绿色制造模式下的PLM及其关键技术研究

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欢迎访问e展厅 展厅 8 CAD硬件/先进制造技术展厅 图形工作站, 绘图仪/大幅面打印机, 3D控制器/3D鼠标, ... 近年来，PLM ( Product overall Lifecycle Management，产品全生命周期管理) 迅速得到IT 业的普遍认同。无论是世界上最具权威的IT 咨询公司Daratech 、CIMdata ，还是国内外诸多的IT 同行都加入了推行PLM的行列。PLM 以企业的产品为中心、以提升产品创新能力为目标、以企业的知识性资产为重要资源，将为企业建立一个支持从产品开发设计、生产制造到管理维护的产品全生命周期的信息管理体系。这种以产品为中心，不断提升产品创新能力的机制将大大提高产品的竞争力，从而为企业赢得更大的市场占有率和更多的用户。可以说，实施PLM 是振兴制造业的必由之路。 PLM 的相关产品在制造业中已经有了一定的应用，但是随着现代制造技术的不断发展，传统制造业对环境的影响也会越来越大。传统制造业在将制造资源转变为产品的过程中以及产品的使用与处理过程中耗费了大量资源、产生了大量废弃物，因此传统制造业已成为环境日益恶化与资源日益稀缺的重要原因。据统计，造成环境污染的排放物有70 %以上来自制造业，它们每年约产生出55 亿t 无害废物和7 亿t 有害废物。为了协调制造业的发展和人类生存环境之间的关系，绿色制造模式已经成为制造业发展的必然趋势。绿色制造是个复杂系统工程，它综合运用现代制造技术、信息技术、自动化技术、管理技术和环境技术，将企业各项活动中的人、技术、经营管理、物能资源和生态环境有机集成，从而达到产品上市快、质量高、成本低、服务好、环境影响小，实现企业效益和生态环境的整体优化。因此，只有从系统集成的角度，才可能真正有效地实施绿色制造。也就是说，绿色制造系统必然是一个集成制造系统。作者将从系统和集成角度来探讨绿色制造在PLM 系统中的有效集成形式，并就绿色制造模式下PLM 系统的关键技术做分析和阐述。 1 绿色制造和PLM 系统 1-1 绿色制造概念和内涵 绿色制造又称环境意识制造、面向环境的制造等。美国制造工程师协会在1996 年较系统地提出了绿色制造概念、内涵及主要内容。此后，美国加州大学伯克利分校、美国麻省理工学院等著名研究机构就绿色制造及相关问题进行了大量研究。近年来，随着公众环境保护意识不断提高以及国家有关环境保护法律、法规的进一步完善，关于绿色制造的研究正在国内外迅速发展。特别是国际标准化组织发布了有关环境管理体系的ISO14000 系列标准，推动着绿色制造的研究更加活跃。所谓绿色制造，就是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的负面影响最小，资源效率最高。绿色制造从产品设计阶段就开始考虑资源和环境问题，以绿色工艺，绿色材料以及严格、科学的管理，使废弃物最少，并尽可能使废弃物资源化、无害化，从而使企业经济效益和社会效益达到最优。图1 所示为绿色生态型制造企业模型。可以看到，绿色制造作为先进的现代制造模式是一个“大制造”的概念。绿色制造的“制造”是物质从自然来到自然去的可持续发展的无穷循环的一个环节，是构成广义绿色物质世界的大通道，是面向产品全生命周期的制造。因此，绿色制造涉及到多学科的交叉和集成，体现了现代制造学科的“大制造、大过程、学科交叉”的特点。 1-2 绿色制造模式下的PLM系统 PLM是个全新概念,是一种企业级信息化解决方案。它具备一个完整技术框架，为企业中对应于产品设计、制造、管理等环节的应用软件提供基础集成平台，并进行有效整合、扩展和延伸。其中产品全生命周期是指从产品需求开始到产品报废、回收的全部历程，包括产品需求规划、设计、生产、经销、运行、使用、维修保养、回收再用处置等主要阶段。作为一种先进的制造理念，PLM 系统集数据库的数据管理能力，网络的通信能力和过程的控制能力于一体，管理着产品生命周期中所有和产品有关的信息和过程，实现了分布式环境下产品数据的统一管理，给出了一个信息基础框架，它是实现并行工程的一个技术保证，也是实施网络环境下绿色制造系统的技术基础。图2 所示为绿色制造模式下的信息管理模型。在模型中，借助于分布式网络技术，通过数据交换协议，利用Internet/ Intranet 作为信息交换平台，供应商、制造企业、运输商、销售商、消费者以及回收商之间建立更快、更方便、更精确的电子化联络方式,实现信息共享和信息管理的决策支持。产品各个阶段信息有效管理有利于实现绿色制造在产品的各个环节都达到与环境相容的要求，从而为绿色制造系统的实施奠定基础。 绿色制造可以看成是制造、环境和资源三个领域问题的集成，如图3 所示。其中的制造领域包括了产品的全生命周期。可以看到绿色制造模式区别于传统制造模式的特征在于在解决制造领域问题的同时考虑了环境领域和资源领域的问题。在此基础上,作者提出了基于CORBA/Web 技术的绿色制造模式下PLM系统的集成体系(图4) 。该体系结构自底而上分为四层: ①异构环境层。包括了异构的硬件平台、网络协议、操作系统等各种软硬件异构环境。这一层中的数据库系统和绿色制造知识库提供了绿色制造系统最重要的底层支持，其中数据库系统应包括面向拆卸设计数据库、面向回收设计数据库、绿色材料选择数据库等重要的绿色制造支撑数据库; 绿色制造知识库则包括了面向拆卸设计评估规则库，面向回收设计评估规则库，面向综合决策规则库等等，这些数据和知识是绿色制造顺利、有效实施的依据和准则。②服务对象层。包括了PLM 系统所有的对象服务，客户端的应用程序通过内部通讯机制与之交换信息。本系统采用CORBA ( Common Object Reque st Broker Architecture-通用对象请求代理体系结构) 作为分布式对象计算环境，它对网络分布式计算有着很好支持〔6〕。③应用逻辑层。业务逻辑所在的层，也可以分成二个子层: 下层是PLM 系统的集成平台，提供PLM系统集成的基础设施，其中包括数据管理与控制，系统管理等内容。上层则是各个集成在PLM系统中的分系统，对于绿色制造系统来说，必须具备的子系统是，绿色设计分系统、物能资源分系统、环境影响评估分系统。这三个分系统，有待进一步探讨。对于制造过程分系统，绿色制造也提出了一些新的要求，比如清洁化生产过程等等。④界面表示层。主要是指运行在客户端的用户界面程序，例如可以通过Web 浏览器来运行客户端程序。这些用户界面程序可以通过内部通信机制向服务对象层提出服务请求,并在服务器端执行相应的操作，再将结果返回界面表示层。这个分布式集成体系结构在PLM 系统中有机集成了绿色制造系统，使整个PLM 系统运行于绿色制造模式之中。PLM 系统中所管理的产品信息跨越产品供应链、包含了产品的整个生命周期，这些信息为绿色制造的顺利实施提供了有力支持。 2 关键技术研究 区别于传统制造模式，绿色制造要求设计、材料、工艺、包装、处理在产品的各个阶段的绿色化。因此，绿色制造模式下的PLM 系统需要解决以下几个关键技术问题。 2-1 绿色设计 在绿色制造中，有五项关键技术，即所谓的“五绿” (绿色设计、绿色材料选择、绿色工艺规划、绿色包装、绿色处理)。这“五绿”涉及了产品的整个生命周期。其中绿色设计是关键，产品能否达到绿色标准要求，其决定因素是该产品在设计时是否采用绿色设计，因为研究表明，产品性能的70 %～80 %是在设计阶段决定的。只有在设计阶段按照绿色产品的特点和标准进行规划、设计，才能保证产品最终的绿色特性。而且绿色设计在很大程度上决定了材料、工艺、包装和产品寿命终结后处理的绿色性。 绿色设计要求在产品及其生命周期全过程的设计中，充分考虑对资源和环境的影响，在考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，优化各有关设计因素，将产品及其制造过程对环境的总体不良影响减到最小。绿色设计又称为面向环境的设计。其主要内容包括面向环境的产品结构设计，面向环境的制造环境设计或重组，面向环境的工艺方案设计，面向环境的产品包装方案设计，面向环境的产品回收处理方案设计等。 图4中处于应用逻辑层的绿色设计分系统的设计实施就是强调应用工程设计自动化系统(CAD/ CAM系统) 和绿色设计的有机集成。因此，绿色设计分系统需要包括三个层面的内容: 产品研究开发、功能单元设计和材料选择。例如,工程车辆的绿色设计,首先是用CAD/CAM系统开发设计绿色工程车辆，即无污染或少污染的新型工程车辆。然后应用可拆卸设计、可回收设计等绿色设计技术，使工程车辆更便于回收和再生利用。最后采用绿色材料，即对环境无害化材料，使工程车辆报废后便于处理。 2-2 物能资源分系统设计 物能资源系统是面向产品全生命周期的物流系统和能量流系统。在物流系统中，最主要也是最重要的是面向环境的材料选择。面向环境的材料选择就是要在产品设计中尽可能选用对生态环境负面影响小的材料，即选用绿色材料。然而，一方面绿色材料并没有明确界限，在实际中识别选用难于处理; 另一方面选用材料在考虑产品的绿色性同时还必须考虑产品功能、质量、成本等多方面要求。可以看到，绿色材料选择是一个系统性和综合性很强的复杂问题。作者建议在PLM集成系统中的材料选择采用基于成本的选择方法，即在满足工程(包括功能、几何、材料特性等方面的要求) 和环境等需求的基础上，使零部件的成本最低。建立绿色材料数据库是进行绿色材料选择的基础，在图3 体系结构中的数据库系统应包括绿色材料选择数据库。这个数据库的完善性将很大程度上决定了产品选材的绿色性。因此，这个绿色材料数据库将需要不断地更新和进一步完善。能量流系统包括能量种类、消耗状况(各消耗环节的构成、利用率、损耗率等) 、对环境的影响等。在绿色制造模式下，也需要综合评估各种动力能源，在满足环境保护、能源消耗等需求的基础上使成本最低。 2-3 绿色制造评估体系 绿色制造评估体系是对产品在全生命周期进行评估的闭环系统，分析所设计产品在生命周期各阶段以及整体的资源、能源消耗情况，评估产品设计的可拆卸性能、可回收性能等主要因素，来评定产品的制造是否符合绿色制造要求，以及应该在哪些方面进行改进。因此，做好绿色制造的评估是实施绿色制造系统非常重要和关键一环。绿色制造评价体系应包括环境属性、资源属性、能源属性、经济性、宜人性、“绿色”管理和设备维护性等七个大类，其中包含的各种因素繁多，既有定性指标又有定量指标，因而如何评估绿色制造实施的状况和程度是一个十分复杂的问题。作者提出一种比较适合评估绿色制造的方法———基于模型的综合评估法。该方法可以进行各主要绿色影响因素的联合评估，同时也兼备了对一些主要因素的单项评估。例如，在绿色设计中有一种十分重要的设计手段和方法———面向拆卸的设计。它是一种使产品最容易拆卸，并能从材料回收和零件重新使用中获得最高利润的设计方法。图5 所示是面向拆卸设计的评估流程，根据产品需求进行零部件结构设计、材料选用、生产工艺规划等。接着进入面向拆卸评估，建立可拆卸性信息模型，进行产品拆卸过程分析和拆卸性评估，并在此基础上提出产品可拆卸设计修改和改进建议，多个方案经过综合评估决策后确定最佳设计方案。整个流程是个闭环回馈系统，层次改进，不断完善。 2-4 知识流 在PLM系统中一般只包括物流、资金流、信息流，而基于绿色制造的PLM 系统还应包括知识流(图2) 。系统中的知识流将为绿色设计,绿色材料选择，绿色工艺规划，绿色包装，绿色处理技术提供有效支持，而且知识流和物流、信息流一样都应当双向流动，即存在反馈过程。具体说，物流反馈就是通过回收处理方式使资源得到再利用，信息流与知识流在产品各个子系统中的双向运动使得产品具有更好创新性并符合绿色的要求。知识流必须以知识库建立为前提，图4 所示在系统体系结构的底层支撑上必须要建立绿色制造知识库。该库包含大量与“绿色”制造有关的理论和专家经验等内容，如面向拆卸设计评估规则库，面向回收设计评估规则库，面向综合决策规则库等。同时该库也应具有开放性，允许用户修改和补充。 3 结束语 绿色制造是社会可持续发展战略在制造业中的体现，是一种可持续发展的企业组织、管理和运行的新模式。和传统制造模式相比，绿色制造模式对企业的信息化提出了新的要求。通过分析绿色制造的特点,给出了绿色制造模式下信息管理模型; 并进一步探索了绿色制造系统和PLM系统的集成模式，提出了基于CORBA/ Web技术的绿色制造模式下PLM 系统的集成体系结构。该结构充分利用了这两种先进制造技术的集成特性和各自的优势，使企业中的信息流、知识流、物流和资金流有机集成。绿色制造模式下PLM系统所面临的关键技术问题是绿色设计、物能资源分系统设计、绿色制造评估体系和知识流。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/2/2007)