（机械电子工程专业论文）基于网络dnc的车间级信息集成设计与研究.pdf

基于网络d n c 的车间级信息集成设计与研究 摘要 作为制造系统的执行层，车间的信息化水平直接影响着整个企业的生产效 率。随着制造业信息化进程的不断深入，企业对于实现数字化设计n 造管理 一体化技术要求越来越强烈。如何利用计算机技术、网络技术以及 c a d c a m c a p p 技术把车间的设备和企业上层的管理系统联系起来，构建整个企 业的信息化集成环境具有非常重要的意义。 结合国内外相关技术的研究现状，并针对企业对于车间信息集成控制功能 的需求，本文分析了基于网络d n c 的车间信息集成模式。首先介绍了d n c 技术 的含义和发展状况，对d n c 系统的组成和选型作了概述。介绍了基于这种模式 的网络d n c 系统所具备的基本功能，论述了基于网络d n c 车间信息集成方法实 现中所要的理论基础和实现的相关技术( 数控系统联网技术、串行通信技术、 数据库技术、多线程技术、w i n s o c k 网络编程技术等) ，开发出一个网络d n c 平 台。平台采用v i s u a lc + + 6 0 和s q ls e r v e r2 0 0 0 工具开发，人机界面友好， 操作简单，可实现文件传输、数控系统状态采集、文件自动请求上传下载等功 能。 关键字：信息集成；d n c ；数控技术；串行通信 r e s e a r c ha n dd e s i g no fw o r k s h o pi n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o nb a s e do nn e td n c a b s t r a c t a st h ee x e c u t i v e so ft h em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，t h el e v e lo fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g yw o r k s h o pd i r e c t l y a f f e c t st h e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y o ft h ew h o l e e n t e r p r i s e w i t ht h ed e e p e n i n go ft h em a n u f a c t u r i n g i n f o r m a t i o np r o c e s s ，t h e r e q u i r e m e n to ft h ei n t e g r a t i o no fd i g i t a ld e s i g n m a n u f a c t u r i n g m a n a g e m e n ti s g e t t i n gm o r ea n dm o r es t r o n g t h eu s eo fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g y ， a n dc a d | c a m c a p pw o r k s h o pe q u i p m e n ta n dt e c h n o l o g yt oc o m p a n i e sl i n k e d t ot h eu p p e rm a n a g e m e n ts y s t e m ，b u i l di n t e g r a t e de n t e r p r i s e w i d ei n f o r m a t i o n e n v i r o n m e n th a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e c o m b i n e dw i t h d o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hs t a t u s ，a n da i m e da t t h e e n t e r p r i s er e q u i r e m e n to fw o r ks h o pi n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h e n e t d n c b a s e dw o r k s h o pi n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o nm o d e l i tf i r s ta n a l y z e dt h e m e a n i n go fd n ct e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n t ，g a v e a no v e r v i e wo ft h ed n c c o m p o s i t i o na n ds e l e c t i o n i n t r o d u c e s t h ef u n c t i o n so ft h i sn e t d n cs y s t e m ， d i s c u s s e st h eb a s i st h e o r ya n dr e a l i z a t i o no ft h i ss y s t e m ( e g c n cn e t w o r k i n g ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , d a t a b a s et e c h n o l o g y , m u l t i t h r e a d i n g ，w i n s o c k n e t w o r kp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y ) ，d e v e l o p e san e t d n cp l a t f o r m t h i sp l a t f o r mi s d e v e l o p e dw i t hv i s u a lc + + 6 0a n ds q ls e r v e r2 0 0 0 ，w i t hf r i e n d l y i n t e r f a c e ， s i m p l eo p e r a t i o n 。i tc a nb eu s e dt of i l et r a n s f e r , c n cs y s t e ms t a t u sc o l l e c t i o n ，f i l e u p l o a da n dd o w n l o a df u n c t i o n sa u t o m a t i c a l l y k e y w o r d s ：i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o n ；d n c ；n u m e r i c a l t e c h n o l o g y ；s e r i a l c o m m u n i c a t i o n 插图清单 图2 一l 车间级制造系统的功能6 图2 2 车间级制造系统的组织视图7 图2 - 3 车间级制造系统的运行8 图2 4 车间信息集成系统体系结构1 2 图2 - 5 二层运行模式1 4 图2 - 6 三层运行模式1 4 图2 7o d b c 支持的数据库系统组成1 5 图2 8 数据通信系统的一般结构1 6 图2 9 异步通信数据格式1 7 图2 1 0 同步通信数据格式1 8 图2 - 11 发送设备的硬件握手流程1 9 图2 1 2 发送设备的x o n x o f f 流程图2 0 图2 1 3 标准r s 2 3 2 c 2 0 m a 接口结构图2 0 图2 1 4m c l 4 8 8 和m c l 4 8 9 内部结构2 l 图2 一1 5 带机床操作盒模式2 2 图2 1 6 新型带机床操作盒模式2 2 图2 1 7 现代模式( 不带机床操作盒) 2 3 图2 一1 8 现场总线体系结构2 4 图2 1 9 局域网式d n c 系统结构图2 5 图3 - 1 星形网络2 7 图3 2 环形网络2 7 图3 - 3 总线形网络2 7 图3 4 网络拓扑其他结构形式2 7 图3 5 开放系统互连( o s i ) 参考模式的分层结构2 8 图3 6 七层o s i 网络协议模型2 8 图3 7 基于以太网的d n c 系统物理连接结构3 1 图3 8 系统结构组成3 1 图3 9 车间业务执行流程图3 3 图4 一ld n c 主机与数控机床通信参数设置3 5 图4 2 基本文件传输流程图3 7 图4 3n c 加工程序远程调用流程图4 1 图4 4 自动上传文件流程图4 4 图4 5 文件比较运行效果图4 7 图4 6g 代码编辑运行效果图4 8 图4 7f t p 通讯工作流程4 9 表格清单 表2 - 1 标准r s 2 3 2 c 引脚说明2 1 表4 - 1 数控系统通信协议3 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金世王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 j 一 学位论文作者签字：步珏签字日期：旧年4 月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金且巴王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金日巴兰业太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名影，忌 签字日期：觯年月1 7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：w f d 年v 月j 7 日 电话： 邮编： 致谢 论文是在导师韩江教授的悉心指导和亲切关怀下完成的，在此，谨表示诚 挚的敬意和衷心的感谢! 韩老师严谨的治学态度和渊博的学识给我留下了深刻 的印象，对我以后的工作会产生很大的影响。在攻读硕士期间，韩老师无论在 学习上还是在生活上都给予了我无微不至的关怀、帮助和指导。在论文写作上 给了我很多的帮助和指导意见使我受益匪浅，终生难忘! 在此祝愿老师身体健 康，合家幸福! 衷心感谢c i m s 所夏链老师、祖咂老师、何高清老师、余道洋老师、丁志老 师、董伯麟老师、韩春明老师、翟华老师等在课题研究中给予的帮助。在这里 尤其要感谢我的老乡余道洋老师在学习中给我的教导和生活中对我的关心! 衷心感谢我的同学李凯亮、葛敬、马超、信傲、张江华、姚银鸽和季焓， 和他们在一起的学习和生活时光将值得我永远纪念! 衷心感谢师弟张忠锥、王晓明、黄海金、陈党、张韬、王国峰、李虎、刘 凌全、黄涛、肖传清、肖扬和朱念恩给予我的帮助l 最后还要感谢合肥工业大学，在这里我度过了7 年的时光，留下了求学的 汗水和收获的欢颜，在此感谢朱仁胜老师，感谢教导过我的老师以及给过我帮 助的同学们! 特别感谢我的父母的养育之恩和无私的奉献，在我多年的学习和生活中， 是你们给了我物质帮助和精神支持，使我信心十足，这样我才能顺利、努力完 成我的研究生学业，在此感谢你们! 最后，再次感谢所有曾经帮助过我关心过我的老师、朋友和同学们! 作者：黄愿 2 0 1 0 年4 月6 日 1 1 论文的背景与意义 第一章绪论 随着科学技术的进步和经济社会的发展，制造已经完成由原来的孤立机器 完成的简单过程演变到由众多要素组成的制造系统来完成的复杂工程的转变。 在市场需求不断变化的驱动下，制造业的生产规模沿着“小批量一少品种一大 批量一多品种变批量 的方向发展。在科学技术的推动下，制造业的资源配置 朝着劳动密集到设备密集到信息密集再到知识密集的方向发展。 从社会经济发展层面看，近二十多年来，市场环境发生了巨大变化，一方 面表现为：消费者需求日趋个性化和多样化，消费行为更具有选择性，产品设 计的生命周期缩短，产品的质量和性能是企业的形象；另一方面：全球性产业 结构调整步伐加快，制造商着眼于全球市场的同时，着力于实力与信誉基础上 的合作与共赢。 从科学技术发展层面看，从2 0 世纪初开始，制造业逐步走上科学发展的道 路。制造技术已发展为集材料、机械、电子及信息和计算机技术等多门学科的 交叉科学。科学技术推动着制造技术进步，高新技术成果，尤其是计算机、微 电子、信息、自动化等技术的渗透、衍生和应用，极大地推进了制造技术在宏 观( 制造系统的建立) 和微观( 精密、超精密加工) 两个层面上的发展，彻底 地改变了现代制造业的产业结构、生产方式、工艺技术和设备及生产组织体系， 使现代制造业成为发展速度快、技术创新能力强、技术密集型产业。信息逐渐 成为主宰制造业发展的决定性因素，企业内部联网和国际互联网已经对传统制 造业产生重大影响。 从可持续发展层面看，社会经济发展模式由粗放经营、掠夺式开发向资源 集约型、可持续发展转变。面向可持续发展的制造业，应力求对环境的负面影 响最小，资源利用率最高，符合可持续发展的要求。 一体化的产品加工、检测、物流、装配过程。例如c a d 、c a e 、c a m 的出现， 使得设计、分析、制造成为一体；机器人、加工工作站及f m s 的出现，使得加 工过程、检测过程、物流过程融为一体；现代制造系统让自动化技术与工艺密 不可分；任何技术都不是作为独立的实体存在，与外界都有着千丝万缕的联系。 这种趋势表现在生产上是专业性的车间概念逐渐的淡化，将多种不同学科的技 术集成在一台设备、一条生产线、一个工序或车间里的生产方式将逐渐的增多。 这样一来，制造业信息化进程的不断深入，制造业对实现数字化设计、制 造、管理一体化技术要求就会越来越强烈。如何充分运用计算机技术、网络技 术、信息技术把制造加工车间的数控设备、机械手、机器人、柔性线等以及企 业的上层管理系统联系起来，构建网络化的集成管理控制系统是现代制造加工 车间实现信息化的关键。 车间信息集成管理即是制造执行系统的管理，是制造企业的基础环节，是 企业上层计划管理系统和底层设备控制系统之间的接口。目前，无论是上层计 划管理( 如m r p i i ，e r p 等) 还是底层设备控制( p c s ，现场总线等) 都有了相 当大的程度的发展，已经取得了比较普遍的应用，但是作为两者之间的接口技 术却并不完善。 对于离散型企业的生产车间来说，除了保证加工的及时性和产品质量要求 外，最重要的就是控制零件的加工进度，保证装配，也就是将生产作为一个整 体系统来对待。因此，对生产过程中的信息就要进行控制和反馈。但是在传统 的生产系统中，生产作业的计划、调度和控制三者是相互分开的，生产信息的 传递速度慢，不够及时，生产信息的反馈周期长，生产调度缺乏必要的现场信 息支持，对生产过程中所出现的各种随机状况( 交货期提前、机床故障等) 无 法得到满意的解决。 车间是企业生产成本的主要转化地、物化与利润的产生中心和产品质量的 主要形成场所，车间有着各种不同型号和不同厂家的制造设备，车间信息的集 成和统一在很大程度上制约着企业的整体信息化水平。车间生产系统既是企业 上层计划和管理系统的信息接收者，同时也是生产现场各种信息的采集者和提 供者。车间现场设备制造信息收集的及时性、准确性以及它与企业上层计划和 管理系统的畅通和可集成性是企业信息化的关键环节，直接影响着企业的市场 快速反应能力和企业的利润。合理的利用以信息技术为代表的高科技，建立基 于网络化体系结构的组织、生产和管理模式，快速、灵活地利用各种分布的、 异构的制造资源，谋求企业间的相互协作，共同寻求机遇，互利共赢等成为现 代制造车间的发展趋势。 数控设备是网络化制造的执行者，如何解决数控设备的联网及通信是网络 化制造的关键。利用d n c ( d i r e c t d i s t r i b u t e dn u m e r i c a lc o n t r o l 直接数字 控制或分布数字控制) 的通信网络可以把车间内的数控设备通过调度和运转控 制联系在一起，从而掌握整个车间的加工状况，以便于实现加工物件的传送和 自动化检测设备的连接，d n c 系统连接数控设备和上层计算机，是实现c a d c a m 和计算机辅助生产管理系统( c a p m s ) 集成的纽带，是实现设计与制造一体化的桥 梁。所以d n c 注重于信息流的集成，是车间实现制造自动化的较好方式。 本文针对合肥工业大学数字化车间的网络化制造和集成化制造技术进行研 究。车间中有一台f a u n c 数控机床，一台西门子数控机床，两台三菱数控机床， 一台米克朗五轴加工中心，以及机器人手臂，a g v 小车和自动仓储系统等。研 究目的在于实现从产品设计到产品加工的网络化和数字化，对车间的数控设备 和其他设备实现集中管理和控制，提高车间的信息化水平。本文同时也和合肥 市重点科技项目“车间数控机床d n c 信息集成 的开展结合起来。 2 1 2 车间信息集成技术的产生、发展和国内外研究现状 车间的制造过程是把企业有关产品的质量、产量、成本、工艺等相关的综 合生产指标的目标值转化为制造过程的作业计划、作业标准和工艺标准，从而 产生合适的控制指令和调度指令，驱动设备控制系统使生产线在正确的时间由 合适的设备完成正确的动作，生产出合格的产品，使实际的生产指标处于综合 生产指标的目标值范围内，同时力求效益最大化【l 】。所以车间的信息集成技术 的发展实际上可以认为是制造执行系统的发展过程。目前制造业实施网络化制 造和集成制造技术遇到的最大难题之一是：企业计划层和制造控制层之间存在 鸿沟，未能实现融合集成。这是因为现今大多数数控机床、f m s 和普通加工设备 作为独立运行和局部自动化信息孤岛，不能与企业网络直接连接集成到企业信 息系统中，从而造成企业计划层和制造层间脱钩，管理协调严重滞后，面对市场 的快速变化无法做出快速响应，降低了企业的生产率和综合竞争力。 传统的制造管理靠人工来完成，因此采用金字塔式的多层组织结构。2 0 世 纪6 0 年代初计算机财务系统问世，由此人工的管理方式开始渐被计算机管理系 统代替。6 0 年代末7 0 年代初，财务系统扩展了物料计划功能，发展成物料需 求计划系统( m a t e r i a lr e q u i r e m e n t sp l a n n i n g ，m r p ) 。7 0 年代末8 0 年代初， m r p 系统中增加了车间报表管理系统、采购系统等，于是发展成为m r p 。但是 m r pi i 还不能配置资源，导致配置资源计划系统( d is t r i b u t i o nr e s o u r c e p l a n n i n g ，d r p ) 出现了，单一功能的制造过程管理系统( 如质量管理系统) 也相 继出现。到了8 0 年代末9 0 年代初，m r pi i 逐渐演变为企业资源计划( e n t e r p r is e r e s o u r c ep l a n n i n g ，e r p ) ，d r p 逐渐演变为供应链管理( s u p p l yc h a i n m a n a g e m e n t ，s c m ) ，而车间层的专业化制造管理系统演变成集成的m e s 。美国 先进制造研究协会( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gr e s e a r c h ，a m r ) 于1 9 9 0 年1 1 月 首次正式提出制造执行系统( m e s ) 的概念，经过十几年的发展，m e s 经历了单一 功能向集成化m e s 的演变，正在向标准化、协同化和智能化m e s 发展。m e s 在 计划层信息管理的m r p i i e r p 与制造单元的设备控制系统之间，构筑了一座信 息桥梁。企业上层管理与工作地之间的连接过去一直被忽略，现在已成为急需 解决的问题【z j 。 与此同时，计算机控制也逐渐代替了人工控制，产生了过程监控和数据采 集系统( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，s c a d a ) 。到了2 0 世纪 9 0 年代后期，传统的e r p 和m e s 相互渗透，它们之间的界线变得十分模糊。成 立于1 9 9 2 年的制造执行系统协会( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m s a s s o c i a t i o n ，m e s a ) 于1 9 9 7 年9 月发表的白皮书给出了m e s 定义：m e s 提供实 现从订单下达到完成产品的生产活动优化所需的信息：并运用及时准确的数据， 指导、启动、响应并记录车间生产活动，能够对生产条件的变化做出迅速的响 应，从而减少非增值活动，提高效率。m e s 不但可以改善资本运作收益率，而 且有助于及时交货、加快存货周转、增加企业利润和提高资金利用率。m e s 通 过双向的信息交互形式，在企业管理系统与供应链之间提供生产活动的关键基 础信息【3 1 。 本世纪初，为了适应协同制造的要求，集成的m e s 发展成为协同的m e s 。 2 0 0 4 年5 月m e s a 提出了协同的制造执行系统( c o l l a b o r a t i v em a n u f a c t u r i n g e x e c u t i o ns y s t e m s ，c - m e s ) 概念，指出c - m e s 的特征是将原来m e s 的运行与改 善企业运作效率的功能，和m e s 在价值链和企业中其他系统和人的集成能力结 合起来，使制造业的各部分敏捷化和智能化【4 1 。 国内外，在研究制造信息基础结构、虚拟企业组建与运行技术、网络化协 同产品开发技术、网络化p d m ，敏捷供应链等多方面取得了不少研究进展和成 果，并已经逐步展开应用，同时也对车间层的生产控制进行了大量的研究。研 究如何有效组织制造车间的内部结构，加强车间控制和管理能力，以提高车间 的敏捷性和结构灵活性，实现车间的异构集成控制，为企业的生产能力提供一 个充分展现的平台。 企业控制结构的发展分为三个阶段：集中控制结构、递阶控制结构和分布 式控制结构。当前主要采用的是递阶控制结构，分布控制结构已处于应用探索 阶段。车间控制结构是制造企业结构的一个有机部分，c i m 的控制结构比较典 型的有国际标准化组织( i s o ) 的自动化工厂控制结构、美国空军的i c a m 控制结 构以及美国国家标准局( n b s ) 的自动化制造研究实验基地a m r f 控制结构。i s o 提出六层企业控制模型：公司控制层、工厂控制层、车间控制层、单元控制层、 工作站控制层、设备层。i c a m 控制结构将整个工厂分为四个层次：工厂、单元、 工作站、元件( 指的是传感器和步进电机等基本元件) 。a m r f 控制结构即著名的 c i m s 五级递阶结构：设备层、工作站层、单元层、车间层和工厂层等五级。目 前，国际上使用最多的是a m r f 的五级控制结构【5 】。美国国家标准与技术研究所 ( n i s t ) 制定的s o n 计划主要研究了c a d c a p p c a m d n c 、计划调度、工具管理、 定货管理和成本核算，其实质是设计、加工制造和生产管理的集成【6 】。德国通 过研究w o p ( w o r ks h o po r i e n t e dp r o d u c t i o n ) 技术，提出面向车间的新型生产 方式，并进行了新型生产组织和企业结构理论研究以及面向车间生产的各种软 件的开发。 北方交通大学何大勇等针对多品种小批量型生产车间提出的三层车间控制 模式：决策支持层、管理调度层和设备控制层。很多国家的研究机构和个人从 强调某项先进制造技术的应用出发，研究了各式各样的车间控制结构。如以通 讯技术为重点，建立了一些车间控制结构。欧洲大5 4 7 8 车间控制计划建立了一 种以现场总线、车间数据库和m r p 数据为主的车间实时控制结构；l a t i n a s 等 人研究了一种基于p c 总线的递阶制造单元控制结构【7 1 ；上海交通大学生产系统 与控制技术研究所唐文虎提出基于c o r b a 的车间层控制结构体系【8 】，车间控制 4 结构分为三层：底层为系统支持层，中间层为开放式分布式处理层，最上层为 信息集成层，可将现有的应用和数据信息集成到系统中。另外有许多学者引入 了智能控制技术，期望车间生产运行过程能够充分发挥车间智能体的协调控制 能力，其中的典型代表就是a g e n t 技术的运用。北京航空航天大学的蔡元龙将 a g e n t 称为智能自治体，并提出了建立智能自治体模型的原则，并在此基础上 建立了基于多智能自治体系统的车间运行控制框架结构 9 】。这种结构不仅很好 解决了分布式动态调度与控制问题，而且为制造系统集成和分布式、网络化制 造环境下的多单元、多地点协调协作提供了集成框架和技术基础。 底层d n c 设备控制技术的研究现状：随着计算机技术、通讯技术和c i m s 技术的发展，d n c 的内涵和功能不断扩大，相比六、七十年代，它开始着眼于 车间的信息集成模式。美国计算机集成制造公司d l f i r m 提出的“b r o a ds c o p e d n c ，认为在c i m 的推动下，d n c 己不仅仅作为编程系统( d n c 主机) 和c n c 机床 的一种连接方式，而是可扩展到支持车间级数据的人工采集、半自动采集和全 自动采集 1 0 】。南京航空航天大学方水良博士提出的“柔性d n c ”( f d n c ) ，认为 随着d n c 的不断发展，f m s 和d n c 系统的界限越来越模糊，d n c 已成为f m s 必不 可少的一部分，并将d n c 系统作用作f m s 的通信和控制模块【1 1 l 。重庆大学张旭 梅博士提出“集成d n c ( z d n c ) 强调“扩展d n c 的管理功能和与d n c 系统外的 信息集成。 其定义为：“集成d n c 是机械加工车间的一种运行模式 1 1 2 , 1 3 。 1 3 本文将要阐述的内容 本论文的主要研究任务： 1 阐述车间级信息集成的产生和发展，指出制造业信息集成的必要性，指 出目前信息集成技术中的不足。 2 研究车间级信息集成系统的功能和组织结构以及运行， 信息在系统中的作用以及信息之间的关联。 3 探讨数控设备的联网接口，数控设备的数据通信方式， 原理，数控设备联网的几种方式。 阐述制造过程的 串行通信的一般 4 研究车间信息集成中组网的拓扑结构，分析制造系统对于网络环境的要 求，并根据技术的发展趋势建立基于工业以太网的车间信息集成模式。 5 研究企业对于车间信息集成功能的需求，并运用w e + + 6 0 软件开发工具， 开发基于网络d n c 的车间信息集成平台软件。 第二章车间级信息集成的理论基础 2 1 车间级制造系统概述 2 1 1 车间级制造系统的功能 制造系统中的车间是用来接收上层下达的生产任务，并尽可能地最优实现 制造物料如毛坯，采购件或原材料等到成品也就是零部件或者产品的一个转换 和物化的过程。 图2 1 车间级制造系统的功能 车间级制造系统的功能可分为两类，如上图2 - 1 所示。分类如下： ( 1 ) 完成原材料的输送、仓储、加工过程、装配以及检验测试等生产制造 过程。这部分生产功能基本上是由上图中的下面部分方框中标示的制造单元模 块来实现。如果是加工车间，那么输入车间的是毛坯件，输出车间的则是零件。 而对于装配车间，则输入的是零件和部件，出来的是完整的装配体产品。 ( 2 ) 在生产车间范围内针对生产制造过程进行的管理活动、调度活动和控 制活动，自然也包括与其他分系统进行的两个方向的信息交换。这部分管理功 能基本上是由图中上面部分方框中标示的车间级的一个管理控制系统来实现 的，它包含以下几个具体功能： 生产管理功能。主要是接收来自上级下达的生产作业计划任务，比如零 部件加工订单，然后根据这个车间的实际具体情况将下达的任务进行分割细化， 同时制定出具体作业计划也就是工序级生产计划等，与此同时系统也会生成详 细的派工单将作业任务具体地安排到车间的制造单元也就是工段等，接着通过 底层设备反馈的生产过程信息来了解计划的执行进度。 调度控制功能。当车间的制造单元没有具备生产计划的自动调度控制功 能时，这时车间管理控制层则还需要实现相对应的作业计划调度控制。 6 资源管理功能。就是对车间中的人力资源和设备资源和工装夹具和工件 具体包含原材料、正在加功能物件、生产出来的产品以及产生的废料等进行集 中管理。 质量管理功能。主要就是对车间内的产品的质量进行实时的检测，使生 产出来的产品能够满足客户提出的质量要求。 车间报告功能。要求能够按时向上级报告车间的生产情况、资源状况以 及质量情况给上级有关部门。 2 1 2 车间级制造系统的组织结构 按现行的阶梯型控制结构来看，我们可以将车间级制造系统的组织结构用 下图2 - 2 所示组织结构示图进行表述。 图2 2 车间级制造系统的组织示图 因为现代企业面临的市场环境是一个多花样多变化的客户需求环境，所以 导致了车间级制造系统所面对的加工任务也一定是多品种多变化因素的。比如 说这种变化的因素包括生产零件的类型s t y l e 、规格s p e c i f i c a t i o n 、品种 v a r i e t y 、批量b a t c h 和交货期d e l i v e r yt i m e 等众多因素的变化。并且由于生 产任务的变化差异，这样一来零件的加工流程也会产生相应的变化，这就使得 生产该零件所需的加工设备种类数量和加工设备的负荷也会产生变化。如此， 以往的把设备资源配备在某个特定制造系统单元的组织形式就会有以下几个方 面的问题： ( 1 ) 会产生设备负荷的不平均，也就会让某些设备资源的使用效率下降， 从而就造成了设备资源的空闲消耗，企业的生产成本节节上升； ( 2 ) 而由于设备负荷的不平均，又会让某些别的资源特别匮缺，而产生了 生产能力的不完全表达，使得企业生产能力没有充分发挥； ( 3 ) 对于单元内的设备资源是一定的，就不能够适应由于生产任务的变化 而进行的优化过的工艺流程，会造成工件需要在别的单元加工，致使如物料输 送系统的小车、托盘、夹具等资源的匮乏，让企业生产潜力下降，产品的交货 期会受到推迟； 据此为了克服以上所分析的以往系统的缺点，我们拟建一个能够适应市场 激烈竞争需求的车间级制造系统，这个系统的制造系统单元是动态的和可重构 的。给出动态可重构单元应具有以下基本特征： ( 1 ) 动态可重构单元由n 个具有自理能力的工作站来组成。 ( 2 ) 动态可重构单元控制器所控制的工作站不能是固定的，而是要顺着生 产任务的差异，组成单元的工作站是动态的可变换的。如在某个特定时间片段 内，要完成某一项具体的生产任务，就要根据单元动态重构的规则和算法，以 此来确定车间内的哪些工作站附属于哪个制造单元。一旦当前任务完成，1 日的 单元组织结构解体，新的重构单元将依据新的任务产生，所以制造单元系统的 组成是动态的。 ( 3 ) 虽然工作站在物理空间上的位置是固定的，但是在单元进行重构时并 不会要求这些工作站重新进行物理空间上的布置，所以这实际是一种逻辑空间 上的可重构单元，也可以称之为逻辑单元或虚拟单元。这种重构是通过计算机 网络技术完成对工作站的分布式控制的。因此可重构单元的重构需要有计算机 网络通信技术的强有力的支持，以完成组成单元之间的通信和数据交换。 一句话来表述就是可重构的动态调度车间。 2 1 3 车间级制造系统的运行 车间级制造系统的运行流程如图2 - 3 所示。显而易见，车间级制造系统的 运行过程包括生产管理、技术支持两条纵向主线和一条横向生产主线。伴随的 是物料流、信息流和资金流在系统中的运转。 图2 - 3 车间级制造系统的运行 管理层面，车间级的管理控制系统在生产作业计划环节将上级计划层下达 8 的生产任务也就是加工订单细化为可单步执行的工序流程计划。如果在这个计 划的执行过程中遇到执行情况与原计划产生偏差时，就要立即启动相应的控制 对策来保证新的计划要求，从而实现生产过程的动态调度。车间级制造系统中 使用的管控方法是依据车间生产模式或车间生产组织形式来确定的。比较典型 的车间生产管理模式有两种：任务型管理模式即推式和流程式管理模式即拉式。 前者是用前一工序的任务推导后一工作岗位的任务，而后者是用后面岗位的任 务来推导前一岗位的工作u 4 1 。 技术层面，车间级的技术部门用来保障工艺计划的实施，并解决现场产生 的技术方面问题。除此之外，伴随着数字化设备在车间中的应用越来越多，车 间级技术部门还需要承担数控机床的编程任务。 2 2 制造系统中的信息 随着机电一体化技术和信息化技术的迅猛发展，制造业的产业结构业在不 断调整。自动化已成为产业发展的基本目标。企业自动化的概念也由单机自动 化到自动化生产线，再由自动化生产线发展到全部作业流程的自动化，直至向 企业整体综合自动化的方向发展，实现企业业务流程集成化，一体化。 2 2 1 信息在制造中的作用 信息制造观的孕育和发展是随着机电一体化、计算机技术、网络及通信技 术等在制造系统的应用而发展的。在制造系统中信息发挥着越来越重要的作用。 信息是系统组成的连接桥梁，是大规模制造系统的连接体；在制造过程中一个 产品的信息投入量已经成为决定产品是否具有市场竞争力的关键因素之一；如 何提高制造系统的信息处理能力是研究现代制造系统的重点之一；与制造系统 中设备一样制造信息已经是等同重要的制造资源；智能制造的实质是指制造系 统在信息采集尤其是在信息处理方面具备一定的智能；信息化的核心是网络化， 数字化，先进制造技术的主要发展方向是数字化的制造系统，必将极大地促进 制造企业信息化的进程【i 副。 2 2 2 制造信息与信息流系统 在制造系统中，传递的支撑制造活动的各种文件、指令、数据、图形等称 为制造信息。从宏观上看，制造信息主要包括以下几类。 ( 1 ) 市场客户信息：如需求市场信息、供应市场信息、客户信息等； ( 2 ) 产品信息：如产品图纸、b o m 数据、零件几何特征编码等； ( 3 ) 工艺信息：如工艺文件、数控程序、加工过程状态等： ( 4 ) 生产控制信息：如生产计划、调度命令、控制指令等； 9 ( 5 ) 生产状况信息：如设备信息、物料信息、人员信息等； ( 6 ) 质量信息：包含质量检验报告、质量统计数据等。 ( 7 ) 经营管理信息：预测信息、决策信息、财务信息、企业状况信息等； 制造信息流是指制造信息在制造系统中的作用和传递过程，该过程一般由 信息传递、使用、处理、存储等环节组成。 为方便分析，可以简单的将c i m s 环境下车间信息流要素分为三种基本类 型，它们是基本数据、控制数据和状态数据。 基本数据。包括系统配置数据和物料基本数据，系统配置数据有机床类型、 编号、数量、存贮工位号等。物料基本数据包括刀具类型、几何尺寸、耐用度、 托盘的基本规格，相匹配的夹具类型、尺寸等。 控制数据。即与加工工件相关的数据，包括：工艺规划、数控程序、刀具 清单、流程数据、加工任务单。加工任务单指明加工任务类型、精度要求及完 成期限。 状态数据。描述了资源利用的工况，包括：机床加工中心、测量机、自动 上下料系统和物流输送系统等装置的运行时间、停机时间及故障原因等的设备 状态数据，表明随行夹具、刀具的寿命、破损、断裂情况及地址识别的物料状 态数据和工件实时加工进度、实时加工工位、预计加工时间、存放时间、输送 时间及成品数、废品率等的工件统计数据。 制造系统中对信息交换、信息处理、信息存储、信息使用等进行支持与管 理的系统称为制造信息流系统。制造信息流系统是现代制造系统的重要子系统， 它和物料流系统、资金流系统共同组成了整个制造系统。 2 3 制造系统的信息集成 2 3 1 制造系统中的信息联系 信息集成是现代制造系统高效运行的基础。在现代制造系统中，有多种形 式的信息联系，其中数据联系、决策联系和组织联系是最常见的信息联系形式 【1 6 - 1 7 】 o 1 数据联系 当各个部门或不同人物需要同一种数据或者相同的数据关系时，就产生数 据联系。例如，产品设计、工艺规程编制、生产计划、生产控制、加工制造、 物料采购、成本核算及产品销售等都需要零件明细表的信息。如果数据文件的 管理是相互独立的，必然有大量数据是重复的，导致费用增加，还会使各部门 之间数据不同步。因此，应该把不同人物所需的数据文件存在一个共同的数据 库中，以共享数据资源，并有可能使各个部门之间及时、迅速地交换信息。 2 决策联系 1 0 当各个部门对各自问题的决策之间相互有影响时，就产生决策联系。决策 联系不仅是数据的联系，更重要的逻辑的和智能的联系。人与系统之间将通过 智能用户终端进行交互。例如，决策联系可能出现在销售部门与生产计划和控 制部门之间；工厂在某一时期拟投入一批某种产品，但这种产品需要大量的准 备工作，对生产计划部门来讲，为了降低成本，就要增加批量。而当销售部门 正好没有这种产品的足够数量的订货任务或者有更重要的订货任务时，两个部 门就产生了矛盾。如何权衡利弊做出正确的决策，是发挥企业效益的关键。借 助计算机集成系统的决策支持专家系统和人工智能用户接口，可以迅速地做出 正确的决定。 3 组织联系 生产任务的协调性对企业来说是极其重要的。企业下达生产任务时，总是 把一个总任务分解为若干个子任务下达的，这些子任务在不同地点或不同部门 完成。这时不同生产环节之间就存在一种组织联系。组织联系具有实时动态性 和灵活性。如果各子任务不能以相互匹配的进度完成的话，单独一项子任务的 提前完成对总的生产周期的缩短是没有作用的，相反可能造成某种资源的浪费， 也可能造成库存的积压。处理好各生产环节的组织联系，就有可能实现各项子 任务的协调，达到准时生产的目标。协调系统是否完善将成为集成生产系统有 效运行的前提。 2 。3 。2 信息集成的功能 有效的信息联系是保证现代制造系统高效运行的关键，而信息集成则是实 现信息联系的重要手段。 信息集成就是在中央计算机的管理下，通过数据联系、决策联系和组织联 系把各个部门及相应的信息流和数据流通过各类专家系统连接成一个有反馈信 息的调节回路。在这个整体系统中，数据资源的共享和各部门间的有效联系和 协调合作使生产过程更加合理和更为优化。 以往在工厂企业中，各种生成和处理的数据都是分别存储在各个计算机子 系统中的，而信息集成处理则要求这种面向计算机的数据存储系统必须转换为 与描述对象相对应的数据存储系统。 此外，在工厂企业中还有许多数据，它们通过不同的载体传送，且平行地 执行着有关功能。在对产品生产过程做出经济评价以及进行组织管理时，往往 都要用到这些数据。由于这些数据要渗透到各个主要功能部门之中，往往易造 成数据冗余。 用信息集成的观点建立的模型，在一定程度上避免了数据冗余，保证了数 据实时处理的可靠性和数据的连续性。它同时又是一个开放性系统，可根据工 厂企业的要求不断扩展数据处理功能，这就把工厂企业的信息管理提高到一个 更高的水平。 下图2 - 4 给出的就是车间级信息集成的体系结构。主要包括五个模块：车 间配置和维护、车间生产管理、车间调度、车间控制、车间信息显示。 车间消息服务器的主要功能是接收以上各个应用发出的消息，并为这些应 用提供其他应用向它发出的消息访问。终端用户是看不见车间消息服务器的， 但是车间消息服务器必须在系统运行时首先启动，保证各个车间应用之间的信 息交互。 处于最上层的五个模块是面向最终用户的，当然它们也包括两个层次，一 种用户只能根据用户权限进行车间数据操作；另一种可以对系统进行配置、调 整。 图2 4 车间信息集成系统体系结构 车间配置和维护的主要功能：通过对车间设备、工具、在制品及加工数据 的配置和维护形成车间实体，同时为用户提供对新设备的开发功能，从而增加 系统的柔性和可维护性。 车间生产管理的主要功能：根据系统的配置信息、状态信息以及m i s 系统 下发的车间短期作业计划、领料单及b o m 表等信息进行计划分解，形成日作业 计划、日领料单及日领用工具单，并对生产的完成情况进行统计上报。系统的 设计本着既方便开发人员，又方便使用人员的原则进行。 车间调度的主要功能：一方面提供调度算法的开发环境，帮助用户建