机械制造自动化技术与工程运用

1、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统的新发发展制造系统统的新内内涵：“大制造造概念”制造系统统的新模模式：“FMSCIMS敏捷制制造智能制制造”制造系统统的新结结构：“Internet-Intranet-Infranet”三三网集成成结构现代制造造系统的的典型特特征：分散化、集成化化、智能能化（图）（图）图制造系统统的模式式发展趋趋势设备、技技术管理、市市场组织、人人员图制造系统统三网集集成结构构制造系统统对控制制系统的的新要求求 现代代制造系系统呼唤唤新一代代控制系系统敏捷制造造对制造造过程控控制系统统提出了了新的挑挑战 目前前缺乏从系系统的高

2、高度，特特别是对对网络化化制造环环境下的的控制系系统理论论和方法法的系统统化研究究分散性自治性性网络化可塑性性标准化化可移植植性可伸缩缩性可互操操作性敏捷制造造对控制制系统的的要求现有控制制系统存存在的问问题FMS采用递阶阶控制结结构，导导致系统统结构复复杂灵活性性、开放放性、集集成性差差单项技技术及系系统性能能有待提提高DCS开放性、互操作作性差一对一结结构抗干扰性性差失控状状态现有控制制系统的的技术瓶瓶颈（1）系系统控制制结构（2）信信息的综综合管理理（3）信信息的实实时处理理（4）生生产过程程及现场场设备的的远程访访问与控控制新一代控控制系统统的内涵涵新一代控控制系统统NCS (NewC

3、ontrolSystem)不仅应应包括数数据采集集和处理理、基本本过程控控制，而而且应包包括先进进的生产产管理、调度、优化、诊断及及高级控控制等。基本内内涵：柔性化化、扁平平化的体体系结构构；全分散散式动态态结构；系统的的实时控控制能力力；现场自自治能力力；现场设设备的互互操作性性；系统智智能化。新一代控控制系统统的研究究前沿*总体技技术与集集成支撑撑技术的的研究*通用智智能检测测控制前前端的研研究*先进控控制策略略的研究究*面向生生产目标标的建模模与优化化集成控控制技术术的研究究*智能监监控与故故障诊断断技术的的研究*综合管管理技术术的研究究NCS的的体系结结构与建建模研究究*制造自自动化系

4、系统的体体系结构构研究*NCS体系结结构研究究*NCS集成机机制*NCS生产过过程建模模研究CIMS的几种建建模方法法CIMS建模方法法是研究究CIMS的特征和和特性并并对它们们进行抽抽象描述述的技术术。CIMS是一个复复杂大系系统，包包含多个个视图，有多种种不同的的建模方方法用来来建立不不同视图图的模型型。功能建模模方法用于描述述系统的的功能组组成及其其各组成成部分间间的关系系。IDEE0方法应用用最广泛泛。IDEF0的基本思思想是结结构化分分析方法法。它是是由SADT（结构化化分析和和设计技技术）发发展而来来。IDEF0能同时表表达系统统的活动动和数据据流以及及它们之之间的关关系。对对新的

5、系系统来说说，IDEF0能描述新新系统的的功能及及需求，进而表表达一个个能符合合需求及及能完成成功能的的实现。功能建模模方法IDEF0采用递阶阶建模，用严格格的自顶顶向下逐逐层分解解的方式式来构造造模型。模型由由一系列列IDEF0图组成。掌握IDEF0建模方法法最困难难的就是是如何在在模型的的不同层层次间保保持一致致。IDEF0在功能活活动间并并不强调调时序的的限制，也不包包含时间间逻辑上上的信息息，使分分析更带带有普遍遍性。IDEF0的缺点是是无法表表达一个个过程的的详细信信息。信息建模模方法信息建模模是构造造一个能能满足系系统信息息需求的的信息模模型。它它描述系系统信息息的结构构及信息息间

6、的相相互关系系。最早早的信息息建模方方法是用用于数据据库设计计的E-R技术。在在IDEF系列方法法中，相相应的为为IDEF1及其扩展展的IDEF1x方法。信息建模模方法IDEF1x是一种数数据建模模方法，而IDEF1是一种定定义系统统信息需需求的分分析和交交流工具具。IDEF1主要与建建立系统统应管理理哪些信信息的需需求有关关，因此此它更偏偏向于作作为一种种分析方方法被应应用。一一旦确定定了系统统信息需需求，IDEF1x就可以作作为一种种好的设设计方法法用来设设计逻辑辑数据库库。信息建模模方法IDEF1x模型定义义了系统统中的数数据类和和数据类类之间的的联系。它的基基本结构构是：包包含数据据的

7、有关关事物，用盒子子表示；事物之之间的联联系用联联结箱子子的连线线表示；事物的的特征用用盒子的的属性名名表示。对应地地，IDEF1x模型成分分包括：实体、联系、属性/关键字。动态建模模方法动态建模模是从系系统随时时间变化化的动态态特性的的角度来来建立模模型的。通常动动态建模模总是和和仿真联联系在一一起。动态模型型的建立立方法很很大程度度上依赖赖于所建建模型的的系统的的复杂程程度。虽虽然，用用数学形形式表达达系统的的动态行行为可以以简明而而真实地地描述系系统的动动态特性性。但是是并非所所有系统统都能得得到它的的数学方方程。动态建模模方法在复杂系系统领域域，尤其其在CIM企业建模模领域，几乎是是无

8、法建建立其数数学表达达形式的的。这时时，通常常的做法法是建立立它的Petri网模型或或基于离离散事件件仿真的的动态模模型。Petri网建模方方法Petri网是德国国的Carl AdanPetri博士在1960年提出的的、研究究信息系系统及其其相互关关系的数数学模型型。Petri网理论经经过40多年来的的发展，已经成成为具有有严密的的数学基基础多种种通用层层次的通通用网论论，并且且在自动动控制及及计算机机领域得得到广泛泛的应用用。Petri网建模方方法Petri网按网的的抽象方方式可分分为普通通Petri网（OrdineryPetriNet，简称PN）、高级级Petri网（High Level

9、Petri Net，简称HLPN）以及扩扩展Petri网（ExtendedPetriNet，简称EPN）。基本本Petri网通常是是指库所所/变迁网（Place/Transition Net，简称P/TN）。Petri网建模方方法HLPN和EPN都是在PN的基础上上建立起起来的。HLPN一般又分分为谓词词变迁网网（Predicate/TransitionNet，简称Pr/TN）和有色色网（Colored Petri Net，简称CPN）。与PN描述的系系统相比比，HLPN具有更简简洁的描描述形式式，在实实际应用用中往往往用来作作为建模模工具，但对它它的数学学分析比比起PN来就要困困难得多多。E

10、PN是指建模模者根据据特定的的目的在在PN的基础上上定义的的，为方方便建模模而对PN扩充了一一些建模模功能的的特殊网网。Petri网建模方方法Petri网按时间间因素可可划分为为时间Petri网（TimedPetriNet，简称TPN）和非时时间Petri网。当TPN中的时间间为随机机值时，就称为为随机Petri网（Stochastic Petri Net，简称SPN）Petri网建模方方法Petri网的分析析方法主主要有可可达树分分析法、不变量量分析法法、马尔尔可夫链链分析法法以及仿仿真分析析法。可可达树和和不变量量分析的的是系统统的结构构性能。例如有有界性、安全性性、活性性和可逆逆性等。马

11、尔可可夫链和和仿真分分析的是是系统的的动态性性能。例例如统计计库所中中某种颜颜色的令令牌数、某个库库所中的的令牌的的平均停停留时间间，在一一段时间间内某个个变迁的的平均点点燃次数数等。仿真建模模方法仿真是一一种动态态的系统统建模和和实验技技术。仿仿真分为为连续系系统仿真真和离散散事件系系统仿真真，对CIMS的仿真主主要属于于后者。就离散散事件系系统仿真真而言，典型的的仿真建建模方法法有事件件调度法法、活动动扫描法法和进程程交互法法。在对对实际系系统进行行仿真时时，这三三种方法法的使用用又互有有交叉。仿真建模模方法早先，进进行仿真真实验时时，需要要建模者者用高级级程序设设计语言言等实现现仿真算算

12、法。后后来，为为了方便便用户使使用，诞诞生了许许多专用用的仿真真语言，如GPSS、SLAMIT、SIMAN等，可以以用它们们来较为为快捷地地建立系系统的仿仿真模型型。近年年来，在在制造系系统领域域，人们们还开发发了很多多集成建建模仿真真环境，如FAST、FACTORY等，它们们提供了了一种简简便的、图形化化的非语语言建模模手段，使建模模者能够够迅速建建立制造造系统仿仿真模型型而免去去了学习习仿真语语言编程程之苦。决策建模模方法GRAI建模方法法是由法法国波尔尔多大学学GRAI实验室提提出的用用于建立立系统决决策模型型的方法法。在CIMS决策模型型的建立立过程中中得到较较为广泛泛的应用用。GRA

13、I方法由概概念模型型、图形形描述工工具和结结构化实实施方法法三部分分组成。概念模模型有宏宏观模型型和微观观模型两两部分组组成。决策建模模方法宏观模型型用GRAI表描述，在GRAI表中，列列代表职职能，行行代表有有效期和和决策调调整周期期；决策策信息用用“决策策帧“包包装起来来，其中中包括决决策对象象、内容容、时间间区间、决策变变量等。GRAI表用来描描述决策策帧及某某些单个个信息在在GRAI表网格中中的流动动情况。决策建模模方法GRAI表中的每每个网格格称为一一个决策策中心，微观模模型就是是用来描描述决策策中心及及其相互互关系的的。每个个决策中中心用GRAI网，描述述其微观观决策过过程。另另外

14、，GRAI方法在实实施过程程中，对对各类参参加人员员的组织织以及分分阶段实实施的具具体过程程也有明明确的“结构化化”的规规定。面向对象象的建模模方法面向对象象建模的的技术OMT(Object-Oriented Modeling Technology)以往大大多被应应用于软软件系统统的开发发之中，由于它它能更直直接、自自然地描描述自然然界的事事物，在在软件界界得到广广泛的应应用。近近年来，人们已已经开始始将其应应用到更更为复杂杂的企业业系统建建模当中中。OMT方法法学采用用三种模模型，即即对象模模型、动动态模型型和功能能模型来来描述系系统。面向对象象的建模模方法对象模型型用对象象图的方方法描述述

15、了系统统中的对对象及其其相互之之间的关关系；功能模型型描述了了系统中中的活动动/处理理，反映映了数据据/信息息的变化化；动态模型型通过状状态图或或表描述述了系统统中对象象之间交交互的动动态行为为。上述三种种模型相相辅相成成地构成成了一个个完整系系统的正正交视图图。面向对象象的建模模方法O-O方方法的基基本特点点，包括括分类(Classification)、封装装性(Encapsulation)、基基于消息息的通讯讯机制、继承性性(Inheritance)和多多态性(polymorphism)等，为制造造系统的的建模提提供了强强有力的的解决方方案。面向对象象的建模模方法根据O-O方法法，现实实世

16、界中中的任何何事物/现象（活动、过程、组织和和资源等等），无无论抽象象的还是是具体的的，都可可以看成成是一个个完整的的实体对对象。在在抽象层层，相似似的事物物/现象象可以分分类/聚聚合，根根据共享享的特性性和行为为聚合成成为对象象类。O-O的的封装性性将对象象的所有有方面封封装在对对象/对对象类之之中，包包括属性性（信息息）和操操作（行行为），将对象象的封装装性扩展展，使之之可以将将活动、组织和和资源封封装到过过程之中中。面向对象象的建模模方法对象之间间的基于于消息传传递的通通讯机制制使得对对象的协协作变得得十分灵灵活，在在保证跨跨组织对对象的协协作性的的同时，还提供供了组织织内部信信息等资资

17、源的安安全性的的保障。对象的的多态性性，使同同一个对对象能够够对不同同的消息息，产生生不同的的输出结结果，这这就使得得制造系系统中的的过程、组织、活动和和资源等等对象变变得更为为灵活。继承性性使得面面向对象象的制造造系统可可以很容容易地更更改和重重配置。敏捷制造造对制造造过程的的管理与与控制的的需求1.制造造企业的的基本流流程制造企业业的基本本流程由由5个部分组组成：调调查、决决策、投投入、转转换、产产出，如如下图所所示制造企业业的基本本流程制造企业业的基本本流程其中转换换，即生生产制造造过程是是制造业业经营的的基础。它要按按期生产产出高质质量低成成本的产产品，生生产过程程中要进进行严格格控制

18、，即通过过生产控控制，组组织多品品种有节节奏的均均衡生产产，保质质保量按按期生产产出产品品，为及及时交货货提供保保证；通通过贮存存控制，为经济济合理地地组织稳稳定的均均衡生产产提供物物质基础础；通过过质量控控制，保保证稳定定的生产产优质产产品；通通过成本本控制，努力把把活劳动动和物化化劳动的的消耗降降低到最最低限度度，为在在竞争中中降低价价格，增增加盈利利提供物物质基础础。敏捷制造造对制造造过程的的管理与与控制的的要求敏捷制造造要求现现代的制制造过程程管理和和控制系系统能够够将计划划流、控控制流、质量流流、工艺艺信息流流全面集集成，还还必须具具有开放放性、自自组织、自适应应和可重重构的能能力，

19、能能够在企企业的集集成中起起到承上上启下的的桥梁作作用。敏捷制造造企业要要求其制制造过程程的管理理与控制制系统应应具备如如下特征征（1）分散网络络化的生生产指挥挥系统、协调调调度系统统；（2）采用基于于数据处处理基础础上的生生产调度度、制造造资源的的优化配配置；（3）模块化制制造单元元，可根根据新产产品动态态重组；（4）管理与控控制集成成于一体体；（5）开放式的的结构，与外界界信息在在线跟踪踪；敏捷制造造企业要要求其制制造过程程的管理理与控制制系统应应具备如如下特征征（6）具备一定定的通用用性，适适合多种种生产方方式；（7）全面质量量管理体体系，实实现产品品质量由由设计决决定；（8）工序成本本

20、核算、业绩分分析，使使车间成成为利润润中心；（9）综合信息息管理与与制造资资源状态态报告；（10）以人为为核心。敏捷制造造企业要要求其制制造过程程的管理理与控制制系统应应具备如如下特征征这些特征征归结起起来，敏敏捷制造造要求制制造过程程的管理理与控制制系统必必须支持持适用于于动态联联盟的分分散网络络化管理理和利于于制造过过程内部部重组的的单元化化制造模模式。企业信息息网络及及控制系系统结构构演变企业信息息网络控制网络络制造自动动化系统统的体系系结构（1）制制造自动动化系统统的层次次模型制造自动动化系统统的体系系结构（2）制制造自动动化系统统的分布布式控制制网络（3）制制造自动动化系统统的3I集

21、成结构构 制造自动动化系统统的体系系结构(4)基基于Agent的分布布式网络络化制造造自动化化系统制造自动动化系统统的体系系结构控制网络络与信息息网络的的集成制造自动动化系统统的体系系结构从上面的的分析可可以看出出：现代制造造系统的的组织和和管理模模式正在在向“扁扁平化”方向发发展，系系统的结结构正向向简单、实用、开放的的网络化化发展。现代制造造自动化化系统的的目标是是实现制制造系统统的信息息化。NCS体体系结构构（1）NCS体体系结构构的基本本需求*开放性性*分布性性*动态性性*并行性性*集成性性*人机和和谐性NCS体体系结构构（2）NCS的的多层C/S网网络计算算结构A 广域域网控制制服务

22、器器处于最最高层B 控制制客户C 局域域网控制制服务器器位于中中间层D 现场场控制节节点NCS体体系结构构（3）NCS的的功能结结构NCS体体系结构构（4）NCS的的软件结结构NCS体体系结构构NCS体体系结构构（5）NCS的的体系结结构的特特点*基于拓拓展C/S结构构的两层层管理与与控制系系统*管控一一体化*全分散散式控制制*基于浏浏览器/Web服务器器结构的的集成机机制NCS的的集成机机制（1）基基于OPC技术术的NCS内部部集成NCS的的集成机机制（2）NCS与与管理系系统的集集成NCS的的生产过过程建模模（1）NCS的的对象类类划分按照对象象的动态态行为和和特点，NCS中的对对象可分分成被动对象象和主动对象象；从功能和和实现的的角度出出发，NCS的的对象分分为功能对象象和运行对象象；NCS的的生产过过程建模模（1）NCS的的对象