GBT 43436-2023 智能工廠 面向柔性制造的自動化系統(tǒng) 通用要求

智能工廠面向柔性制造的自動化系統(tǒng)通用要求Smartfactory—Automationsystemforflexiblemanufacturing—Generalrequirement2023-11-27發(fā)布國家市場監(jiān)督管理總局國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會I前言 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 14總體原則和要求 l5設(shè)備信息模型 25.1基本要求 25.2基本屬性 35.3控制模型 45.4仿真模型 55.5調(diào)度模型 56快速開發(fā)要求 56.1功能描述 56.2邏輯接口配置要求 66.3物理接口配置要求 67虛擬調(diào)試要求 67.1功能描述 67.2設(shè)備驗(yàn)證規(guī)范 77.3靜態(tài)屬性驗(yàn)證 77.4動態(tài)行為驗(yàn)證 88柔性運(yùn)行要求 88.1功能描述 88.2設(shè)備接入策略 98.3任務(wù)重調(diào)度 98.4設(shè)備柔性運(yùn)行 9ⅢGB/T43436—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會提出。本文件由全國工業(yè)過程測量控制和自動化標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC124)歸口。本文件起草單位：中國科學(xué)院沈陽自動化研究所、機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所、華南理工大學(xué)、煙臺東方威思頓電氣有限公司、東北大學(xué)、海南大學(xué)、中國計量大學(xué)、北京全路通信信號研究設(shè)計院集團(tuán)有限公司、成都秦川物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司。本文件主要起草人：王忠鋒、王成城、張加海、李力剛、王鵬、李迪、唐浩、王春喜、崔世界、王世勇、1智能工廠面向柔性制造的自動化系統(tǒng)通用要求1范圍本文件規(guī)定了面向柔性制造自動化系統(tǒng)的設(shè)備信息模型、快速開發(fā)要求、虛擬調(diào)試要求、柔性運(yùn)行要求等。本文件適用于面向柔性制造的自動化系統(tǒng)，也適用于對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進(jìn)行個性化定制生產(chǎn)的升級改造。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T38177—2019數(shù)控加工生產(chǎn)線柔性制造系統(tǒng)3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。柔性制造flexiblemanufacturing能夠針對產(chǎn)品、工藝或設(shè)備的動態(tài)變化，進(jìn)行快速靈活配置的生產(chǎn)方式。柔性制造系統(tǒng)flexiblemanufacturingsystem由計算機(jī)信息控制系統(tǒng)和物料自動儲運(yùn)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，按任意順序加工一組不同工序與加工節(jié)拍的工件，適時地自由調(diào)度管理的一組自動化生產(chǎn)設(shè)備。柔性制造線flexiblemanufacturingline由多臺支持即插即生產(chǎn)的設(shè)備聯(lián)結(jié)，配以自動運(yùn)輸裝置的制造線。即插即生產(chǎn)plugandproduce當(dāng)柔性制造線增加或修改設(shè)備時，能夠自動識別新接入或需要修改的設(shè)備，為其準(zhǔn)確配置設(shè)備控制邏輯，并將其集成到正在運(yùn)行的生產(chǎn)過程中的集成生產(chǎn)模式。4總體原則和要求柔性制造要求自動化系統(tǒng)能夠自動識別接入設(shè)備，準(zhǔn)確配置設(shè)備控制邏輯，并將其集成到正在運(yùn)行的生產(chǎn)過程中，而無須對其設(shè)備進(jìn)行人工操作和更改。上述過程被稱為即插即生產(chǎn)，而適用于即插即生產(chǎn)的設(shè)備，需要基于標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備信息模型，通過工程開發(fā)、調(diào)試驗(yàn)證和上線運(yùn)行等開發(fā)過程，實(shí)現(xiàn)必要2的技術(shù)要求。柔性制造系統(tǒng)的要求應(yīng)符合GB/T38177—2019發(fā)過程如圖1所示。的規(guī)定。面向柔性制造的自動化系統(tǒng)開原有設(shè)備原有設(shè)備白動化系統(tǒng)步驟1:快速開發(fā)·物理接口配置仿真模型基本屬性設(shè)備信息模型步驟3:柔性運(yùn)行·重規(guī)劃調(diào)度步驟2:虛擬調(diào)試·靜態(tài)屬性驗(yàn)證·動態(tài)行為驗(yàn)證柔性制造線詞度模型控制模型插入設(shè)備程序修正程序圖1面向柔性制造的自動化系統(tǒng)開發(fā)過程面向柔性制造的自動化系統(tǒng)開發(fā)過程包括快速開發(fā)、虛擬調(diào)試和柔性運(yùn)行三個步驟，從而實(shí)現(xiàn)即插——快速開發(fā)基于控制模型開展，通過對控制模型邏輯變量、控制參數(shù)、物理接口等自動關(guān)聯(lián)和配置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制程序快速開發(fā)，相關(guān)技術(shù)和方法符合第6章要求；——虛擬調(diào)試基于仿真模型開展，采用虛擬仿真或形式化驗(yàn)證等非物理手段，對設(shè)備靜態(tài)屬性和動態(tài)行為進(jìn)行驗(yàn)證和迭代修正，相關(guān)技術(shù)和方法符合第7章要求；——柔性運(yùn)行基于調(diào)度模型開展，在設(shè)備動態(tài)接入和初始化基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)備能力和狀態(tài)為其調(diào)度分配生產(chǎn)任務(wù)，相關(guān)技術(shù)和方法符合第8章要求。面向柔性制造的自動化系統(tǒng)開發(fā)以設(shè)備信息模型為基礎(chǔ)。設(shè)備信息模型為快速開發(fā)、虛擬調(diào)試和柔性運(yùn)行提供相關(guān)的設(shè)備基本屬性、控制模型、仿真模型和調(diào)度模型等。5設(shè)備信息模型5.1基本要求為支持即插即生產(chǎn)定義了柔性制造系統(tǒng)的設(shè)備信息模型，該模型為快速開發(fā)、虛擬調(diào)試、柔性運(yùn)行提供了模型基礎(chǔ)。設(shè)備信息模型應(yīng)對設(shè)備資源進(jìn)行全面描述：一方面，定義設(shè)備的參數(shù)、能力和能力層級等信息，支持設(shè)備基本屬性的精確描述，并據(jù)此定義柔性制造線內(nèi)模塊化設(shè)備組合結(jié)構(gòu)關(guān)系，支持對柔性制造線進(jìn)行建模；另一方面，定義與設(shè)備相關(guān)的控制模型、仿真模型和調(diào)度模型，支持快速開發(fā)、虛擬調(diào)試和柔性運(yùn)行等工程流程。設(shè)備信息模型的基本要求如圖2所示。3GB/T43436—2023·三維幾何模型控制邏輯模型接山調(diào)度模型基本屬性控制模型仿真模型圖2設(shè)備信息模型基本要求示意圖基本屬性是對模塊化設(shè)備的能力及參數(shù)等基本屬性信息進(jìn)行定義，并依據(jù)能力的分類和組合建立柔性制造線內(nèi)設(shè)備之間的層次組合關(guān)系?？刂颇Ｐ椭С謱υO(shè)備控制邏輯的定義，對外提供控制模型的配置接口，支持通過控制模型自動配置方式快速開發(fā)設(shè)備控制程序。仿真模型包括設(shè)備三維幾何模型、運(yùn)動學(xué)模型、業(yè)務(wù)流程邏輯等模型信息，支持通過虛擬仿真或形式化驗(yàn)證等非物理手段驗(yàn)證設(shè)備是否滿足要求。調(diào)度模型包括生產(chǎn)調(diào)度任務(wù)需求、生產(chǎn)工藝和設(shè)備配置等模型信息，使得設(shè)備上線后自動發(fā)布配置參數(shù)、能力和狀態(tài)，支持設(shè)備自動接入運(yùn)行。5.2基本屬性5.2.1參數(shù)及能力5.2.1.1設(shè)備參數(shù)設(shè)備參數(shù)是對設(shè)備的基本描述，如尺寸參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)與動力參數(shù)等。設(shè)備能力是設(shè)備功能和性能的綜合表征，能力分類主要包括以下幾方面?！庸つ芰?，對產(chǎn)品進(jìn)行增材、減材操作，如增材制造、機(jī)械加工等?！b配能力，對多個產(chǎn)品進(jìn)行連接操作，如焊接、螺接、鉚接等?！锪髂芰Γ瑢Ξa(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)輸操作，如上料、轉(zhuǎn)運(yùn)、入庫等。物流能力不改變產(chǎn)品的形態(tài)，僅改變產(chǎn)品的位置或姿態(tài)?！獧z測能力，判斷產(chǎn)品特征是否滿足工藝要求，如表面形貌測量、粗糙度檢查等。設(shè)備能力層級分為基本能力和組合能力，多個基本能力應(yīng)能夠組合形成相應(yīng)的組合能力。根據(jù)這種能力的層級組合關(guān)系，應(yīng)能夠描述相應(yīng)設(shè)備的模塊化組合關(guān)系?；灸芰?yīng)描述設(shè)備最小層級的能力，能夠定義設(shè)備最基本的工藝過程，如移動、抓取、鉆孔等。組合能力可完全由基本能力構(gòu)成，也可由組合能力和基本能力混合構(gòu)成，如機(jī)器人設(shè)備的產(chǎn)品上料能力應(yīng)由夾爪和機(jī)械臂的抓取、移動、釋放等基本能力按照先后次序組合而成。45.2.2設(shè)備的層次組合關(guān)系基本設(shè)備是不可拆分組合的最小層級的生產(chǎn)設(shè)備，可獨(dú)立執(zhí)行相對完整的生產(chǎn)任務(wù)?；驹O(shè)備應(yīng)與基本能力對應(yīng)。生產(chǎn)工位應(yīng)由多個基本設(shè)備構(gòu)成，其構(gòu)成設(shè)備在工位內(nèi)部相互協(xié)作，共同完成特定生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)。如執(zhí)行沖壓工藝環(huán)節(jié)的生產(chǎn)工位由機(jī)器人和沖壓設(shè)備構(gòu)成，它們相互協(xié)作完成工件的上下料和沖壓操作。生產(chǎn)工位應(yīng)與組合能力對應(yīng)。柔性制造線應(yīng)由多個生產(chǎn)工位構(gòu)成，通過物流設(shè)備完成生產(chǎn)工位之間的物料轉(zhuǎn)運(yùn)連接，能夠按照產(chǎn)品工藝要求執(zhí)行完整的產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)。5.3控制模型5.3.1控制邏輯的定義需定義的設(shè)備狀態(tài)主要包括：——啟動，設(shè)備接入柔性制造線并完成內(nèi)部初始化；——運(yùn)行，設(shè)備的制造能力被參數(shù)化配置并調(diào)用，將對產(chǎn)品執(zhí)行加工工藝序列；——暫停，設(shè)備進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，由于受到工作流編排或人為干預(yù)因素而暫停正在執(zhí)行的加工——掛起，設(shè)備進(jìn)入啟動狀態(tài)后，如果當(dāng)前由于未被指派加工任務(wù)或相關(guān)加工任務(wù)已完成，正在等待下一個任務(wù)分配；——故障，設(shè)備未能正確執(zhí)行被指派加工任務(wù)；——維護(hù)，設(shè)備因達(dá)到維保周期閾值或進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)而無法參與生產(chǎn)制造工作。需定義的狀態(tài)轉(zhuǎn)換主要包括不同狀態(tài)之間可能的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的觸發(fā)條件?？刂颇Ｐ臀锢斫涌趹?yīng)支持設(shè)備傳感器信號的讀取和執(zhí)行器驅(qū)動指令的下達(dá)。應(yīng)在物理接口聲明與設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)相關(guān)的模型感知變量，以及驅(qū)動設(shè)備執(zhí)行器的模型指令變量、支持通過感知變量和指令變量的快速配置實(shí)現(xiàn)設(shè)備傳感器和執(zhí)行器的集成。控制模型邏輯接口應(yīng)支持自動化系統(tǒng)的控制模型對設(shè)備控制能力的調(diào)用。應(yīng)在設(shè)備邏輯接口中聲明啟動、暫停設(shè)備控制功能的邏輯變量，以及影響設(shè)備控制過程特性的相關(guān)控制參數(shù)，支持通過邏輯變量和控制參數(shù)的自動配置實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制程序快速開發(fā)。55.4仿真模型5.4.1三維幾何模型三維幾何模型應(yīng)對設(shè)備本身的三維幾何特征進(jìn)行數(shù)字化描述。對于含有運(yùn)動部件的設(shè)備，應(yīng)通過運(yùn)動學(xué)模型描述其運(yùn)動學(xué)特性。應(yīng)采用工作流的方式，對設(shè)備業(yè)務(wù)流程序列進(jìn)行描述。訂單是用戶對產(chǎn)品的期望描述，應(yīng)包含被加工產(chǎn)品的種類和數(shù)量，且能被轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品被加工時所需的工藝信息。物料信息應(yīng)能夠描述柔性制造線物料的批次和種類，用于支持物料的庫存管理。調(diào)度計劃應(yīng)能夠?qū)Ρ患庸ぎa(chǎn)品的所需工藝與設(shè)備資源形成指派關(guān)系，其作為調(diào)度的結(jié)果應(yīng)能夠?qū)⒂媱潏?zhí)行表與設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)映射，并在生產(chǎn)過程中維護(hù)一個計劃執(zhí)行表與設(shè)備的映射關(guān)系。計劃執(zhí)行表應(yīng)能夠描述被加工產(chǎn)品所需工藝的若干計劃執(zhí)行步驟及其計劃執(zhí)行的索引。計劃執(zhí)行步驟應(yīng)能夠描述設(shè)備參數(shù)配置以及下一步計劃執(zhí)行步驟所需要的指定設(shè)備。對于有多種可能的計劃執(zhí)行步驟，還應(yīng)包含備選的設(shè)備參數(shù)配置。配置需求應(yīng)能夠描述完成某種特定工藝所需要的設(shè)備能力。配置需求和能力配置應(yīng)匹配一致。能力配置是描述設(shè)備能力的參數(shù)配置，可根據(jù)工藝性能進(jìn)行計算后對設(shè)備參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化賦值。性能指標(biāo)應(yīng)包含于能力配置中，用于判斷設(shè)備性能是否滿足加工任務(wù)的需求。6快速開發(fā)要求6.1功能描述為實(shí)現(xiàn)控制程序快速開發(fā)，應(yīng)在設(shè)備的控制模型邏輯接口與自動化系統(tǒng)的控制模型相關(guān)聯(lián)的變量6和參數(shù)之間，以及設(shè)備的控制模型物理接口與設(shè)備傳感器/執(zhí)行器相關(guān)聯(lián)的物理地址之間，定義關(guān)聯(lián)映射規(guī)則集合；應(yīng)給定設(shè)備的控制模型、自動化系統(tǒng)的控制模型和傳感器/執(zhí)行器，基于上述規(guī)則集合進(jìn)行推理，支持相關(guān)變量之間的自動映射匹配，實(shí)現(xiàn)物理接口和邏輯接口的自動配置?？焖匍_發(fā)的功能如圖①①邏輯接口配置·邏輯接口：邏輯變量，控制參數(shù)·控制邏輯：狀態(tài)變量、狀態(tài)轉(zhuǎn)換②物理接口配置·物理接山：感知變量、指令變量·指令變量配置白動化系統(tǒng)控制模型設(shè)備控制模型傳感器執(zhí)行器執(zhí)行器傳感器圖3快速開發(fā)功能示意圖6.2邏輯接口配置要求6.2.1邏輯變量配置通過定義自動化系統(tǒng)的控制模型和設(shè)備的控制模型邏輯接口相關(guān)變量之間的映射匹配規(guī)則，應(yīng)實(shí)現(xiàn)對給定的自動化系統(tǒng)的控制模型變量和設(shè)備的控制模型變量之間的自動關(guān)聯(lián)配置，支持設(shè)備的控制模型邏輯變量自動配置。通過定義設(shè)備的控制模型參數(shù)與產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)和生產(chǎn)工藝參數(shù)之間的映射匹配規(guī)則，應(yīng)實(shí)現(xiàn)根據(jù)給定的產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)工藝參數(shù)，對設(shè)備的控制模型參數(shù)進(jìn)行自動配置。6.3物理接口配置要求通過定義設(shè)備的控制模型物理接口相關(guān)變量與設(shè)備傳感器/執(zhí)行器之間建立映射匹配規(guī)則，應(yīng)實(shí)現(xiàn)根據(jù)給定的設(shè)備傳感器和執(zhí)行器物理地址，與物理接口中的感知變量和指令變量進(jìn)行自動匹配。7虛擬調(diào)試要求7.1功能描述針對已經(jīng)開發(fā)的設(shè)備控制程序，虛擬調(diào)試采用虛擬仿真或形式化驗(yàn)證等非物理手段，對其是否滿足柔性制造系統(tǒng)要求進(jìn)行驗(yàn)證。7虛擬調(diào)試應(yīng)圍繞設(shè)備靜態(tài)屬性和動態(tài)行為開展驗(yàn)證。其中，靜態(tài)屬性驗(yàn)證是檢驗(yàn)設(shè)備的靜態(tài)結(jié)構(gòu)、功能屬性等是否滿足設(shè)備驗(yàn)證規(guī)范中的屬性邊界條件約束。通常，需要判定具體設(shè)備屬性實(shí)例是否位于驗(yàn)證規(guī)范定義的合理區(qū)間內(nèi)。動態(tài)行為驗(yàn)證檢驗(yàn)設(shè)備操作流程和控制行為等動態(tài)過程是否滿足設(shè)備驗(yàn)證規(guī)范的要求。通常采用狀態(tài)模型或者定理證明等方法驗(yàn)證動態(tài)行為過程中是否存在設(shè)備驗(yàn)證規(guī)范中不應(yīng)出現(xiàn)的狀態(tài)。虛擬調(diào)試的功能描述如圖4所示。設(shè)備驗(yàn)證規(guī)范設(shè)備驗(yàn)證規(guī)范動態(tài)行為驗(yàn)證設(shè)備仿真模型仿真模型靜態(tài)屬性驗(yàn)證驗(yàn)證規(guī)范驗(yàn)證方法圖4虛擬調(diào)試功能示意圖7.2設(shè)備驗(yàn)證規(guī)范7.2.1靜態(tài)數(shù)值區(qū)間靜態(tài)數(shù)值區(qū)間限定了設(shè)備的功能、屬性、結(jié)構(gòu)等靜態(tài)對象的合理數(shù)值區(qū)間，并支持靜態(tài)屬性驗(yàn)證。為此，應(yīng)從控制系統(tǒng)角度規(guī)定設(shè)備應(yīng)具備的功能、屬性和結(jié)構(gòu)數(shù)值邊界，設(shè)備工作空間范圍，以及設(shè)備機(jī)械和電氣接口等技術(shù)參數(shù)范圍。7.2.2動態(tài)狀態(tài)空間動態(tài)狀態(tài)空間限定了設(shè)備運(yùn)行過程中各類狀態(tài)允許的動態(tài)空間范圍，并支持設(shè)備動態(tài)行為驗(yàn)證。為此，應(yīng)從柔性制造系統(tǒng)角度，規(guī)定設(shè)備動態(tài)運(yùn)行過程中的各項指標(biāo)參數(shù)，包括：運(yùn)動部件允許的工作空間范圍，設(shè)備處理工件應(yīng)滿足的工藝步驟邏輯次序和工藝參數(shù)，以及控制邏輯狀態(tài)變量的合理值域和相應(yīng)的時間約束條件。7.3靜態(tài)屬性驗(yàn)證7.3.1空間干涉驗(yàn)證應(yīng)對接入設(shè)備的靜態(tài)結(jié)構(gòu)是否與柔性制造系統(tǒng)發(fā)生干涉進(jìn)行驗(yàn)證。7.3.2接口兼容驗(yàn)證應(yīng)對接入設(shè)備的機(jī)械接口的尺寸和類型、電氣接口的電壓和方向，以及網(wǎng)絡(luò)通信接口的協(xié)議是否能夠與柔性制造系統(tǒng)兼容進(jìn)行驗(yàn)證。87.4動態(tài)行為驗(yàn)證7.4.1運(yùn)動干涉驗(yàn)證針對帶有運(yùn)動部件的設(shè)備，運(yùn)動干涉驗(yàn)證應(yīng)判定其運(yùn)動過程可達(dá)的各個狀態(tài)位置是否在設(shè)備驗(yàn)證規(guī)范限定的空間范圍內(nèi)。7.4.2工藝流程驗(yàn)證工藝流程驗(yàn)證應(yīng)判定設(shè)備的工藝流程是否滿足設(shè)備驗(yàn)證規(guī)范要求，如判定設(shè)備操縱工件的狀態(tài)、參數(shù)和邏輯次序等是否滿足設(shè)備驗(yàn)證規(guī)范要求。7.4.3控制邏輯驗(yàn)證邏輯正確性驗(yàn)證是對設(shè)備控制邏輯變量的狀態(tài)是否滿足