中小型企业CIMS系统设计方法研究

潘 虎

(襄樊学院 网络管理中心，湖北 襄樊 441053)

中小型企业CIMS系统设计方法研究

潘 虎

(襄樊学院 网络管理中心，湖北 襄樊 441053)

以中小型企业的信息化方法为研究对象，提出了符合企业特点的CIMS系统结构，以及针对这一结构的中小企业CIMS系统各个组成部分，包括控制系统、组态监控系统、实时数据库等，分析指出它们的构建原则和选取方法及软件的设计和开发方法.

CIMS系统；PCS/MES/ERP/DSS；IDEF方法

CIMS技术是一项大型综合性现代企业管理技术，目前我国中小企业由于各种限制，实现CIMS相对困难. 但是，中小型企业可根据自身的现有条件，研究构造适合自身特点的CIMS系统，成功构建众多中小型企业的CIMS系统可以极大地提升竞争力. CIMS工程是复杂的系统工程，文章从对中小型企业CIMS系统结构的研究和分析入手，就如何采用相应的技术方法和具体产品来构建实际系统，给出了中小型企业CIMS系统架构以及迅速有效构建中小型企业CIMS系统的技术方法.

1 CIM技术和CIMS系统

CIM(Computer Integrated Manufacturing)即计算机集成制造是信息时代的一种组织、管理企业生产的理念，它以实现企业信息集成为主要标志，以部门间计算机系统协调运行为基础，以增强企业包括产品开发、产品质量保证及管理体制等多方面在内的企业经营活动和对市场变化的反应能力为目标，最终目的是提高企业参与市场竞争的综合实力. 它表达了一种符合信息化社会特征的思维方式，代表了当前先进制造技术的发展趋势. CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)即计算机集成制造系统则是按照CIM的原理构造的物理实体或技术的总称，它将信息技术、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、质量、成本、服务、环境管理，从而提高企业的市场应变能力和竞争能力. CIMS系统包括与企业各部门相对应的各个计算机系统，如CAD、CAM、MIS等，这些系统所涉及的技术几乎达到所有制造业中各种传统技术的信息技术的总和. CIM是组织管理企业生产的理念，CIM技术是实现理念的各种技术总称，CIMS则是以CIM为理念的一种企业的生产系统.

2 中小型企业CIMS的结构和组成

我国中小型企业是指工人数2000以下，或销售额30000万以下，或资产总额40000万以下的企业. 中小型企业是襄樊及其它地区制造企业中的绝大多数，从数量上讲是企业的主体. 当前襄樊地区中小型企业面临很多困难：生产规模小，市场信息不灵，新产品设计周期长且不符合市场需求，专业分工不明确、小而全，库存太大导致占用资金多，采购不及时导致生产线停工，成本核算不细，缺少高效灵活的销售网等等. 为更好的适应市场需求，提升核心竞争力，中小型企业应当构建内部信息化管理和外部网络化营销体系，加强信息应用能力，控制成本，提高效率，缩短响应客户的时间，创造和维持竞争优势. 这就需要实现企业信息化，CIMS技术正是其所需. 中小型企业对信息化的要求是投资少，见效快，在较短的时间内带来明显的经济和社会效益. 可见，中小型企业的信息化是循序渐进的过程. 中小型企业 CIMS应以企业生产和管理中的主要部门和关键部分为对象，开发和建设能迅速提高企业生产和管理水平，能取得显著效益的CIMS系统.

从襄樊地区及其它地区中小型企业的实际情况出发，CIMS系统可分为四层，即 PCS/MES/ERP/DSS四层结构模型.[1]第一层是生产过程控制系统(Process Control System，PCS)，它由生产过程控制系统、数据采集系统等组成. 生产过程控制系统完成生产过程的监控和生产现场数据的采集和存储. 它面向车间的生产制造设备、生产工艺和流程的自动化系统，处于CIMS最低层，是中小型CIMS的核心部分. 第二层是生产管理系统(Manufacturing Execution System，MES)，该系统的任务是根据ERP层制定的生产计划，利用生产资源，生产方法和实时现场信息快速低成本地制造高质量产品. 其生产活动包括订单管理、设备管理、库存跟踪、物流、数据采集以及维护管理、质量控制、生产成本核算与分析、性能分析等. 系统汇集车间中生产活动全过程的相关设备，是ERP和PCS之间的桥梁. 由于MES与生产直接相关，所以不同企业，MES的结构和组成大不相同，因此，MES必须根据企业具体需求和实际情况设计建设开发方案. MES的开发建设是企业 CIMS软件设计的主要内容. 第三层是企业资源管理系统(Enterprise Resource Plan，ERP).[2]该系统完成产品销售，原材料进销，财务、人力资源和库存管理. 它实现资金、物流和人力资源一体化，其核心管理思想是实现对整个供应链的有效管理，主要体现在：1)对整个供应链资源进行管理；2)精益生产、同步工程和敏捷制造；3)实现事先计划和事中控制. ERP系统是面向企业管理部门的信息系统.第四层是企业决策支持系统(Decision Support System，DSS). 用于对企业整体的生产制造数据、库存数据、销售数据、财务数据、生产部门和管理部门人力资源使用数据，以及市场数据进行汇总，挖掘和分析，帮助企业领导对生产经营活动做出合理科学的决策.

网络分系统和数据库分系统组成了CIMS支持系统，它们是实现信息集成的关键技术. 网络分系统实现了计算机系统的互连，提供了信息通信能力，通过网络将物理上分布的CIMS各功能分系统连起来，达到信息共享. 网络分系统是由支持CIMS各分系统的开放型网络通信系统组成，采用国际标准和工业标准规定的网络协议，支持资源共享、分布处理、分布数据库和实时控制. CIMS网络主要由生产过程控制系统总线网络、生产管理系统、ERP系统和决策支持系统的计算机网络组成. 生产过程控制系统总线网络主要由各种自动化设备、检测和显示仪表组成. 网络中有 RS485/232，又有各种工业现场总线及设备，网络中各设备通过现场总线相连，数据存储在控制系统服务器的实时数据库中，网络中的设备之间通过OPC(OLE for Process Control)实现互操作. 生产管理、ERP和决策支持系统网络就是企业管理使用的计算机局域网.局域网采用标准TCP/IP协议，网络设备(交换机、网卡、网线等)采用标准网络通信设备.

CIMS环境下各功能分系统的信息都在一个结构合理的数据库系统中进行存储和访问，满足各系统间的信息交互和共享. 数据库分系统支持CIMS各分系统，覆盖企业全部信息的数据存储管理系统，包括管理实际生产过程直接相关联的实时生产数据的实时数据库系统；管理MES中的控制信息和BPS中事务处理信息的关系数据库系统；还可能包括公文管理系统的文档数据库系统；企业决策系统的数据仓库系统.

3 中小型企业CIMS系统的开发设计方法

3.1 控制系统的选取

控制系统是面向生产过程的各种设备和作业流程，现场总线是当今自动化控制系统技术的主流，即自动化领域的计算机局域网. 现场总线应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多点数字通信，是开放式、数字化、多点通信的底层控制网络. 它将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使其具有了数字计算和数字通信能力，采用可进行简单连接的双绞线等介质作总线，把多个测量控制仪表联接成的网络系统，并按公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统. 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统. 它作为智能设备的联系纽带，把挂在总线上、作为网络节点的智能设备联接成网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、监控、优化及管理控制一体化的综合自动化功能. 基于现场总线的自动化监控和信息集成系统主要有以下优点：1)现场信息采集能力强；2)开放式，互换性、互超操作性、可集成性好；3)系统可靠性好、可维护性高；4)降低了系统及工程成本.

目前具有一定影响的现场总线有PROFIBUS现场总线，FF现场总线，LONWORK总线，CANBUS现场总线，World FIP现场总线，P-NET现场总线等多种. 当前，PROFIBUS逐渐占据了市场，其优点在于具有国际标准EN50170作保证，技术开放，不依赖具体厂商.

3.2 组态监控软件

组态软件是一个集成软件平台，由若干程序组件构成.[3]其中必备的典型组件包括：应用程序管理器；图形界面开发程序；实时数据库系统组态程序；实时数据库运行程序； I/O驱动程序；扩展可选组件；实用通信程序组件. 在组态软件中，通过组态生成的一个目标应用项目在计算机硬盘中占据唯一的物理空间和逻辑空间，可以用唯一的一个名称来标识，被称为一个应用程序. 在同一计算机中可以存储多个应用程序，组态软件通过应用程序的名称来访问组态内容，打开这个组态内容进行修改后将这个应用程序装入计算机内存投入实时运行. 组态软件最突出的特点是实时多任务，主要目的是让使用者在生成适合自己需要的应用系统时不修改软件程序的源代码，需要解决以下几个主要方面的问题：1)如何与采集，控制设备间进行数据交换；2)使来自设备的数据与计算机图形画面上的各元素关联起来；3)处理数据报警及系统报警；4)各类报表的生成和打印输出；5)存储历史数据并支持历史数据的查询；6)为使用者提供灵活、多变的组态工具以适应不同应用领域的需求；7)最终生成的应用系统运行稳定可靠；8)具有与第三方程序通信的接口，方便数据共享.

目前组态软件有多种成熟产品，国外有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公司是专门从事监控软件工作的，在市场占领绝大一部分份额；Cimplicity和WinCC 是GE和Siemens公司自动化产品的配套产品)，国内的有组态王、力控等产品. 应选择一套符合企业特点的实用组态监控软件对企业生产过程进行监控.

3.3 实时数据库

实时数据库的主要功能：1)实现过程数据的集成. 实时数据库可通过各类通用或专用接口与 DCS、PLC、工业控制机系统等现场设备进行通信，实现过程数据的集成. 2)提高直接基础控制层的操作水平. 实时数据库可以提供长周期历史数据的存储与查询功能，供工艺技术人员、操作人员进行事故分析、质量分析与装置运行状况分析. 3)支持先进控制和优化应用软件. 实时数据库是一个成熟、稳定的先进控制和优化软件的运行与开发平台，既可支持商品化软件包，也可支持用户的定制开发. 4)支持流程模拟、计划、调度应用软件. 实时数据库存储了大量的实时数据和历史数据，流程模拟、计划和调度等应用软件利用这些数据可以实现装置模型的校验、装置运行状态的分析及调度滚动作业计划的制定等功能. 5)构成CIMS系统的信息集成环境. 实时数据库可以通过厂商提供的接口或用户自己开发的接口与关系数据库相互连通，共同构成CIMS系统的信息集成环境，实现整个CIMS系统的数据共享.[4]

实时数据库的建立是CIMS工程的基础工作之一. 因此，应当在CIMS总体设计方案的约束下，合理地确定实时数据库的基本架构，使其适合CIMS工程的硬、软件平台与网络环境，满足数据集成与开发应用的需求. 实施实时数据库技术的关键在于数据采集系统. 如何正确把生产装置或其它各种装置控制采集系统、能源消耗监测控制系统等连接起来，集成这些信息，进行生产监视和生成实时数据库，实现全厂范围内的数据共享，是数据采集系统所解决的问题. 数据采集系统是整个企业生产管理系统的基础部分，它通过完成生产实时数据的采集和转化，为企业管理信息系统提供最基本的管理和控制依据. 同时，数据采集系统直接为生产监视系统提供数据，在每个操作室或车间办公室直接发挥作用，指导操作. 生产数据经过数据采集、数据预处理，保证其实时性、准确性、可靠性、一致性和完整性之后，充实到实时数据库和数据仓库之中，以便实现生产过程监控及其它的高级应用.

3.4 软件的设计和开发方法

企业的生产管理系统由以ERP为代表的企业管理软件、SCADA(数据采集与监视控制系统)，HMI为代表的生产过程监控软件和以实现操作过程自动化，支持企业全面集成的制造执行系统 MES组成. 在CIMS建设过程中，软件的设计和开发方法的选择直接决定了系统开发的成功与否，MES层和ERP层的开发应采用软件工程的方法. 软件工程研究与软件开发和维护相关的四个方面的内容为：过程与模型、方法与技术、工具与环境、标准与规范.

所有的软件开发和维护都是由一系列过程构成，它将方法与技术、工具与环境、标准与规范等结合起来，合理及时地进行软件开发和维护. 软件生存周期模型将软件工程过程有机结合，提供一个结构框架，明确主要活动和任务，也称过程模型(如瀑布模型). 过程强调具体活动和任务，模型突出的是过程的有机结合. 软件开发和维护方法体现了开发和维护人员看待系统的立场和观点，如结构化方法. 技术则是方法的具体实现，如 SA/SD(System Analysis/System Design)方法是一种结构化分析和设计技术，OMT(Object Modeling Technique)方法是一种面向对象分析和设计技术. 工具为软件开发和维护的方法、技术提供了软件支持，如编译系统. 各种工具结合起来形成开发环境. 而标准化、规范化可使各种工作有章可循进而提高生产效率和产品质量.[5]

软件开发的方法必须在三个方面做出规定：1)开发步骤；2)软件文档格式；3)开发方案评价标准. 常见方法包括结构化方法，面向对象方法和形式化方法. 其中，结构化方法是基于软件工程生存周期的概念，总的思想是自顶向下、逐步求精、单入口、单出口，基本原则是抽象和功能分解. 实现结构化方法的技术有面向数据流图的方法、IDEF方法、Jackson方法等. 结构化方法简单实用、技术成熟，应用广泛. 其中IDEF(Integration Definition method)方法是一套对复杂系统进行建模分析和设计的方法，是在结构化分析方法的基础上发展起来的. 在 IDEF中，IDEF0用于建设系统功能模型、IDEF1用于建设数据模型、IDEF2用于建设系统的仿真模型、IDEF4用于面向对象设计. 使用IDEF建模方法构建企业生产系统模型既迅速又真实有效，因此，这是一个值得选用的软件模型构建方法.

4 结语

针对中小型企业的特点，对中小型企业CIMS的结构和组成进行了探讨，研究了符合中小型企业特点的CIMS结构，探讨了中小型企业CIMS的支持系统和它的开发设计方法，提出了对中小型企业信息化的建设意见. 适合我国中小型企业特点的CIMS系统，会更加系统和全面的覆盖企业生产和管理的各个层面，企业的信息化程度将得到进一步的提高.

[1] 黄悦文. 中小企业信息化建设探讨[J]. 中小企业科技, 2003(9): 6-7.

[2] 柳中冈. 中小企业ERP指南[M]. 吉林: 辽宁人民出版社, 2002.

[3] 王 荃, 金海东, 李福中. 工控组态软件实时数据库系统的设计与实现[J]. 计算机应用, 2000, 127(3): 40-43.

[4] 黄河清, 俞金寿. CIMS工程中实时数据库的实施策略[J]. 自动化仪表, 2002, l23(2): 16-20.

[5] 刘凤琴, 马俊海. 中小企业信息化管理软件开发思想与方法探讨[J]. 企业经济, 2003(6): 106-108.

(责任编辑：陈 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, 襄樊学院网络管理中心实验师.