第七章 自動化制造系統(tǒng)的控制系統(tǒng)

1、一、CIMS的遞階控制結(jié)構(gòu) 遞階控制系統(tǒng)：將整個控制系統(tǒng)劃分成若干層次，各層次獨立完成各自的功能；層與層間保持信息交換，上層向下層發(fā)布命令；下層向上層回送命令的執(zhí)行結(jié)果；通過信息聯(lián)系，構(gòu)成完整的系統(tǒng)。例如五層(即工廠層、車間層、單元層、工作站層、設(shè)備層)遞階控制結(jié)構(gòu)如圖4-27所示。 分層的好處：把復(fù)雜控制過程的管理和控制進行分解，分為相對簡單的過程，分別由各層計算機去處理，功能單一，易于實現(xiàn)，不易出錯。各層的處理相對獨立，易于實現(xiàn)模塊化，使局部增、減、修改簡單易行，從而增加了整個系統(tǒng)的柔性和對新技術(shù)的開放性。分層處理對實時性要求有很大差別的任務(wù)，可以充分有效地利用計算機的資源。不過，究竟是分

2、幾層好，這要視具體對象和條件而定，不可干篇一律。 在分級控制結(jié)構(gòu)中，任務(wù)的安排是根據(jù)自身的功能或在系統(tǒng)市的作用而定的，不同的系統(tǒng)其控制結(jié)構(gòu)的差別在于：分配給系統(tǒng)各部分任務(wù)的方式不同，以及將控制程序分開或合并的組合方式不同。 自動倉庫自動倉庫AGV小車小車交通管理交通管理車間計算機車間計算機單元管理計算機單元管理計算機單單元元層層工工作作站站層層設(shè)設(shè)備備層層 負責(zé)全面管理、負責(zé)全面管理、協(xié)調(diào)和控制協(xié)調(diào)和控制FMSFMS的的各項活動各項活動 協(xié)調(diào)各種設(shè)備協(xié)調(diào)各種設(shè)備的操作的操作執(zhí)行各種操作執(zhí)行各種操作管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：多級計算機遞階控制多級計算機遞階控制A A工作站工作站計算機計

3、算機物流管理物流管理計算機計算機B B工作站工作站計算機計算機機器人二、FMS控制管理系統(tǒng)三、FMS單元控制系統(tǒng)軟件(一)FMS單元控制管理信息 單元控制系統(tǒng)信息輸入主要有以下幾個方面。1計算機輔助生產(chǎn)管理信息 1)生產(chǎn)作業(yè)計劃。 2)物料需求計劃。 3)設(shè)備能力需求計劃。2計算機輔助工藝規(guī)程 設(shè)計信息 1)工藝計劃信息。 2)零件制造參數(shù)。 3)刀具需求信息。 4)零件數(shù)控加工程序。 3單元控制系統(tǒng)狀態(tài) 信息 1)數(shù)控加工設(shè)備。 2)數(shù)控測量設(shè)備。 3)零件清洗設(shè)備。 4)物料自動運儲系統(tǒng)。 5)刀具自動運儲系統(tǒng)。 ( (二二) ) 單元控制系統(tǒng)軟件的功能單元控制系統(tǒng)軟件的功能名稱功能工作內(nèi)

4、容名稱功能工作內(nèi)容生產(chǎn)管理子系統(tǒng)生 產(chǎn)調(diào)度作 業(yè)優(yōu)化運 行仿真制造日程計劃制造資源分配生產(chǎn)作業(yè)管理產(chǎn)值利潤管理設(shè)備運行程序仿真物料交換過程仿真物料（刀具、托盤等）需求仿真動 態(tài) 調(diào) 度 仿 真生產(chǎn)日程仿真運行控制子系統(tǒng)物料流動控制與協(xié)調(diào)設(shè)備運行控制與協(xié)調(diào)系 統(tǒng) 啟 停 控 制現(xiàn)場調(diào)度設(shè)備運行程序的分配與傳送加工控制與協(xié)調(diào)檢測控制與協(xié)調(diào)清洗控制與協(xié)調(diào)裝配控制與協(xié)調(diào)物料存儲控制與協(xié)調(diào)物料輸送控制與協(xié)調(diào)物料交換控制與協(xié)調(diào)故障維修與恢復(fù)（續(xù)表）名稱功能工作內(nèi)容名稱功能工作內(nèi)容數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)物 料數(shù)據(jù)管理基 本數(shù)據(jù)管理工 藝數(shù)據(jù)管理資 源維護管理毛坯在庫管理成品在庫管理在制品在位管理設(shè)備運行程序管理刀具

5、預(yù)調(diào)與刀具補償管理工件坐標管理設(shè)備與刀夾量輔具基本參數(shù)管理設(shè)備與刀夾量輔具使用時間管理設(shè)備與刀夾量輔具精度管理故障歷程管理設(shè)備日常保養(yǎng)管理系統(tǒng)耗材管理質(zhì)量保證子系統(tǒng)質(zhì) 量監(jiān)控物 料識別故 障診斷質(zhì) 量管理系統(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)運行環(huán)境監(jiān)控設(shè)備與工具使用時間監(jiān)控物料識別與跟蹤物料中轉(zhuǎn)時間監(jiān)控故障診斷和處理監(jiān)視檢驗指標與檢驗程序生產(chǎn)質(zhì)量在線檢驗控制檢驗結(jié)果判定質(zhì)量分析與統(tǒng)計四、FMS單元控制系統(tǒng)硬件配置原則 單元控制器可采用具有有限實時處理能力的小型計算機或工作站； 工作站控制器可采用具有較強控制功能的工業(yè)控制機或微型機； 設(shè)備控制器可由有實時控制功能的微型計算機及可編程控制器等組成

6、。作業(yè)：1.FMS單元控制系統(tǒng)輸入和輸出的信息有哪些？2.FMS單元控制系統(tǒng)軟件包含的主要子系統(tǒng)及其功能是什么？ 自動化制造系統(tǒng)的信息系統(tǒng)：計算機網(wǎng)絡(luò)硬件（計算機 通訊器件 檢測器件）相應(yīng)的軟件（程序 數(shù)據(jù)庫）自動化制造系統(tǒng)信息系統(tǒng)的物理配置內(nèi)容： 1)自動化制造系統(tǒng)控制體系結(jié)構(gòu)的選擇與設(shè)計。 2)自動化制造系統(tǒng)計算機硬件系統(tǒng)與通信網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計。 3)自動化制造系統(tǒng)計算機軟件系統(tǒng)的設(shè)計。 以下重點討論如何根據(jù)信息需求確定自動化制造系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)(拓撲)結(jié)構(gòu)和總體方案。 一、網(wǎng)絡(luò)選擇的基本步驟 單元控制器底層網(wǎng)絡(luò)方案選擇的一級步驟如圖4-32所示。主要包括信息傳輸需求分析、網(wǎng)絡(luò)功能模型設(shè)計

7、、網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)選擇、網(wǎng)絡(luò)物理配置設(shè)計等內(nèi)容。 二、信息傳輸需求分析 單元運行過程中所涉及的信息可以分成三類，即資源配置信息、控制信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息。1. 資源配置信息 制造單元系統(tǒng)配置信息，如加工、清洗或檢測設(shè)備編號、類型、數(shù)量等； 物料流等系統(tǒng)資源基本信息，如刀具幾何尺寸、類型、壽命數(shù)據(jù)，托盤的基本規(guī)格相匹配的夾具類型、尺寸等。 2.控制信息 控制系統(tǒng)運行狀態(tài)，特別是有關(guān)零件加工的數(shù)據(jù)。 工程控制數(shù)據(jù)，如零件的工藝路線、NC加工程序代碼等； 計劃控制數(shù)據(jù)，如零件的班次計劃、加工批量、交貨期等。 3. 系統(tǒng)狀態(tài)信息 反映系統(tǒng)資源的利用情況 設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，卸系統(tǒng)、物料傳輸系統(tǒng)等裝置的運行時間、

8、停機時間、故障時間及故障原因等。 物料狀態(tài)數(shù)據(jù)，如刀具剩余壽命，破損斷裂情況及地址識別，零件實際加工進度等。各層之間數(shù)據(jù)傳輸頻率如下。1單元控制器與工作站控制器之間的信息傳輸 1)下達零件加工任務(wù)(信息包括資源配置信息和控制信息) 2) 工作站反饋的狀態(tài)信息，傳輸頻率為：數(shù)次天。2工作站控制器與設(shè)備控制器之間的信息傳輸 1) 下達的NC程序，傳輸頻率為：數(shù)次天； 2) 向設(shè)備層發(fā)出的控制命令，傳輸頻率為：數(shù)次天； 3) 設(shè)備層狀態(tài)信息反饋，傳輸頻率為：數(shù)次天。 三、網(wǎng)絡(luò)功能設(shè)計 FMS為例，為了滿足單元控制系統(tǒng)中信息遞階控制的分層結(jié)構(gòu)，單元控制系統(tǒng)中的通信網(wǎng)絡(luò)可以劃分為兩個層次一是單元控制器與

9、工作站之間的網(wǎng)絡(luò)，二是工作站控制器與設(shè)備控制器之間的網(wǎng)絡(luò)，兩者在功能及性能上的要求不完全相同。1單元控制器與工作站之間的網(wǎng)絡(luò)功能和性能要求1) 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有下列功能支持異種機及異種操作系統(tǒng)(如VMS、UNIX、DOS等) 上網(wǎng)；Virtual Memory System (vax)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議符合國際標準或工業(yè)標準；能與異構(gòu)網(wǎng)連接。 2) 網(wǎng)絡(luò)功能包括：文件傳遞；報文傳送；電子郵件；虛擬終端；進程間通信；分布式數(shù)據(jù)處理與查詢。3) 網(wǎng)絡(luò)性能；傳輸速率：110Mbps；誤碼率：107以下；響應(yīng)時間：秒級； 傳輸距離：100-1000m。4) 網(wǎng)絡(luò)管理保障功能：網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)；計算機及網(wǎng)絡(luò)安全；網(wǎng)

10、絡(luò)平均無故障時間至少一年以上。2工作站控制器與設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)的功能和性能要求1) 傳送NC程序，控制命令，應(yīng)答狀態(tài)反饋信息；2) 進程間通信； 3) 誤碼率：107以下；4) 響應(yīng)時間：毫秒級； 5) 傳輸距離：50m以內(nèi)。 四、網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)1自動化制造系統(tǒng)單元的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 對于中、大型自動化制造系統(tǒng)單元，其網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)如圖4-33所示。對物理結(jié)構(gòu)的說明如下：1) 單元控制器與工作站控制器之間般用LAN連接，選擇的LAN應(yīng)符合ISOOSI(Individual System Operation, Open System Interconnect Reference Model)參考模型，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議最

11、好選用MAP30。如條件不具備，也可以選用TCPIP與其它軟件相結(jié)合的方式如Ethernet標準。2)工作站控制器與設(shè)備層之間的連接可采用幾種方式，一是直接采用RS一232C或RS一422異步通信接口；二是采用現(xiàn)場總線；三是使用集中器將幾臺設(shè)備連接在一起，再連接到工作站控制器上。 2DNC型單元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) DNC型單元是組成制造單元的另一種形式，在這種結(jié)構(gòu)的制造單元中有物料自動傳輸系統(tǒng)，因此設(shè)備間的信息交往要少得多。 DNC型制造單元的通信結(jié)構(gòu)主要指數(shù)控系統(tǒng)的接口通信能力和數(shù)控系統(tǒng)與計算機間的物理連接、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)作業(yè)時序及聯(lián)網(wǎng)能力等。從現(xiàn)在的情況看，計算機與機床控制器之間互連的拓撲

12、結(jié)構(gòu)主要有三種形式，即：點一點型，現(xiàn)場總線型和局域網(wǎng)型。 1)點一點型 點一點型拓撲結(jié)構(gòu)連接形式的一個例子如圖434所示。其中DNC中央計算機和數(shù)控機床(加工中心) 被分別稱為連接中的節(jié)點，連接接口常采用RS232C和20mA電流環(huán)，也可用RS422或RS一485通信速率一般在100一9600bit之間。 2) 現(xiàn)場總線型 現(xiàn)場總線相當(dāng)于“底層”工業(yè)數(shù)據(jù)總線，常用于分布式控制系統(tǒng)和實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。它有以下特點：該連接方式造價較低，可用于組合成中小型DNC系統(tǒng)；與LAN連接方式相比，現(xiàn)場總線只發(fā)送或接收規(guī)模較小的數(shù)據(jù)報文，并且以這種數(shù)據(jù)報文作為與較高一級的控制系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)往返傳送的有效手

13、段。3) 以LAN連接 圖435是CIMS/ERC(國家CIMS工程研究中心，清華大學(xué)) 工程研究中心的DNC互連結(jié)構(gòu)，互連的介質(zhì)為LAN。該結(jié)構(gòu)中，各站點(DNC系統(tǒng)) 通過一條公用的通信介質(zhì)(如雙絞線、同軸電纜或光纜) 連接在一起。圖中連上的有DNC中心計算機(HP9000) 和終端服務(wù)器兩種。 作業(yè)1.自動化制造系統(tǒng)信息系統(tǒng)的物理配置內(nèi)容。2.自動化制造系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)起什么作用？設(shè)計原則是什么？3.詳述單元運行過程中所涉及的信息內(nèi)容。4.畫出一種自動化制造系統(tǒng)單元的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。一、FMS生產(chǎn)計劃調(diào)度與控制系統(tǒng) 計劃調(diào)度系統(tǒng)是FMS控制系統(tǒng)的核心功能軟件。計劃與調(diào)度的目的是保證按期交貨，均

14、衡生產(chǎn)，提高設(shè)備利用率，縮短生產(chǎn)周期。（一）FMS生產(chǎn)計劃調(diào)度與控制的層次結(jié)構(gòu) FMS生產(chǎn)計劃調(diào)度與控制又分為四個層次，(如圖4-29)。 作業(yè)計劃 主要任務(wù)是接受車間訂單，并根據(jù)零件交貨期的先后順序制訂出FMS系統(tǒng)的作業(yè)計劃或班次作業(yè)計劃； 靜態(tài)調(diào)度 主要任務(wù)是日或本班次作業(yè)計劃的細化，它要完成工件分組、工件組組間排序、加工設(shè)備負荷分配及工件靜態(tài)排序等。（接下頁） 動態(tài)調(diào)度 主要任務(wù)是在FMS加工過程中進行的，它的調(diào)度對象主要是系統(tǒng)內(nèi)正在加工和在零件緩沖站前排隊等待加工的零件，它根據(jù)系統(tǒng)資源的實時狀態(tài)動態(tài)地安排零件的加工順序。 系統(tǒng)資源管理 主要任務(wù)是在FMS運行過程中(有時也包括系統(tǒng)開始運

15、行前)對刀具、AGV、托盤與夾具、NC程序及人力資源等的管理，目標是提高系統(tǒng)內(nèi)資源的利用率。負荷分配工件排序調(diào)度FMS計劃與控制決策 單元控制器的計劃規(guī)劃時間范圍：旬(周)到數(shù)小時或數(shù)分鐘。在這時間范圍內(nèi)，F(xiàn)MS生產(chǎn)計劃調(diào)度與控制系統(tǒng)不斷對制造資源所面臨的多種選擇做出判斷決策。二、FMS生產(chǎn)作業(yè)計劃 FMS生產(chǎn)作業(yè)計劃的主要任務(wù)是在接受車間級管理系統(tǒng)的訂單輸入后進行下列工作：（1）訂單分析（2）日計劃或班次計劃制定（3）系統(tǒng)能力平衡的調(diào)整 （一）訂單分析 是根據(jù)零件的工藝相似性按成組技術(shù)原理將工件分類，并按毛坯供應(yīng)情況及零件交貨要求大致排定單元加工任務(wù)的先后順序。（二）日或班次作業(yè)計劃制定 日

16、/班計劃資源需求表最優(yōu)分組2.目標 交貨期準時 組數(shù)最少 組內(nèi)負荷平衡 滿足輔助資源約束（刀具、夾具、托盤數(shù)量等）1.任務(wù) 本質(zhì)上是在訂單分析排定零件分類優(yōu)先級的基礎(chǔ)上，進行生產(chǎn)任務(wù)的一次初始作業(yè)分配，將車間級訂單任務(wù)落實到日或班次。要制訂班次計劃必須知道所加工的零件的各種工時定額這種工時定額是加工零件所需設(shè)備時間的一種綜合評價指標，除了切削加工的時間之外還需包括加工該零件所需的調(diào)整時間和必要的輔助工作時間等參數(shù)。班次計劃制訂過程如圖4-31所示。 車間級生產(chǎn)任務(wù)訂單，經(jīng)過驗證之后，就對這些任務(wù)進行初始作業(yè)分配。然后將初始作業(yè)分配的結(jié)果進行仿真得到一系列評價指標。如機床利用率、刀具更換次數(shù)、每

17、天投入生產(chǎn)的零件數(shù)和輸出的產(chǎn)品數(shù)、毛坯的結(jié)余數(shù)量等。 如果對該結(jié)果感到滿意，就可以將其輸出從而結(jié)束班次計劃制訂工作，否則進行必要的調(diào)整。參數(shù)調(diào)整是由系統(tǒng)管理員根據(jù)初始作業(yè)分配的結(jié)果對任務(wù)訂單中的某些參數(shù)或設(shè)備資源的工作時間作局部的調(diào)整，然后重新執(zhí)行韌始作業(yè)分配，以期得到令人滿意的結(jié)果。 自動分配是在不考慮生產(chǎn)任務(wù)訂單有關(guān)任務(wù)交貨期的限制，并認為毛坯總是準備就緒的情況下，由仿真模塊根據(jù)系統(tǒng)的生產(chǎn)能力和所有收到的任務(wù)訂貨進行優(yōu)化分配。 （三）系統(tǒng)加工能力平衡與調(diào)整 分組與機床負荷分配算法包括數(shù)學(xué)規(guī)劃法、基于仿真的方法、人工智能方法等。 下面介紹一種數(shù)學(xué)規(guī)劃算法：極大消元法 待加工工件的工序可以由系

18、統(tǒng)中一臺以上的設(shè)備加工完成，實際加工時，一道工序只能分配給其中的某一臺設(shè)備加工完成。負荷最優(yōu)分配就是為這些工序確定唯一的加工設(shè)備，實現(xiàn)優(yōu)化目標： a）系統(tǒng)中各臺設(shè)備的負荷盡可能相等； b）系統(tǒng)中負荷最重的加工設(shè)備負荷達到極小，從而使工件通過系統(tǒng)的最大流通時間達到極小。 （具體算法略）三、MAS的生產(chǎn)調(diào)度（一）靜態(tài)調(diào)度（off-line/static scheduling） 工件進入系統(tǒng)的順序每一設(shè)備的任務(wù)順序表任務(wù)最大流通時間最短成本最低目標 靜態(tài)調(diào)度實際已包含在作業(yè)計劃中。MAS的調(diào)度主要指實時的動態(tài)調(diào)度。（二）動態(tài)調(diào)度（on-line/dynamic scheduling） 動態(tài)調(diào)度是在系統(tǒng)加工過程中對生產(chǎn)活動進行動態(tài)優(yōu)化控制。故障設(shè)備的替代沖突的調(diào)整任務(wù)生產(chǎn)率最大設(shè)配利用率最大目標 調(diào)度原因：實際加工狀況與加工之前制定的生產(chǎn)作業(yè)計劃有出入，需要進行實時動態(tài)調(diào)度。 調(diào)度對象：對系統(tǒng)資源進行調(diào)度，包括機床、物料輸送裝置、緩沖存儲站、刀具、夾具、機器人以及操作人員等。生產(chǎn)調(diào)度目標與評價指標 生產(chǎn)管理目標生產(chǎn)管理目標評價指標評價指標 優(yōu)化資源利用 E1 平均機床利用率E2 最大機床利用率E3 平均小車利用率 減少庫存量 E4 平均等待隊列長度E5 最大等待隊列長度E6 在制品庫存量 減少費用 E7 平均加工時間E8 最大加工時間E9 正在加工的工件