st第7章 CIMS环境下制造自动化信息集成技术

17.1引言7.2车间控制系统结构7.3车间物流管理7.4柔性制造系统(FMS)信息集成第七章CIMS环境下制造自动化信息集成技术27.1引言制造自动化系统既是自上而下信息传输的末端，又是自下而上信息采集的源头。车间是制造自动化的核心，制造自动化系统又称为车间制造自动化系统。包括：车间控制系统、加工系统、物料储运系统、刀具管理系统等。7.1.1车间控制系统的发展MRP：以BOM为主线，通过产品的逐级分解，把产品分解成为若干部件，部件分解为零件，依据零件确定原材料，然后根据交货日期逐一确定各加工阶段的完工时间，该系统被形象称之为推系统。MRPII37.1引言JIT：在理论上完全没有任何资源浪费和排队现象，可以最大限度地清除任何不产生效益的垃圾，它以产品交货日期反过来要求各分承制商、供货商的交货时间，该系统被称为拉系统。OPT：欧洲人的JIT是最优化生产控制技术，认为制造企业的最终目标是获取利润，企业的一切活动以此为中心。但由于制造复杂性，并不能保证制造系统达到所期望的目标。在新的生产模式下，具有自行决策、相互协调、相互适应的一种结构和最优化运行方式47.1.2车间控制系统与CIMS其它分系统的关系功能联系主要功能：车间作业计划的制订与调度、刀具管理、物料管理、制造与体验、质量控制、监控功能联系：车间生产作业计划的制订必须以MIS主生产作业计划和较长期生产作业计划为依据，该计划在车间完成。车间计划制定必然使用许多工艺信息，诸如零件的技术要求，采用的加工方法、使用的设备、工装等，这些信息由CAD/CAPP/CAM分系统提供。零件制造过程中遵循何种控制规律，使用什么精度的检具由QIS分系统提供。若作业计划执行过程中出现故障，如机床损坏、刀具破损、工件超差等，就必须进行实时调度，此时零件的可选加工路径或可替换的刀具均由CAD/CAPP/CAM系统规定，而零件超差处理意见由QIS决定。57.1.2车间控制系统与CIMS其它分系统的关系车间生产资源的管理，均与MIS、CAD/CAPP/CAM、QIS分系统有着密切的关系。车间生产资源的状态是MIS制定生产计划的依据，车间内部生产计划的制定当然也离不开本身资源的检查、评估、车间调度还必须了解资源的动态信息，完成资源的动态再分配。CAPP系统根据车间资源情况制定零件加工工艺。车间量具、检验夹具的可用性取决于就QIS的定检计划。车间的制造、检验及质量管理功能的实现，也必须依靠其它分系统的支持。车间制造所需的工艺规程、ＮＣ代码来自CAD/CAPP/CAM分系统。检验规程或检验ＮＣ代码则来自QIS分系统，作为质量管理的依据。67.1.2车间控制系统与CIMS其它分系统的关系车间监控系统保证车间计划的顺利执行，为MIS、QIS、CAD/CAPP/CAM分系统提供车间的实时运行状态，以便根据实际加工情况更改有关计划，检查追踪出现质量事故的原因，以杜绝类似事件的再次发生。车间控制系统需要分布是数据库系统和计算机网络系统的支持。数据管理系统可保证车间控制系统中所需信息的一致性、完整性、安全性，而网络则是数据交互、共享的桥梁。77.1.2车间控制系统与CIMS其它分系统的关系信息联系按性制分:静态信息：在零件加工过程中，基本保持不变的信息：产品工艺规程、加工程序。动态信息：在零件加工过程中，信息是变化的，如车间计划跟踪信息、库存信息、设备、人员状态信息。按信息来源和去向分：输入信息：外系统输入给车间控制系统的信息，如生产作业计划、工艺规程、NC代码。输出信息：车间控制系统输出给外系统的信息，如作业计划完成情况、库存信息、刀量具准备情况。87.2车间控制系统的结构7.2.1车间控制系统递阶结构递阶控制把一个复杂控制系统的控制功能进行正确、合理的分解，划分为若干层次，上层向下层发布命令，下层向上层反馈命令执行结果，并共同构成一个完整的控制系统特点通过对复杂系统分解，使各层功能相对简单、易于实现便于模块化开发，使功能的增加、删除、修改、扩充较为方便，增加了系统的开放性减少资源浪费车间控制系统覆盖了车间层、单元层、工作站层和设备层四个层次97.2.1车间控制系统递阶结构组成设备控制器由各种数控机床、加工中心、机器人、坐标测量及、AGV、自动化立体仓库等的控制器组成是车间控制系统中实时性要求最高的一级向上与各个工作站控制器相连，向下直接控制各个设备，把工作站控制器的命令转换成可操作的、有次序地简单任务，并通过传感器监控这些任务的执行情况工作站控制器负责指挥和协调车间中一个设备小组的活动根据单元控制器下达的命令完成各种加工设备、加工过程监控及协调、加工检验等工作107.2.1车间控制系统递阶结构单元控制器是车间控制系统中同时兼有计划、调度功能的重要环节完成任务的实时分解、调度、资源需求分析，向各个工作站分配任务及监控任务的执行情况，并向车间控制器报告作业完成情况和单元状态车间控制器车间控制系统的最高级负责制订并协调车间的生产计划和资源优化分配，使车间以最低的成本生产最好的产品是车间控制系统与外界交换信息的核心与枢纽，具有计划、调度、监控三大功能117.2.1车间控制系统递阶结构计划的主要任务是根据MIS分系统下达的主生产作业计划和由CAD/CAPP/CAM分系统提供的生产工艺信息制订车间一定时期内的生产计划。计划制订的依据是车间生产能力和生产任务的评价和分析。调度的任务是根据各生产单元的计划完成情况对单元间的生产任务或资源分配做适当调整，保证车间生产任务按期完成。监控主要用于监视各单元在生产过程中出现的各种异常现象，并把这种异常情况提供给调度功能，供其决策之用。127.2.2车间控制系统开放体系结构开放性功能结构上的开放性。车间控制系统能根据不同的生产任务灵活地分割及组合其自身的功能，提供不同的服务，使车间以最低的成本生产最好的产品，并能够方便地开发新的功能，从而适应多种多样的生产环境。平台软件对硬件系统的开放性。按软件操作系统接口标准化要求，从保证平台软件的可移植性和版本延续性出发，在平台软件开发中采用通用的操作系统和通用的开发环境，以保证平台软件适应新技术发展、容纳新设备的能力。平台软件对支撑系统的开放性。平台软件的开发应采用国际标准网络协议，与具体硬件环境隔离，采用开放数据库标准，实现异构网、数据库互连。应用层车间调度资源管理单元控制……应用层服务器调度策略系统建模系统仿真前端层服务器人员前端设备前端应用前端信息服务器数据前端数据管理TCP操作系统IP通讯服务器数据传输通讯管理各种计算机应用功能实体应用服务功能集成集成框架接口服务数据管理数据交换系统服务中间件信息集成应用集成框架集成平台底层设备及计算机硬件集成框架体系结构和功能层次137.2.3车间控制系统可重构结构动态联盟一个具有开发某种新产品所需的、具有不同技术和专长的一些组织，通过一个盟主共同组成的阶段性联盟。各个组织采取Win-Win策略，以联盟体的整体优势共同应付市场挑战，联合参与市场竞争。对车间生产管理模式提供新的要求：要求车间控制系统必须是可重构的体系结构，从而能够快速组合成新的联盟，并且不因此而降低车间的生产能力，车间在不同的联盟中能够发挥最大的优势，获得最大的利益新型的组织结构和快速的、四通八达的网络互联方式14车间生产计划与作业调度方法车间计划与作业调度是车间控制系统的核心。生产计划编制车间生产作业计划时，首先要考虑的问题是保证零件交货期其次要考虑单元间加工任务的均衡，还要考虑车间内生产资源合理、充分、高效的利用，并据此把车间的任务分解成各单元周作业计划和资源需求计划。以此为基础，制定单元日或班作业计划和资源供给计划。单元作业计划：属于工序级作业计划，不仅要决定每日、班要完成的零件工序数量，而且还要决定零件进入各单元的先后顺序、每个零件的加工路径以及所需的设备、刀具、量具、夹具等。制定该计划，突出的问题是在保证零件交货期的前提下，如何更好的优化使用单元内资源。15制定作业计划的过程首先要把车间下达的作业计划所对应的生产任务分批。分批的主要原因是单元内加工资源的约束，如有限的机床、夹具、刀具等分批的主要目的在于均匀地、有效地利用单元内各项资源，如：某类零件的生产数量较多，即使全部机床都来加工该类零件，也不能一次性加工完成，此时零件就必须分批。16由于零件的交货日期参差不齐，只好将零件分批加工，以保证按期完成任务。零件分批的原则是加工全部零件所需的批量数最少，全部机床的平均利用率最高。分批后应考虑的问题是在完成每批的生产任务中，应当优化利用系统内的各项资源。分批和均衡是很复杂的有约束优化问题。人工智能和专家系统以及各种计算机辅助决策软件在此领域应用广泛。加工一个批量零件所需时间越短越好变换批次所需的调整时间越少越好17作业调度定义又称实时调度，是对生产计划的补充和完善。根据车间实际加工过程中随时出现的故障情况，对车间作业计划做出调整、修改，使车间生产得以顺利进行，保证零件按期交货。包括内容：被加工工件的动态排序和系统生产及辅助资源的实时动态分配。18作业调度作业排序方法纵向：一个零件的制造过程是由一系列作业完成的，每个零件对应一个作业序列。横向：一个设备有多个作业在等待，作业按照优先级别形成序列，每个设备对应一个作业序列。当出现扰动时，要根据系统的实时状态作出适当的调整，改变零件到加工顺序和工艺路径，做出新的排序，达到新的均衡。19作业调度基于人工智能的车间计划调度系统系统结构——多黑板/多智能体黑板：一个具有控制器和知识源的共同数据区，知识源可以包括专家系统，置于黑板上的问题可由知识源共同协作求解。智能体：既包含数据，又有处理机制的自治体，各自制体可以互通信息，共同求解同一个问题组成：计划、调度、监控三个黑板体20基于人工智能的车间计划调度系统计划黑板体常规计划紧急计划21基于人工智能的车间计划调度系统调度黑板体功能调度活动监控黑板体跟踪工件和设备状态处理并反馈有关采集信息向上一级黑板反馈系统状态信息统计设备使用情况22基于人工智能的车间计划调度系统控制结构237.3车间物流管理由仓库、缓存站、传送带、运送小车、机械手等组成，主要完成车间内原材料、半成品、成品、刀具、夹具、托盘、辅助材料等的运送。物流系统对车间生产效率起着关键作用。如何有效提高车间物流效率是车间生产管理至观重要的问题。在机床上时间运输等待时间95%5%切削时间30%安装、定位、检测、空运转70%247.3.1工件管理与传输控制车间布局车间布局与物流传输有着密切关系，应遵循以下原则：随机布置原则:将若干机床随机地排列在车间内。25车间布局功能布置原则：根据加工设备的功能分门别类地将同类设备组织在一起。26车间布局模块化布置原则：车间是由若干功能类似的独立模块组成，在应付紧急任务和意外事件方面有着明显的优势，也有利于无聊的传输。27车间布局加工单元布置原则：基于成组技术，每一个加工单元都完成相应的一类产品，物料流动较方便。28车间布局加工阶段布置原则：将车间分为准备加工阶段、机械加工阶段、特种加工阶段等，使物流从车间一端进入，从另一端流出。297.3.1工件管理与传输控制车间传输系统基本组成完成的工作：毛坯、原材料由车间外部搬运进车间，将加工好的成品从车间中运出工件在车间内不同工段、不同设备间的搬运仓库原材料车削铣削热处理车削铣削热处理磨削成品传送系统物流管理系统人工干预半自动化30毛坯是棒料、型材需要在切断机床上按要求尺寸下料，或直接送入某些机床的自动进料装置毛坯是铸、锻件首先把毛坯装在夹具上，然后才能送机床加工。大型毛坯借助吊车、叉车等搬运设备工件传输工具：叉车、桥式起重机、手推小车、传送带、无人运输小车、机器人机加车间大批量生产车间有轨和无轨可采用地面轨道或支架轨道按照制导方式可分有线导向、磁性导向、激光导向、无线遥控自动、半自动生产线317.3.1工件管理与传输控制车间物