基于PLM的车间工时管理信息系统

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 4.64MB 88 页 15积分

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摘要

PLM(产品全生命周期管理)作为一种综合性技术，是企业实施信息化工程所必

须的基础性、关键性、共用性软件，它已经从原来的理论概念发展到渐趋成熟的

软件产品，并且必将成为企业未来发展的必由之路。目前 PLM 已经实现了对产品

生命周期的前端即产品设计过程以及虚拟产品的管理，但是对于产品生命周期后

端――复杂的制造过程以及生产过程中工时数据的管理还很缺乏。本文以上海建

设路桥机械设备有限公司机加工车间为对象来研究车间工时管理信息系统建模方

法，在该方法基础上建立车间工时管理业务模型，并实现 PLM 对工时数据的信息

化管理，在企业中得到成功应用。

本文的主要研究内容如下：

首先，对企业制造车间进行实地调研，并进行系统需求分析。通过对机加工

车间的实地调研，发现了手工工时管理导致定额工时可控性差、工票格式不规范、

工时统计困难、报表生成复杂、工时信息查询困难等问题。深入探讨了企业对车

间工时管理的各方面需求，提出了基于 PLM 的车间工时管理信息系统。

然后，以该厂机加工车间为对象，分析其业务需求，构建了车间工时管理信

息系统模型及面向制造过程的工时信息管理方法。并结合 WEB 技术、基于 EXCEL

的VBA 开发方法等，构建了基于 PLM 的车间工时管理信息系统框架，论述了该

系统的功能体系结构、网络拓扑结构、数据库结构，以及系统实现过程。

最终，车间工时管理信息系统成功应用于上海建设路桥机械设备有限公司下

属的 8个子车间以及公司各职能部门，运行效果良好，实现了制造本部、劳资科、

总经办、标准化定额组、统计室等多个部门的协同作业。实现了 PLM 系统向车间

制造端的延伸。

关键词：PLM 企业信息化车间工时管理信息系统网络协同作业

ABSTRACT

As a comprehensive technology, PLM (Product Lifecycle Management) is basic

software of the enterprise information projects .it has developed from the theory

concepts to software products, and will be necessary for the development of enterprises.

Currently, PLM has achieved the front part of product lifecycle management: the

product design and virtual product management, but complex manufacturing procedure

and management of manufacture time have not got enough consideration. In this paper,

a modeling method was studied at the back of a Shanghai Jianshe Luqiao machinery co.,

LTD, and with this method, a business model of manufacture hour management in

workshops is build and successfully implement information management of

manufacture time in workshops.

Main contents of this paper:

First, do on site analyze in workshop and system requirement analyze. The manual

management method have many problems, ex: poor control of manufacture time,

un-standard format of dispatch list, difficult to statistical the manufacture time, report

generation complex, hard to query manufacture time information, etc. Through the

depth discussion all aspects business management requirements, this paper proposed a

manufacture time management information system based on PLM.

Then, establish a manufacture time management information system model and a

manufacturing process oriented manufacture time management method based on

manufacture workshop. At the same time, in combination with WEB technology, VBA

development methodology based on EXCEL, a framework of a manufacture time

management information system based on PLM is designed. It also elaborates the

functions of the system architecture, network topology, database structure, and system

implementation process.

Eventually, the manufacture time management information system successfully

applied in 8 sub workshops of Shanghai Jianshe Luqiao Machinery Equipment Co., Ltd.

It’s running well and achieving collaboration of manufacturing headquarters, Labor and

Capital Department, General Manager's Office, standardization fixed group, Department

of Statistics and other departments. Extend the PLM system to manufacturing layer.

Key Words: PLM, Enterprise Informationization, Workshop

manufacture time MIS, Network cooperation

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................................1

§1.1 研究背景及课题来源 ........................................................................................... 1

§1.1.1 研究背景 .................................................................................................1

§1.1.2 课题的来源 .............................................................................................2

§1.2 制造过程管理概述 ............................................................................................... 2

§1.2.1 制造过程管理相关概念 .........................................................................2

§1.2.2 制造过程管理研究现状 .........................................................................3

§1.3 PLM 技术概述 ......................................................................................................5

§1.3.1 PLM 技术基本原理 ................................................................................ 5

§1.3.2 PLM 研究现状 ........................................................................................ 6

§1.3.3 当前 PLM 系统存在的不足及发展趋势 .............................................. 8

§1.4 本文的主要工作及论文结构 ............................................................................. 10

§1.4.1 本文的主要工作 ...................................................................................10

§1.4.2 论文的组织结构 ...................................................................................11

第二章车间工时管理业务模型及需求分析 ...............................................................13

§2.1 车间工时管理的现状及需求分析 .................................................................... 13

§2.1.1 车间工时管理现状 ...............................................................................13

§2.1.2 车间工时管理信息系统实现的主要目标 ...........................................14

§2.1.3 车间工时管理信息系统的具体需求 ...................................................14

§2.2 车间工时管理业务模型 ..................................................................................... 16

§2.2.1 系统的总体分析思想 ...........................................................................16

§2.2.2 车间工时管理业务流程模型 ...............................................................16

§2.2.3 基于 PLM 的车间工时管理信息系统与其它系统间信息流模型 .... 18

§2.3 车间工时管理信息系统的数据流程分析 ........................................................ 19

§2.4 数据库的实体－关系分析 ................................................................................ 23

§2.5 数据挖掘技术在系统中的应用分析 ................................................................ 23

第三章基于 PLM 的车间工时管理信息系统设计 .................................................... 27

§3.1 系统设计思想 .................................................................................................... 27

§3.2 系统的集成框架及体系结构 ............................................................................ 28

§3.2.1 系统集成的框架 ...................................................................................28

§3.2.2 基于 PLM 的体系结构 ........................................................................ 30

§3.2.3 系统采用的网络体系结构 ...................................................................31

§3.3 基于 PLM 的系统总体功能结构 ...................................................................... 32

§3.4 基于 PLM 的车间工时管理信息系统功能模块设计 ...................................... 33

§3.5 数据库的设计 .................................................................................................... 35

§3.5.1 数据库设计的目标和方法 ...................................................................35

§3.5.2 E-R 图到关系模型的转换 .................................................................... 36

§3.5.3 逻辑数据模型的规范 ...........................................................................36

§3.5.4 建立数据库各表的模型 .......................................................................37

§3.5.5 数据库各表数据字典 ...........................................................................40

第四章基于 PLM 的车间工时管理信息系统实现 .................................................... 45

§4.1 基于 EXCEL 的混合式数据访问模式和开发平台 ............................................45

§4.2 多条件自由组合查询 ........................................................................................ 46

§4.3 工时数据管理 .................................................................................................... 49

§4.3.1 可打印工时的控制 ...............................................................................49

§4.3.2 已完成工时的输入 ...............................................................................50

§4.4 与相关系统的集成 ............................................................................................ 51

§4.5 工票编号设计 .................................................................................................... 53

§4.6 统计报表的生成 ................................................................................................ 54

§4.7 数据挖掘技术在系统中的应用 ........................................................................ 56

§4.7.1 K-均值算法介绍 ................................................................................... 56

§4.7.2 K-均值算法框架 ................................................................................... 58

§4.7.3 基于 K-均值算法的数据挖掘在系统中的实现 ................................. 59

第五章系统的主要功能及运行实例 ...........................................................................63

§5.1 系统管理 ............................................................................................................ 64

§5.2 工票打印 ............................................................................................................ 68

§5.2.1 工艺定额打印 .......................................................................................68

§5.2.2 特殊工票打印 .......................................................................................72

§5.3 数据管理 ............................................................................................................ 75

§5.4 统计分析 ............................................................................................................ 76

§5.4.1 工时统计 ...............................................................................................76

§5.4.2 报表生成 ...............................................................................................78

III

§5.5 综合查询 ............................................................................................................ 79

总结与展望 .....................................................................................................................81

参考文献 .........................................................................................................................83

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................87

一、论文 ..................................................................................................................... 87

二、科研项目 ............................................................................................................. 87

致谢 .............................................................................................................................89

第一章绪论

21 世纪的制造业将面临更加激烈的市场竞争，面对激烈的竞争，各个企业越

来越注重企业的信息化建设，实现资源的优化配置。车间作为企业运营的执行层，

是企业信息化的基础，因此研究车间的制造过程管理具有重要意义。本章阐述了

制造过程管理和 PLM 技术的概念和研究现状，介绍了课题的研究背景和主要工作。

§1.1 研究背景及课题来源

§1.1.1 研究背景

随着先进制造技术的发展，制造业逐渐向自动化、信息化方向发展。现代制

造企业有六个竞争力要素：成本(Cost，

60 年代以前企业关注的热点)、质量(Quality，

70 年代的热点)、交货期(Time，80 年代的热点)、服务(Service，90 年代的热点)、

环保(Environment，90 年代末的热点)和知识创新能力(Knowledge Creative，21 世

纪的热点)[1]。在全球经济一体化进程推动下，市场竞争日趋白热化，中国制造企

业要想在全球市场占有一席之地，就必须进行信息化建设，对以上六个方面做出

改进，不断提高自动化水平，增加自身的竞争实力。

通过几十年的努力，信息化技术在我国制造业有了广泛的应用，信息化技术

在企业中的应用积累了一定的技术基础，但还处于很低的初级水平。与世界制造

强国相比，我国的信息化技术应用的重点仍停留在解决计算机技术用于单项系统

的工程应用上，没有与企业的业务流程、运营模式和管理变革有效结合，而且大

部分企业比较注重企业级信息化的建设，忽略车间级信息化的推进，信息化技术

效能远未发挥。由于长期缺少系统的研究、规划与设计，区域间存在大量的“信

息孤岛”[2]，区域内系统干涉严重，数字化的生产和业务流程缺少有效的管理和控

制手段，对生产制造过程及零件制造状态缺少相应的管理与监控。

PLM(Product Lifecycle Management)作为一种综合性技术，是企业实施信息化

建设所必须的基础性、关键性、共用性软件，它已经从原来的理论概念发展到渐

趋成熟的软件产品，并且必将成为企业未来发展的必由之路。目前 PLM 研究与应

用更多的关注于产品生命周期的前端即产品设计过程以及虚拟产品的管理，而对

产品生命周期后端――复杂的制造过程和产品生产过程的状态管理还缺少相应的

研究。制造企业对产品的复杂制造过程的管理尤其是车间级产品制造过程与状态

的管理有着迫切需求，而 PLM 系统包括信息化软件对制造过程的管理与监控还是

基于 PLM 的车间工时管理信息系统

空白，只有实现了对企业制造过程以及物理产品生产状态的管理，才能真正实现

设计、制造、商务、供应链的协同和优化运行，最终以较低的成本、较短的开发

周期，制造出符合市场需要的高质量产品。因此，研究适合面向制造过程的产品

生命周期模型以及实现制造过程的信息化管理显得十分迫切，同时对 PLM 的理论

与技术研究也将是新的突破。

§1.1.2 课题的来源

本课题来源于上海建设路桥机械设备有限公司的企业信息化建设项目。该公

司拥有建益、建良、建达、建定、建强、沪江等直属机加工车间，具有生产大型、

重型机械装备的能力，主要从事于破碎、筛分、冶金、环保等机械设备的开发和

制造。是中国最大的破碎机生产和出口基地、中国机械工业大型二类企业、中国

建材机械行业龙头企业、上海市高新技术企业。上海建设路桥机械设备有限公司

作为国内大型的矿山设备制造生产企业，产品繁多、覆盖行业广。

近年来随着企业信息化的不断发展，CAD/CAM 软件不断普及，企业已经具备

了较为先进的产品设计手段，并在此基础之上，使企业的生产效率得到了大大的

提高。在企业内部，工厂实施了 PDM，企业数字化水平得到了很大的提高，但是

企业数字化应用的重点仍集中在解决技术与工程问题上，没有与企业的业务流程、

运营模式和管理变革有效结合，产品设计、制造、管理的功能和信息融合度较低，

数字化制造技术效能远未发挥。车间作为企业的产品物化部门，车间工时管理的

信息化对于降低生成成本、提高企业价格竞争力起着至关重要的作用。

所以，本文以机加工车间为对象来研究车间制造过程管理中的车间工时管理

方法，构建工时管理过程业务模型并实现 PLM 向制造车间的延伸，并提出开发一

个基于 PLM 的车间工时管理信息系统。

§1.2 制造过程管理概述

车间制造管理系统负责协调制造车间环境中的物流和信息流，起着将企业的

生产任务最终物化的作用，车间制造管理系统是各种生产管理技术的主要研究内

容。

§1.2.1 制造过程管理相关概念

过程是将输入转换为输出的一组彼此相关的资源和活动，其中输出是过程这

种增值转换的结果。根据达文波特的理论[3]，过程被定义为：“一组结构化、规范

第一章绪论

化和可测量的活动集合，用于生产特定客户或市场需求的产品输出。”与产品所强

调的“是什么(What)”不同，过程强调工作如何在组织中被完成(How)。过程具有

在时间和空间上的特定活动顺序，具有一个起始点和一个终止点，以及明确的输

入输出定义。过程是一个广义的概念[4]，产品生命周期的运动是一个总过程――从

概念设计、详细设计、工艺设计、试制、批量生产、销售服务直至报废回收，产

品制造过程是其一个分过程，产品制造中的一道工艺流程(比如某型号零件的一道

从下料、划线、数控铣、钳工、钻床、冷作、电焊至入库的工艺流程)又是其中的

一个子过程。任何一个分过程、子过程的输出都会影响到包容这个过程的总体过

程输出质量。

制造过程管理是对产品的生产制造过程进行计划、组织和控制，用经济的手

段制造出质量好、价格低的产品，达到及时满足市场和用户要求的一种管理职能[5]。

制造过程管理可划分为静态和动态两个过程。静态阶段是对制造业务模型的抽象

描述(即过程的定义阶段)，它的主要功能是定义和维护所有与制造过程管理有关的

信息。动态阶段则是过程执行时的模型实例化进程，它也是系统及系统用户对制

造过程管理的操作执行过程[6]。应用于生产企业，制造过程管理是对产品制造整个

过程的组织与管理，以保证产品及其相关过程的顺利进行，保证产品生命周期各

阶段诸活动和过程的集成。制造过程管理可以分为工作流管理[7]和任务流管理，两

者是相辅相成的关系。工作流管理强调制造过程之间的时序关系以及在每个流程

步骤中涉及的相关数据信息的管理。而任务流管理主要关心的是每个任务的执行

与设计目标和对象的关联，任务的不断执行，产品对象不断丰富。

制造过程管理这个概念目前并没有一个很准确的定义，本文根据企业调研的

情况，认为制造过程管理主要包括生产制造过程组织、制造准备、制定制造计划、

制造过程控制、制造质量管理和制造状态的监控等。目的是为了生产出质量、交

货期和价格符合用户要求的产品；对内提高职工劳动生产率和设备利用率，使材

料、在制品、成品储备量最小，资金周转最快，材料消耗最省，管理费用最低，

生产计划、生产方法最优，生产过程最有效。

§1.2.2 制造过程管理研究现状

制造过程管理技术及系统的研究与实现，是当前先进制造领域的研究热点，

具有重要的研究价值。

国外研究机构的专家和研究人员对制造过程管理进行了深入的研究，如 Brian

J.Henz 等人[8]提出运用各种学科的计算机辅助工具来建立制造过程模型；Henrik

基于 PLM 的车间工时管理信息系统

Johansson 等人[9]提出了通过信息共享和交换来对制造全过程进行仿真的系统；

Manuel Geye 等人[10]提出从广义企业概念上为产品设计提供一个集成工作环境和

为产品优化设计提供一个平台；David Sly 等人[11]提出了基于 BOM 的制造过程管

理的解决方案等。除了关于制造过程管理基本理论的研究，还有许多关于制造过

程集成框架的研究，如欧共体高技术研究发展计划提出的 CIM-OSA 的集成基础结

构，美国半导体制造技术联盟 SEMATECH 组织提出的 CIM 应用框架，美国国防

部Wright-Patterson 空军基地等单位主持的工程信息系统(Engineering Information

System，EIS)项目等[12,13]，Whitesided 等人[14,15]提出的基于 CORBA 的集成框架。

上述研究主要是针对制造过程管理的基本理论、集成架构和层次结构，为制造企

业实施制造过程管理提供了理论、方法和架构上的指导，对制造过程的发展和应

用奠定了很好的基础。我国对制造过程管理技术的研究开始于 20 世纪 90 年代中

期。针对我国制造企业普遍存在的新产品制造周期过长、制造过程管理水平低等

问题，在国家“十五”863 课题《基于制造资源优化配置的制造过程管理系统》的

资助下，先后由中国科学院沈阳自动化研究所、北京航空航天大学、西北工业大

学、机械科学研究所等院校和科研机构开展了相关的制造过程管理研究，主要是

针对航空和模具等行业的复杂产品制造过程，分析如何有效地整合区域制造资源，

并对制造过程进行监控管理，围绕生产制造过程实施集成制造，最终实现制造各

环节的协同，快速、低成本、高质量地制造产品。另外，其它方面的研究大都是

基于某一系统，例如 CAPP，MES 等，并在该系统之上实现制造过程管理的功能。

如北京航空航天大学的杨玺[16]提出的基于单一产品数据源的飞机制造信息管理研

究；北京航空航天大学的齐建军[17]提出的基于 XML 的制造过程集成框架研究与实

现；彭继忠等人[18]提出的基于 PDM 的集成框架等。针对车间制造过程管理信息化

也做了很多积极的工作，现有的车间制造过程管理系统利用关系数据库技术和网

络技术，某种程度上提高了车间机床等设备资源的集成度，增强了车间生产数据

的事务处理能力，提高了车间的物料加工自动化。但是，在多品种、小批量生产

方式的车间，生产过程更复杂多变，随机性更强。同时，在面向过程的企业集成

环境下，由于制造企业的结构发生了变化，其制造车间的生产管理与控制也发生

了相应的改变，这就要求车间的制造过程管理能够通过不同产品的生产过程与车

间的人员、设备等各种资源紧密相连。目前车间生产管理系统仍然存在以下不足

[19,20]：

l) 车间生产不能很好的适应客户个性化需求，对客户提出的按需生产不能很

好的控制，其生产过程不能自定义调整，车间生产的自适应性很差；

2) 车间生产过程中各种信息清单普遍采用传统的手工数据录入方法，在复杂

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摘要：

摘要PLM(产品全生命周期管理)作为一种综合性技术，是企业实施信息化工程所必须的基础性、关键性、共用性软件，它已经从原来的理论概念发展到渐趋成熟的软件产品，并且必将成为企业未来发展的必由之路。目前PLM已经实现了对产品生命周期的前端即产品设计过程以及虚拟产品的管理，但是对于产品生命周期后端――复杂的制造过程以及生产过程中工时数据的管理还很缺乏。本文以上海建设路桥机械设备有限公司机加工车间为对象来研究车间工时管理信息系统建模方法，在该方法基础上建立车间工时管理业务模型，并实现PLM对工时数据的信息化管理，在企业中得到成功应用。本文的主要研究内容如下：首先，对企业制造车间进行实地调研，并进行系统需...

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