（载运工具运用工程专业论文）基于仿真的fms控制系统研究与开发.pdf

中文摘要 摘要：柔性制造系统( f m s ) 是当前制造业的一个重要发展方向，是正在迅速发展和 应用的高新技术之一。本文建立了基于仿真的f m s 递阶分布式控制系统体系结构。 在利用面向对象思想对f m s 实时控制系统进行功能分析、信息分析和动态分析的 基础上，将仿真技术应用到f m s 控制系统中，建立了基于仿真的f m s 控制系统 模型。该系统包括f m $ 控制层、单元控制层、设备控制层三层结构。f m s 控制层 是核心内容，主要用于完成系统的加工路线选择、资源分配、工件调度、监控加 工过程、检测并修复故障、准备系统状态报告等任务。为此开发了基于仿真的f m s 控制器，其工作过程为：仿真阶段，接收来自上层的生产计划进行仿真，并在仿 真的基础上进行生产排序；控制阶段，根据排序的结果为各工件分配加工资源， 并根据调度的时间发送控制命令，控制命令通过各层的传送最后完成对底层设备 的控制。由于仿真系统在控制阶段能实时接收底层反馈回的状态信息，起到了实 时监控的作用。最后针对实验室的s l - f m s ，利用f l v x s i m 和v c + + 软件进行了控 制系统建模，实现了对系统的控制。另外，本文还研究了仿真调度问题，介绍并 改进了基于虚拟队列的动态调度算法，并将其引入到系统中，验证了该算法的可 行性。图2 9 幅，表6 个，参考文献4 9 篇。 关键词；f m s 面向对象；仿真控制；仿真调度；虚拟队列 分类号：t h l 6 5 a b s l r a c t a b s t r a c t ：f m si so n eo ft h er a p i d l yd e v e l o p i n gt e c h n o l o g i e si n p r e s e n t m a n u f a c t u r i n g s i m u l a t i o n - b a s e df m sd i s t r i b u t e d & h i e r a r c h i c a lc o n t r o la r c h i t e c t u r e w a sb u l bi nt h i st h e s i s s i m u l a t i o n - b a s e df m sc o n t r o ls y s t e mm o d e lw a sb u i l to nt h e b a s i so ff u n c t i o na n a l y s i s i n f o r m a t i o na n a l y s i sa n dd y n a m i ca n a l y s i sf o rf m sr e a l - t i m e c o n t r o ls y s t e m ms y s t e mi sc o m p o s e do ff m sc o n t r 0 1f l o o r , u n i tc o n t r o lf l o o r , e n d e q u i p m e n tc o n t r o lf l o o r f m sc o n t r o lf l o o ri st h ek e yc o m p o n e n tw h o s et a s ki n c l u d e s c h o o s i n gp r o c e s sr o u t e ，a l l o c a t i n gr e s o u r c e ，s c h e d u l i n gw o r k s ，m o n i t o r i n gp r o c e s s ， d e t e c t i n g & r e p a i r i n gf a i l u r e a n dp r e p a r i n gr e p o r to fs y s t e ms t a t e t h e r e f o r e s i m u l a t i o n - b a s e df m sc o n t r o lu n i tw a sd e v e l o p e d t h eo p e r a t i o n a lp r o c e s si st h a l ： s i m u l a t i n gw h e nr e c e i v i n gp r o c e s sp l a nf r o mu p - f l o o r , m a n u f a c t u r i n gs e q u e n c i n g ， a l l o c a t i n gr e s o u r c ef o rw o r k s ，s e n d i n gc o n t r o lc o m m a n d ，a n dc o n t r o l l i n ge q u i p m e n t s 1 1 ：l i s s y s t e ma l s oh a sr e a l - t i m em o n i t o r i n gf u n c t i o nb e c a u s e i tc a nr e c e i v es t a t e i n f o r m a t i o nf e db a c kf r o mt h eb o t t o m f i n a l l y , f m sc o n t r o ls y s t e mm o d e lw a sb u i l t w i t l lf l e x s i ma n dv i s u a lc + + f o rt h ed i d a c t i c a ls l - f m si no u rl a b a n dt h ec o n t r o lf o r t h i s s y s t e mw a si m p l e m e n t e d i na d d i t i o n , s i m u l a t i o n - b a s es c h c d u l h a gw a sa l s o d i s c u s s e d v k t u a l - q u e n eb a s e dd y n a m i cs c h e d u l i n ga l g o r i t h mw a si n t r o d u c e d a i m p r o v e da l g o r i t h mi sp r e s c n t e d n 地r u n n i n gr e s u l tp r o v e dt h a tt h ea l g o r i t h mw a s f e a s i b l e k e y w o r d s ：f m s ；o b j e c t - o r i e n t e d ；s i m u l a t i o n - b a s e dc o n t r o l ；s i m u l a t i o n - b a s e d s c h e d u l i n g ；v i r t u a lq u e u e c l a s s n 0 ：n 1 6 5 致谢 本论文的全部工作都是在导师鄂明成副教授的悉心指导下完成的，两年来， 导师对我学习和生活给予了极大的关怀，对我所做的课题给予了极大的支持和帮 助，使本人的专业理论水平和科研能力得到进一步的巩固和提高，这些为我今后 的工作和学习奠定良好的基础。从导师这里，我不仅学到了丰富的知识，更为重 要的是学到了严谨的治学态度和科学的工作方法，这将使我终身受益。在此论文 完成之际，特向敬爱的导师致以最崇高的敬意! 在论文研究工作中，实验室的查建中教授、李建勇教授、程卫东副教授、刘 阶萍副教授、姚燕安副教授、王恒老师、温伟刚老师等给予了热情的指导和极大 的关怀，在此表示真诚的谢意。 感谢实验室刘淼同学、陈智新同学、付长平同学、谢五峰同学、王倩同学、 扬绍华同学、卫巍同学，王柯同学、王顺玲同学，刘新同学、卢长先同学，黄鹏 同学对我的大力支持和无私的帮助，在此向他们表达我的感激之情。 感谢家乡的父母、亲人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业。 再次向所有帮助和支持过我的人表示真诚的感谢，祝愿大家健康，快乐l 1 绪论 1 1 柔陛制造系统( f m s ) 概述及国内外发展状况 柔性制造系统( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，简写为f m s ) 是从6 0 年代开 始发展起来的一种自动化制造系统。经过7 0 年代的研制和实验阶段，到8 0 年代， f m s 已进入使用和推广阶段。 由于f m s 还在进一步研究和发展之中，因此，目前对f m s 的定义还不统一【j 捌， 一般来说，f m s 可认为是由各种多用途数控机床和一个物料传送系统组成，并由 一个计算机系统进行综合管理和控制的、能够根据订单灵活生产多种类型产品的 自动化制造系统。 f m s 是各种技术( 如数控机床技术、物科传送技术、计算机技术等) 在制造 过程中的综合体现。数控机床的出现，大大提高了机床适用于不同加工任务的能 力，不仅极大地缩短了为满足不同加工任务所需要的调整时间，而且，加工方式 的调度只需通过数控程序的改变来实现，使得面向多种任务的自动化生产成为可 能。此外，物料传送技术和计算机技术的发展，为各种数控机床连接成为一个功 能较完整的生产车间并进而实现综合管理和控制提供了必要的手段。 由于f m s 具有传统流水生产线的高效率和单件作业车间( j o bs h o p ) 的柔性， 因此，特别适用于多品种、中小批量产品的生产对于这一类产品的生产，f m s 能以较高的设备利用率、较高的加工质量、较低的生产成本和较短的生产周期等 特点适应快速变化和竞争激烈的市场需求。目前，f m s 的发展己普遍受到各个工 业化国家的高度重视。我国也已将f m s 的研究、开发和应用列为国家重点攻关项 目。 自从1 9 6 7 年英国m o l m 公司研制“系统2 4 ”开始，近半个世纪以来，f m s 的发展、进步和广泛应用，对机械加工行业及工厂自动化技术发展产生了重大影 响，并开创了工厂自动化技术应用的新领域，大大促进了计算机集成制造技术 ( c i m t ) 的发展和应用。从6 0 年代到9 0 年代这短短的3 0 年间，世界范围内的 f m s 获得了约1 5 的年增长率的快速发展和应用【4 】。 在f m s 领域，美国、西欧和日本居世界之首。美国是发展f m s 最早的国家， 多数由自动生产线改建，用数控加工中心机床代替组合机床并加上计算机控制， 其规模一般较大( 9 1 0 台) ，加工3 - 1 5 0 种零件，年产量为2 0 0 0 件1 0 万件。在 美国，特别是柔性制造单元( f m c ) 得到了快速的发展和应用，据美国“t h ec i m s r e p o r t ”报道，9 0 年代，f m c 己超过了l 万套。 r 本也是发展f m s 较早的国家之一。据美国制造工程师协会统计，日本从1 9 8 4 年开始发展f m c 、f m s ，到1 9 9 2 年以每年1 0 0 0 1 5 0 0 套的数量增加其规模大 小不等，加工零件种类为1 0 3 0 0 种 德国发展f m s 的情况与美国、f l 本有所不同，主要用于中小规模企业，f m s 规模较小( 4 6 台机床) ，具有较高的柔性，加工零件种类为5 0 2 5 0 种意大利、 英国、独联体以及其他一些东欧国家也都发展了自己的f m s ，其水平也相当高 我国发展和应用f m c 、f m s 系统均较晚，据有关部门统计，1 9 8 4 是我国研制 f m s 的起步时间，这个时间比国外晚了1 7 年。在国家机电都“七五”重点科技攻 关项目的支持和国家8 6 3 高技术发展计划自动化领域工作的带动下，f m s 得到极 大的重视和发展，进入了自行开发和部分进口的交叉阶段。1 9 8 8 年北京机床研究 所为大津减速机厂提供的加工减速机座的j c s f m s - 2 系统是全部自行开发和配套 的，它标志着我国已具有自主开发f m s 系统的实力。预计f m s 将在2 1 世纪初在 我国全面流行 从规模上看，f m s 以2 - 6 台机床组成的为最多；从批量上看，以1 0 5 0 ，5 0 1 0 0 0 件为最多；年产量以3 0 0 0 3 0 0 0 0 件为最多。 当今，“柔性”、“敏捷”、“智能”、“可重构”和“集成”乃是制造设备和系统 的主要发展趋势。f m s 仍在继续发展之中，并将更趋成熟和实用。f m s 的构成和 应用形式将更加灵活和多样化，为越来越多的企业所接受。小型f m s 在吸取了f m s 应用实践经验后近几年来获得了迅速发展，其总体结构通常采用模块化、通用化、 软硬件功能兼容和可扩展的设计技术。这些模块具有通用功能化的特征，相对独 立性好，配有相应软硬件接口，易按不同需求进行组合和扩展与大型f m s 相比， 投资较低，运行可靠性好，成功率较高。这种小型化f m s 和伴随着m 屺、f m s 技术发展而附带产生的f m c 技术将具有更加强大的生命力而得到快速发展和广泛 应用，并可能形成商品化的柔性制造设备，成为制造业先进设备的主要发展趋势 和面向2 1 世纪的先进生产模式。 1 2f m s 的复杂性及其仿真的必要性 虽然f m s 具有许多潜在的优点，但是因为f m s 是一种非常复杂的系统，要 真正实现这些优点并不容易。f m s 的复杂性主要体现在以下几个方面例： ( 1 ) 离散本质。在f m s ( 或一般的制造系统) 的生产过程中，系统状态的变化 通常只在离散时刻发生。传统的以微分方程或差分方程为基础的数学模型不能适 用于这种系统的描述。此外，本质离散的状态空间所导致的组合复杂性以及人造 系统的“组织有序”的不确定性在f m s 中得到了充分的体现。 2 ( 2 ) 柔性。柔性是f m s 的一个根本特征，同时也是造成f m s 比传统制造系统 复杂的主要原因具体表现在：系统可以同时生产多种类型的产品；每个产品的 生产可以有多种不同的路径；每台机床能够完成多种不同的任务f m s 所具有的 柔性，使得计算复杂性问题更加突出。 ( 3 ) 集成。各种资源( 包括硬件和软件) 的高度集成是f m s 高效率的基础然 而，集成使得系统各部分之间的关联非常紧密，从而造成各种生产活动之间复杂 的相互关系，如异步、并发、冲突、资源共享等。对于f m s ，系统各部分之间的 协调是非常关键的。 ( 4 ) 资源约束。一个f m s 中的各种资源，如托盘、夹具、刀具、缓冲站和机床 等都存在着容量和应用范围的限制，使得f m s 的设计和运行必须考虑这些因素所 造成的约束条件。 ( 5 ) 不确定性。包括各种外部干扰( 如生产任务的改变) 、内部干扰( 如机器故 障) 和人的因素等造成的不确定性。某些不确定性很难通过概率统计的方法来描述。 由于f m s 的复杂性，f m s 的开发和研究需要大量的投资和时间的消耗。建造 一个f m s 具有一定的风险性，采用建造实体进行研究与试验显然不合适。因此在 建造系统之前，必须进行有效的规划设计，预测系统的经济效益，得到系统的性 能指标，从而避免因设计不妥而造成的重大经济损失，保证所设计的系统在较佳 的状态下运转，以达到预期的要求，缩短建造系统的周期，减少风险在建造f m s 后，系统的组成确定。这时，可以通过规划系统的具体生产操作，即进行生产调 度方案的寻优研究，使系统实现最佳的生产调度，从而充分发挥系统的潜力达 到上述目的需要有相应的技术手段。由于f m s 复杂的动态特性，采用一般的规划 与设计方法来研究f m s ，不仅费用昂贵，而且也不可能做出最优的决策，这点己 为美国初期发展f m s 的经验所验证闸。因此在f m s 开发过程中，仿真技术受到人 们的重视。f m s 仿真在f m s 的设计和运行过程中的作用如下： ( 1 ) 通过仿真可以减少建造f m s 的风险：在建造f m s 前对各种方案进行评价， 预测出系统内部潜在的薄弱环节，减少投资风险因素。 ( 2 ) 仿真可以为f m s 提供详细的设计运行依据：在设计阶段，需要将系统中的 每个细节工程化并加以精确定义，以便为订货及投资做准备。由于f m s 各部分的 相关性，以及缺乏对复杂系统各部分的分析方法，因此，采用仿真技术可以提供 各部分中各方面的详细情况，如机器的负荷、使用情况、加工刀具的管理等。这 些仿真结果为详细设计提供重要依据。 ( 3 ) 仿真能使f m s 系统的布局更为合理：仿真技术不仅用于新系统的设计，而 且还能用于原系统的改造，如增加设备、改变原系统的布局使之更有效的生产产 品等情况 ( 4 ) 仿真技术能为f m s 的实现节省投资：有人认为仿真花费f m s 总投资的 1 2 是值得的。若采用不精确的规划，项目将增加高达6 0 的投资。 仿真具有不建造、不干扰和不破坏系统的性质，其本质上是一种实验的方法， 它可在短期内获得与系统相关的大量信息，观察系统在长期工作运行中的现象。 实践证明：计算机仿真技术是研究f m s 规划设计、生产调度和运行管理的有力工 具，是解决制造复杂性的最佳途径。通过计算机仿真技术对模型进行动态仿真， 能够进行各种方案的优化和论证，以达到设计合理化、投资少和效益高的目的。 1 3f m s 控制系统发展现状 f m s 从功能上分为控制系统、加工系统、测量系统、运输，存储系统等。控制 系统作为柔性制造系统的核心部件，对柔性制造系统性能有着重要的影响。一个 柔性制造系统整体性能优劣，除了制造系统内部设备( 如机床，运输装置等) 性 能的优劣外，在很大程度上还取决于控制系统性能的优劣。控制系统的性能建立 在系统的体系结构基础上。在近四十年的发展历程中，f m s 控制系统主要经历了 集中式、递阶式、分布式、递阶分布式等体系结构形式的变迁。 ( 1 ) 集中式 集中式控制系统的体系结构特征是将所有的控制责任集中在一台大型计算机 上，通过指令来对散布在f m s 环境中的机床控制器、运输系统控制器等实施控制， 协调制造过程中出现的问题。同时，它接收、处理和记录从各个机床控制器、运 输系统控制器等发来的信息，以此作为全局控制决策的依据【7 】集中式控制结构的 优点在于数据集中存放在统一的数据库上，通过对这些全局系统信息的访问和处 理，可实现系统的全局优化。但其缺点也是十分明显的，整个系统对中央控制计 算机有着很强的依赖性，中央控制计算机的故障将会导致整个控制系统的瘫痪； 由于当时计算机技术所限，系统控制软件采用结构化编程方法实现，控制系统难 于修改和扩充。随着系统规模和复杂性的增加，实时响应能力变差。 ( 2 ) 递阶式 递阶式控制结构采用层次控制思想，将控制功能分布成塔型结构。这些分布 在不同层次上的功能实体有其独立的控制能力，上下层次的控制功能实体之间存 在着一种主仆关系。上一层次协调下一层次的所有活动，上层计算机做出主 要的决策逐层向下传递，同层次的功能实体之间的信息传输是被禁止的嗍。这样， 不同的控制活动可被分解到不同的计算机上，由相应的计算机来完成这些控制活 动的功能【9 】。随着p a s c a l ，c 等高级语言出现，控制系统软件设计方法从结构化 转向模块化系统的设计，调试工作可以并行地展开 4 递阶式控制体系结构的优点：由于采用层次控制的思想，整个系统的计算能力大 幅度提高；控制任务在不同层次上划分，确保了需实时处理的任务及时得到处理； 在每一层次上，可以及时处理下层反馈的信息，以及时调整该层次的控制策略。 从而，提高了控制系统的适应性和应变能力( 1 0 1 。其缺点表现在：层次之间不可靠 的通讯连接会引起上层和下层之间信息传递失效；由于层次之间存在很强的主 仆关系，使得对控制系统容错能力、可扩充性、资源共享、鲁棒性和动态环境 的适应性等问题的处理上出现较大的难度川；由于刚性的层次结构和模块之间复杂 的依赖关系，使得控制系统在结构上的修改、变更和扩充难以实现 1 1 】。 ( 3 ) 分布式 分布式控制结构是随着分布式计算机和人工智能的发展而出现的一种控制与 组织结构它把制造系统的各种功能模块看成是一个个自治的实体，它们之间没 有主从关系，通过消息的传递来实现系统的整体控制各控制计算机通过通信网 络互相联结，系统控制功能的实现和全局决策的制定通过各功能模块的协调和协 作完成。局部模块享有充分的自治权，在大部分时间里按照自己的控制策略和行 为目标实施控制，只在必要的时候进行协作，确定解决方案和任务的分配。 分布式控制结构主要采用自治和协作的方法来解决全局决策问题，是实现制 造系统动态重组的技术基础和保证，对于实现敏捷制造具有重要意义其主要优 点为：软件开发的复杂度降低，各模块可以独立开发，容易实现；实体有充分的 自治，易于维护和修改；容错性好，局部故障不会影响到其他模块；扩展性好， 系统扩展后，加入相应模块就可以实现控制功能，不需要修改现有系统。当然也 有其缺点；可以实现局部优化，难以实现全局优化；需要较高的网络通讯能力和 计算能力；目前缺乏相应的商品化软件支持。 ( 4 ) 递阶分布式 f m s 递阶分布式控制体系结构是一种混合控制体系结构。一方面，它采用了 递阶控制思想，将控制功能分布成金字塔型结构。其递阶方式采用m s i ( m a n u f a c t u r i n gs y s t e m si n t e g r a t i o na r c h i t e c t u r e ) 的三层递阶：最上层为f m s 控制 器，主要由计划与调度和派送与监视模块组成；中间层为单元控制器，主要由内 部资源实体组成；最底层为设备控制器这些分布在不同层次上的控制实体具有 独立控制对象功能，下一层次实体的活动受到上一层次实体的监视和协调，系统 具有全局优化能力，能避免采用完全分布式控制带来的局部优化。另一方面，同 一层次的实体具有局部自治能力，它们互相合作，共同完成该层的各种活动，松 弛了层次之间的“主一仆”关系，具有分布控制的优点。 递阶分布式控制体系结构结合了递阶式控制的合理层次性、数据一致性和分 布式控制的自治性、报文传输的有效性，使f m s 的总体结构具有模块性、开放性、 硬软件功能兼容性和可扩展性 1 4 课题的提出 仿真是评价制造系统优劣常用的工具。传统上，仿真的作用主要局限于系统 计划与设计，以此为目的开发了多种商业软件，如a r e n a ，a u t o m o d ，p r o m o d d 等。用于设计与计划的仿真模型通常是使用统计分布方法建立的统计模型。这些 模型通过估计分析来确定设计变量、控制策略和系统性能指标等。当设计方案一 旦确定后，这些模型便失去了作用。 近年来，有学者提出了将仿真用于实时调度，根据实时车间控制系统的状态 动态选择调度策略【2 9 】研究结果显示根据当前的系统状态和仿真能对系统的状态 进行预测，通过动态调整调度方案和控制策略能改善系统性能 文【2 5 】首次提出了基于仿真的控制思想，在r a p i d c i m 部分工程中将可以与一 个复杂系统进行实时交互且具备系统运行实际模式的a r e n a 仿真用于控制系统， 使之具备一般控制系统的计划、调度和实时控制功能。下列实验室验证并实施了 基于仿真的控制系统：1 ) p e r ms t a t ec i m 实验室，2 ) t e x a sa & mc o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g ( t a m c a m ) 实验室，3 ) t e c h n i o n - i s r a e li n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y 实验室 和4 ) u n i v e r s i t yo f a r i z o n ac i m 实验室。 基于仿真的车间控制系统的实现，在国外进行了大量的研究1 9 8 8 年，m u r r a y 和s h e p p a r d 运用结构化交互式对话框获取模型信息，在s i m e a n 中生成了仿真代 码；1 9 8 9 年，s c h r o c r 和t s e n g 使用交互式对话框在g p s s 中生成了仿真代码；1 9 9 3 年，y u a n 等运用包含操作关系式和系统配置列表的批处理文件，在s i m a n 中生成 了仿真代码；2 0 0 0 年，l e e 等在w i t n e s s 中生成了仿真代码。这些研究仅仅涉及仿真 代码的生成，并不能完全与车间控制联系起来。2 0 0 2 年，s a m b o n gk i m ，j u n g y o u p w o o 等通过研究，建立了基于仿真的f m s 控制系统的框架模型，并验证了该方案的 可行性f 1 2 】 本文在采用面向对象方法对f i v i s 控制系统进行分析的基础上，运用基于仿真 的方法建立了f m s 的控制模型，并将其应用于实验室教学型s i _ , - f m s 。基于仿真的 f i v i s 控制方法有以下优点： ( 1 ) 能实现仿真控制软件的“即插即用”，并能与外部模块结合，具有良好的 开放性，例如与外部数据库的互操作或对外部调度模块进行调用； ( 2 ) 实时监控与仿真。基于仿真的控制系统中，仿真模型能实时反应系统状态。 ( 3 ) 离线产品估计与成本预测； ( 4 ) 实现了仿真代码与控制代码的重用，将仿真直接用于控制，节省了开发成 6 本，提高了开发效率 1 5 本文的主要研究内容 根据f m s 的特点和存在的问题，以f m s 控制系统为研究对象，结合f l e x s i m 和v c + + 的应用，本文主要进行了以下几方面的工作： 1 建立基于仿真的f m s 递阶分布式控制体系结构 在分析f m s 集中式、递阶式、分布式、分布递阶式控制系统特点的基础上， 详细描述了f m s 递阶分布式式控制系统的体系结构。根据基于仿真的控制思想， 为实现基于仿真的车间控制系统，建立了基于仿真的f m s 递阶分布式控制体系结 构。 2 面向对象的f m s 控制系统分析 运用基于面向对象的系统建模和分析方法，对f m s 控制系统进行静态分析和 动态分析，建立了f m s 控制系统中各物理对象的功能模型( i d e f o 图) 、信息模 型( 信息流图) 和动态模型( 状态转移图) 。 3 基于仿真的f m s 控制系统开发 以实验室的教学型s l - f m s 为例，选用f l e x s i m 仿真软件，在对该系统实b 寸控制系 统分析的基础上，开发了基于f l e x s i m 仿真的f m s 控制系统。该系统包括数据输 入输出、仿真、实肘控制三大模块。实时控制模块开发了中央控制器和单元控制 器，中央控制器主要用于建立仿真模型、任务的派送与监视：单元控制器主要用 于任务的执行以及负责给中央控制器提供底层设备的状态反馈。 4 基于仿真的f m s 动态调度 介绍了f m s 两种调度类型，运用仿真调度理论解决f m s 的动态调度问题， 为保证决策的可靠性，引入并改进了基于虚拟队列的启发式动态调度。文中将该 方法应用于实验室s l f m s 调度中，对其可行性进行了验证。 7 2 基于仿真的f m s 控制系统模型分析 2 1f m s 递阶分布式控制体系结构 f m s 递阶分布控制系统的体系结构着重描述了各层次实体之间的数据和信息 传输结构( 如图2 1 所示) 。具有实时控制能力的各物理对象之间信息传输都采用 功能相同的客户朋务器机制接口，消息的发送和接收都采用统一的标准。当内部 资源对象接收到消息后，将其解码为控制命令，控制命令将触发物理对象和物理 设备状态迁移。非实时控制实体之间的数据传递都通过网络客户服务器传输方式 共享f m s 通用数据库的信息来实现 f m s 递阶分布控制系统主要由f m s 数据库、工装管理实体、订单管理实体、 计划与调度实体、派送与监视实体和内部资源实体六部分组成。下面介绍这六部 分的基本功能特性 f m s 数据库存储工装管理、订单管理、计划等实体的静态信息以及调度、派 送与监视、内部资源等动态信息。 图2 - 1f m s 递阶分布控制体系结构 f i g 2 - 1f m sd i s t r i b u t e d h i c r a r c h i c mc o n t r o la r c h i t e c t u r c 工装管理实体的职能是管理和维护f m s 数据库中的工装资源数据和它们之间 的联系。数据库中所存放的工装资源数据主要是指在生产活动中所涉及到的各类 零件的工艺计划、与工艺计划相对应的各工序的数控程序和与工艺计划相对应的 8 工装资源总体的几何、性能参数及数量。工装管理为计划与调度实体提供工装资 源方面的技术数据；为制造单元的d n c 提供数控程序、刀具参数等技术数据；为 装卸站单元提供准备加工的零件毛坯数量、夹具数量、托盘数量等。 订单管理实体主要用于订单的维护和管理。它为计划与调度实体提供零件的 种类、数量、交货期等方面的计划和调度用数据；同时可查询订单的完成情况 计划与调度实体在功能上分成计划和调度两部分。计划是根据生产订单、机 床加工能力、工装要求等数据来生成系统可具体实施的日( 班次) 作业计划；为了满 足机床刀库的装载能力，对其计划期内的零件进行分批，零件分批是把一个计划 期内的生产任务分成若干个实际可加工的批任务；然后在分批的基础上，确定各 批零件中的所有工序的加工机床，分配相应的刀具到机床的有限刀具库中，使机 床加工时负荷处于平衡。调度实体将计划好的作业进行优化排序，其目的是提高 机床利用率、降低在制品的数量。 派送与监视实体是f m s 实时控制系统的重要组成部分其主要的职能是： ( 1 ) 按计划与调度实体产生的各零件排序安排f m s 各特定物理对象的调度顺 序。 ( 2 ) 通过网络通信的方式给内部资源发送控制消息。同时接收来自内部资源实 体的反馈信息。 ( 3 ) 监视零件的当前状态和f m s 中各物理对象的运行状态。 ( 4 ) 当系统出现异常情况时，将通知计划与调度实体对现有的作业作重调度， 以恢复系统的正常运行。 内部资源实体描述内部资源中每个物理对象的行为特征。根据的不同物理对 象的类型，可将其分成如下三类： ( 1 ) 加工物理对象：它们能使产品性能发生物理变化和逻辑变化，例如：c n c 机床( 物理变化) 和测量工作站( 逻辑变化) 。 ( 2 ) 储存物理对象：它们仅能储存零件，不能改变零件的特性，例如：局部缓 冲区物理对象和装卸站物理对象。 ( 3 ) 运输物理对象：在加工物理对象和储存对象之间运输零件，例如：自动导 向小车( a g v ) 、机器人物理对象和操作人员。 为了使控制系统具有可重用及一定程度上的可重构性( 如：物理对象的可删 除性和可扩充性) ，将内部资源实体中加工物理对象、运输物理对象、存储物理对 象封装为独立的模块。向上，内部资源通过网络通信，用于接收来自派送与监视 实体的控制命令，以及向派送与监视实体发送反馈信息；向下，将来自上层的控 制消息解码为控制命令并通过现场总线传给设备控制器，同时接收来自设备控制 器的反馈消息，并经过解码传输给派送与监视实体。向上的通信采用客户机服务 9 器的动态请求响应机制来实现。客户机月酲务器的传输机制为所有对象提供了统一 的接口，可方便的“即插即用”，实现对系统的重构。内部资源的功能主要是通过 具有局部自治能力的加工物理对象、运输物理对象和存储物理对象间的互相合作， 共同完成制造过程中的各种活动。 2 2 基于仿真的f m s 控制系统 根据文u 2 ，基于仿真的控制系统实际是将仿真系统中实施数据库管理、计划 与调度、派送与监视的功能。结合上一节中对f m s 递阶分布式控制系统的结构分 析，在基于仿真的控制系统中，仿真控制器的功能实际是在执行派送与监视的功 能。因此本文中，派送与监视的功能由仿真控制器完成。控制体系如图2 - 2 所示。 i 物理对象 ： - - - - - - _ - - - - - - - - - o 一 圈2 - 2 基于仿真的f m s 控制系统体系结构 f i g 2 - 2s i m u l a t i o n - b a s e df m sd i s t r i b u t e d h i e r a r c h i c a lc o n t r o la r c h i t e c t u r e 上述体系结构中的仿真控制器具有实时仿真功能，并且能在仿真系统中进行 面向对象建模。仿真控制器还可以与外部数据库进行交互，进行工装管理、订单 管理，与计划与调度实体有良好的连接接口 在该体系结构中仿真控制器通过基于s o c k e t 的t c p i p 通信与单元控制器交 互。单元控制器实旋系统的执行功能并实对采集系统中各设备的状态信息。实施 任务时，仿真控制器根据计划与调度的结果安排仿真进程，并在仿真中某一动作 执行的同时向单元控制器发送控制指令，单元控制器接收到来自仿真控制器的指 1 0 令消息后，将指令发给设备控制器。单元控制器的实时检测模块实时检测底层设 备的状态。仿真控制器给单元控制器发送消息后，一方面仿真继续进行，另一方 面仿真控制器等待来自单元控制器的“c o m p l e t i o no k ”消息当单元控制器检测 到底层设备的动作完成，则向仿真控制器发送“c o m p l e t i o no k ”消息，仿真控制 器收到消息便能判断该任务已经完成 仿真控制器与单元控制器通过任务初始队列( t i q ) 和任务完成队列( t c q ) 进行交互。仿真控制器使用1 1 q 指示单元控制器执行特定的任务并接受来自单元 控制器的t c q 。这种结构使系统具有即插即用的功能。 由此可见，将仿真用于系统决策有以下几个方面的优点：1 ) 具有良好的开放型， 能将外部模块嵌入到系统中，例如数据库或外部决策程序；2 ) 实时监控与仿真；3 ) 离线产品估计与成本预测。 2 3 面向对象的f m s 控制系统分析 2 3 1 面向对象的控制系统分析和建模方法 传统的结构化控制系统分析方法如结构化分析和设计技术( s t r u c t u r a la n a l y s i s a n dd e s i g nt e c h n o l o g y ，s a d t ) 、i d e f 等，多是面向问题的串行开发方式。它们 以系统中的数据及对数据处理的过程为中心，将系统按功能进行分解系统功能 模型与设计模型之间缺少显式联系，模块划分的一致性不能得到保证，软件的稳 定性和通用性较差，系统开发效率低。 近年来，基于面向对象( o b j e c t - o r i e n t e d ，o o ) 的系统建模和分析方法已开 始用于f m s 的分析和设计中。与传统的结构化建模将系统按功能分解不同，面向 对象思想认为系统是由一系列相互作用的对象构成，而对象则是由数据以及对数 据进行操作的进程或方法封装而成，对象之间通过发送消息相互联系，消息构成 了对象的界面。采用面向对象方法进行系统分析的基本步骤是；1 ) 识别出与系统有 关的对象，并用属性( a t t r i b u t e ) 和方法( m e t h o d ) 描述对象的性质及活动；2 ) 以 消息( m e s s a g e ) 反映对象之间的关系，通过消息传递描述系统的运行 基于面向对象的控制系统设计将控制系统分解成实际系统中存在的对象。使 得软件模块与实际系统具有相似性，使控制系统具有可重用性和可扩充性。以面 相对象思想分析f m s 时，可以用对象表示系统中的设备，用消息表示控制命令， f m s 的控制运行则可以用对象之间的消息交换进行描述。面向对象在f m s 控制系 统中的应用主要有两个方面【1 】：1 ) 面向对象分析( o b j e c t - o r i e n t e d a n a l y s i s ，o o a ) ， 包括对对象、属性及方法等的认定，构造出虚拟现实系统，并对系统功能作出分 析；2 ) 面向对象设计( o b j e c t - o r i e n t e dd e s i g n , o o d ) ，即在o o a 的基础上，采用 面向对象的编程方法，实现系统设计；从o o a 到o o d 是自底向上的过程。本节 主要研究f m s 控制系统的面向对象分析( o o a ) 问题。 2 3 2f m s 控制系统分析 f m s 控制系统总体功能主要由数据库管理模块、计划与调度模块、实时控制 模块三部分组成【l ”。本文主要研究实时控制模块及计划与调度模块，因此本节主 要针对实时控制模块进行分析 对f m s 进行实时控制功能建模时，先要确定柔性制造系统中的所有物理对象， 并对各个物理对象进行静态分析，包括进行需求分析、各物理对象的功能分析和 建立实时控制系统的功能模型。描述功能模型一般采用结构化分析和设计技术 ( s t r u c t u r e da n a l y s i sa n dd e s i g nt e c h n i q u e ，s a d t ) 或i d e f o 图方法。在静态分析 的基础上，确定各物理对象的所有状态以及改变状态的事件动作，建立各对象的 状态转移图( s i a mt r a n s i t i o nd i a g r a m ，s t d ) 。 i 控制系统中各物理对象的功能模型 柔性制造系统中的各物理对象的操作既具有独立性，同时它们之间又具有密 切的关联性，整个制造系统的运作是通过各物理对象相互协调动作来完成的。为 了分析各物理对象之间的联系及实时控制系统的功能，必须构造各物理对象相关 联的功能模型，功能模型将用物理对象所执行的生产活动间的信息流和物流来描 述输入，输出关系。 下面以北京交通大学现代制造技术综合实验中心教学型s l - f m s 的配置实例 ( 如图2 3 所示) 为研究对象，建立控制系统中各物理对象的i d e f 0 功能模型( 如 图2 - 4 所示) ，模型中有四个功能块：加工控制、物流运送控制、装配控制以及装 卸控制。 根据对象属性的不同，我们将s l f m s 中的对象抽象以下分为三种基本类型： 1 1 物理对象，与f m s 中的有形实体相对应，例如：数控铣床、立体仓库、工业机 器人以及雄垛机等。对于这类对象建模过程中主要关心其物理特征；2 ) 数据对象， 如：生产计划、任务单、n c 程序以及调度规则等。这类对象在f m s 中可能没有 有形的实体相对应，通常以数据形式表达及存在，建模时主要关心其信息内容； 3 ) 控制决策对象：如动作命令、设备状态等。这类对象是逻辑对象，在f m s 中没 有有形的实体与之对应它的主要功能在于评价系统的状态，发送动作命令等。 这三类对象在f 鸺的生命周期中不是孤立存在的，而是相互联系、共同形成一个 不可分割的整体。 ( 1 ) 环行传送带；( 2 ) 立体仓库a s r s ；( 3 ) 数控铣床：( 4 ) e r 9 机器人； ( 5 ) 数控车床；( 6 ) 检验站；( 7 ) e r 5 机器人；( 8 ) 包装站 ( 9 ) 预留上料站；( 1 0 ) 预留站 图2 - 3 教学型s l 广f m s 的硬件布局图 f i g 2 - 3h a r d w a r el a y o u to f t h ed i d a c t i c a ls l f m s 图2 - 4 教学型s l - f m s 实时控制系统中的各物理对象功能 f i g 2 4t h eg e n e r a lf u n c t i o no f t h ed i d a c t i c a ls b f m sr e a l - t i m ec o n c r o ls y s t e m 2 控制系统中各物理对象的信息流图和状态转移图 分析教学型s l - f m s 的运行机制，得到s l - f m s 中对象及其关系如图2 - 5 所示。 其中，矩形框表示系统中的对象，矩形框间的连线则表示对象之间的关系。例如： 中央控制单元对其它控制对象具有控制关系、对数据对象具有管理关系，而数控 机床与n c 程序、毛坯之间则是使用和被使用的关系 图2 5 教学型s l 。f m s 中对象及其关系 f i g 2 5r e l a t i o n sb e t w e e no b j e c t so f t h ed i d a c t i c a ls l - f m s 根据对象类功能的不同，可以对上述对象类进一步划分为更多的子对象类 不同对象类具有不同属性。在基于v i s u a lc + + 及a c c e s s 数据库开发的f m s 控制及管 理软件中，部分对象及其属性如表2 1 所示。 表2 1 教学型s l - f m s 中部分对象及属性 对象属性 计划基本数据计划号，任务号，交货期，开工时间，完工时间 计划零件单序号，任务号，零件号，数量 数控程序n c 程序号，所含零件 作业队列作业号，n c 程序号，设备号，加工开始时间，加工完成时间 当前库存货格号，数量，入库时间 设备历史记录序号，设备号，起始时间，终止时间，状态 图2 - 5 仅从总体上描述了s l f m s 中对象类之间的基本关系。实际上，在 s l - f m s 运行过程中。每个对象类都具有多种不同的状态，对象状态的改变是由于 在离散时间点上发生的内部或外部事件引起的。因此，有必要对对象状态的改变 与相关事件之闻的关系做出分析和界定，进而分析与各对象及系统有关的动态信 息。 信息流图( m e s s a g ef l o wd i a g r a m ，m f d ) 和状态转移图( s t a t et r a n s i t i o n d i a g r a m ，s t