第七章 自动化制造系统的控制系统

1、一、CIMS的递阶控制结构 递阶控制系统：将整个控制系统划分成若干层次，各层次独立完成各自的功能；层与层间保持信息交换，上层向下层发布命令；下层向上层回送命令的执行结果；通过信息联系，构成完整的系统。例如五层(即工厂层、车间层、单元层、工作站层、设备层)递阶控制结构如图4-27所示。 分层的好处：把复杂控制过程的管理和控制进行分解，分为相对简单的过程，分别由各层计算机去处理，功能单一，易于实现，不易出错。各层的处理相对独立，易于实现模块化，使局部增、减、修改简单易行，从而增加了整个系统的柔性和对新技术的开放性。分层处理对实时性要求有很大差别的任务，可以充分有效地利用计算机的资源。不过，究竟是分

2、几层好，这要视具体对象和条件而定，不可干篇一律。 在分级控制结构中，任务的安排是根据自身的功能或在系统市的作用而定的，不同的系统其控制结构的差别在于：分配给系统各部分任务的方式不同，以及将控制程序分开或合并的组合方式不同。 自动仓库自动仓库AGV小车小车交通管理交通管理车间计算机车间计算机单元管理计算机单元管理计算机单单元元层层工工作作站站层层设设备备层层 负责全面管理、负责全面管理、协调和控制协调和控制FMSFMS的的各项活动各项活动 协调各种设备协调各种设备的操作的操作执行各种操作执行各种操作管理系统体系结构：管理系统体系结构：多级计算机递阶控制多级计算机递阶控制A A工作站工作站计算机计

3、算机物流管理物流管理计算机计算机B B工作站工作站计算机计算机机器人二、FMS控制管理系统三、FMS单元控制系统软件(一)FMS单元控制管理信息 单元控制系统信息输入主要有以下几个方面。1计算机辅助生产管理信息 1)生产作业计划。 2)物料需求计划。 3)设备能力需求计划。2计算机辅助工艺规程 设计信息 1)工艺计划信息。 2)零件制造参数。 3)刀具需求信息。 4)零件数控加工程序。 3单元控制系统状态 信息 1)数控加工设备。 2)数控测量设备。 3)零件清洗设备。 4)物料自动运储系统。 5)刀具自动运储系统。 ( (二二) ) 单元控制系统软件的功能单元控制系统软件的功能名称功能工作内

4、容名称功能工作内容生产管理子系统生 产调度作 业优化运 行仿真制造日程计划制造资源分配生产作业管理产值利润管理设备运行程序仿真物料交换过程仿真物料（刀具、托盘等）需求仿真动 态 调 度 仿 真生产日程仿真运行控制子系统物料流动控制与协调设备运行控制与协调系 统 启 停 控 制现场调度设备运行程序的分配与传送加工控制与协调检测控制与协调清洗控制与协调装配控制与协调物料存储控制与协调物料输送控制与协调物料交换控制与协调故障维修与恢复（续表）名称功能工作内容名称功能工作内容数据管理子系统物 料数据管理基 本数据管理工 艺数据管理资 源维护管理毛坯在库管理成品在库管理在制品在位管理设备运行程序管理刀具

5、预调与刀具补偿管理工件坐标管理设备与刀夹量辅具基本参数管理设备与刀夹量辅具使用时间管理设备与刀夹量辅具精度管理故障历程管理设备日常保养管理系统耗材管理质量保证子系统质 量监控物 料识别故 障诊断质 量管理系统运行状态监控设备生产状态监控系统运行环境监控设备与工具使用时间监控物料识别与跟踪物料中转时间监控故障诊断和处理监视检验指标与检验程序生产质量在线检验控制检验结果判定质量分析与统计四、FMS单元控制系统硬件配置原则 单元控制器可采用具有有限实时处理能力的小型计算机或工作站； 工作站控制器可采用具有较强控制功能的工业控制机或微型机； 设备控制器可由有实时控制功能的微型计算机及可编程控制器等组成

6、。作业：1.FMS单元控制系统输入和输出的信息有哪些？2.FMS单元控制系统软件包含的主要子系统及其功能是什么？ 自动化制造系统的信息系统：计算机网络硬件（计算机 通讯器件 检测器件）相应的软件（程序 数据库）自动化制造系统信息系统的物理配置内容： 1)自动化制造系统控制体系结构的选择与设计。 2)自动化制造系统计算机硬件系统与通信网络的体系结构设计。 3)自动化制造系统计算机软件系统的设计。 以下重点讨论如何根据信息需求确定自动化制造系统的通信网络(拓扑)结构和总体方案。 一、网络选择的基本步骤 单元控制器底层网络方案选择的一级步骤如图4-32所示。主要包括信息传输需求分析、网络功能模型设计

7、、网络体系结构选择、网络物理配置设计等内容。 二、信息传输需求分析 单元运行过程中所涉及的信息可以分成三类，即资源配置信息、控制信息和系统状态信息。1. 资源配置信息 制造单元系统配置信息，如加工、清洗或检测设备编号、类型、数量等； 物料流等系统资源基本信息，如刀具几何尺寸、类型、寿命数据，托盘的基本规格相匹配的夹具类型、尺寸等。 2.控制信息 控制系统运行状态，特别是有关零件加工的数据。 工程控制数据，如零件的工艺路线、NC加工程序代码等； 计划控制数据，如零件的班次计划、加工批量、交货期等。 3. 系统状态信息 反映系统资源的利用情况 设备的状态数据，卸系统、物料传输系统等装置的运行时间、

8、停机时间、故障时间及故障原因等。 物料状态数据，如刀具剩余寿命，破损断裂情况及地址识别，零件实际加工进度等。各层之间数据传输频率如下。1单元控制器与工作站控制器之间的信息传输 1)下达零件加工任务(信息包括资源配置信息和控制信息) 2) 工作站反馈的状态信息，传输频率为：数次天。2工作站控制器与设备控制器之间的信息传输 1) 下达的NC程序，传输频率为：数次天； 2) 向设备层发出的控制命令，传输频率为：数次天； 3) 设备层状态信息反馈，传输频率为：数次天。 三、网络功能设计 FMS为例，为了满足单元控制系统中信息递阶控制的分层结构，单元控制系统中的通信网络可以划分为两个层次一是单元控制器与

9、工作站之间的网络，二是工作站控制器与设备控制器之间的网络，两者在功能及性能上的要求不完全相同。1单元控制器与工作站之间的网络功能和性能要求1) 网络体系结构应具有下列功能支持异种机及异种操作系统(如VMS、UNIX、DOS等) 上网；Virtual Memory System (vax)网络协议符合国际标准或工业标准；能与异构网连接。 2) 网络功能包括：文件传递；报文传送；电子邮件；虚拟终端；进程间通信；分布式数据处理与查询。3) 网络性能；传输速率：110Mbps；误码率：107以下；响应时间：秒级； 传输距离：100-1000m。4) 网络管理保障功能：网络管理服务；计算机及网络安全；网

10、络平均无故障时间至少一年以上。2工作站控制器与设备层网络的功能和性能要求1) 传送NC程序，控制命令，应答状态反馈信息；2) 进程间通信； 3) 误码率：107以下；4) 响应时间：毫秒级； 5) 传输距离：50m以内。 四、网络的物理结构1自动化制造系统单元的网络结构 对于中、大型自动化制造系统单元，其网络物理结构如图4-33所示。对物理结构的说明如下：1) 单元控制器与工作站控制器之间般用LAN连接，选择的LAN应符合ISOOSI(Individual System Operation, Open System Interconnect Reference Model)参考模型，网络协议最

11、好选用MAP30。如条件不具备，也可以选用TCPIP与其它软件相结合的方式如Ethernet标准。2)工作站控制器与设备层之间的连接可采用几种方式，一是直接采用RS一232C或RS一422异步通信接口；二是采用现场总线；三是使用集中器将几台设备连接在一起，再连接到工作站控制器上。 2DNC型单元网络结构 DNC型单元是组成制造单元的另一种形式，在这种结构的制造单元中有物料自动传输系统，因此设备间的信息交往要少得多。 DNC型制造单元的通信结构主要指数控系统的接口通信能力和数控系统与计算机间的物理连接、通信协议、数据结构、系统作业时序及联网能力等。从现在的情况看，计算机与机床控制器之间互连的拓扑

12、结构主要有三种形式，即：点一点型，现场总线型和局域网型。 1)点一点型 点一点型拓扑结构连接形式的一个例子如图434所示。其中DNC中央计算机和数控机床(加工中心) 被分别称为连接中的节点，连接接口常采用RS232C和20mA电流环，也可用RS422或RS一485通信速率一般在100一9600bit之间。 2) 现场总线型 现场总线相当于“底层”工业数据总线，常用于分布式控制系统和实时数据采集系统中。它有以下特点：该连接方式造价较低，可用于组合成中小型DNC系统；与LAN连接方式相比，现场总线只发送或接收规模较小的数据报文，并且以这种数据报文作为与较高一级的控制系统实现设备数据往返传送的有效手

13、段。3) 以LAN连接 图435是CIMS/ERC(国家CIMS工程研究中心，清华大学) 工程研究中心的DNC互连结构，互连的介质为LAN。该结构中，各站点(DNC系统) 通过一条公用的通信介质(如双绞线、同轴电缆或光缆) 连接在一起。图中连上的有DNC中心计算机(HP9000) 和终端服务器两种。 作业1.自动化制造系统信息系统的物理配置内容。2.自动化制造系统的网络系统起什么作用？设计原则是什么？3.详述单元运行过程中所涉及的信息内容。4.画出一种自动化制造系统单元的网络结构图。一、FMS生产计划调度与控制系统 计划调度系统是FMS控制系统的核心功能软件。计划与调度的目的是保证按期交货，均

14、衡生产，提高设备利用率，缩短生产周期。（一）FMS生产计划调度与控制的层次结构 FMS生产计划调度与控制又分为四个层次，(如图4-29)。 作业计划 主要任务是接受车间订单，并根据零件交货期的先后顺序制订出FMS系统的作业计划或班次作业计划； 静态调度 主要任务是日或本班次作业计划的细化，它要完成工件分组、工件组组间排序、加工设备负荷分配及工件静态排序等。（接下页） 动态调度 主要任务是在FMS加工过程中进行的，它的调度对象主要是系统内正在加工和在零件缓冲站前排队等待加工的零件，它根据系统资源的实时状态动态地安排零件的加工顺序。 系统资源管理 主要任务是在FMS运行过程中(有时也包括系统开始运

15、行前)对刀具、AGV、托盘与夹具、NC程序及人力资源等的管理，目标是提高系统内资源的利用率。负荷分配工件排序调度FMS计划与控制决策 单元控制器的计划规划时间范围：旬(周)到数小时或数分钟。在这时间范围内，FMS生产计划调度与控制系统不断对制造资源所面临的多种选择做出判断决策。二、FMS生产作业计划 FMS生产作业计划的主要任务是在接受车间级管理系统的订单输入后进行下列工作：（1）订单分析（2）日计划或班次计划制定（3）系统能力平衡的调整 （一）订单分析 是根据零件的工艺相似性按成组技术原理将工件分类，并按毛坯供应情况及零件交货要求大致排定单元加工任务的先后顺序。（二）日或班次作业计划制定 日

16、/班计划资源需求表最优分组2.目标 交货期准时 组数最少 组内负荷平衡 满足辅助资源约束（刀具、夹具、托盘数量等）1.任务 本质上是在订单分析排定零件分类优先级的基础上，进行生产任务的一次初始作业分配，将车间级订单任务落实到日或班次。要制订班次计划必须知道所加工的零件的各种工时定额这种工时定额是加工零件所需设备时间的一种综合评价指标，除了切削加工的时间之外还需包括加工该零件所需的调整时间和必要的辅助工作时间等参数。班次计划制订过程如图4-31所示。 车间级生产任务订单，经过验证之后，就对这些任务进行初始作业分配。然后将初始作业分配的结果进行仿真得到一系列评价指标。如机床利用率、刀具更换次数、每

17、天投入生产的零件数和输出的产品数、毛坯的结余数量等。 如果对该结果感到满意，就可以将其输出从而结束班次计划制订工作，否则进行必要的调整。参数调整是由系统管理员根据初始作业分配的结果对任务订单中的某些参数或设备资源的工作时间作局部的调整，然后重新执行韧始作业分配，以期得到令人满意的结果。 自动分配是在不考虑生产任务订单有关任务交货期的限制，并认为毛坯总是准备就绪的情况下，由仿真模块根据系统的生产能力和所有收到的任务订货进行优化分配。 （三）系统加工能力平衡与调整 分组与机床负荷分配算法包括数学规划法、基于仿真的方法、人工智能方法等。 下面介绍一种数学规划算法：极大消元法 待加工工件的工序可以由系

18、统中一台以上的设备加工完成，实际加工时，一道工序只能分配给其中的某一台设备加工完成。负荷最优分配就是为这些工序确定唯一的加工设备，实现优化目标： a）系统中各台设备的负荷尽可能相等； b）系统中负荷最重的加工设备负荷达到极小，从而使工件通过系统的最大流通时间达到极小。 （具体算法略）三、MAS的生产调度（一）静态调度（off-line/static scheduling） 工件进入系统的顺序每一设备的任务顺序表任务最大流通时间最短成本最低目标 静态调度实际已包含在作业计划中。MAS的调度主要指实时的动态调度。（二）动态调度（on-line/dynamic scheduling） 动态调度是在系统加工过程中对生产活动进行动态优化控制。故障设备的替代冲突的调整任务生产率最大设配利用率最大目标 调度原因：实际加工状况与加工之前制定的生产作业计划有出入，需要进行实时动态调度。 调度对象：对系统资源进行调度，包括机床、物料输送装置、缓冲存储站、刀具、夹具、机器人以及操作人员等。生产调度目标与评价指标 生产管理目标生产管理目标评价指标评价指标 优化资源利用 E1 平均机床利用率E2 最大机床利用率E3 平均小车利用率 减少库存量 E4 平均等待队列长度E5 最大等待队列长度E6 在制品库存量 减少费用 E7 平均加工时间E8 最大加工时间E9 正在加工的工件