制造自动化

1 绪论1.1 制造自动化概述 制造自动化的发展和计算机集成制造自动化技术是当代发展快速、应用广泛、最引人瞩目的技术之一，是推动新技术革命和产业革命的核心技术，而制造技术标记着一个国家创建财宝和为科学技术发展供应先进手段的实力。在制造业中广泛应用自动化技术，可以提高产品质量、削减原料和能源消耗、降低生产成本、缩短生产周期、改善劳动条件，从而提高企业的生产实力和经济效益。20世纪30年头至50年头，由机械式或液压式自动车床、组合车床以及专用机床组成的单品种生产自动线，使很多机械繁重的体力劳动为机器所替代。这种称为刚性自动生产线的自动化生产技术有固定的生产节拍，利于困难产品以合理的成本进行大批量生产，却不能有效的应用于中、小批量产品生产中。60年头，国外制造业广泛采纳自动生产线进行大批量生产后，人们渐渐意识到:大批量生产只占整个制造业的1525，而中、小批量生产所占的比例高达7585。基于上述需求，人们起先寻求新的制造原理和生产方式，数控加工、柔性制造等新技术应运而生，并被应用到制造业中以解决所面临的一系列难题，使得只需变更少量软件程序即可加工新的零件，大大提高了加工的敏捷性。然而，这些技术离散的分散在制造业中，只能使局部生产达到自动限制和最优化，不能使整个生产过程长期处于最优状态下运行，加之随着社会和科学技术的发展，世界市场向动态、多变型发展，竞争越来越激烈，制造企业为在竞争中求得生存和发展空间，须要进一步缩短产品研制周期和交货时间，提高质量，降低成本，单机自动化和局部自动化技术渐渐显得满足不了制造业飞速发展的须要。80年头，工程技术人员起先重视Joseph Hawing ton博士在其Computer Integrated Manufacturing一书中首先提出的CIM (Computer Integrated Manufacturing，计算机集成制造或计算机综合制造)理念：1.企业生产的各个环节，即从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动是一个不行分割的整体，要紧密连接、统一考虑:2.整个制造过程实质上是一个数据采集、传递和加工处理的过程，最终形成的产品可看作是数据的物质表现。在此基础上建立了全新的CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems,计算机集成制造系统)制造模式,并使CIM, CIMS在实践中被广泛接受，不断丰富、发展和完善，以至于现在还没有一个公认的CIM和CIMS定义。1986年，我国863/CIMS主题也以促进我国企业的信息化、现代化为宗旨提出了CIMS支配，并从1989年起先实施应用示范工程。纵观CIMS应用示范工程十几年的实施状况可以看出，实施CIMS的企业如成都飞机工业公司、沈阳鼓风机厂、北京第一机床厂、咸阳偏转线圈厂、兰化化纤厂等，无论是几百人的中小企业还是几万人的大型企业，无论是离散型制造企业还是连续型、混合型或者其它类型的制造企业，无论是少品种大批量还是多品种小批量企业，无论是国有企业还是民营企业、合资企业、乡镇企业，大多数都获得了明显的经济效益和社会效益。几十家制造企业的实践不但增加了实施企业的竞争实力，促进了我国CIMS技术的理论探讨及产业发展，为我国企业实现向市场经济和集约化生产的根本转变供应了一条有效途径，也使CIM和CIMS理念及其支撑技术有了更大的发展。依据国内外多年的推广实践，可将CIMS概括为:CIMS是现代制造企业的一种生产、经营和管理模式，它以计算机网络和数据库技术为基础，将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术等有机结合，利用计算机软硬件将制造企业的经营、管理、支配、探讨开发、产品设计、加工制造、销售及服务等全部生产活动集成起来，将各种局部自动化系统集成起来，将各种资源包括企业信息资源、硬件设备资源和人力资源集成起来，实现整个企业的信息集成和功能集成，达到企业全局优化和提高企业综合效益的目的。 CIMS及MAS的系统构成市场信息 一个制造企业从功能上看，包括设计、制造和经营管理三个方面;同时，由于产品质量是企业的生命，因此，常常也把质量保证作为企业功能主要方面之一。为了实现上述企业功能的集成，还须要管理信息分系统（MIS）制造自动化分系统 MAS网络分系统原材料工程设计自动化分系统3C技术信息数据库分系统产品质量保证分系统CAQ质量文件 图11 CIMS系统的构成有肯定支撑环境网络技术、数据库技术和指导集成的系统技术。据此，CIMS通常由管理信息分系统(MIS)、产品设计与工程设计自动化分系统(CAD/CAM/CAPP，简称3C )、制造自动化分系统(MAS)、质量保证分系统(CAQ)以及计算机网络(Net)和数据库分系统(DB)等6个部分有机的集成起来。图1-1表示了CIMS中6个分系统的功能。图中，制造自动化分系统(Manufacturing Automation System, MAS). 是CIMS系统的应用子系统之一，主要指制造企业中工件产品加工或装配的自动化部分，它是制造系统中物料流和信息流的交汇点，实现设计及管理的指定任务，将制造现场的设备、装置、工具、人员及相应信息、数据以及相应的系统体系结构和组织管理模式等不同信息(包括实时的或经过初步分析处理的)反馈到相应的部门，完成将毛胚加工成合格零件并装配成部件以至产品的全过程，并以整个生产线上的全部生产设备的过程限制信息为主，实现生产支配、生产过程管理以及产品质量管理全过程的信息集成。虽然MAS分系统所涉及的领域范围可以从体系结构、系统构成、信息流、物料流等不同角度进行描述，但从这些不同的角度对MAS的功能描述却是完全一样的，因而一般说来，一个完整的MAS分系统总是主要由以下几个子系统组成:1.制造设备子系统:这部分是制造自动化系统的硬件主体，主要包括:专用自动化机床、组合机床自动线、加工中心(MC)、计算机干脆数控系统(DNC)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)等加工设备，以及测量设备、协助设备、夹具装置等。2.物料运输与存储子系统:包括传送带、有轨小车、自动导向小车、立体仓库、搬运机器人、托盘站等。3.制造信息子系统:这部分实现制造信息的获得、分析、处理以及各种信息交换、物料流的管理、制造过程的监测与限制，是MAS的核心，也是整个MAS能否正常工作和优化运行的关键，包括计算机限制系统、数据库管理系统、网络和通信系统。4.制造过程调度与限制:这部分的目标是通过对制造过程中物料流的合理支配、调度与限制，缩短产品的制造周期，降低在制品库存，提高生产资源的利用率，最终达到提高CIMS生产效率和产品质量的目的。1.2 本文所探讨的问题及其意义 CIMS所探讨的问题CIMS是一个大型的困难系统，包括人与机构、经营 、技术三要素。其中人与机构包括组织机构及其成员，经营包括目标和经营过程，技术包括信息技术和基础结构（设备、通信系统、运输系统等运用的各种技术）。三要素之间如图12所示，在三要素的相交部分需解决四类集成问题：1.使有技术以支持经营2.运用技术以支持人员工作3.设置机构人员协调工作支持经营4.统一管理并实现经营、人员、技术的集成优化运行目前，CIMS并不过分强调物流自动化，而是侧重于以人为中心的适度自动化，即强调人、经营、技术三者的有机集成，充分发挥人的作用。经营 3 14 技术人员机构2图12 CIMS的三要素 本文所探讨问题的意义作为CIMS的重要组成部分，MAS是衡量工业企业现代化生产技术水平的一个很重要的指标，也是企业进行质量限制、技术管理以及提高生产效率和经济效益的有效手段。然而，在全新的CIMS模式下要实现生产线的自动化和智能化还存在很多问题。主要有：国内购置和开发的设备尚未进行生产，须要进一步的开发或改造，从国外引进的八十年头的设备，虽然具有肯定的自动化水平和独立工作的实力，但由于当时相关技术和限制策略的制约，自动化程度比较低加之各设备的工作相互独立，缺乏合适的通信协议和高速传输速率，使得各工艺过程的数据交换与综合处理难以实现，拆运过程中又有部分零件遗缺或损坏，很多设备资料不全等，给整个开发过程的设备复原、自动化改造及设备与限制模块之间的通信带来了很多困难。为了适应当今企业生产的要求，必需对系统进行全面的自动化改造。而且在技术先进的同时尽可能达到绿色或无污染。此外，有些新开发的设备和生产线虽然已具备局部数据共享及综合管理水平，但缺乏系统整体规划彼此独立，为过程质量管理与跟踪及生产调度带来困难。为了确保生产状态的长期一样性与稳定性。须要建立一种基于现场的全局信息集成方式。在实现信息集成的同时实现部分功能的集成。因此，针对企业技术现状和特点，妥当对待和解决分系统建设中存在的问题，完成生产过程的信息限制、检测、管理与有效集成，实现关键设备及主要生产线的自动化和生产过程限制的智能化与自动化。建立一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的生产企业，保证企业生产状态长期一样性与稳定是MAS的探讨所在，也是企业生产和将来发展的“瓶颈”所在。1.3 MAS的功能及关键技术 MAS的主要功能在CIM哲理和CIMS框架下本着系统集成目标而设计的制造自动化分系统是CIMS中信息流和物料流的结合点，是CIMS最终产生经济效益的聚集地。制造自动化分系统在计算机的限制与调度下依据产品的工程技术信息、车间层的加工指令完成对原料加工的调度及制造。实现设计及管理中的指定任务，并将制造现场不同信息实现或进行初步处理后反馈到相应的部门，使产品制造活动优化、周期缩短、成本降低、柔性提高。其功能可以涵盖以下：(1)编制生产作业支配，优化调度限制(2)协调限制工作流、原料流、产品流(3)管理安排作业数据、NC程序、原料数据、产品数据(4)限制与管理产品质量(5)系统的操作管理及系统状态监控和故障诊断处理(6)完成生产数据采集及评估(7)与上级计算机通信对于不同企业来说，加工的制造产品的设备及其限制策略可能大不一样，但对实现CIMS的目标而言，建立具有标准联网接口的单机自动化生产监控、协调及诊断系统却是MAS分系统的共同功能。因此， 依据企业生产加工的工艺过程，结合CIMS的建设基础条件和建设目标，在MAS系统中主要实现以下主要功能：(1)单工艺环节生产自动化单工艺环节的生产自动化主要是指重点工艺环节以及某些工艺环节的参数与设备状态量的自动检测和自动记录。(2)部分工艺环节的半自动化生产部分工艺过程主要工作包括工艺参数设置、生产过程监控、在制品生产过程记录以及设备运行状况的监控等。由于受生产设备技术条件约束，目前只能实现部分自动化，一部分工作还须要人工参加。(3)基于现场的信息集成在单工艺环节生产自动化和部分工艺环节半自动化的基础上利用先进的计算机限制系统和网络通信技术将企业各部分生产活动所需的信息和各种分散的自动化或半自动化生产系统连接起来，实现系统数据与信息的有机集成。(4)生产过程全线自动化通过建立不同级别的工作站实现各工艺环节生产数据的统一管理和综合利用，并对生产过程进行全线检测和智能限制。 MAS设计中的主要探讨工作和关键技术1.方案的确立由于MAS开发过程的困难性以及大量投资所带来的巨大风险要求开发设计人员在每个发展阶段都应尽可能考虑的全面一些，尽可能的为后一或后几个阶段的工作打好基础。因此，在MAS设计中应深化生产线场了解产品加工过程的关键工艺、限制要求和系统集成目标。经过用户需求调研、可行性探讨、初步设计、具体设计等程序，确定MAS分系统的功能目标、限制结构、体系结构、关键设备的限制策略以及信息集成方案。2.MAS分系统的限制模型MAS设计时要充分考虑到成本和性能。本着“分解协调”的设计思想，在降低成本、提高性能的基本要求下采纳良好的结构框架和规范分系统中模块间的信息流。将系统限制功能进行“分解”并安排到各个模块。通过“协调”确定各模块的目标任务及模块间的交互关系，以适应递阶协调限制对内部的经营过程和生产自动化进行决策和限制，使系统限制功能并行触发。3.关键设备和主要生产线的自动化关键设备和主要生产线的自动化是实现生产过程全线自动化的前提，也是MAS建设的主要目标之一，关键设备的优劣、限制效果的好坏都干脆确定着最终产品的结果，与此同时还须要通过网络和数据库系统将关键设备和主要生产线各个分散的部分连接起来，实时的传递调度吩咐、作业工况、限制信号和设备状态等信息，实现上层对下层的闭环限制。4.基于现场的信息集成信息集成是CIMS的核心和优势所在，也是CIMS的关键技术之一。MAS分系统当然重要，但它终归只是CIMS的一个子系统，信息没有集成，MAS与CIMS的其它子系统就只是一些自动化的“孤岛”，效益再高，但相对于CIMS的整体效益而言，也只是一个局部优化的结果。何况“完成主要生产线与关键设备的自动化和信息集成，达到CIMS系统与生产线的实时信息变换，使企业的全局整体效益最优才是MAS的建设目标。因此在MAS的实施过程中，结合CIMS各个子系统的规划和设计在CIMS整体最优的基础上力求MAS局部优化，并考虑到CIMS系统与生产线的实时信息交换。采纳代理技术解决系统信息共享中用户访问的异步性和实时性问题。实现了MAS基于现场的数据库信息集成和部分功能集成，使软件系统自动访问MIS、MAS、CAQ和3C数据库，将MIS的生产支配，3C的工艺文件和工艺参数信息，CAQ的自检质量标准刚好的传递给异地分布的MAS现场工作站，并将MAS的生产任务完成状况、设备状况、限制过程参数信息、质量自检信息、物料流信息进行集成。实时反馈给MIS，对于有效限制产品质量、合理支配生产任务、刚好调整工作状态、改善限制效果都起到了至关重要的作用。而这些过程的完成基本上无需人的参加，有效克服了由于网络故障、拥塞、响应速度而造成的数据丢失。全局处理错误、限制滞后和错误限制现象的发生。完成了主要生产线与关键任务的自动化和信息集成。2 制造自动化分系统结构2.1 MAS的性能需求 开发MAS的目的是实现生产过程自动化、提高产量、降低成本，以获得经济效益的提高。因此，从性能上看MAS设计过程中一般须要考虑: 1.牢靠性 由于MAS一般是现代公司的生产基础，系统的牢靠性是生产自动化的关键。因此，在MAS的设计中，应将系统限制结构、限制策略、网络通讯、信息集成和软件设计等方面的牢靠性放在首位，使系统具有较强的冗余和容错实力。 2.好用性(性能/价格比) 限制结构、限制策略和信息集成方案的选择，应在肯定工程造价的范围限度内使系统具有较强的功能和完善的自动化程度，尽可能达到当前国内领先水平，和国际先进水平缩短差距。 3.可扩展性 MAS中用于干脆限制的基本单元应当既可单独工作，自成系统，独立完成对某个目标对象的限制;又可以在须要时，便利地通过通讯网络互连起来，进行既有集中又有分散的限制;还可以依据生产发展的变更，便利的协调其中的某些设备，或者把某些设备与MAS连接或断开。与此同时，分系统的通讯网络本身也须要具备可扩展延长性，为将来系统的改造升级创建良好的条件。 4.实时性 实时性是自动化生产线的一项重要指标，不仅要求基本限制单元的实时性，即每台设备限制的实时性，而且要求通讯网络的实时性。这就要求运用多台限制计算机实现MAS分系统全部过程量输入输出的分散处理时，每台计算机只处理特定的一部分实时数据。这样，单台计算机的失效只会影响到自己所处理的那一部分实时数据，不至于造成整个系统故障。 5.正确性 要完成生产线的自动化，MAS必需对大量信息进行检测，完成相应的限制功能。检测和限制的正确性，对生产效率和产品质量都是极其重要的。此外，在对上级部门下达的生产支配、生产工艺标准及质量要求等各种数据保证正确刚好下达的同时，对于CIMS系统须要MAS供应的各种现场数据也要保证正确、完整向上传输。 6.技术可实现性MAS的关键技术如自动化技术、网络技术和数据库技术，负责协调MAS中各台工业限制计算机及限制模块的运行和信息传输与集成，保证系统信息处理的实时性、完整性和一样性。目前技术的发展，使得MAS有多种方案可以选择，并且每种方案都有很多胜利的典型范例，所以对MAS的实施有足够的技术保证。 7.友好的人机界面供应友好的人机界面，使生产操作人员简洁驾驭操作，并可直观获得生产过程中的工艺和设备参数，有助于提高MAS的智能化程度。2.2 MAS中的常用限制结构随着制造自动化技术的发展，特殊是CIMS应用在制造业中所产生的效益充分证明白实现制造自动化分系统的技术可行性。然而，企业完成生产利润目标的很多因素并非生产技术问题，而是与组织结构亲密相关的，受到社会、经济等因素的影响和制约，所以制造系统必需对内部的经营过程和生产活动进行严密的规划限制。MAS相比于传统的制造自动化，采纳先进的信息技术和自动化技术对内部的经营过程和生产活动连续性进行支配决策和调度限制，其特点就是实现制造系统经营过程与生产活动过程所须要各种数据和信息的集成，强调生产全过程限制的高效性、系统性和集成性。因此，MAS必需在设计时充分考虑成本和性能，本着“分解一协调”的设计思想，在降低成本、提高性能的基本要求下，采纳良好的结构框架容纳和规范分系统中模块及模块间的信息流，将分系统限制功能进行“分解”并安排到各个模块，通过“协调”确定各模块的目标、任务及模块间的交互关系，加入人为的理性推断使得系统限制功能能够并行自动触发。一般来说，MAS的总体限制有集中式、递阶式和分布式等几种基本限制。传统的集中式限制将全部数据由一台主控计算机管理，信息处理速度低，无法满足大型困难制造系统中经营管理、生产支配及现场实时限制的性能要求，一旦出现故障将导致工作受阻、生产线瘫痪乃至整个MAS崩溃的局面，加之集中式限制结构容错性差、缺乏可扩展性、开发周期长等缺点使其渐渐在CIMS应用中被淘汰。当前，递阶式和分布式限制在制造自动化系统中成为主流限制方式。分层递阶限制工厂加工车间装配车间单元单元工作站工作站工作站设备设备设备设备设备设备设备设备图21 分层递阶限制结构常见的CIMS分层递阶限制结构模型如图2-1所示，共分为五层:1.工厂层 该层是整个CIMS应用系统的核心，是有关全局性的厂级经营管理和生产技术打算等应用功能的集合。该系统的主要功能包括:生产管理、信息管理、制造工程。生产管理用于市场预料，制定中长期生产支配，明确生产资源需求，确定资源规划，计算剩余生产实力，汇总质量性能数据，输诞生产指令到下一级。信息管理实现必要的行政和经营管理功能。制造工程包括以CAD/ CAPP/CAM等工作。工厂层与外界的联系有市场信息、质量反馈信息、用户信息，并向车间下达生产工艺和生产技术资料等信息，接收车间的生产状态、零部件质量检测、加工费用、设备状态等信息。2.车间层该层是企业总厂和分厂的车间管理集合，其主要功能是任务管理、车间生产作业支配及调度、资源安排、原材料供应与市场销售状况修正、生产监控、生产统计等。该层接受工厂层的限制也限制下级的单元层。 3.单元层 单元层负责分解上级任务，完成本单元的作业调度和资源需求分析，确定零件加工路途并给工作站安排任务、监控任务进展状况。单元是自动化车间依据生产加工特点组织生产的实体。单元层是这类实体的集合，它主要负责支配相像工件分批进入单元，通过工作站的排队依次管理诸如单元内物料储运、检验及其它协助性工作，并向车间级报告作业进展和系统状态。单元层受车间层的限制，它干脆限制工作站层，而工厂层只能通过车间层间接地限制单元层。 4.工作站层工作站层是单元的基本生产组织实体，工作站层是这些实体的集合。其功能是负责指挥和协调车间里各个小设备组的活动，如对设备运行进行排序、故障诊断、设备监控、加工质量检测等。这一层的生产活动受单元层限制。其下属层是设备层。 5.设备层设备层是各车间生产加工过程的基本设备集合，如上料架、机床、传输装置、存储/检索系统等。该层限制系统向上与工作站层用接口连接，向下与各设备限制器接口相通干脆限制各种设备。设备层的功能是将工作站层限制吩咐转换成可操作的、有依次的简洁任务来运行各种设备，并通过各种传感器监控这些任务的执行。MAS所涉及的范围就是图中虚线所包含的部分:车间层、单元层、工作站层和设备层。这种递阶限制结构依据“限制层”的思想进行构造，将困难任务分解成一系列简洁的子任务，形成若干限制层完成特定的子任务，上层向下层下达限制指令，下层执行上层指令并向上层反馈状态信息。由于递阶限制结构由若干个限制模块组成，信息流形式清楚，限制信息自顶向下，反馈信息自下向上，分散了平行各单元的负担，简洁在上层单元的协调下达成一样，完成集中决策与分散限制的功能，使MAS的功能在时间和效率上得到保证。因此具有牢靠性高，可分阶段实施、易扩展的特点，同层的限制模块能够同时进行并行信息处理，可处理大量信息并满足实时限制需求。加之基于递阶限制结构下的系统可并行开发，实施周期短，因而我国从起先实施CIMS应用示范工程至今，绝大多数企业都采纳了分层递阶限制结构，使其在目前的困难制造系统中占据主导地位。虽然如此，但由于分层递阶限制系统各应用层之间以及同一层的单元之间通过通讯网络进行通讯，使得制造系统的有效性和柔性常取决于联接各加工单元的通讯网络的有效性，不能摆脱上下层间紧密的限制逻辑和上层是下层的限制中心的关系，无法避开由于限制结构而造成的限制“瓶颈”，而且“瓶颈”一旦发生故障将导致整个系统的瘫痪;加之，困难的递阶层次使系统开放性的成本增加，可扩展性、可维护性降低。与此同时，虽然图2-1所示的限制结构模型可以很便利地从理论上描述工厂自动化系统结构，但在现实设计过程中，这种限制结构仍存在问题: 1.递阶限制结构存在很强的主从关系。系统决策层制定各类支配，指令信息自顶向下逐层下达，生产状态信息只能逐层向上反馈，部门条块分割缺乏透亮性，底层限制模块缺乏足够的决策实力;信息在系统中逐层传递，上层限制模块无法刚好得到系统的运行状态信息，系统对新变更反应缓慢。为缓解这个问题，必需松弛递阶限制结构中的主从关系，提高底层模块的决策限制实力，使决策模块尽量接近信息源。2.递阶限制结构虽然可进行局部修正和扩展，但却不能进行全面的扩展，无法适应猛烈的环境变更。3.递阶限制结构为提高容错性，需增加协助设备，付出较高代价。4.递阶限制结构中限制层过多，信息处理量大，增加了计算机和网络设备的投资。5.在递阶限制结构设计过程中，完全明确的限制层次确定和限制功能分解特别困难。 所以，分层递阶限制在制造自动化系统应用中面临着严峻的挑战。 分布式限制随着被控对象规模的扩大和生产工艺过程的困难化，常规递阶限制器组成的递阶限制系统必需利用全部子系统的信息，本质上仍属于一种集中限制方式，难以真正实现分解、协调和优化，同时也存在着系统牢靠性降低的问题。随着计算机技术飞速发展而产生的分布式限制系统，为解决递阶限制面临的问题带来了较好的解决方法，这种限制结构采纳分散操作、分级限制和集中管理的设计原则，利用系统在地理位置上的分散性，及所要完成任务的多样性，使整个系统可以分散为若干个联系不甚紧密的子系统，各子系统完成自己的任务，实现自己的目标。应用于制造自动化系统的分布限制把制造系统中的支配、管理、加工等模块看成一个具有肯定权限、以肯定协议相互协调访问的相互独立的同等实体，每个实体有统一的结构模式，它们在自己的局部数据驱动下完成各自不同的工作。从功能上可以分为过程限制层、操作监控层、生产管理层等，每层有多台计算机，通过通信网络连接起来构成一个分布式计算机限制系统。其中过程限制层担当过程参数信号的输入输出以及常规限制运算和通信的任务，其相应的设计称为限制站，限制站分散安装于生产现场，通过通信网络连接。限制站由输入输出单元、限制运算单元和通信单元组成。操作监控层担当操作监视、系统设计组态、先进限制和通信的任务。而生产管理层则负责生产支配制订、调度和工模具管理。三层共同组成检测、限制、决策系统，具有平安牢靠、功能完善、通用敏捷、操作简便和实时性强等特点。但是由于我国企业的现实运行特点，使得完全分布式的限制结构很难实现，而分布式限制的异构环境又会造成模块之间的协调困难。特殊是当系统的规模达到肯定的程度后，实现模块之间的协调和系统集成将使网络通信量呈指数增长，造成信息激增，系统协调困难，性能下降。为此必需找寻一种包含递阶限制和分布式限制优点的限制系统结构，以实现制造系统真正的整体优化。2.3 适度递阶协同限制理论从上节的分析可知，递阶限制采纳自上而下、逐步细化的限制方式，旨在降低限制难度，却带来了制约制造系统效率和柔性进一步提高的“瓶颈” 信息的多层传递与转化;分布式限制本着集中管理、分散限制的思想，把制造系统的各种功能模块看成是一个个独立自治的实体，实体间以肯定的协议相互协商解决问题，具有很高的智能性，但是当系统的规模达到肯定程度时，要获得全局最优的系统集成，实现各实体间同步，将与分布式限制的局部自治相冲突，使系统协调通信量呈指数上升，系统协调发生困难，性能下降。综合递阶式限制和分布式限制的优点，提出了适度递阶协同限制理论，适于作为MAS分系统乃至CIMS系统中采纳的限制模式。适度递阶协同限制是一种在自然界和目前先进制造中普遍存在的限制模式。从总体上看，它仍采纳分层结构，依旧是传统的递阶式结构。但在递阶的每一层中采纳分布式结构，组成这一层的实体通过相互协同来完成一系列活动。各层系统之间的协调由上层来限制，上层与下层之间是一种松藕合的连接，即上层对下层限制作用较弱，只起着协调监督的作用。限制结构中的信息流一方面可以按传统的从下到上传送恳求，再从上到下发送吩咐:也可以在同一层中进行交互协商，共同限制。在这种适度递阶协同限制中强调“适度”的概念，依据企业网络中各节点的数目及网络节点间的通信量和网络的吞吐率来确定“度”。对于不同的企业状况，递阶层次不尽相同，在保证全局优化的基础上，力求降低递阶层次，提高局部的敏捷性，使系统全局最优的同时提高局部应用的智能化。.协同器协同器协同器 协同器协同器协同器协同器 单元限制器单元限制器单元限制器层N层N-1层1图22 适度递阶协同限制系统结构 该结构采纳多层组织结构形式，底层由单元限制器组成，其它层都是由协同器构成。单元限制器和协同器中定义了制造系统的各种活动，它们之间由上一层的协同器来进行协同工作。通常单元限制器执行制造活动中的全部必要的决策，当单元限制器无法给出足够决策时，即须要协同工作来完成任务，此时协同的要求就被送到高层的协同器，协同器产生协同方案，使得其它单元限制器一起工作来完成任务。某一单元限制器出现故障后，它可以被挂起或接管。而当外界发生变更时，采纳协同方案可以使制造系统单元模块响应其变更。在图2-2所示的结构中，限制层数为n (n)，每层j (1jn)由协同器组成，每个协同器X (j)同j-1层的m个协同器联接，至少和j+1层的一个协同限制器相连。当j=1时，协同器即为单元限制器。有关系统的要求如下: 1.最高层的协同器的数目不得少于一个，即S (n) 1； 2.协同器的数量随层数的增加而削减，即S (j) S (j+1)； 3.每个协同器X (j)可以同本层中的其它协同器进行通信； 4.每个协同器可以干脆或间接同上层或下层的相关协同器进行通信；此时，系统在每层中以两种不同的模式运行:递阶式和分布式。在递阶模式中，当外界恳求到达协同器X (j)时，若X (j)可以独立解决问题，它就执行吩咐进行求解，否则它就发送恳求给第j+1层来解决。而在分布模式中，任何从下一层传来的恳求可以在本层内进行协同集体解决。假如在层j和层j+1之间没有断开(层断开定义为缺少两层之间任何路径，或是功能上的断开)，层j就运行于递阶模式。系统的牢靠性体现在若协同器X(j)发生故障，任何干脆连到X (j)上的协同器X (j-1)仍可以把恳求送到其它的协同器Z (j)，采纳干脆或间接的方式同X (j)进行相互通信。假如两层断开时，如j层的协同器X (j)不能发送恳求给j+1层，这种状况下，它们转向分布式模式来解决恳求，系统仍可在较高的速度下执行。在层与层之间以恳求、限制和传输三种方式进行通信。恳求用于把消息送到高层:限制用于把消息送到低层;而传输则用于在同一层内进行信息传递。当不考虑协同器所在的层次时，由于功能和算法上的相像性，全部的协同器在物理结构上都将是相同的，在设计时，可以在某一协同器基类的基础上进行派生和继承。2.4 适度递阶协同限制的实现采纳适度递阶协同限制，将使MAS系统更加智能化，更具有柔性。也对组成系统的计算机体系结构和软件设计提出了更高的要求:应有较强的协同工作环境、较大的编程敏捷性和较高的网络传输速度对其进行支持。协同限制器的功能分解和通信适度递阶协同限制强调“适度递阶”和“分解一协调”，因此必需依据企业需求和系统功能需求对系统进行分解，将系统分解为一系列的干脆限制单元和协同器。对此，可将以下四种方法结合起来。1.“分解一协调”在制定协同规划方案时，采纳“分解一协调”多级优化方法对具体系统进行分析规划。2.“适度递阶”在实现系统限制调度时，借鉴“递阶限制”，实现各模块本身的操作管理分别由下级的管理系统并行作业，上级协同器进行总体限制与调度。3.“人一机交互”充分利用多媒体人一机界面，通过声、图、文等多媒体信息实现人一机交互通信与对话，为用户供应询问服务与操作协助，使系统接受用户动态指导的启发信息，实现人一机功能协调。4.“消息驱动”对于困难问题的系统通信与限制引用消息机制，将协同器看作是系统各组成部分通信与限制的节点，以消息驱动系统各组成部分协同工作。这时，困难的系统即可被分解为一个个结构独立、机理相像、功能各异的协同器进行通信和工作，如图2-3所示。在这种结构方式中，采纳动态数据交换(DDE)技术建立客户/服务器模式来实现多个协同器之间的通信与限制，协同器以消息动态地驱动干脆限制单元或其他协同器，一旦一个协同器或干脆限制单元被接通，就依据消息类型自动进行语言模式翻译和数据处理，对处理过的信息加以提取后经推理机推理，得到关于问题的求解答案，通知相应的协同器(或干脆限制单元)或者该协同器自身起先一系列的相关运算或操作，如数值计算、数据恳求、指令传送、限制动作等。外界任务协同器图23 协同器的结构分解与通信在DDE环境下，所建立的协同器通信关系可分为三种模式:1.两个协同器建立起通信后，必需等到客户协同器要求后，服务协同器才会将数据传送给客户协同器。2.两个协同器建立通信连接后，假如服务协同器数据内容发生变动，就会自动送给客户协同器。3.建立链接后，服务协同器在数据项目发生变动后，不必立刻把新的数据送过来，只须通知客户协同器即可，须要时客户协同器可以恳求服务协同器将新的数据传递过来。在这三种通信模式下协同通信量和牢靠性完全不同，表面上看第三种通信方式增加了通信量，但却因此避开了无效数据在网络上的传输，能够起到平衡和调整网络负载的功能，适合于现场困难实时环境的运用，故而常被应用于MAS模块之间的通信中。 面对对象程序设计对协同器编程的支持1.对象在现实世界中，任何问题都是由一个个实体及实体间的关系构成，面对对象程序设计(Object Oriented Programming, OOP)就是依据人们通常的思维模式，将现实世界中实体称为问题空间的对象(Object)。 这样，世界上各个事物即可由各种“对象”组成描述，相对比较困难的对象可以由比较简洁的对象以各种方法复合而成，甚至一个困难的系统也可以从一些最原始的对象起先，经过层层组合而成。因此，适度递阶协同限制中的协同器和干脆限制单元都可以描述为对象，由它们组成的各个功能模块、甚至MAS分系统乃至整个CIMS系统都可以抽象为对象进行编程实现。2.消息在面对对象程序设计中，消息是对象之间的唯一联系，可以依据须要定义为所须要的形式，例如，在实现适度递阶协同限制时可以依据消息的形式将其分别定义为恳求、限制和传输等三类不同的消息。此时，当协同器或干脆限制单元等对象完成一个具体的处理工作时，消息用来恳求对象执行某一处理或回答某些信息的恳求;当某一对象在执行相应的处理时，假如有必要，它可通过消息恳求或限制别的对象完成某些处理工作或回答某些消息:其它对象在执行所要求的处理活动时，同样可以通过消息的传递与别的对象进行信息传输。在对象间消息传递过程中，把发送消息的对象称为消息的发送者，而把接收消息的对象称为消息的接收者。消息中包含有发送者的恳求，它仅仅告知接收者须要完成那些处理，而完全由接收者说明消息内容，确定采纳什么方式完成所需的处理。一个对象可以接收不同形式、不同内容的消息;相同形式的消息可以送给不同的对象;不同的对象对于形式相同的消息或同一对象对形式相同但内容有别的消息可以有不同的说明，做出不同的反应。3.方法全部允许在对象上进行的各种操作，例如消息恳求、消息响应、对象的初始化等均可称为方法。在适度递阶协同限制中，协同器或单元限制器的各种功能就是以方法来实现的，例如，基本限制单元的数据采集功能就须要以下基本方法:限制单元的初始化、采集板卡的检测、采集板卡的初始化、数据采集等。 对象、消息和方法是面对对象程序设计的核心，通过以上分析可以看出，适度递阶协同限制中的协同器和基本限制单元事实上可以依据面对对象技术描述为一种具体的对象结构，使其功能得到很好的实现，对于处于同一层次上具有相像特性的协同器和基本限制单元还可以归并到一个基类(Base Class)，只需定义这个基类，就可依据这个类得到若干个类实例，利用其它更深层次的面对对象编程技术，对基类进行派生、继承，即可实现不同协同器的编程。2.4.3 C/S计算模式对MAS限制方式的支持目前流行的客户/服务器(Client/Server, C/S)计算机体系结构就是基于进程间“恳求”与“服务”的合作关系和协同思想提出的分布式计算环境，适合作为MAS分系统适度递阶协同限制结构的支持体系。 1.首先，C/S是一种合作关系，采纳协同式的分布计算，即客户和服务器分别担当计算任务的一部分，缺一不行。客户/服务器之间的合作关系不是固定的，多个客户可以共享一个服务器，一个客户也可以向多个服务器提出服务申请。同时，这种合作关系也可以是临时的，一旦它们之间的交互作用停止，合作关系也就短暂终止。2.其次，C/S的作用对象是进程，准确的说是两个进程，它们协同工作构成一个应用。因此，客户和服务器进程所处的具体物理位置并不重要，重要的是它们之间的协作关系。3.最终，C/S的实质是恳求和服务。客户向服务器发出服务恳求，服务器依据客户的恳求完成相应的任务并将处理结果回送给客户。客户只需了解服务界面而不必知道服务的具体处理过程。在这种C/S分布计算模式中把一个计算机应用分为三部分:接口表示部分、处理逻辑部分和数据管理部分。接口表示部分通过终端设备实现与用户交互的应用代码，完成屏幕格式化、屏幕信息的读写、窗口管理、键盘及鼠标管理等任务。处理逻辑部分是运用从屏幕或数据库获得的输入数据完成应用任务的应用代码。数据管理部分则是应用程序中负责数据操作的代码和由数据库管理系统(Data Base Management System, DBMS)完成实际数据存取的处理程序。MAS中既有将以上三部分合在一起在单机上实现的应用，又有依据须要分开在不同的平台上进行实现的实例犹如一个个处于协同限制系统的底层基本限制单元和上层协同器，将一个具体的应用分解成一系列任务在同一个或不同的计算机上分步执行。 MAS的网络结构依据前一部分的分析可以看出，C/S体系结构通过进程间通信实现客户与服务器、客户与客户以及服务器与服务器之间的交互，既减轻了网络的传输负担，又平衡了各个应用节点的计算负载，是特别类似于适度递阶协同限制思想的分布式计算环境，也是特别适合实现适度递阶协同限制策略的成熟体系结构。因此，在对MAS的网络体系结构进行规划和设计时，经过对分系统限制策略、限制结构、网络拓扑结构、传输速率等多方面的考虑，设计了如图2-4所示的MAS网络结构。在这个网络结构中，采纳的是目前运用广泛、技术发展最快的星型网络拓扑结构，在供应对在MAS分系统中定义任务的支持。现场服务器连CIMS设备设备PLCHUBPLC设备设备设备设备设备设备设备图24 MAS分系统网络结构3 制造自动化分系统的主要设备及其简要限制3.1 自动线生产限制自动线生产的基本特性自动线生产是指工件依据肯定的工艺路途，依次地通过各个工作地，并依据肯定的生产速度完成工艺作业的连续重复自动生产的一种生产组织形式。自动线生产的基本特征如下：1.工作的专业化程度高，在自动线上固定的生产一种或几种工件，而在每个工作地上固定完成一道或几道工序。2.生产具有明显的节奏性，即依据节拍进行生产。所谓节拍，是指自动线上出产相邻两件制品的时间间隔。3.各个工序的工作地设备数量与该工序单件工时的比值一样。即，如设自动线上各道工序的设备数分别为,;各工序的工时定额为；自动线生产节拍为r,则： （3-1）上述公式所表明的关系，是保证生产过程的比例性和平行性的要求所确定的。4.工艺过程是封闭的，并且工作的设备按工艺循序排列成链索形式，工作在工序间作单移动。5.工作犹如流水般从一个工序转到下一个工序，消退或最大程度地削减了工件的因等待加工而耽搁的时间和机床设备加工的间断时间，生产过程具有高度的连续性。6.工件从进入加工工位到全部工位操作完成，均在主限制器的限制之下自动完成。这种自动过程不仅包括工件的流淌自动化限制，还包括机床的加工全过程的自动化限制。 自动线组织的设计及限制1.确定自动线的节拍节拍是自动线最重要的工作参数，它表明自动线生产的速度的快慢或生产率的凹凸。自动线节拍的计算公式为： （3-2）式中 自动线节拍（分/件）； 支配期有效工作时间（分）； 支配期内生产的产量（件）； 支配期内制度工作时间（分）； 时间有效利用参数。系数主要考虑设备检修时间、设备调整时间与更换工具时间，以及工人班内休息时间等因素，一般取0.90.96。假如计算出来的节拍数值很小，同时工件的体积、重量也很小，不适于按件传送时，则需实行成批传送。这时，循序加工两批同样零件之间的时间间隔称为节奏或运输批节拍，它等于节拍与运输批量的乘积，用公式表示为： （3-3）式中 节奏（分/批）； 运输批量。自动线实行成批传送零件方式时，正确设计运输批量，对于合理运用物流系统，削减运输时间，充分利用生产面积和削减在制品数量，都有很重要得意义。2.确定各工序所需的加工设备数和设备负荷系数为了使在制品在自动线各工序间平行移动，每道工序的加工设备数目应当是工序时间和自动线节拍之比，即; （3-4）式中 自动线第i道工序所需加工设备数（台）； 自动线第i道工序的单件时间定额（分/件）。工序单件时间定额内包括把加工零件从传送带上取走和放上的时间。计算出来的设备数若为整数，就可以确定它是该工序的设备数。若不是整数，则采纳的设备数应取接近于计算数的整数，一般。在这种状况下，该工序在加工每个工件之后发生间断，其数值为： （3-5）式中 第i道工序加工每件工件之后的间断时间。由于计算出的设备数往往不是整数，而采纳的设备数只能是整数，所以设备负荷必定出现不足的状况。反映此状况的指标称为设备负荷系数（），其计算公式如下： （3-6）工序数为m的自动线的总设备负荷系数()，其计算公式如下： （3-7）式中m 自动线上的工序数.设备负荷系数确定了自动线作业的连续程度。一般依据它来确定自动线是连续的还是间断的。当值小于0.75时，宜设计间断自动线。假如大多数工序的工时定额超过自动线的生产节拍，可考虑采纳两条或三条加工同一零件的自动线，这样比只采纳一条自动线而言，每道工序的加工设备数很多，便于组织管理。在这种状况下，对每条自动线来讲，生产节拍相应地增大。3.工序同期化工序同期化时组织连续自动线的必要条件，也是提高设备负荷，提高劳动生产率和缩短产品生产周期的重要方法。所谓工序同期化。就是通过技术组织措施来调整自动线各工序的工时定额，是它们等于自动线节拍或者与节拍成整数倍关系。工序同期化一般分为两步进行。首先是初步同期化。在初步同期化过程中，主要是找出影响同期化的关键因素，解决这些关键问题，使各个工序的单件工时定额与自动线节拍之比基本上达到0.851.05的范围内。同期化的其次步是在自动线的调整过程中进行，这时主要是发觉初步同期化的遗留问题并加解决，以一步提高工序同期化的水平。4.计算所需作业人数 在以手工劳动和运用手工工具为主的自动线上下料工位上，工人人数按下式计算： （3-8）式中 第工序所需工人人数（人）； 第工序每一工位同时工作人数（人/工位班）； 每日工作班次（班）； 自动线上实际采纳的上下料工位数。整个自动线的上下料的工人人数，就是全部上下料工位的工人人数之和。在计算工人数量时，要考虑后备工人。5.确定自动线节拍性质，选择运输方式和物流系统 自动线节拍的性质主要取决于自动线的 连续程度。假如所设计的自动线是连续自动线，那么就应当在工序同期化的基础上确定选用强制节拍还是自由节拍。其主要选择依据是工序同期化程度和加工零件的重量、体积、精度以及工艺性等特征。当工序同期化程度较高、工艺性良好、加工对象的重量、精度以及其他技术条件容许严格地按节拍加工零件时，应当采纳强制节拍。当实现强制节拍有困难，不能很好地实现同期化、工艺尚不够稳定时，可采纳自由节拍。在间断自动线上，通常采纳自由节拍或粗略节拍。 运输方式和物流系统在自动化生产中占有重要的地位。不同类型的自动线需选用不同类型的运输方式和物流系统，反过来，运输方式和物流系统又起着保证自动线生产节拍实现的重要作用。6.自动线的平面布局设计 进行自动线的平面布局设计时应遵循这样一些原则：有利于工人操作便利；在制品运动路途最短；有利于自动线之间的自然连接；有利于生产面积的充分利用。这些原则同自动线的形态、自动线内工作地的排列方法、自动线的位置以及它们之间的连接形式有亲密关系。7.编制自动线标准支配图表 由于自动线的每个加工设备都是按肯定的节拍重复完成规定的工序，所以有可能为自动线制订标准支配指示图表。自动线标准支配指示图表将反映自动线各项工时定额标准、工作制度和工作程序。它是编制月度作业支配的重要依据。连续自动线各道工序的生产率比较协调，所以其标准支配图表的编制工作比较简洁，只需规定整个自动线统一的工作时间和间断时间。间断自动线标准支配图表的编制则比较困难，须要分工序规定每一加工设备的工作时间与工作程序。3.2 计算机数字限制系统（CNC）及其限制 CNC系统的组成数控机床在数控系统的限制之下，自动的按给定的程序进行机械零件的加工。数控系统是由程序、输入输出设备、计算机数字限制装置、可编程限制器（PC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成一个系统，称为CNC系统。如图31所示。数控程序CRT显示等输入设备输出设备速度限制单元进给电机可编程限制器PC计算机数字限制装置（CNC）装置机床主轴电机位置检测器图 31 CNC系统框图 CNC系统的功能CNC装置的工作是在硬件的支持下，执行软件的全过程。下面简要说明CNC装置的工作状况。（1）输入输入CNC装置的信息有零件程序、限制参数和补偿数据。输入的形式有光电阅读机纸带输入、键盘输入、磁盘输入和连接上级计算机的DNC(干脆数控)接口输入。从CNC装置工作方式看，有存储工作方式输入和NC工作方式输入。（2）译码译码处理，不论系统工作在NC方式还是存储方式，都是将零件程序一个程序段为单位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息、加工速度信息、和其它协助信息依据肯定的语法规则说明成计算机能够识别的数据形式，并以肯定的数据格式存放在指定的内存专用区。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发觉语法错误便马上报警。（3）刀具补偿刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常CNC装置的零件程序是以零件轮廓轨迹来编程的。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。（4）进给速度处理编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是依据合成速度来计算各运动坐标方向的分速度。另外对于机床允许的最低速度处理和最高速度处理的限制也是在这里处理。在有些CNC装置中，软件的自动加减也是在这里处理。（5）插补插补的任务是在一条已知起点和终点的曲线上进行“数据点的密化”。插补是在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，依据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常经过若干次插补周期后，插补完一个程序段的加工，即完成从程序段起点到终点的“数据点密化”工作。（6）位置限制位置限制是在处在伺服回路位置环上，这部分工作可以由软件来做，也可以由硬件来做。它的主要任务是在每个采样周期内，将插补计算出来的理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值限制进给电机。在位置限制中，通常还要完成位置回路的增益调整，各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。（7）I/O处理I/O处理主要是处理CNC装置与机床执行机构之间各种信号的输入、输出。（8）显示CNC装置的显示主要是为了操作者供应便利，通常应有：零件程序的显示，参数显示，刀具位置显示，机床状态显示，报警显示等。有些CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示