中小型企業CIMS系統設計方法研究

潘 虎

(襄樊學院 網絡管理中心，湖北 襄樊 441053)

中小型企業CIMS系統設計方法研究

潘 虎

(襄樊學院 網絡管理中心，湖北 襄樊 441053)

以中小型企業的信息化方法為研究對象，提出了符合企業特點的CIMS系統結構，以及針對這一結構的中小企業CIMS系統各個組成部分，包括控制系統、組態監控系統、實時數據庫等，分析指出它們的構建原則和選取方法及軟件的設計和開發方法.

CIMS系統；PCS/MES/ERP/DSS；IDEF方法

CIMS技術是一項大型綜合性現代企業管理技術，目前我國中小企業由于各種限制，實現CIMS相對困難. 但是，中小型企業可根據自身的現有條件，研究構造適合自身特點的CIMS系統，成功構建眾多中小型企業的CIMS系統可以極大地提升競爭力. CIMS工程是復雜的系統工程，文章從對中小型企業CIMS系統結構的研究和分析入手，就如何采用相應的技術方法和具體產品來構建實際系統，給出了中小型企業CIMS系統架構以及迅速有效構建中小型企業CIMS系統的技術方法.

1 CIM技術和CIMS系統

CIM(Computer Integrated Manufacturing)即計算機集成制造是信息時代的一種組織、管理企業生產的理念，它以實現企業信息集成為主要標志，以部門間計算機系統協調運行為基礎，以增強企業包括產品開發、產品質量保證及管理體制等多方面在內的企業經營活動和對市場變化的反應能力為目標，最終目的是提高企業參與市場競爭的綜合實力. 它表達了一種符合信息化社會特征的思維方式，代表了當前先進制造技術的發展趨勢. CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)即計算機集成制造系統則是按照CIM的原理構造的物理實體或技術的總稱，它將信息技術、現代管理技術和制造技術相結合，并應用于企業產品全生命周期(從市場需求分析到最終報廢處理)的各個階段. 通過信息集成、過程優化及資源優化，實現物流、信息流、價值流的集成和優化運行，達到人(組織、管理)、經營和技術三要素的集成，以加強企業新產品開發的時間、質量、成本、服務、環境管理，從而提高企業的市場應變能力和競爭能力. CIMS系統包括與企業各部門相對應的各個計算機系統，如CAD、CAM、MIS等，這些系統所涉及的技術幾乎達到所有制造業中各種傳統技術的信息技術的總和. CIM是組織管理企業生產的理念，CIM技術是實現理念的各種技術總稱，CIMS則是以CIM為理念的一種企業的生產系統.

2 中小型企業CIMS的結構和組成

我國中小型企業是指工人數2000以下，或銷售額30000萬以下，或資產總額40000萬以下的企業. 中小型企業是襄樊及其它地區制造企業中的絕大多數，從數量上講是企業的主體. 當前襄樊地區中小型企業面臨很多困難：生產規模小，市場信息不靈，新產品設計周期長且不符合市場需求，專業分工不明確、小而全，庫存太大導致占用資金多，采購不及時導致生產線停工，成本核算不細，缺少高效靈活的銷售網等等. 為更好的適應市場需求，提升核心競爭力，中小型企業應當構建內部信息化管理和外部網絡化營銷體系，加強信息應用能力，控制成本，提高效率，縮短響應客戶的時間，創造和維持競爭優勢. 這就需要實現企業信息化，CIMS技術正是其所需. 中小型企業對信息化的要求是投資少，見效快，在較短的時間內帶來明顯的經濟和社會效益. 可見，中小型企業的信息化是循序漸進的過程. 中小型企業 CIMS應以企業生產和管理中的主要部門和關鍵部分為對象，開發和建設能迅速提高企業生產和管理水平，能取得顯著效益的CIMS系統.

從襄樊地區及其它地區中小型企業的實際情況出發，CIMS系統可分為四層，即 PCS/MES/ERP/DSS四層結構模型.[1]第一層是生產過程控制系統(Process Control System，PCS)，它由生產過程控制系統、數據采集系統等組成. 生產過程控制系統完成生產過程的監控和生產現場數據的采集和存儲. 它面向車間的生產制造設備、生產工藝和流程的自動化系統，處于CIMS最低層，是中小型CIMS的核心部分. 第二層是生產管理系統(Manufacturing Execution System，MES)，該系統的任務是根據ERP層制定的生產計劃，利用生產資源，生產方法和實時現場信息快速低成本地制造高質量產品. 其生產活動包括訂單管理、設備管理、庫存跟蹤、物流、數據采集以及維護管理、質量控制、生產成本核算與分析、性能分析等. 系統匯集車間中生產活動全過程的相關設備，是ERP和PCS之間的橋梁. 由于MES與生產直接相關，所以不同企業，MES的結構和組成大不相同，因此，MES必須根據企業具體需求和實際情況設計建設開發方案. MES的開發建設是企業 CIMS軟件設計的主要內容. 第三層是企業資源管理系統(Enterprise Resource Plan，ERP).[2]該系統完成產品銷售，原材料進銷，財務、人力資源和庫存管理. 它實現資金、物流和人力資源一體化，其核心管理思想是實現對整個供應鏈的有效管理，主要體現在：1)對整個供應鏈資源進行管理；2)精益生產、同步工程和敏捷制造；3)實現事先計劃和事中控制. ERP系統是面向企業管理部門的信息系統.第四層是企業決策支持系統(Decision Support System，DSS). 用于對企業整體的生產制造數據、庫存數據、銷售數據、財務數據、生產部門和管理部門人力資源使用數據，以及市場數據進行匯總，挖掘和分析，幫助企業領導對生產經營活動做出合理科學的決策.

網絡分系統和數據庫分系統組成了CIMS支持系統，它們是實現信息集成的關鍵技術. 網絡分系統實現了計算機系統的互連，提供了信息通信能力，通過網絡將物理上分布的CIMS各功能分系統連起來，達到信息共享. 網絡分系統是由支持CIMS各分系統的開放型網絡通信系統組成，采用國際標準和工業標準規定的網絡協議，支持資源共享、分布處理、分布數據庫和實時控制. CIMS網絡主要由生產過程控制系統總線網絡、生產管理系統、ERP系統和決策支持系統的計算機網絡組成. 生產過程控制系統總線網絡主要由各種自動化設備、檢測和顯示儀表組成. 網絡中有 RS485/232，又有各種工業現場總線及設備，網絡中各設備通過現場總線相連，數據存儲在控制系統服務器的實時數據庫中，網絡中的設備之間通過OPC(OLE for Process Control)實現互操作. 生產管理、ERP和決策支持系統網絡就是企業管理使用的計算機局域網.局域網采用標準TCP/IP協議，網絡設備(交換機、網卡、網線等)采用標準網絡通信設備.

CIMS環境下各功能分系統的信息都在一個結構合理的數據庫系統中進行存儲和訪問，滿足各系統間的信息交互和共享. 數據庫分系統支持CIMS各分系統，覆蓋企業全部信息的數據存儲管理系統，包括管理實際生產過程直接相關聯的實時生產數據的實時數據庫系統；管理MES中的控制信息和BPS中事務處理信息的關系數據庫系統；還可能包括公文管理系統的文檔數據庫系統；企業決策系統的數據倉庫系統.

3 中小型企業CIMS系統的開發設計方法

3.1 控制系統的選取

控制系統是面向生產過程的各種設備和作業流程，現場總線是當今自動化控制系統技術的主流，即自動化領域的計算機局域網. 現場總線應用在生產現場，在微機化測量控制設備之間實現雙向串行多點數字通信，是開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡. 它將專用微處理器置入傳統的測量控制儀表，使其具有了數字計算和數字通信能力，采用可進行簡單連接的雙絞線等介質作總線，把多個測量控制儀表聯接成的網絡系統，并按公開、規范的通信協議，在位于現場的多個微機化測量控制設備之間以及現場儀表與遠程監控計算機之間，實現數據傳輸與信息交換，形成各種適應實際需要的自動控制系統. 現場總線控制系統既是一個開放通信網絡，又是一種全分布控制系統. 它作為智能設備的聯系紐帶，把掛在總線上、作為網絡節點的智能設備聯接成網絡系統，并進一步構成自動化系統，實現基本控制、補償計算、參數修改、報警、監控、優化及管理控制一體化的綜合自動化功能. 基于現場總線的自動化監控和信息集成系統主要有以下優點：1)現場信息采集能力強；2)開放式，互換性、互超操作性、可集成性好；3)系統可靠性好、可維護性高；4)降低了系統及工程成本.

目前具有一定影響的現場總線有PROFIBUS現場總線，FF現場總線，LONWORK總線，CANBUS現場總線，World FIP現場總線，P-NET現場總線等多種. 當前，PROFIBUS逐漸占據了市場，其優點在于具有國際標準EN50170作保證，技術開放，不依賴具體廠商.

3.2 組態監控軟件

組態軟件是一個集成軟件平臺，由若干程序組件構成.[3]其中必備的典型組件包括：應用程序管理器；圖形界面開發程序；實時數據庫系統組態程序；實時數據庫運行程序； I/O驅動程序；擴展可選組件；實用通信程序組件. 在組態軟件中，通過組態生成的一個目標應用項目在計算機硬盤中占據唯一的物理空間和邏輯空間，可以用唯一的一個名稱來標識，被稱為一個應用程序. 在同一計算機中可以存儲多個應用程序，組態軟件通過應用程序的名稱來訪問組態內容，打開這個組態內容進行修改后將這個應用程序裝入計算機內存投入實時運行. 組態軟件最突出的特點是實時多任務，主要目的是讓使用者在生成適合自己需要的應用系統時不修改軟件程序的源代碼，需要解決以下幾個主要方面的問題：1)如何與采集，控制設備間進行數據交換；2)使來自設備的數據與計算機圖形畫面上的各元素關聯起來；3)處理數據報警及系統報警；4)各類報表的生成和打印輸出；5)存儲歷史數據并支持歷史數據的查詢；6)為使用者提供靈活、多變的組態工具以適應不同應用領域的需求；7)最終生成的應用系統運行穩定可靠；8)具有與第三方程序通信的接口，方便數據共享.

目前組態軟件有多種成熟產品，國外有Intellution公司的iFIX、GE公司的Cimplicity、Wonderware公司的InTouch以及Siemens公司的WinCC(其中Intellution公司和Wonderware公司是專門從事監控軟件工作的，在市場占領絕大一部分份額；Cimplicity和WinCC 是GE和Siemens公司自動化產品的配套產品)，國內的有組態王、力控等產品. 應選擇一套符合企業特點的實用組態監控軟件對企業生產過程進行監控.

3.3 實時數據庫

實時數據庫的主要功能：1)實現過程數據的集成. 實時數據庫可通過各類通用或專用接口與 DCS、PLC、工業控制機系統等現場設備進行通信，實現過程數據的集成. 2)提高直接基礎控制層的操作水平. 實時數據庫可以提供長周期歷史數據的存儲與查詢功能，供工藝技術人員、操作人員進行事故分析、質量分析與裝置運行狀況分析. 3)支持先進控制和優化應用軟件. 實時數據庫是一個成熟、穩定的先進控制和優化軟件的運行與開發平臺，既可支持商品化軟件包，也可支持用戶的定制開發. 4)支持流程模擬、計劃、調度應用軟件. 實時數據庫存儲了大量的實時數據和歷史數據，流程模擬、計劃和調度等應用軟件利用這些數據可以實現裝置模型的校驗、裝置運行狀態的分析及調度滾動作業計劃的制定等功能. 5)構成CIMS系統的信息集成環境. 實時數據庫可以通過廠商提供的接口或用戶自己開發的接口與關系數據庫相互連通，共同構成CIMS系統的信息集成環境，實現整個CIMS系統的數據共享.[4]

實時數據庫的建立是CIMS工程的基礎工作之一. 因此，應當在CIMS總體設計方案的約束下，合理地確定實時數據庫的基本架構，使其適合CIMS工程的硬、軟件平臺與網絡環境，滿足數據集成與開發應用的需求. 實施實時數據庫技術的關鍵在于數據采集系統. 如何正確把生產裝置或其它各種裝置控制采集系統、能源消耗監測控制系統等連接起來，集成這些信息，進行生產監視和生成實時數據庫，實現全廠范圍內的數據共享，是數據采集系統所解決的問題. 數據采集系統是整個企業生產管理系統的基礎部分，它通過完成生產實時數據的采集和轉化，為企業管理信息系統提供最基本的管理和控制依據. 同時，數據采集系統直接為生產監視系統提供數據，在每個操作室或車間辦公室直接發揮作用，指導操作. 生產數據經過數據采集、數據預處理，保證其實時性、準確性、可靠性、一致性和完整性之后，充實到實時數據庫和數據倉庫之中，以便實現生產過程監控及其它的高級應用.

3.4 軟件的設計和開發方法

企業的生產管理系統由以ERP為代表的企業管理軟件、SCADA(數據采集與監視控制系統)，HMI為代表的生產過程監控軟件和以實現操作過程自動化，支持企業全面集成的制造執行系統 MES組成. 在CIMS建設過程中，軟件的設計和開發方法的選擇直接決定了系統開發的成功與否，MES層和ERP層的開發應采用軟件工程的方法. 軟件工程研究與軟件開發和維護相關的四個方面的內容為：過程與模型、方法與技術、工具與環境、標準與規范.

所有的軟件開發和維護都是由一系列過程構成，它將方法與技術、工具與環境、標準與規范等結合起來，合理及時地進行軟件開發和維護. 軟件生存周期模型將軟件工程過程有機結合，提供一個結構框架，明確主要活動和任務，也稱過程模型(如瀑布模型). 過程強調具體活動和任務，模型突出的是過程的有機結合. 軟件開發和維護方法體現了開發和維護人員看待系統的立場和觀點，如結構化方法. 技術則是方法的具體實現，如 SA/SD(System Analysis/System Design)方法是一種結構化分析和設計技術，OMT(Object Modeling Technique)方法是一種面向對象分析和設計技術. 工具為軟件開發和維護的方法、技術提供了軟件支持，如編譯系統. 各種工具結合起來形成開發環境. 而標準化、規范化可使各種工作有章可循進而提高生產效率和產品質量.[5]

軟件開發的方法必須在三個方面做出規定：1)開發步驟；2)軟件文檔格式；3)開發方案評價標準. 常見方法包括結構化方法，面向對象方法和形式化方法. 其中，結構化方法是基于軟件工程生存周期的概念，總的思想是自頂向下、逐步求精、單入口、單出口，基本原則是抽象和功能分解. 實現結構化方法的技術有面向數據流圖的方法、IDEF方法、Jackson方法等. 結構化方法簡單實用、技術成熟，應用廣泛. 其中IDEF(Integration Definition method)方法是一套對復雜系統進行建模分析和設計的方法，是在結構化分析方法的基礎上發展起來的. 在 IDEF中，IDEF0用于建設系統功能模型、IDEF1用于建設數據模型、IDEF2用于建設系統的仿真模型、IDEF4用于面向對象設計. 使用IDEF建模方法構建企業生產系統模型既迅速又真實有效，因此，這是一個值得選用的軟件模型構建方法.

4 結語

針對中小型企業的特點，對中小型企業CIMS的結構和組成進行了探討，研究了符合中小型企業特點的CIMS結構，探討了中小型企業CIMS的支持系統和它的開發設計方法，提出了對中小型企業信息化的建設意見. 適合我國中小型企業特點的CIMS系統，會更加系統和全面的覆蓋企業生產和管理的各個層面，企業的信息化程度將得到進一步的提高.

[1] 黃悅文. 中小企業信息化建設探討[J]. 中小企業科技, 2003(9): 6-7.

[2] 柳中岡. 中小企業ERP指南[M]. 吉林: 遼寧人民出版社, 2002.

[3] 王 荃, 金海東, 李福中. 工控組態軟件實時數據庫系統的設計與實現[J]. 計算機應用, 2000, 127(3): 40-43.

[4] 黃河清, 俞金壽. CIMS工程中實時數據庫的實施策略[J]. 自動化儀表, 2002, l23(2): 16-20.

[5] 劉鳳琴, 馬俊海. 中小企業信息化管理軟件開發思想與方法探討[J]. 企業經濟, 2003(6): 106-108.

(責任編輯：陳 丹)

Research On Design Methods of Middle-mini Size Enterprise CIMS

PAN Hu
(Network Center, Xiangfan University, Xiangfan 441053, China)

Aiming at the informationization method, the structure of CIMS system accord with enterprise features is offered, then the constituent parts of middle-mini size enterprise CIMS system are brought out, namely, control system, configuration monitor system, real time database, Their constructing principles and choosing method and methods of development and design on software are analyzed.

CIMS system; PCS/MES/ERP/DSS; IDEF method

F49；T1-116

A

1009-2854(2010)02-0028-04

2009-12-24;

2010-01-26

潘 虎(1975— ), 男, 湖北襄樊人, 襄樊學院網絡管理中心實驗師.