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机械制造自动化技术及工程应用第二讲制造自动化系统的体系结构与建模方法制造系统的新发展制造系统的新内涵：“大制造概念”制造系统的新模式：“FMSCIMS敏捷制造智能制造”制造系统的新结构：“Internet-Intranet-Infranet”三网集成结构现代制造系统的典型特征：分散化、集成化、智能化（图）（图）车间企业公司社会全球运作空间柔性范围企业互联网、企业内联网全球制造智能制造绿色制造信息高速公路敏捷制造虚拟制造CIMS并行工程精益生产设备自动化FMS70年代80年代90年代图制造系统的模式发展趋势设备、技术管理、市场组织、人员图制造系统三网集成结构IntranetLonTalk/IPServerInfranetInfranetInternetLonTalk/IPServer远程访问制造系统对控制系统的新要求现代制造系统呼唤新一代控制系统敏捷制造对制造过程控制系统提出了新的挑战目前缺乏从系统的高度，特别是对网络化制造环境下的控制系统理论和方法的系统化研究·分散性·自治性·网络化·可塑性·标准化·可移植性·可伸缩性·可互操作性敏捷制造对控制系统的要求现有控制系统存在的问题FMS·采用递阶控制结构，导致系统结构复杂·灵活性、开放性、集成性差·单项技术及系统性能有待提高DCS·开放性、互操作性差·一对一结构·抗干扰性差·失控状态现有控制系统的技术瓶颈（1）系统控制结构（2）信息的综合管理（3）信息的实时处理（4）生产过程及现场设备的远程访问与控制新一代控制系统的内涵新一代控制系统NCS(NewControlSystem)不仅应包括数据采集和处理、基本过程控制，而且应包括先进的生产管理、调度、优化、诊断及高级控制等。基本内涵：—柔性化、扁平化的体系结构；—全分散式动态结构；—系统的实时控制能力；—现场自治能力；—现场设备的互操作性；—系统智能化。新一代控制系统的研究前沿*总体技术与集成支撑技术的研究*通用智能检测控制前端的研究*先进控制策略的研究*面向生产目标的建模与优化集成控制技术的研究*智能监控与故障诊断技术的研究*综合管理技术的研究NCS的体系结构与建模研究*制造自动化系统的体系结构研究*NCS体系结构研究*NCS集成机制*NCS生产过程建模研究CIMS的几种建模方法CIMS建模方法是研究CIMS的特征和特性并对它们进行抽象描述的技术。CIMS是一个复杂大系统，包含多个视图，有多种不同的建模方法用来建立不同视图的模型。功能建模方法用于描述系统的功能组成及其各组成部分间的关系。IDEE0方法应用最广泛。IDEF0的基本思想是结构化分析方法。它是由SADT（结构化分析和设计技术）发展而来。IDEF0能同时表达系统的活动和数据流以及它们之间的关系。对新的系统来说，IDEF0能描述新系统的功能及需求，进而表达一个能符合需求及能完成功能的实现。功能建模方法IDEF0采用递阶建模，用严格的自顶向下逐层分解的方式来构造模型。模型由一系列IDEF0图组成。掌握IDEF0建模方法最困难的就是如何在模型的不同层次间保持一致。IDEF0在功能活动间并不强调时序的限制，也不包含时间逻辑上的信息，使分析更带有普遍性。IDEF0的缺点是无法表达一个过程的详细信息。信息建模方法信息建模是构造一个能满足系统信息需求的信息模型。它描述系统信息的结构及信息间的相互关系。最早的信息建模方法是用于数据库设计的E-R技术。在IDEF系列方法中，相应的为IDEF1及其扩展的IDEF1x方法。信息建模方法IDEF1x是一种数据建模方法，而IDEF1是一种定义系统信息需求的分析和交流工具。IDEF1主要与建立系统应管理哪些信息的需求有关，因此它更偏向于作为一种分析方法被应用。一旦确定了系统信息需求，IDEF1x就可以作为一种好的设计方法用来设计逻辑数据库。信息建模方法IDEF1x模型定义了系统中的数据类和数据类之间的联系。它的基本结构是：包含数据的有关事物，用盒子表示；事物之间的联系用联结箱子的连线表示；事物的特征用盒子的属性名表示。对应地，IDEF1x模型成分包括：实体、联系、属性/关键字。动态建模方法动态建模是从系统随时间变化的动态特性的角度来建立模型的。通常动态建模总是和仿真联系在一起。动态模型的建立方法很大程度上依赖于所建模型的系统的复杂程度。虽然，用数学形式表达系统的动态行为可以简明而真实地描述系统的动态特性。但是并非所有系统都能得到它的数学方程。动态建模方法在复杂系统领域，尤其在CIM企业建模领域，几乎是无法建立其数学表达形式的。这时，通常的做法是建立它的Petri网模型或基于离散事件仿真的动态模型。Petri网建模方法Petri网是德国的CarlAdanPetri博士在1960年提出的、研究信息系统及其相互关系的数学模型。Petri网理论经过40多年来的发展，已经成为具有严密的数学基础多种通用层次的通用网论，并且在自动控制及计算机领域得到广泛的应用。Petri网建模方法Petri网按网的抽象方式可分为普通Petri网（OrdineryPetriNet，简称PN）、高级Petri网（HighLevelPetriNet，简称HLPN）以及扩展Petri网（ExtendedPetriNet，简称EPN）。基本Petri网通常是指库所/变迁网（Place/TransitionNet，简称P/TN）。Petri网建模方法HLPN和EPN都是在PN的基础上建立起来的。HLPN一般又分为谓词变迁网（Predicate/TransitionNet，简称Pr/TN）和有色网（ColoredPetriNet，简称CPN）。与PN描述的系统相比，HLPN具有更简洁的描述形式，在实际应用中往往用来作为建模工具，但对它的数学分析比起PN来就要困难得多。EPN是指建模者根据特定的目的在PN的基础上定义的，为方便建模而对PN扩充了一些建模功能的特殊网。Petri网建模方法Petri网按时间因素可划分为时间Petri网（TimedPetriNet，简称TPN）和非时间Petri网。当TPN中的时间为随机值时，就称为随机Petri网（StochasticPetriNet，简称SPN）Petri网建模方法Petri网的分析方法主要有可达树分析法、不变量分析法、马尔可夫链分析法以及仿真分析法。可达树和不变量分析的是系统的结构性能。例如有界性、安全性、活性和可逆性等。马尔可夫链和仿真分析的是系统的动态性能。例如统计库所中某种颜色的令牌数、某个库所中的令牌的平均停留时间，在一段时间内某个变迁的平均点燃次数等。仿真建模方法仿真是一种动态的系统建模和实验技术。仿真分为连续系统仿真和离散事件系统仿真，对CIMS的仿真主要属于后者。就离散事件系统仿真而言，典型的仿真建模方法有事件调度法、活动扫描法和进程交互法。在对实际系统进行仿真时，这三种方法的使用又互有交叉。仿真建模方法早先，进行仿真实验时，需要建模者用高级程序设计语言等实现仿真算法。后来，为了方便用户使用，诞生了许多专用的仿真语言，如GPSS、SLAMIT、SIMAN等，可以用它们来较为快捷地建立系统的仿真模型。近年来，在制造系统领域，人们还开发了很多集成建模仿真环境，如FAST、FACTORY等，它们提供了一种简便的、图形化的非语言建模手段，使建模者能够迅速建立制造系统仿真模型而免去了学习仿真语言编程之苦。决策建模方法GRAI建模方法是由法国波尔多大学GRAI实验室提出的用于建立系统决策模型的方法。在CIMS决策模型的建立过程中得到较为广泛的应用。GRAI方法由概念模型、图形描述工具和结构化实施方法三部分组成。概念模型有宏观模型和微观模型两部分组成。决策建模方法宏观模型用GRAI表描述，在GRAI表中，列代表职能，行代表有效期和决策调整周期；决策信息用“决策帧“包装起来，其中包括决策对象、内容、时间区间、决策变量等。GRAI表用来描述决策帧及某些单个信息在GRAI表网格中的流动情况。决策建模方法GRAI表中的每个网格称为一个决策中心，微观模型就是用来描述决策中心及其相互关系的。每个决策中心用GRAI网，描述其微观决策过程。另外，GRAI方法在实施过程中，对各类参加人员的组织以及分阶段实施的具体过程也有明确的“结构化”的规定。面向对象的建模方法面向对象建模的技术OMT(Object-OrientedModelingTechnology)以往大多被应用于软件系统的开发之中，由于它能更直接、自然地描述自然界的事物，在软件界得到广泛的应用。近年来，人们已经开始将其应用到更为复杂的企业系统建模当中。OMT方法学采用三种模型，即对象模型、动态模型和功能模型来描述系统。面向对象的建模方法对象模型用对象图的方法描述了系统中的对象及其相互之间的关系；功能模型描述了系统中的活动/处理，反映了数据/信息的变化；动态模型通过状态图或表描述了系统中对象之间交互的动态行为。上述三种模型相辅相成地构成了一个完整系统的正交视图。面向对象的建模方法O-O方法的基本特点，包括分类(Classification)、封装性(Encapsulation)、基于消息的通讯机制、继承性(Inheritance)和多态性(polymorphism)等，为制造系统的建模提供了强有力的解决方案。面向对象的建模方法根据O-O方法，现实世界中的任何事物/现象（活动、过程、组织和资源等），无论抽象的还是具体的，都可以看成是一个完整的实体对象。在抽象层，相似的事物/现象可以分类/聚合，根据共享的特性和行为聚合成为对象类。O-O的封装性将对象的所有方面封装在对象/对象类之中，包括属性（信息）和操作（行为），将对象的封装性扩展，使之可以将活动、组织和资源封装到过程之中。面向对象的建模方法对象之间的基于消息传递的通讯机制使得对象的协作变得十分灵活，在保证跨组织对象的协作性的同时，还提供了组织内部信息等资源的安全性的保障。对象的多态性，使同一个对象能够对不同的消息，产生不同的输出结果，这就使得制造系统中的过程、组织、活动和资源等对象变得更为灵活。继承性使得面向对象的制造系统可以很容易地更改和重配置。敏捷制造对制造过程的管理与控制的需求1.制造企业的基本流程制造企业的基本流程由5个部分组成：调查、决策、投入、转换、产出，如下图所示制造企业的基本流程客户订单需求预测技术预测竞争状况企业能力资金来源社会需求生产能力经营目标产品开发经营计划技术劳动力劳动对象劳动手段生产技术准备生产控制存贮控制质量控制成本控制生产用户用户用户用户销售产出转换投入决策调查制造企业的基本流程其中转换，即生产制造过程是制造业经营的基础。它要按期生产出高质量低成本的产品，生产过程中要进行严格控制，即通过生产控制，组织多品种有节奏的均衡生产，保质保量按期生产出产品，为及时交货提供保证；通过贮存控制，为经济合理地组织稳定的均衡生产提供物质基础；通过质量控制，保证稳定的生产优质产品；通过成本控制，努力把活劳动和物化劳动的消耗降低到最低限度，为在竞争中降低价格，增加盈利提供物质基础。敏捷制造对制造过程的管理与控制的要求敏捷制造要求现代的制造过程管理和控制系统能够将计划流、控制流、质量流、工艺信息流全面集成，还必须具有开放性、自组织、自适应和可重构的能力，能够在企业的集成中起到承上启下的桥梁作用。敏捷制造企业要求其制造过程的管理与控制系统应具备如下特征（1）分散网络化的生产指挥系统、协调调度系统；（2）采用基于数据处理基础上的生产调度、制造资源的优化配置；（3）模块化制造单元，可根据新产品动态重组；（4）管理与控制集成于一体；（5）开放式的结构，与外界信息在线跟踪；敏捷制造企业要求其制造过程的管理与控制系统应具备如下特征（6）具备一定的通用性，适合多种生产方式；（7）全面质量管理体系，实现产品质量由设计决定；（8）工序成本核算、业绩分析，使车间成为利润中心；（9）综合信息管理与制造资源状态报告；（