现代集成制造系统(CIMS)简介

当今世界已进入信息时代，并迈向知识经济时代。

以信息技术为主导的高技术为制造业的发展提供了极大的支持，并推进着制造业的变革与发展，现代集成制造系统（Contemporary Integrated Manufacturing Systems，简称CIMS）技术的应用及其产业化是其中最重要的组成部分。

CIMS—现代集成制造系统，是基于CIM理念的集成优化的制造系统。

将信息技术、现代管理技术和制造技术相结合，并应用于企业产品全生命周期（从市场需求分析到最终报废处理）的各个阶段。

通过信息集成、过程优化及资源优化，实现物流、信息流、价值流的集成和优化运行，达到人（组织、管理）、经营和技术三要素的集成。

以加强企业新产品开发的时间（T）、质量（Q）、成本（C）、服务（S）、环境（E），从而提高企业的市场应变能力和竞争能力。

一、CIMS的总体结构
CIMS建设的目标是在统一的数据库和网络支持下，建立生产经营管理分系统和工程技术（CAD/CAM/CAPP/PDM）分系统，实现企业信息的全面集成。

为实现这个总体目标，CIMS 由两个功能分系统和两个支撑分系统组成。

两个功能分系统为生产经营管理分系统和工程技术分系统；两个支撑分系统为计算机网络和数据库分系统。

整个系统将以关系型数据库为核心，并由各应用系统通过INTERNET/INTRANET/EXTRANET访问数据库，这样就使得几个服务器上的数据在逻辑上成为一个整体，以保证整个系统的数据共享和数据的唯一性。

CIMS的总体结构如图1.2-1所示。

图1 CIMS的总体结构
二、CIMS的技术构成
工程技术分系统：可简称为TIS分系统，即技术信息系统。

通常包括CAD、CAPP、CAM 和PDM等部分。

CAD（计算机辅助设计）包括产品的结构设计、变形设计及模块化产品设计。

可以实现计算机绘图、产品数字建模及真实图形显示、动态分析与仿真、生成材料清单（BOM）。

CAPP（计算机辅助工艺计划）通过计算机进行工艺路线制定、工序设计、加工方法选择、工时定额计算，包括工装、夹具设计、刀具和切削用量选择等，且能生成必要的工艺卡和工艺文件。

CAM（计算机辅助制造）指计算机在产品加工制造方面有关应用的总称。

狭义CAM仅指数控程序的编制，可以进行刀具路径规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及数控编程和数控后置处理等。

PDM（产品数据管理）管理产品全生命周期中各种数据和过程，实现从概念设计直到产品报废全过程中相关的数据定义、组织和管理，保证数据的一致、最新、共享和安全。

PDM 支持并行工程，并且作为集成平台实现CAD/ CAPP/CAM的集成以及与MRPII/ERP系统的集成。

制造自动化系统：制造自动化系统（MAS）是CIMS中信息流与物流的结合点，CIMS
最终完成产品制造、创造效益的关键环节。

系统一般由数控机床、加工中心、清洗机、测量机、运输小车、自动化立体仓库，以及柔性制造系统（FMS）等组成。

主要功能有协调、控制工作流、刀具流、夹具流、分配和管理数控程序，监控作业状态和故障诊断处理，以及生产数据的采集与反馈等。

生产经营管理分系统：可以简称MIS分系统，即管理信息系统。

它是CIMS的一个重要分系统，主要作用是：
加强生产经营计划与控制
加强财务预算与控制
最大限度缩短产品生产周期，采购提前期
降低库存资金占用
合理安排生产，提高企业生产效率
降低产品的生产成本
提高对客户的服务水平，提高企业的管理水平和管理素质
增加企业的应变能力和竞争能力
MIS分系统当前体现在ERP（企业资源计划）的实施，通常由经营决策、生产计划管理、销售管理、财务管理、库存管理、车间任务和作业管理、物资供应、设备管理、人事劳资管理等模块组成，指挥和控制CIMS其他分系统的运行，使企业各部门工作协调一致，完成企业的生产经营任务。

根据CIMS建设的目标，生产计划管理、车间管理、物流管理、通过PDM与
CAD/CAM/CAPP的信息集成是目前生产经营管理系统的建设重点。

支撑分系统：包括计算机网络、数据库、中间件、集成平台以及协同工作环境等。

计算机网络和数据库实现计算机系统互连，作为CIMS信息交换和共享的主要支撑。

其计算机网络子系统支持CIMS开放型网络通信，采用国际标准和协议，满足各分系统的网络支持服务。

数据库子系统则支撑各分系统及覆盖企业全部信息的数据存储和管理，保证数据的完整性、一致性和安全性，实现全企业数据共享。

三、CIMS的总体要求
思想基础
实施CIMS是企业进行现代管理的一场革命，它绝不仅仅是企业实施一套计算机系统，而是基于新的管理思想和哲理，运用各种先进技术对企业物流、资金流、信息流进行全面集
成的一项系统工程。

CIMS涉及到企业的各个部门，工作量巨大而复杂，企业由领导到相关的普通员工，对此须有明确的思想认识。

牢固的思想基础是信息化工程成功的关键。

组织基础
因为CIMS是一项需严密组织实施的浩大工程，因而必须要有相应的企业领导（一把手）亲自任职的有权威的组织机构；建立CIMS领导小组、办公机构及相应的课题项目领导小组。

这些组织在各自的职责范围内领导和组织CIMS工程的实施。

管理基础
要实施好CIMS工程，企业必须有良好的管理基础：岗位责任明确，各项管理规范、标准。

从较深层次的角度看，CIMS工程是对人、技术和经营管理的集成，管理基础好的企业才能在实施CIMS工程中有望成功。

计算机应用基础
CIMS工程的功能是以计算机技术为支撑来实现的，随着企业CIMS工程的实施，与计算机打交道的人会越来越多，这就要求企业抓好计算机应用的前期培训，使企业中不同层次的人员掌握相应的计算机操作和维护技术，改变工作和行为习惯，适应计算机应用的要求。

人才基础
CIMS工程是将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合的复杂工程，因而对实施CIMS的人员有较高的技术要求，需要对他们进行相关知识的更新和有关技能的培训，培养一批具有一定的软件开发和实施理论水平和技能的人才。

信息的规范化
CIMS工程中MIS项目的实施先期阶段，应授权某一部门（如计算机中心），对信息进行分类编码的标准化、规范化，统一协调和规范各职能部门、经营部门的数据收集和信息分类编码，使之既符合系统整体要求，又能满足各部门的需要，以避免数据的重复采集、加工与存储，消除因对数据的命名、描述、分类和编码不一致所造成的误解和分歧，杜绝一名多物、一物多名和对其属性的重复描述等混乱现象，做到所描述的事物名称和术语含义标准、统一和规范，以准确地确立代码与事物或概念之间的一一对应关系。

四、CIMS的实现途径
国外发达工业化国家CIMS的发展和应用强调生产制造层的设备高度自动化。

我国制造业企业当前不可能走这条技术发展路线，企业生产经营的瓶颈是新产品的开发设计能力薄弱，管理粗放，且车间层只能适度自动化。

因此CIMS的技术发展路线是首先加强设计和管理，并实现企业的（或企业部分的）信息集成，从信息集成向过程重构和优化（过程集成）及企业间集成的方向发展。

1、信息集成
如何处理在设计、管理和加工制造中大量存在的自动化孤岛，解决其信息的正确、高效的共享和交换，是改善企业技术和管理水平必须首先解决的。

信息集成是改善企业时间（T）、质量（Q）、成本（C）、服务（S）所必需的，其主要内容有：
（一）企业建模、系统设计方法、软件工具和规范
这是系统总体设计的基础。

没有企业的模型就很难科学地分析和综合企业各部分的功能关系、信息关系以至动态关系。

企业建模及设计方法解决了一个制造企业的物流、信息流、资金流和决策流的关系，这是企业信息集成的基础。

（二）异构环境下的信息集成
异构是指系统中包含了不同的操作系统、控制系统、数据库及应用软件。

如果各个部分的信息不能自动地交换，则很难保证信息传送和交换的效率和质量。

异构信息集成主要解决下面三个问题：
（1）不同通讯协议的共享及向ISO/OSI的过渡。

建议采用今天越来越普遍使用的TCP/IP，又保证了可以同时与MAP/TOP共享，为CIMS 的网络通信技术选择一条正确的发展道路。

（2）不同数据库的相互访问。

建议采用ODBC（open database connection），解决不同数据库相互访问、数据交换的问题。

（3）不同商用应用软件之间的接口。

CAD/CAM系统，通过IGES，STEP建立中性文件，实现应用软件之间的信息传送和交换。

CAD/CAM/CAPP系统可以通过PDM系统实现与ERP系统的集成接口。

2、过程集成
为了改善企业产品的T、Q、C、S，除了完善信息集成外，还可以对过程进行重构（process reengineering）。

串行作业的设计、开发过程，往往造成产品开发过程经常反复，这无疑使产品开发周期变长，成本增长。

因此，我们建议企业对产品开发设计中的各个串行过程尽可能多地转变为并行工程，在设计时考虑可制造性、可装配性，考虑质量，考虑成本，则可以减少重复，缩短开发时间。

并行工程是基于这一思想的一种技术。

并行工程是在信息集成的基础上，实现过程的重构、集成和优化。

3、企业集成
我国制造业企业提高自身的市场竞争能力，在今天不能走“小而全”、“大而全”的封建庄园经济的道路，而必须面对全球经济、全球制造的新形势，充分利用全球的制造资源（包括智力资源），更快、更好、更省地响应市场，即所谓的敏捷制造。

敏捷制造的组织形式是自身企业与其他企业之间针对特定的某一产品，建立企业动态联盟（即所谓虚拟企业）。

具有竞争力的制造业企业应该是“两头大、中间小”的企业：“两头大”指强大的新产品设计、开发能力和强大的市场开拓能力；“中间小”指加工制造的设备能力可以小。

多数零部件可以靠协作解决，这样企业可以在全球采购价格最便宜、质量最好的零部件。

这是企业优化经营的体现，因此企业间的集成是企业优化的新台阶。

在我国离散型制造业的生产活动中，在车间层次上，通常是按生产作业计划来安排与组织实际生产加工·然而由于车间实际生产加工过程的复杂性和某些不可预测性等因素，如车间生产计划变更、设备故障与检修、加工人员缺勤和产品质量问题等，车间生产的正常运行会受到一定的影响，使得零件的实际生产加工进程与生产计划相脱节，零件不能在生产计划规定的时间内按时完成加工等，从而降低车间的生产效率、管理水平和产品质量，导致经济效益下降·造成这些问题的一个主要原因是管理人员不能在第一时间准确、及时地获取相关信息，从而进行有效、迅速的响应，及时处理现场发生的各种事件，对现场生产加以调整，以保证整个生产车间的正常运行·有效解决这一问题的方法就是对生产过程进行跟踪与监控·
本文以某企业制造过程管理与资源优化配置系统的研究与开发为背景，对车间生产过程跟踪监控进行了分析，建立了车间级生产过程跟踪与监控系统功能模型和信息模型，在信息集成环境下开发了生产过程跟踪与监控系统，并应用于生产实践·
1 系统集成的层次结构与功能模型
1.1 系统的层次结构
图1为企业车间级信息集成的二维体系结构，其中一维是车间的递阶控制结构，包括车间层、单元层和设备层，各层有自己的应用软件；另一维是支持这些应用软件开发和运行的计算机支撑系统，它们和应用软件相结合构成信息系统·按信息系统的层次结构可分为计算机系统层、网络层、数据库层和应用软件层·
图1
二维结构描述有助于逐一落实各应用软件的支撑环境，也有助于考虑在不同层次之间的分工和界面·图2所示为某机床厂86号车间的生产过程管理工作流程·
1.2 系统功能分析
该车间生产过程管理主要是对生产加工过程中的生产进程信息、生产设备信息和零件的入库信息进行管理·其中生产进程管理包括加工进度管理、加工信息管理和工序质量管理；生产设备管理包括设备状态管理、设备停工管理和重点设备管理·该厂的车间生产模式主要以厂级计划为主，从厂里获得生产计划，并通过分解厂级计划来安排日常生产，这也是我国现有企业中一种比较典型的生产组织方式·
图2
对于离散制造业的生产过程信息跟踪与监控主要涉及车间生产活动中数据的采集、传送与处理，包括生产进程监控、工序质量跟踪、零件入库监控和生产设备跟踪等信息·
生产进程监控主要监控零件在生产中所处的加工工序、加工设备、加工人员和加工数量等信息·工序质量跟踪主要跟踪零件在各个工序的合格品质量数据、回用品质量数据、待返修品质量数据、工废品质量数据、料废品质量数据等·零件入库监控主要监控零件的入库信息，如入库时间、入库产品、入库数量和验收数量等信息·生产设备监控用于对生产中设备的状态进行监控，如完好、维修中和待修等状态；设备停工管理用于管理设备的停工信息，如停工时间、停工原因和停工工时等信息；重点设备管理用于统计设备的能力负荷信息，还用于对影响到车间生产全局的重点设备进行日常点检管理·
1.3 系统的功能模型
根据前面对系统的分析与CIMS集成原理，用IDFE0方法构建了系统功能模型·如图3所示，系统包括生产进程监控、工序质量跟踪、零件入库监控和生产设备跟踪等四个信息处理模块，该模型反映了这些模块之间的关系以及与系统外部信息之间的关系（其他功能模型图在这里省略）·
图3
2 系统的构建
2.1 系统体系结构
为了实现生产过程信息的实时、全面、准确、一致的传递和系统的可重构性，使系统具有开放性、高可靠性和升级容易的特点并能与其他CIMS子系统全面集成，系统采用基于COM+与Web技术进行设计与构建·其系统体系结构如图4所示·
由图4可知，整个系统分为三层，即表示层、业务逻辑层和数据服务层·表示层为应用的客户端部分，它负责与用户进行交互；业务逻辑层构成了应用的业务逻辑规则，它负责接收和传递表示层所需的信息，并与数据服务层进行交互；数据服务层为后台数据库·采用基于COM+的分布式Web技术构建的应用系统克服了目前工业界普遍采用的基于B／S三层体系结构构建系统的一些明显不足：如胖服务器、瘦客户端以及表示层、业务逻辑层和数据访问层未能明确区分等问题·系统把业务逻辑和数据访问代码封装进一些编译好的组件里，在ASP页面里调用业务逻辑和数据访问组件，同时利用IIS支持的ASP技术编制Web页面，这样就把ASP，COM+和Web技术有机地结合起来，形成了基于这些技术的应用系统·
图4
2.2 可重构信息集成技术
可重构信息集成技术是指把企业信息资源模块化，即按不同的粒度构造信息资源模块作为企业信息资源重用、重组、重构的不同单元·可重构信息集成技术主要通过多层结构及映射技术，实现从各个数据资源系统抽取数据，并使所抽取数据的语义能满足企业和企业之间协同设计制造、和管理对信息资源的需求·通过各层结构实现的相对独立性和开放性，实现信息资源重用重构与信息共享和应用操作·在整个系统设计中开发了以下组件：异构数据库连接组件、异构数据管理组件、基于Web的报表打印组件、日历时间控件、设备可靠性分析组件、质量成本分析计算组件和质量统计分析图形显示组件等·
2.3 系统与ClMS各子系统间的信息接口
为了保证本系统与CIMS其他子系统的集成和信息交换，需要在各子系统间建立信息接口·图5所示的是以生产过程监控系统为中心，与其他子系统的业务信息接口·
图5
3 系统的实现
基于COM+与Web技术开发的生产过程信息跟踪与监控系统目前已应用于某大型国有企业的2个制造车间，实现了对车间生产进程信息、工序质量信息、零件入库信息和生产设备信息的跟踪与监控·图6为该企业某车间生产加工进程信息跟踪与监控的Web页面，该页面采用三种不同颜色的图片分别代表设备加工状态、待工状态和故障状态·同时系统还和CIMS其他子系统进行了有效集成·整个系统通过将近一年的实际应用，运行安全可靠，效果良好·
现代集成制造系统发展回顾与展望
一．前言
近半个世纪来，制造业间的竞争日趋激烈。

制造业市场已从传统的"相对稳定"逐步演变成"动态多变"的局面，其竞争的范围也从局部地区扩展到全球范围。

制造企业间激烈竞争的核心是产品（p）。

回顾历史，随着时代的变迁，产品间竞争的要素不断随之演变。

在早期，产品竞争要素是成本（c），七十年代增加了质量（q），八十年代增加了交货期（t），九十年代又增加了服务（s），近期又增加了环境清洁（e），预计下一世纪将增加"知识创新"（k）这一关键因素。

另一方面，必须指出，当今世界已步入信息时代并迈向知识经济时代，以信息技术为主导的高技术也为制造技术的发展提供了极大的支持。

上述两种力量推动了制造业发生着深刻的变革，信息时代的"现代制造技术"及其产业应运而生，其中，cims技术及其产业正是其重要的组成部分。

二．不断拓展中的"现代集成制造系统"理念与内涵
70年代，美国约瑟夫.哈林顿（joseph harrington）博士首次提出cim（computer integrated manufactur ing）理念。

它的内涵是借助计算机，将企业中各种与制造有关的技术系统集成起来，进而提高企业适应市场竞争的能力。

但是基于cim理念的系统cims（computer integrated manufacturing system）在80年代中期才开始重视并大规模实施,其原因是70年代的美国产业政策中过分夸大了第三产业的作用，而将制造业，特别是传统产业，贬低为"夕阳工业"，这导致美国制造业优势的急剧衰退，并在80年代初开始的世界性的石油危机中暴露无遗，此时，美国才开始重视并决心用其信息技术的优势夺回制造业的霸主地位，认为"ci ms，no longer a choice!"。

于是美国及其它各国纷纷制订并执行发展计划。

自此，cims的理念、技术也随之有了很大的发展。

代表性的论点出自美国的制造工程师协会sme、欧共体esprit 及国际isotc184/sc5/wg1等；与此同时，许多学者还对各种发展模式冠以不同的名词。

863/cims 主题结合国际上先进制造技术的发展，特别是基于主题上万名人员十余年的实践，提出了"现代集成制造"（contemporary integrated manufact uring）的理念，它在广度上、深度上拓宽了传统cim的内涵。

863/cims主题提出：
"cim是一种组织、管理和运行现代制造类企业的理念。

它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，使企业产品全生命周期各阶段活动中有关的人/组织、经营管理和技术三要素及其信息流、物流和价值流三流有机集成并优化运行，以达到产品（p）上市快（t）、高质（q）、低耗（c）、服务好（s）、环境清洁（e），进而提高企业的柔性、健壮性、敏捷性，使企业赢得市场竞争。

"
"cims"是一种基于cim理念构成的数字化、信息化、智能化、绿色化、集成优化的制造系统；它是信息时代的一种新型生产制造模式。

cims通常由经营管理与决策子系统、工程分析与设计子系统、加工生产子系统及支撑平台子系统（如网络/数据库/集成框架）组成。

这里的制造是’广义制造’的概念，它包括了产品全生命周期各类活动---市场需求分析、产品定义、研究开发、设计、生产、支持（包括质量、销售、采购、发送、服务）及产品最后报废、环境处理等的集合。

其中，价值流是指以产品t、q、c、s、e等价值指标所体现的企业业务过程流，如成本流等。

我国"现代集成制造系统"拓展传统"计算机集成制造系统"的要点：细化了现代市场竟争的内容（p、t、q、c、s、e）；提出了cims的现代化特征：数字化、信息化、智能化、集成优化、绿色化；强调了系统的观点，拓展了系统集成优化的内容：包括信息集成、过程集成和企业间集成优化；企业活动中三要素和三流的集成优化；以及cims相关技术和各类人员的集成优化；突出了管理与技术的结合，以及人在系统中的重要作用；指出了cims技术是基于传统制造技术、信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术的一门发展中的综合性技术，其中，特别是突出了信息技术的主导作用；扩展了cims应用范围，包括离散型制造业，流程及混合型制造业。

此外，这种提法更具广义性、开放性和持久性。

三．持续发展中的"现代集成制造系统"技术
基于cims理念与内涵的不断拓展，cims技术持续发展，主要表现在下述方面。

1．从设计、管理、加工生产等"技术孤岛"发展为集成的cims技术体系：
（1）总体技术
系统总体模式：包括柔性制造、集成制造、并行工程、敏捷制造、智能制造、绿色制造、全能制造等模式；
系统集成方法论：包括信息集成、过程集成、企业间集成及知识集成等方法论；
系统集成技术：包括设计、生产、管理及后勤等子系统间的集成技术，企业三要素（人/组织、经营管理和技术）及三流（信息流、物流和价值流）的集成技术等；
标准化技术：包括产品信息标准、过程信息标准，数据交换与格式标准，图形标准及零件库标准等技术；
企业建模和仿真技术：包括企业功能、信息、工作流、资源及组织模型等建立、确认及其仿真技术；
cims系统开发与实施技术：企业诊断、需求分析、系统设计、组织实施、质量保证及效益评价等技术。

（2）支撑平台技术
包括网络、数据库、集成平台/框架、计算机辅助软件工程、产品数据管理（pdm）、
计算机支持协同工作（cscw）及人/机接口等技术。

（3）设计自动化技术
包括cad，capp，cam，cae，基于仿真的设计（sbd），面向下游工作的设计（dfx）及
虚拟样机（vp）等。

（4）加工生产自动化技术
包括dnc，cnc，fmc，fms，虚拟加工及快速成形制造（rpm）技术等。

（5）经营管理与决策系统技术
包括mis，oa，制造资源规划（mrpⅱ），准时生产（jit），caq，业务流程重组（bpr）,
企业资源规划（erp）,动态企业建模（dem），供应链及电子商务等技术。

（6）流程制造业cims中生产过程控制技术
包括过程检测、先进控制、故障诊断和面向生产目标的建模、优化集成控制技术等。

2．cims技术的发展阶段
系统集成优化是cims技术与应用的核心技术，因此我们认为，可将cims技术的发展从系统（三要素和三流）集成优化发展的角度而划分为三个阶段：信息集成（以早期计算机集成制造为代表）、过程集成（以并行工程为代表）和企业间集成（以敏捷制造为代表）。

前者是后者的基础，同时，三类集成优化技术也还在不断发展之中。

我国863/cims主题分别于1987年、1993年和1997年启动了这三个方面的工作。

（1）信息集成优化
信息集成主要解决企业中各个自动化孤岛之间的信息交换与共享，其主要内容有：1）企业建模、系统设计方法、软件工具和规范。

2）异构环境和子系统的信息集成。

早期信息集成的实现方法主要通过局域网和数据库来实现。

近期采用企业网、外联网、产品数据管理（pdm）、集成平台和框架技术来实施。

值得指出，基于面向对象技术、软构件技术和web技术的集成框架已成为系统信息集成的重要支撑工具。

相应地，在企业管理上应用了mrp-ⅱ、jit等，进而带动了企业文化和管理的优化。

（2）过程集成优化
传统的产品开发模式采用串行产品开发流程；设计与加工生产是两个独立的功能部门；缺乏数字化产品定义、dfa/dfm 工具和产品数据管理；缺乏支持群组协同工作的计算机与网络环境。

但是"并行工程"
较好地解决了这些问题，它组成多学科团队，尽可能多地将产品设计中的各个串行过程转变为并行过程，在早期设计阶段采用cax、dfx工具考虑可制造性（dfm）、可装配性（dfa）、质量（dfq），以减少返工，缩短开发时间。

并行工程的关键技术：信息集成技术；过程建模及重组；面向并行工程的计算机辅助工具，如cax、dfx (虚拟制造技术的一部分)；支持并行作业的多学科的协同工作小组以及计算机网络支持下csc w和集成框架等。

此阶段中，在管理上引入bpr；项目管理（扁平组织）；将mrp-ⅱ与jit结合，形成推、拉结合的生产管理模式；吸收精益制造思想等；这些进一步优化了企业的文化和管理。

（3）企业间集成优化
企业间集成优化是企业内外部资源的优化利用，实现敏捷制造，以适应知识经济、全球经济、全球制造的新形势。

从管理的角度，企业间实现企业动态联盟（virtual enterprise），形成扁平式企业的组织管理结构和"哑铃型企业"，克服"小而全"、"大而全"，实现产品型企业，增强新产品的设计开发能力和市场开拓能力，发挥人在系统中的重要作用等。

企业间集成的关键技术包括信息集成技术；并行工程的关键技术；虚拟制造；支持敏捷工程的使能技。