品全生命周期管理核心解決方案，是業(yè)內首個將單個軟件應用轉變?yōu)樵赟OA(service oriented architecture。面向服務的體系結構)的基礎上建立的，跨專業(yè)、跨項目階段和計劃、真正集成化的PLM解決方案，為大小制造企業(yè)提供了平臺可擴展性、應用豐富性以及可配置性能力。Teamcenter軟件包涵蓋了從早期的需求計劃到最后的維護檢修階段所有過程的跨越產(chǎn)品全生命周期的應用及解決方案，它包括維護檢修、需求協(xié)同、企業(yè)協(xié)同、工程協(xié)同、制造協(xié)同、項目協(xié)同等多個方面。Teamcenter既具備PLM軟件平臺的能力，同時也可以作為單個業(yè)務解決方進行部署。同時，Teamcenter也是在行業(yè)內應用最為廣泛的PLM系統(tǒng)解決方案。
如圖l所示，企業(yè)選擇Teamcenter作為PLM系統(tǒng)的解決方案，并在PLM系統(tǒng)構建工程協(xié)同、制造協(xié)同、項目協(xié)同等諸多解決方案。其中制造協(xié)同是Teamcenter數(shù)字化工藝的解決方案，它建立了一個管理產(chǎn)品、工藝、車間和資源信息的統(tǒng)一集成環(huán)境，可以實現(xiàn)與工程協(xié)同的無縫集成，支持在產(chǎn)品的技術準備周期中設計業(yè)務與工藝業(yè)務之間準確、迅速地傳遞信息，實現(xiàn)工程變更的快速協(xié)同與閉環(huán)管理。
圖1 Teamcenter架構圖
1.1 PLM 系統(tǒng)平臺的架構
某公司研發(fā)軟件系統(tǒng)平臺始建于2002年，由PDM系統(tǒng)、CAPP系統(tǒng)、通知管理系統(tǒng)、編碼管理系統(tǒng)等組成，實現(xiàn)了以二維設計為主的產(chǎn)品設計和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理。各系統(tǒng)相對獨立，信息孤島的情況嚴重，軟件系統(tǒng)架構陳舊，難以承擔整個PLM平臺的重任。而公司未來產(chǎn)品研發(fā)的發(fā)展方向是要構建全三維的研發(fā)生態(tài)環(huán)境，形成產(chǎn)品的數(shù)字化樣機(digital mockup，DMU)及基于模型的定義(model based definition，MBD)的應用模式，同時需要可以支持日常研發(fā)應用、協(xié)同仿真分析、設計協(xié)同等功能的PLM系統(tǒng)。而對于工藝的業(yè)務，則需要一個可以滿足工藝業(yè)務需求的工藝平臺系統(tǒng)，可以同時支持設計工藝一體化的協(xié)同應用。
除了PLM系統(tǒng)的建設之外，公司還在開發(fā)面向經(jīng)營的ERP系統(tǒng)平臺、面向生產(chǎn)的MES系統(tǒng)平臺及面向售后維護的MRO平臺，PLM系統(tǒng)需要實現(xiàn)和這些下游信息系統(tǒng)的緊密集成。PLM平臺的架構原則如下：
1)可以兼容原有的信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，覆蓋其功能應用。
2)PLM平臺支持企業(yè)目前二、三維混用的業(yè)務模式，同時支持向全三維應用環(huán)境的擴展。
3)PLM平臺具備很好的開放性，可以在平臺上構建協(xié)同分析仿真、協(xié)同設計、裝配工藝仿真等子系統(tǒng)。
4)PLM平臺需要支持設計工藝的一體化應用模式。
5)PLM平臺能夠實現(xiàn)和下游信息系統(tǒng)的緊密集成。
根據(jù)以上需求，將PLM系統(tǒng)平臺的架構分為PLM平臺層、業(yè)務平臺層、子業(yè)務平臺層、工具層等4個層次，其中產(chǎn)品全生命周期系統(tǒng)中公共的、平臺型的系統(tǒng)功能抽象PLM平臺層中，關于PLM平臺層的功能在2.2節(jié)中詳細介紹。PLM系統(tǒng)平臺的架構如圖2所示。
圖2 企業(yè)PLM系統(tǒng)架構
1.2 PLM系統(tǒng)的實施理念
整個PLM的實施是一個龐大的系統(tǒng)工程，牽涉到企業(yè)眾多的業(yè)務部門；涉及到對部門的業(yè)務流程、規(guī)章制度的梳理及再造；涉及到供應商的實施團隊、企業(yè)的IT團隊、企業(yè)的關鍵用戶、最終用戶在一個平臺上協(xié)同工作；涉及到需求調研、開發(fā)編碼、上線測試等眾多步驟的統(tǒng)籌規(guī)劃。同時，信息化項目又是典型的“一把手工程”，需要在企業(yè)高層的牽頭領導下，按照項目管理的理念及PLM的實施方法進行項目的實施工作。
在項目實施過程中，企業(yè)與供應商項目團隊共同總結了“總體規(guī)劃、分步實施、快速應用、基礎先行”的十六字實施原則，并嚴格遵照執(zhí)行。首先在系統(tǒng)的規(guī)劃階段，對整個PLM系統(tǒng)的需求進行整體設計與規(guī)劃，既要能夠兼容企業(yè)原有信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與應用，又要能夠滿足企業(yè)現(xiàn)行的業(yè)務模式，同時還能支撐企業(yè)未來業(yè)務的擴充與發(fā)展。在確定了系統(tǒng)的總體設計方案與實施方案之后，按照分步實施的原則，挑選出系統(tǒng)中覆蓋面最廣、應用門檻最低、用戶最常用的功能優(yōu)先實施，并通過培養(yǎng)種子用戶的方式以點帶面，經(jīng)過實踐驗證后再應用推廣。在系統(tǒng)實施過程中，始終堅持快速應用、應用為先的原則，所有的工作圍繞著用戶應用展開。對用戶平日最常用的功能反復測試。力求穩(wěn)定高效，使得系統(tǒng)的應用可以迅速見到效果，在系統(tǒng)應用穩(wěn)定后再逐步完善和添加新的功能。對于系統(tǒng)運行必備的基礎數(shù)據(jù)和基礎知識庫，如標準件庫、計算公式等，首先組織用戶整理并進行錄人，同時建立知識沉淀的規(guī)則與制度，這樣既沉淀了企業(yè)的知識資產(chǎn)，又讓系統(tǒng)應用的友好性大大提升，起到了促進系統(tǒng)應用的效果。
在系統(tǒng)的單元應用穩(wěn)定后，形成整個PLM系統(tǒng)的貫通應用，打通企業(yè)的數(shù)據(jù)流與業(yè)務流；最后通過系統(tǒng)實施與應用過程中的不斷總結與改善，對企業(yè)進行業(yè)務流程與規(guī)章制度的梳理與再造，拓展系統(tǒng)應用的廣度與深度。
2 PLM在高鐵制造企業(yè)的應用
2.1 企業(yè)需求分析
某企業(yè)是中國軌道交通裝備制造行業(yè)的骨干企業(yè)，是中國高速列車產(chǎn)業(yè)化制造基地和城軌地鐵車輛定點制造企業(yè)，公司的產(chǎn)品以高速動車組、高檔鐵路客車、城軌列車為主，企業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略目標是成為世界軌道交通客運裝備最強企業(yè)。企業(yè)的生產(chǎn)模式為典型的ETO類型的企業(yè)，根據(jù)客戶的訂單進行設計，設計模式以二、三維混用的模式為主，并逐步向全三維的應用模式轉變；工藝以機加、焊接、熱處理及裝配工藝為主；同時隨著市場動車保有量的不斷增加，企業(yè)的檢修與運維的業(yè)務也逐漸增多。
企業(yè)在2002年就開始了研發(fā)信息系統(tǒng)的建設工作，實現(xiàn)了以二維設計為主的產(chǎn)品設計和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，但隨著企業(yè)的快速發(fā)展，原有的研發(fā)系統(tǒng)的問題逐漸凸顯：
1)目前的研發(fā)平臺與公司要建成世界最強軌道交通客運裝備制造企業(yè)的戰(zhàn)略目標不匹配，必須建設具備高度可擴充性的PLM平臺并持續(xù)改進，解決目前多個獨立系統(tǒng)所形成的信息孤島問題，以及不能管理三維數(shù)據(jù)、不支持研發(fā)項目管理和流程管理等重大缺陷。
2)沒有一個統(tǒng)一高效的PLM平臺，因此新產(chǎn)品技術準備周期長，產(chǎn)品數(shù)據(jù)不能保證及時分發(fā)，不能實現(xiàn)異地協(xié)同、供應商協(xié)同等；工藝信息化水平僅處于初級階段。由于源頭數(shù)據(jù)的不完備，不能為ERP等下游系統(tǒng)提供及時準確的數(shù)據(jù)。
3)三維設計沒有得到全面應用。目前僅有部分產(chǎn)品實現(xiàn)了三維設計，其他產(chǎn)品仍采用二維設計。三維設計可以很好地解決設計過程中空間干涉、裝配檢查等諸多問題；而目前的系統(tǒng)主要面向二維設計平臺，在管理三維應用時存在很多問題，沒有完善的三維設計規(guī)范，所有這些因素嚴重制約了三維設計工具的推廣。
基于以上的問題與需求，企業(yè)決定建立統(tǒng)一的PLM平臺，以滿足企業(yè)快速發(fā)展的需求。
2.2 PLM平臺功能介紹
在1.1節(jié)中介紹過，PLM平臺層是將面向產(chǎn)品生命周期各業(yè)務中公共的功能與服務抽取出來，形成PLM的公共平臺，平臺中所包含的功能如圖3所示。
圖3 PLM平臺功能
利用統(tǒng)一的項目管理功能可以將產(chǎn)品生命周期中的項目信息統(tǒng)一管理，對項目的進度可以做到一目了然；在產(chǎn)品生命周期中，變更自始至終都會存在，因此需要一個統(tǒng)一的變更管理對產(chǎn)品生命周期中的變更進行管控；在產(chǎn)品生命周期的各個業(yè)務環(huán)節(jié)都會有申請和使用編碼的工作，需要一個統(tǒng)一的編碼平臺處理物料編碼的領碼與回收的工作；產(chǎn)品生命周期的過程就是企業(yè)業(yè)務流轉的過程，需要一個統(tǒng)一的工作流引擎及工作流管理平臺對業(yè)務流程進行管理；離散制造企業(yè)的數(shù)據(jù)流組織形式是以物料為核心、以BOM為組織形態(tài)，各種形態(tài)的BOM不斷變化及流轉的過程，因此需要一個統(tǒng)一的BOM管理平臺對BOM數(shù)據(jù)進行管理。其他的一些如知識管理、集成接口等功能都可以放到PLM平臺層中。
2.3 設計協(xié)同系統(tǒng)與PLM的集成
企業(yè)需要推行全三維的設計應用模式，因此選擇了達索公司的CATIA作為主要的三維設計工具軟件。對于設計工具軟件來說，它是企業(yè)產(chǎn)品工程數(shù)據(jù)產(chǎn)生的第一源頭，對設計工具中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)直接管理；設計工具基于管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)直接進行工作；工具與管理系統(tǒng)的深度融合應用已經(jīng)成為一種應用趨勢。
企業(yè)PLM平臺的建設中也包含設計協(xié)同平臺的建設，它主要提供對設計部門內部的設計協(xié)同支持。從IT方面，這個層面的系統(tǒng)需要能與各類設計應用工具(如ECAD、MCAD、CAE等)緊密集成以對設計數(shù)據(jù)提供深入的管理；從數(shù)據(jù)管理對象來看，這個層面的系統(tǒng)管理的是整個設計過程中的設計數(shù)據(jù)(即各類CAD數(shù)據(jù))，在這個層面強調的是如何能夠深入理解設計數(shù)據(jù)(比如結構件和電氣管路間的位置關系等)，提供設計協(xié)同能力，使工程師在設計過程中就能及時和其他設計人員進行設計協(xié)調。在早期就發(fā)現(xiàn)各種潛在的設計問題。
對于CATIA而言，一定是能夠對其數(shù)據(jù)進行緊密管理的平臺才能夠體現(xiàn)協(xié)同設計的優(yōu)勢，因此選擇了達索公司的VPM作為企業(yè)的協(xié)同設計平臺。在產(chǎn)品設計初期，產(chǎn)品的更改頻率是最高的，同時設計師所關心的是專業(yè)協(xié)同、關聯(lián)設計、供應商選擇等設計需求；在設計定型之后，設計師才會關注BOM數(shù)據(jù)的發(fā)布、與工藝生產(chǎn)的協(xié)同等需求。設計師在產(chǎn)品設計初期的工作主要集中在CATIA與VPM中，可以通過一個接口實現(xiàn)VPM與Teamcenter之間的數(shù)據(jù)交換，將頻繁的數(shù)據(jù)操作放在子系統(tǒng)內部實現(xiàn)，將頻次較低的數(shù)據(jù)交換工作通過接口來實現(xiàn)，如圖4所示。
圖4 設計協(xié)同平臺與PLM集成
2.4 設計工藝的一體化應用
在產(chǎn)品的技術準備周期中，設計與工藝是業(yè)務結合最為緊密的環(huán)節(jié)。因為企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的技術含量高，工作環(huán)境復雜，產(chǎn)品零部件眾多，導致企業(yè)的工藝種類繁多。工藝路徑長，裝配任務重。因此需要構建在PLM平臺之上的工藝業(yè)務平臺，可以滿足多種工藝類型的編制需求以及裝配工藝仿真等業(yè)務的需求。同時由于設計與工藝之間存在大量的業(yè)務交互。如設計完成后需要進行工藝性審查，設計的變更會導致工藝的頻繁變更，工藝方法的改變又會導致設計的更改等等，因此需要將設計與工藝的業(yè)務構建在統(tǒng)一的平臺之上，實現(xiàn)設計工藝一體化的應用。
在基于Teamcenter的PLM平臺中，設計與工藝的業(yè)務基于統(tǒng)一的平臺，工藝工程師與設計工程師基于同一數(shù)據(jù)庫進行工藝設計工作，可以隨時調用和查看產(chǎn)品結構和產(chǎn)品數(shù)據(jù)。工藝人員參與設計評審、更改評審，從而獲取新產(chǎn)品設計信息和更改信息。基于MBOM的結構化工藝編制方式，可以將班組、臺位、工裝、夾具等資源和工序關聯(lián)，設計完成的卡片、文檔等掛在結構樹上，方便后續(xù)的工藝整體借用等。
設計與工藝協(xié)同工作的業(yè)務流程如圖5所示。
圖5 設計與工藝協(xié)同工作的流程圖
Teamcenter Manufacturing(TCM)是Teamcenter的工藝解決方案，在TCM 中可以進行EBOM到PBOM的轉換、工藝路線劃分、結構化工藝的編制、裝配工藝的仿真、工藝資源管理等業(yè)務功能的處理。以高速動車組車體的結構化工藝編制過程為例，其結構可以分為總工藝、子工藝、工序3層結構或者多層，子工藝按大的工序組織，總工藝、裝配子工藝、裝配工序下均可以掛虛擬件。各子工藝完成后，需將車體組成發(fā)給整車總裝配工藝師，由總裝配工藝師將其指派到對應的整車裝配工序上，工藝數(shù)據(jù)結構可以劃分為車體總工藝、裝備子工藝、裝配虛擬件、工裝的層次結構。
工藝編制完成后以數(shù)據(jù)形成存儲在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中，同時TCM還支持工藝卡片與工藝明細報表的生成，如圖6所示。
圖6 TCM生成的工藝卡片
工藝卡片只是作為一種結果展現(xiàn)，卡片中的所有數(shù)據(jù)都是從數(shù)據(jù)庫中直接提取。
結構化工藝編制過程的數(shù)據(jù)都是直接存儲在數(shù)據(jù)庫中，其編制結果會形成產(chǎn)品的制造BOM。裝配工藝的仿真結果可以以裝配動畫的形式展現(xiàn)出來，用于指導車間現(xiàn)場的生產(chǎn)。
3 結束語
PLM系統(tǒng)已取代PDM成為離散制造企業(yè)中的信息化應用熱點，PLM系統(tǒng)的優(yōu)勢是它可以形成一個產(chǎn)品數(shù)據(jù)分發(fā)與管理的平臺，使得產(chǎn)品生命周期中的各個業(yè)務環(huán)節(jié)可以迅速準確地獲取并消費產(chǎn)品數(shù)據(jù)，同時各個業(yè)務環(huán)節(jié)對產(chǎn)品數(shù)據(jù)的再創(chuàng)造又可以在PLM平臺中被統(tǒng)一管理。
通過PLM系統(tǒng)的使用，有效地縮短了企業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了企業(yè)的核心競爭能力，沉淀了企業(yè)的知識資產(chǎn)。本文結合Teamcenter平臺和實際ETO類型制造企業(yè)典型用戶的案例，對PLM平臺的技術架構、PLM系統(tǒng)的實施理念、PLM系統(tǒng)中的核心功能進行了介紹，希望能夠為其他企業(yè)進行PLM系統(tǒng)的規(guī)劃與實施提供參考和借鑒。
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