重型裝備研發(fā)型制造企業(yè)PLM系統(tǒng)的關鍵技術*

邢宗緒，張栓印

(蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅蘭州 730050)

0 引言

重型裝備具有種類多、生命周期長、設計驗證難度大、針對性強、運行環(huán)境與狀態(tài)復雜等特點。研發(fā)與制造企業(yè)經(jīng)常面臨著產(chǎn)品定制設計、產(chǎn)品品種多樣化、設計資料版本管理亂、產(chǎn)品資料數(shù)據(jù)同源性難以保證、協(xié)同設計效率低、項目管理失控等現(xiàn)實問題。企業(yè)雖然已經(jīng)有CAD、CAM、ERP等局部信息化工具或系統(tǒng)，但各個系統(tǒng)間缺乏有效銜接，缺乏頂層設計，實施效果不理想。

PLM(Product Life-cycle Management)系統(tǒng)稱之為產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)，它是通過信息化管理支持平臺，對產(chǎn)品從創(chuàng)建到使用，更新到換代等全生命周期進行管理，能夠有效解決重型裝備研發(fā)與制造企業(yè)所面臨的問題。PLM的核心是產(chǎn)品數(shù)據(jù)的有序管理、設計過程的優(yōu)化和資源的共享，是支持快速研發(fā)過程的協(xié)同管理的一個集成協(xié)同框架［1］，在企業(yè)內(nèi)部(可以是分散在多個地點的企業(yè)內(nèi)部)，支持產(chǎn)品全生命周期的信息的創(chuàng)建、管理、分發(fā)和應用，它能夠集成與產(chǎn)品相關的人力資源、流程、應用系統(tǒng)和信息。筆者針對重型裝備研發(fā)制造企業(yè)的特點，對PLM系統(tǒng)幾個關鍵集成技術進行探討。

1 重型裝備研發(fā)型制造企業(yè)的研制與經(jīng)營特點

重型裝備作為高端裝備，廣泛應用于能源、交通、船舶、工程機械、冶金、航空航天、軍工等重點行業(yè)和領域［2］。重型裝備研制周期長，階段復雜，包括前期調(diào)研、設計、制造、采購、配套、安裝、調(diào)試、交付及質(zhì)量控制與售后服務等，在這些過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。通常重型裝備技術含量高，其制造需要較多的專用設備，因此，企業(yè)的經(jīng)營更適合采用重研發(fā)、輕制造的經(jīng)營模式，即企業(yè)在掌握和控制核心技術的前提下，主要依賴社會優(yōu)質(zhì)資源來實現(xiàn)制造。這種模式雖然有利于成本的控制，但給產(chǎn)品的全生命周期數(shù)據(jù)管理帶來許多問題。其主要特點概括如下。

(1)個性化定制。重型裝備大多數(shù)屬于專用設備，用戶一般都有自己的工藝要求，變型設計類型相對較多，非標與定制特征明顯。雖然每個產(chǎn)品都需要重新設計，但設計對象的產(chǎn)品族特點明顯。通常變型產(chǎn)品在企業(yè)整個產(chǎn)品的設計制造中占有絕對比例，企業(yè)需要最大程度地利用定制產(chǎn)品之間在設計和制造工藝上的相似性提高設計效率和生產(chǎn)效率。

(2)產(chǎn)品生命周期鏈不完整，但關注點突出。重型裝備研發(fā)型制造企業(yè)通常研發(fā)設計能力較強，生產(chǎn)制造能力相對較弱，企業(yè)關注的是對核心技術的掌控以及最終完成產(chǎn)品成套，其制造加工過程通過外協(xié)、外購來完成。除此之外，企業(yè)確實難以完成的某些關鍵技術還需要外包。因此，企業(yè)所掌握的產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)鏈并不完整。

(3)高度重視協(xié)同設計。為獲得市場競爭優(yōu)勢、適應市場需求的快速變化，企業(yè)的研發(fā)組織結(jié)構(gòu)已經(jīng)由過去的物理集中向物理分散轉(zhuǎn)變，無論在企業(yè)內(nèi)部或外部，本地或異地，研發(fā)、設計、制造需要多家單位、不同機構(gòu)之間的交流與并行工作，企業(yè)需要克服時間、空間等限制，形成一個便于群體相互協(xié)同工作的共同工作空間，使異地多部門、多單位人員能夠并行協(xié)同地完成工作［3］，這種轉(zhuǎn)變只能依靠信息化系統(tǒng)支持才能實現(xiàn)。

2 重型裝備研發(fā)型制造企業(yè)面臨的主要問題

在市場經(jīng)濟環(huán)境下，重型裝備研發(fā)型制造企業(yè)是按訂單設計制造。產(chǎn)品類型多，項目階段多，并行項目多，造成研發(fā)管理比較復雜，通常面臨的主要問題如下。

(1)難以保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性:①產(chǎn)品數(shù)據(jù)版本信息管理不完善，缺乏過程版本，可追溯性差;②技術文件審核過程中，紙質(zhì)文檔與電子文檔分離并同時存在，一致性難以保證;③圖紙查找困難，設計人員大量的時間花費在數(shù)據(jù)查找上;④安全保密無法保障，產(chǎn)品全部數(shù)據(jù)雖說存放在計算機中，但數(shù)據(jù)易受到非法的調(diào)用、復制、修改。

(2)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)依靠手工管理:①需要手工整理產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息，容易出現(xiàn)錯誤且效率低下;②產(chǎn)品結(jié)構(gòu)沒有版本控制;③零部件的替代關系沒有有效地管理，不能有效地判斷零部件對應的替代件。

(3)缺乏規(guī)范的編碼體系，難以保證零件信息的準確性:①同一個零件在不同的項目中可能有多個編碼值存在，導致編碼需要專門人員進行匹配識別;②編碼新增申請過程難以校驗，可能出現(xiàn)重復申請，存在一碼多物;③編碼的創(chuàng)建過程依靠手工操作，易產(chǎn)生導致數(shù)據(jù)不規(guī)范、不一致的情況。

(4)流程管理費時耗力:最大的問題是管理以紙質(zhì)為準，流程執(zhí)行時間過長。

(5)更改管理難以控制，差錯較多:①缺乏信息化系統(tǒng)支持的變更流程，變更請求和變更單多數(shù)仍為紙介質(zhì)，傳遞、更改過程耗時長，并且經(jīng)常造成數(shù)據(jù)錯誤［4］;②對變更歷史缺乏有效的管理，不能有效地對變更進行追溯，缺乏對產(chǎn)品數(shù)據(jù)關聯(lián)關系的有效管理;③變更控制不嚴，導致設計過程和制造過程中頻繁出現(xiàn)變更，耗費了大量的時間和人力上的成本。

(6)項目管理水平較低，計劃能力不強，執(zhí)行效果較差:①項目計劃的管控模式無法支撐項目的全周期管控，設計、生產(chǎn)、質(zhì)量等各種計劃數(shù)據(jù)流之間存在斷點;②項目計劃難以與最終的交付物進行緊密關聯(lián)，無法準確監(jiān)控項目中每一個項目成員或節(jié)點的進度和任務執(zhí)行情況;③現(xiàn)有管理模式無法支撐多項目監(jiān)控與資源的平衡，多項目的執(zhí)行情況沒有可及時更新的統(tǒng)計圖表，無法同時對比分析多項目的執(zhí)行情況;④缺乏項目組人員工作負荷的統(tǒng)計監(jiān)控，無法對工作量、工作強度進行平衡;⑤現(xiàn)有管理模式無法支撐項目風險的管控，缺乏項目風險的定義、分類和預警，無法在項目的關鍵節(jié)點、瓶頸資源處對已知風險做出提示。

上述問題反映了重型裝備研發(fā)型制造企業(yè)對PLM系統(tǒng)的期望，即:統(tǒng)一和規(guī)范數(shù)據(jù)管理，建立完善的數(shù)據(jù)管理機制;統(tǒng)一變更管理和流程管理，固化業(yè)務流程，增強流程的反饋和查詢;規(guī)范設計方法;加強知識的共享與重用，研發(fā)人員可以方便的進行數(shù)據(jù)查詢和應用。

3 重型裝備研發(fā)型制造企業(yè)PLM系統(tǒng)的關鍵技術

對重型裝備研發(fā)型制造企業(yè)來說，其關注的核心是企業(yè)研發(fā)能力的提高和研發(fā)管理能力的提升。企業(yè)對PLM系統(tǒng)的要求，主要是如何更好地支撐企業(yè)的研發(fā)業(yè)務，幫助企業(yè)實現(xiàn)提高交付質(zhì)量、縮短交付周期、降低交付成本的目標。圍繞這一目標，PLM系統(tǒng)的關鍵技術在以下方面。

(1)編碼管理 對產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)和文檔等存在于PLM系統(tǒng)中的所有對象規(guī)定具有唯一性、擴充性、簡明性、適用性、規(guī)范性的編碼規(guī)則是實施PLM系統(tǒng)的基礎，科學合理的編碼規(guī)則也是企業(yè)用好PLM系統(tǒng)的保證，它保證了在研發(fā)設計過程中所有輸入與輸出對象的規(guī)范化。

產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)的編碼包括:①企業(yè)的信息碼。對于項目數(shù)據(jù)來說，需要區(qū)分有多個參與研發(fā)的單位的信息;②產(chǎn)品分類碼。包括產(chǎn)品分類、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層級分類，以及制造件、外購件、企標件、標準件分類，等等;③細化分類碼;④規(guī)格識別碼;⑤特征碼;⑥流水碼。企業(yè)可根據(jù)具體情況予以規(guī)劃。

宣傳引導不到位，沒有形成社會共識，各地州、縣市層面的經(jīng)驗交流不充足。另外，需要加強對貧困戶的教育引導，需要從思想上解決問題，讓貧困戶主動脫貧。

文檔的編碼可視具體情況分類，一般應至少分為產(chǎn)品設計類文檔和普通文檔。產(chǎn)品設計類主要是對研發(fā)設計過程中各個階段的輸出文檔模板進行編碼規(guī)范;普通文檔對除產(chǎn)品設計類之外的其他文檔模板進行編碼規(guī)范。

(2)系統(tǒng)集成 系統(tǒng)集成包括 CAD、CAE、CAPP、CAM、ERP等集成，研發(fā)型企業(yè)可能更關注PLM系統(tǒng)與CAD、CAE的集成。企業(yè)在發(fā)展過程中因使用多種設計工具軟件積累了大量的歷史數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是企業(yè)的知識與財富，需要通過系統(tǒng)集成、在PLM平臺上得到更好的利用，其難點在于:由于難以獲得軟件的開發(fā)信息以及存在技術瓶頸，實現(xiàn)各工具軟件與PLM系統(tǒng)之間的深度集成難度很大。解決這些難題，需要PLM系統(tǒng)的實施商家具有強大的技術集成能力。

(3)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理 產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫:按項目管理的要求，系統(tǒng)地、規(guī)范地管理項目的產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)和文檔類數(shù)據(jù)，包括從項目輸入到實物正式交付的整個過程產(chǎn)生的所有資料，保證這些資料的唯一性和正確性。

模塊化數(shù)據(jù)庫:模塊化包括標準件、外購件和企標件，標準件和外購件主要針對常用的種類與型號、規(guī)格，企標件是設計中經(jīng)常重復引用、并具有相似特征的系列自制零部件，企標件為快速的變型設計提供了極大方便，縮短了設計時間。

(4)信息共享 以PLM系統(tǒng)創(chuàng)建產(chǎn)品研發(fā)設計的協(xié)同工作平臺和多種檢索機制，解決過去電子設計數(shù)據(jù)缺乏有效管理、準確性不高、檢索困難、信息共享度低、數(shù)據(jù)存儲及利用存在諸多隱患及弊端等問題，使設計人員在系統(tǒng)中能快速、準確、方便的查閱和利用歷史數(shù)據(jù)，提高工作質(zhì)量和設計效率。

(5)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理 企業(yè)需要具有面向用戶的產(chǎn)品快速配置能力，因此通過PLM系統(tǒng)完成零件、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)搭建與快速配置是企業(yè)關注的重點。在PLM系統(tǒng)建立統(tǒng)一的BOM數(shù)據(jù)管理平臺，實現(xiàn)對產(chǎn)品以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)方式進行管理，實現(xiàn)通過單一的變量BOM來快速派生同系列的變形產(chǎn)品。

產(chǎn)品設計過程中，當產(chǎn)品結(jié)構(gòu)搭建與配置完成后，即可自動形成產(chǎn)品的裝配關系數(shù)據(jù)。無論是圖面上的明細欄還是綜合明細表、外購件匯總表、標準件匯總表都可以自動完成，改變過去手工編制匯總表費時耗力、并且容易出錯的問題。

對市場銷售而言，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)搭建與快速配置管理為銷售人員快速定義用戶的個性化需求提供選項。根據(jù)用戶個性化要求對產(chǎn)品模型進行變型，通過參數(shù)化CAD系統(tǒng)的幫助，為用戶提前展示該個性產(chǎn)品，并提供報價［5］。用戶如果滿意，它可以生成可供制造的產(chǎn)品模型并可投入生產(chǎn);如果用戶需求不能得到滿足，它向設計人員提供最好的設計實例，使定制設計有較高的起點，縮短工作時間.

(6)流程管理 在PLM系統(tǒng)中，流程管理重點需要滿足:①實時，即數(shù)據(jù)與決定必須立即傳送給相關的人;②完整，即將所有工作必需的相關信息，傳給所有必要的人;③記錄，即流程之中所發(fā)生事件的原因、動作、變化、結(jié)果及相關作業(yè)者，必須有完全的記錄，以便在流程之中及將來均可追蹤考查;④加速，即通過并行流程加快整體的研發(fā)速度;⑤監(jiān)控，即對于流程目前的狀態(tài)、進度，管理者必須能夠完全監(jiān)控，并且在必要的時候，作適當?shù)墓芾聿僮?，如加速、暫停、中斷等?］。

為此，需要理順和優(yōu)化設計研發(fā)業(yè)務流程，明確劃分必須的業(yè)務階段、工作要求、輸入輸出文檔，以及相關職責，建立企業(yè)標準的研發(fā)業(yè)務流程規(guī)范，并在PLM系統(tǒng)中予以固化。

(7)變更管理 企業(yè)可以根據(jù)自身情況設置研發(fā)設計變更分級。通常情況下，變更過程可分為一般變更和重要變更，一般變更過程涉及的范圍小，影響小，控制要求不嚴格;重要變更過程涉及范圍廣，影響大，需要進行變更影響分析。

在PLM系統(tǒng)中，變更程序主要包括:確認問題;定義/批準變更申請;定義/批準變更通知;執(zhí)行變更指令;確認變更/自動通知等。系統(tǒng)根據(jù)變更分類自動選取相應流程，通過完整的數(shù)據(jù)模型評估變更的影響范圍并記錄評估結(jié)果。變更過程以電子流程的形式進行管理，變更結(jié)果以結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)形式進行管理。變更評審在PLM系統(tǒng)中自動通知相關人員(亦可參與評審)，更改完成后系統(tǒng)自動借用新版本(亦可繼續(xù)引用舊版本)。

(8)項目管理 項目管理從管理角度為企業(yè)研發(fā)工作組織提供了解決方案，它主要是對整個產(chǎn)品開發(fā)過程的狀態(tài)進行透明化監(jiān)控，監(jiān)控范圍包括計劃、進度、資源、成本、文檔、問題、風險、協(xié)同等要素，保證研發(fā)項目在可控狀態(tài)下執(zhí)行。項目管理的核心是項目計劃的制定、執(zhí)行與跟蹤，項目管理的關鍵則是計劃要求下的職責與權(quán)限界定、任務與資源分配以及狀態(tài)評估與風險控制。

4 結(jié)語

研發(fā)管理是重型裝備研發(fā)型制造企業(yè)戰(zhàn)略經(jīng)營的核心。PLM系統(tǒng)為企業(yè)提供了一個協(xié)同、統(tǒng)一的協(xié)同研發(fā)管理平臺，提高了企業(yè)對研發(fā)數(shù)據(jù)、過程、結(jié)果以及工作質(zhì)量和效率的管控能力，實現(xiàn)了企業(yè)發(fā)揮團隊優(yōu)勢、加快響應市場信息速度、提高經(jīng)濟效益的管理目標，解決了制約企業(yè)持續(xù)發(fā)展的瓶頸問題。通過對上述關鍵技術的探討，對重型裝備研發(fā)型制造企業(yè)規(guī)劃建設適合企業(yè)經(jīng)營特點、滿足自身需要的PLM系統(tǒng)有一定的指導作用。

［1］ 徐吉坤，賈曉亮，張 博.面向 PLM的協(xié)同工藝設計與管理技術研究與應用［J］.航空精密制造技術，2013(3):40-42.

［2］ 翟 巍.我國重型機床發(fā)展方向［J］.機電商報，2005(12):27-28.

［3］ 周興科，張振明，田錫天，等.基于PDM的協(xié)同工藝管理系統(tǒng)研究及實現(xiàn)［J］.機床與液壓，2006(4):7-9.

［4］ 朱海平，王忠浩，李培根.基于PDM的工程變更管理研究［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2003(7):5-9.

［5］ 張興華，余開朝.面向大規(guī)模定制的PLM系統(tǒng)研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2008(1):35-37.

［6］ 周 春，白 萍，周渝豐.數(shù)字化研發(fā)平臺規(guī)劃的幾個難題［J］.四川兵工學報，2010(6):88-91.