（机械电子工程专业论文）可重构控制系统中fms建模技术的研究和应用.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 随着制造业的发展，新的制造模式在不断涌现。柔性制造系统( f m s ) 是一种高 度自动化的制造系统，代表着制造系统的发展方向。随着f m s 的不断进步，有必要对 f m s 的可重构控制系统进行研究。 本论文借鉴工控组态软件的架构，根据模块化和组态的思想，提出了一种f m s 可重构控制软件的架构。为了开发这种控制系统。必须对可重构控制下的f m s 的建模 技术进行研究。本论文介绍了几种常用的f m s 的建模方法，着重探讨了如何应用面向 对象的p e t r i 网( o o p n ) 方法对可重构控制系统中的柔性制造系统进行分析，并给出 了建模的结果。论文还探论了系统模型在软件开发中的应用，阐明了如何把o o p n 模 型应用到控制系统单机仿真程序的u m l 开发过程中，给出了模型映射的规则和结果。 最后论文还对可重构控制软件架构中的系统配置模块的开发进行了介绍。 关键词：f m s ；可重构控制；建模：面向对象的p e t r i 网；u m l 里里塑塑型墨堑! ! 坚! 堡塑垫查堕堕塞塑窒旦 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f m a n u f a c t u r i n g m o r e n e w p r o d u c t i o n m e t h o d s a p p e a r e d 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 ( f m s ) i sak i n do fh i g h l ya u t o m a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m i t r e p r e s e n t st h ed i r e c t i o no fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m d e v e l o p m e n t w i t ht h ea d v a n c e m e n to ff m s ，t h es t u d yo ff m sr e c o n f i g u r a b l e c o n t r o l s y s t e mi sn e e d e d r e f e r r i n gt ot h ea r c h i t e c t u r eo fi n d u s t r yc o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ， b a s e do nt h et h o u g h to fb l o c k i n ga n dc o n f i g u r a t i o n ，t h i sp a p e rp r e s e n t sat y p e o fa r c h i t e c t u r eo ff m s r e c o n f i g u r a t a b l e c o n t r o ls o f t w a r e t h em o d e l i n g t e c h n o l o g yo ff m su n d e rt h er e c o n f i g u r a t a b l ec o n t r o ls y s t e mm u s tb es t u d i e d i no r d e rt od e v e l o pt h es y s t e m t h ep a p e ri n t r o d u c e saf e wf m sm o d e l i n gm e t h o d s f r e q u e n t l yu s e d ，t h e ne m p h a t i c a l l ye x p l o r e sh o wt ou s eo b j e c t o r i e n t e dp e t r i n e tm e t h o dt oa n a l y z et h em a n u f a c t u r i n gs y s t e mu n d e rt h er e c o n f i g u r a t a b l e c o n t r o ls y s t e m t h ea n a l y s i sr e s u l t sa l s oa r eg i y e n t h e nt h ep a p e rd i s c u s s e s t h ea p p l i c a t i o no ft h e s em o d e l si ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t i t se l a b o r a t e d h o wt oa p p l yo o p nm o d e l si nt h ed e v e l o p m e n to fs i n g l ec o m p u t e rs i m u l a t i o n s o f t w a r eu m lm o d e l i n g ，a n dm a p p i n gp r i n c i p l e so fo o p nm o d e l sa n dt h em a p p i n g r e s u l t sa r ep r e s e n t e d a tl a s ti ti sa l s oe l a b o r a t e dh o wt od e v e l o pt h es y s t e m c o n f ig u r i n gb l o c k k e y w o r d ：f m s ：r e c o n f i g u r a t a b l ec o n t r o l ：m o d e l i n g ：o b j e c t o r i e n t e dp e t r i n e t ：u m l 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 科学技术的发展、市场需求的快速变化和全球性的经济竞争，是制造环境正在发 生根本性变化的三个基本要素。当前，世界正处在由资源消耗型的工业经济向信息知 识为基础的知识经济转变的重要历史时期，知识经济在很大程度上是由高知识附加值 的产品来体现，产品创新是知识经济的一个重要标志。在这种情况下，组织结构相对 固定、制造资源相对集中、以区域性经济环境为主导、以面向产品为特征的传统的制 造系统模式已与之不相适应，全球性的、以灵活敏捷的组织形态与控制机制，快速响 应市场需求变化的新一代制造系统模式正在形成。 1 2 制造系统和制造模式的发展 1 2 1 制造系统及制造模式的概念 制造系统可理解为通过对某种制造模式提出的类型或者模型的解释和复制而得 到的物理实例。 在制造领域，制造模式被认为是一种知识状态，是人们在想象、构建和运作制造 系统的过程中使用的基本概念、原则、方法及技术。制造模式主要具有以下五个方面 的特征： ( 1 ) 功能、结构、通讯和操作机制； ( 2 ) 制造过程和运行机制； ( 3 ) 企业内部的人流、物流和信息流的管理和处理方法； ( 4 ) 企业外部的动态联盟( 包括市场、资源、生产、销售、供应链和服务等) ； ( 5 ) 评价指标和方法 制造模式是种动态的概念，它通过不断的进化来满足技术的挑战和社会价值的 变化，当某个主流的制造模式不能适应这些要求，它就会被更新的制造模式所代替。 自工业革命以来，制造模式经历了几种主要的制造模式的更迭，以大批量生产为特征 的泰勒制，在2 0 世纪初成为制造工业的主导模式，对制造技术和社会价值产生了深 远的影响。大约在5 0 年代，大批量生产达到了高峰，开始逐渐衰退。为了适应多品 种小批量的生产需求，制造系统开始由刚性自动化开始向数控加工、柔性制造甚至智 能制造的方向发展，涌现出了d n s ，f m s 以及更高形式的c i m s 等新的制造模式，在这 里重塑丝型至竺! ! 坚! 堡堡垫查丝堑窒塑生旦 些新的制造模式中大量采用了数控设备，计算机控制技术得到了广泛的应用。 1 2 2 计算机集成制造系统 计算机集成制造系统( c i m s ，c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) ， 是计算机应用技术在工业生产领域的主要分支技术之一。它的概念是由美国的 j h a r r i n g t o n 于1 9 7 3 年首次提出的，但是直到8 0 年代才得到人们的认可。对于c i m s 的认识，一般包括以下两个基本要点： ( 1 ) 企业生产经营的各个环节，如市场分析预测、产品设计、加工制造、经营 管理、产品销售等一切的生产经营活动，是一个不可分割的接体。 ( 2 ) 企业整个生产经营过程从本质上看，是一个数据的采集、传递、加工处理 的过程，而形成的最终产品也可看成是数据的物质表现形式。因此对c i m s 通俗的解 释可以是“用计算机通过信息集成实现现代化的生产制造，以求得企业的总体效益。” 整个c i m s 的研究开发，即系统的目标、结构、组成、约束、优化和实现等方面，体 现了系统的总体性和系统的一致性。 c m s 一般可以划分为如下四个功能子系统和两个支撑子系统：工程设计自动化 子系统、管理信息子系统、制造自动化子系统、质量保证予系统以及计算机网络子系 统和数据库子系统。系统的组成框图如下图所示。 市场信息 它的四个功能予系统： ( 1 ) 管理信息子系统 图1 lc i m s 构成框图 材料 2 堡塞堕窒堕鲞盔堂堡主兰垡笙奎 以m r p i i 为核心，包括预测、经营决策、各级生产计划、生产技术准备、销售、 供应、财务、成本、设备、人力资源的管理信息功能。 ( 2 ) 产品设计与制造工程自动化子系统 这个子系统包括：计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 、计算机辅助 制造( c o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g ，c a m ) 和计算机辅助工艺规划( c o m p u t e ra i d e d p r o c e s sp l a n n i n g ，c a p p ) 。c a d 利用计算机确定产品的几何结构、使用的材料以及某 些必要遵守的组装或制造过程。c a m 在计算机的控制下与调度下，使数控机床按照设 备的控制程序加工零件，并按需要提供夹具与工具支持机床的加工，完成设计及管理 中指定的任务，并将制造现场的信息返回到相关部门。c a p p 借助于计算机完成从产 品设计要求将原材料加工成产品所需的系列加工动作和对资源的描述。 ( 3 ) 制造自动化或柔性制造子系统 它是c i m s 信息流和物料流的结合点，是c i m s 最终产生经济效益的聚集地，由数 控机床、加工中心、清洗机、测量机、运输小车、立体仓库、多级分布式控制计算机 等设备及相应的支持软件组成。根据产品工程技术信息、车间层加工指令，完成对零 件毛坯的作业调度及制造。 ( 4 ) 质量保证子系统 包括质量决策、质量检测、产品数据的采集、质量评价、生产加工过程中的质量 控制与跟踪功能。系统保证从产品设计、产品制造、产品检测到售后服务全过程的质 量。 两个辅助子系统为： ( 1 ) 计算机网络子系统 即企业内部的局域网，支持c i m s 各子系统的开放型网络通信系统。采用标准协 议可以实现异机互联、异构局域网和多种网络的互联。系统满足不同子系统对网络服 务提出的不同需求，支持资源共享、分布处理、分布数据库和适时控制。 ( 2 ) 数据库子系统 支持c i m s 各子系统的数据共享和信息集成，覆盖了企业全部数据信息，在逻辑 上是统一的，在物理上是分布式的数据管理系统。 一个制造型企业采用c i m s ，概括地讲是提高了企业整体效率。具体而言，体现 在以下方面： ( 1 ) 在工程设计自动化方面，可提高产品的研制和生产能力，便于开发技术含 量高和结构复杂的产品。保证产品设计质量，缩短产品设计与工艺设计的周期，从而 加速产品的更新换代速度，满足顾客需求，从而占领市场。 ( 2 ) 在制造自动化或柔性制造方面，加强了产品制造的质量和柔性，提高了设 备利用率，缩短了产品制造周期，增强了生产能力，加强了产品供货能力。 ( 3 ) 在经营管理方面，使企业的经营决策和生产管理趋于科学化。使企业能够 在市场竞争中，快速、准确的报价，赢得时间：在实际生产中，解决“瓶颈”问题， 3 可重构控制系统中f m s 建模技术的研究和应用 减少在制品；同时，降低库存资金的占用。 1 2 ，2 柔性制造系统 柔性制造系统( f m s ，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 ) 现已发展成为c i m s 中的 重要的加工子系统。在c i m 环境下，f m s 被定义为在广义上的可编程的控制系统，它 具有处理高层次的分布数据的能力，具有自动化的物流，它使c i m 的概念得以在车间 实施，从而实现小批量、高效率的制造，以适应不同产品生命周期的动态变化。柔性 制造系系统的概念自1 9 6 7 年由英国莫林斯( m 0lins ) 公司提出以后，至今已发 展了3 0 多年。由于柔性制造技术是管理技术和制造技术的有机集合，换句话说它是 以数控技术为核心，以计算机技术、信息技术、检测技术、质量控制技术与生产管理 技术相结合的先进制造技术，因而被世界各国所重视，并在发达国家的制造业中得到 了广泛的应用。 柔性制造技术的应用，既解决了近百年来中小批量和中大批量多品种加工自动化 的问题，亦很好地适应了产品不断迅速更新的需求：即解决了6 0 年代以来，一直是 以提高切削用量、减少切削时间。缩短或重和辅助时间为手段，来达到提高生产率效 果不理想的问题。实用表明，柔性制造技术具有如下特点： ( 1 )具有较高的柔性、机构性和通用性； ( 2 )转产快、准备时间短； ( 3 )设备利用率高，可实现无人看管24 小时连续工作； ( 4 )加工质量高且稳定； ( 5 )投产后所需费用低； ( 6 )相同产量占地面积是传统设备的6 0 。 正是由于柔性制造技术的这种高效、灵活的特性使其成为实施敏捷制造、并行工 程、精益生产和智能制造系统的基础，且应用日益广泛，己成为整个制造领域的核 心技术。 f m s 计算机管理与控制系统是f m s 的一个重要组成部分，该项软件费用约占整个 f m s 投资费用的2 5 4 5 。就其功能来说。管理与控制系统是f m s 的控制和管理核心， f m s 能否正常、高效的运行，在很大程度上依赖于管理和控制系统。特别是控制软件， f m s 中所有发生的活动，最终要由f m s 控制软件监视和控制。 关于柔性制造系统的更充分的介绍将在第二章进行。 1 3 本课题的提出 当前，在与开发f m s 有关的技术中，生产设备和物料传输系统的开发已取得很大 进展，但是，计算机管理与控制系统却并非如此。这是由于，不同的f m s 对管理和控 4 一 堕星堕皇塾鲞奎兰堡主堂垡笙兰 制系统有不同的要求，用户对管理和控制软件的要求也各不相同，往往都是针对特定 的f m s 和用户，设计和开发专用的管理和控制软件，这样就带来了软件开发的周期长， 费用大的缺点，阻碍了f m s 的应用和发展。此外f m s 在长期的运行过程中还会遇到各 种各样的变化，例如设备的更换、损坏、产品需求的变化、产品更新或生产工艺改进， 这也使传统模式下的控制软件的开发实施遇到了困难。 现在有很多学者已经注意到这种问题，从已经发表的论文来看，他们在开发f m s 控制系统的实践中，注意到了控制系统的可重构问题，开发的控制系统呈现出组件化 的特征，各组件有相对的独立性，能适应制造系统在投产后作出的一定程度的变化。 但这种控制系统还不是完全意义上的可重构制造系统，它们还是专门针对特定制造系 统的进行设计开发的，主要是增加了系统的灵活性。本论文基于柔性制造系统的递级 控制结构，提出了一种模块化的控制软件架构，在这种软件架构下，可实现针对不同 柔性制造系统的可重构控制。 为了开发这种控制系统，必须对这种可重构控制系统中的f m s 的建模技术进行研 究，本论文着重探讨了面向对象的p e t r i 网( o o p n ，o b j e c t o r i e n t e dp e t r in e t ) 建模的方法的应用，并讨论了如何把建立的o o p n 模型应用在软件开发中。 ! 塾塑型墨笙主! 竺! 垄堡垫查箜坚窒塑查旦 第二章柔性制造系统及一种可重构控制软件架构 柔性制造系统( f l e x i b l e m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) ，通常简称为f m s ，至上世纪8 0 年代以来，f m s 已成为一项成熟的技术，并在世界范围内得到广泛应用。随着柔性制 造系统的发展，传统的控制软件的开发和实施呈现了很大不足，有必要对其可重构控 制软件进行研究。 2 1 柔性制造系统概述 2 1 1 柔性制造系统的定义及特点 世界上第一条柔性制造系统，是英国莫林斯( m o l i n s ) 公司1 9 6 7 年创建的，然而 到目前为止，f m s 还没有一个确切的定义。 美国制造工程师协会的计算机辅助系统和应用协会把柔性制造系统定义为“使用 计算机控制、柔性工作站和集成物料运储装置来控制并完成零件族某一工序和一系列 工序的一种集成制造系统”。 还有一种更直观的定义：“柔性制造系统，至少由两台机床，一套物料运输系统 ( 从装载到卸载具有高度自动化) 和一套控制软件的计算机所组成的制造系统，它采 用简单的改变软件的方法便能制造出某些部件中的任何零件”。还有其他的定义来描 述柔性制造系统。 柔性制造系统的各种定义虽然不同，但通常柔性制造系统都具有下面这些特点： ( 1 ) 从硬件形式上看它有三部分组成： 1 、两台以上的数控机床或者加工中心以及其他的加工设备，包括测量机、清洗 机等。 2 、一套能自动卸载的运储系统，用于工件原材料的运储，复杂的柔性制造系统 还可能包括工具的运储，具体的运储系统可采用传送带、有轨小车、无轨小车、机器 人等。 3 、一套计算机控制系统。 ( 2 ) 从软件内容看主要包括： l 、柔性制造系统的运行控制： 2 、柔性制造系统的质量保证； 3 、柔性制造系统的数据管理和通讯网络： ( 3 ) 从功能上看，它必须是： 1 、能自动的进行零件的批量生产： 2 、能简单的改变软件，进行族零件中任何一种的生产； 6 南京航空航天大学硕士学位论文 3 、物料的运输和存储必须是自动的； 柔性制造系统是一种能增进生产能力的新方法。这项技术对那些既不是大量生 产，也不是单件生产，而是中批量生产的工厂具有特殊的吸引力。如今的市场情况难 以预测，它要求工厂具有快速投入新产品的能力，对需求的变化具有应变能力以及使 已停产的产品易于恢复生产的能力。要想以较经济的办法解决这些难题，在很多情况 下，柔性制造系统能提供软件与硬件兼有的直接解决办法。 2 1 2 柔性制造系统的分类 柔性制造系统主要解决单件小批量生产的自动化，把高柔性，高质量，高效率结 合和统一起来，具有很强的生命力，是当前最有效的生产手段，并逐渐向中大批多品 种生产的自动化方向发展。 柔性制造系统的适应范围很广，柔性制造单元，柔性制造生产线都属于柔性制造 系统的范畴。根据柔性制造系统的规模，可将柔性制造系统划分如下： ( 1 ) 柔性制造单元( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gc e l l ，f m c ) 它是由单台计算机控制的数控机床或加工中心，环形( 圆形或椭圆形) 托盘输送 装置或工业机器人所组成，可不停机转换工件进行连续生产。它是一个可变加工单元， 也可以是组成柔性制造系统的基本单元。 ( 2 ) 柔性制造系统 它是指由两台或两台以上的数控机床或加工中心或柔性制造单元所组成，配有自 动输送装置，自动上下料装置。托盘库，自动化仓库，中央刀库等。并有计算机综合 控制功能，数据管理功能，生产计划和调度管理功能和监控功能等。图2 为由两台加 工中心所组成的柔性制造系统，配有有轨输送车，托盘交换装置，托盘库和装卸站。 ( 3 ) 柔性生产线( f l e x i b em a n u f a c t u r i n gl i n e ，f m l ) 它是针对某种类型( 族) 零件的，具有专业化生产或成组化生产的特点。它由多 台加工中心或数控机床组成，其中有些机床带有一定的专用性，全线机床按工件的工 艺过程布局，可以有生产节拍，但它本质上是柔性的，是可变加工生产线的，具有柔 性系统的功能。 2 1 3 柔性制造系统的组成 柔性制造系统主要由四大部分组成，即工作站，物料传送系统，计算机控制设备 管理及控制软件，另外还有一些其它重要单元。 里重塑丝型墨丝! ! 竺! 建堡垫查盟塑窒塑查旦 柔性制造系统的组成如下： il ，卸站 fms组成j计算机控制系统_系兰三二!：i二、刀具传送设各) 2 1 4 柔性制造系统的发展趋势 近年来柔性制造系统在进入实用阶段后非但没有停滞或被取代，反而更加迅速的 发展，呈现出以下几个趋势： 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 1 ) 系统规模在减小，向标准单元的发展 小型的柔性制造单元和柔性制造系统由于规模小，投资少，技术综合性和复杂性 低，易于实现，风险低，其可扩展性也在不断加强，因而越来越受到青睐。 ( 2 ) 系统性能在不断提高 这得益于其加工、运储、控制和通讯等技术的发展。 ( 3 ) 柔性制造系统日益成为c i m s 的重要组成部分也是发展敏捷制造的基础 ( a g i1 em a n u f a c t u r i n g ) 。 现在无论从理论上还是实践上，人们都认识到f m s 是c i m s 的重要组成部分，f m s 必须集成到c i m s 中，从整个工厂优化的角度来考虑f m s 才能获得预期效益。 敏捷制造是改变传统的大批量的生产的一种方法，其特点在于通过先进的柔性生 产技术与动态的组织结构和高素质的工作人员的集成，来获取企业的长期效益。 ( 4 ) 柔性制造系统越来越重视组织管理和人的因素。 2 2 柔性制造系统的控制系统 2 2 1 控制系统的组成及功能 柔性制造系统控制系统的基本目标是： ( i ) 传送数据( 如n c 程序) 给f m s 中的物料系统和加工设备： ( 2 ) 协调f m s 中各设备的活动，保证把工件和刀具及时地提供给加工设备，使 加工设备高效运转： ( 3 ) 提供友好的操作界面，使操作者能够输入数据，控制、运行和监视f m s ； ( 4 ) 当f m s 发生故障，能帮助操作者回到加工状态。这里必要的人工干预是不 可少的。 在硬件和软件两方面，f i d s 控制系统组成如下： j计算机 r 硬件 网络 i l 外设 r 生产准备 f m s 控制1f 应用软件 羹裹鬻 l 软件l 手统诊断 l 系统支持软件j 鬻善。网络操作黝 i 数据库管理系统 9 堕塑堡型薹竺主! 坚! 堡堡垫查塑堕窒塑窒旦 生产准备l 动态调度l 系统监视l 系统诊断 网络通信 l数据库管理系统 操作系统 裸机 图2 1f m s 控制系统组成层次结构 生产准备就是，完成对整个f m s 系统的初始化：向各子系统下装数据文件，并实 现对各子系统的单步操作：从各子系统上装数据文件到主控机：启动动态调度、系统 诊断和系统监视等，使控制系统能处理应急事件，能从作业计划中删去或增加任务。 动态调度就是，协调各子系统之间的合作关系：实现工件流、刀具流和信息流自 动化传输；使f m s 能高度自动化地加工。 监视系统就是，监视整个f m s 系统的运行工况，使操作者随时能了解整个f m s 系统的运行状态：并能统计f m s 系统的生产率、各设备的利用率、故障率，故障时间 和次数等。 诊断系统就是，能诊断出各子系统的故障类型；做出对故障处理的决策：把故障 信息提示给操作者等。 f m s 的计算机控制系统，它主要包括三方面：f m s 计算机系统，它的任务是协调 各个设备和工作站的活动；网络与数据库，它们的任务是连接f m s 计算机和各工作站； 各设备控制装置，它们的任务是处理各工作站本身的活动。 f m s 控制系统基本功能： ( 1 ) 数据分配。向f m s 内的各种设备发送数据，如零件加工程序、机器控制程 序，零件检验程序等。 ( 2 ) 协调f m s 内设备的各种活动。通过这种协调，使物料传输系统能及时满足 加工设备对被加工零件毛坯的需要，达到各设备尽可能高的利用率。 ( 3 ) 友好的人机界面。便于操作者对系统进行操作、监视、控制和数据输入。 ( 4 ) 故障处理。在系统发生故障后，使系统具有再起动和继续运行的条件。 2 2 2 柔性制造系统的递阶控制结构 f m s 是一个复杂的制造系统，它的控制系统必然也是很复杂的，复杂的控制系统 采用递阶控制结构是当今的主流方式。现在一般都把f m s 分成三级控制，第一级为系 统控制级；第二级为工作站控制级，第三级为设备控制级。其硬件递阶控制结构见图。 就当前发展趋势而言，f m s 不宜过大，一般不多于6 台加工设备，而且由于系统控制 计算机的功能不断加强，因此，也有很多的系统不再设工作站层，即采用两级递阶控 制结构。 堕塞堕至塾丕奎兰堡主堂垡堡塞 图2 2 为刚s 的一种三级硬件递阶控制结构。 系统控制 工作站控 设备控制 图2 2一种f m s 硬件递阶控制结构 2 2 3 柔性制造系统控制系统的发展趋势 近年来柔性制造系统的控制系统迅速发展，出现了以下趋势 ( 1 ) 不断涌现出新型控制系统； ( 2 ) 控制软件模块化、标准化； ( 3 ) 迅速发展新型软件开发工具： ( 4 ) 积极引入设计新方法： ( 5 ) 发展新型控制结构，如非从属式控制结构： ( 6 ) 硬件性能迅速提高； ( 7 ) 大力发展应用人工智能技术： 2 3 一种柔性制造系统可重构控制软件的架构 2 3 1 传统柔性制造系统控制软件的缺点 当前f m s 在制造业中的应用获得了很大的发展，但也遇到了一些问题，主要有： ( 1 ) f m s 的实施费用太高，企业承担的风险很大，这其中管理和控制软件的开 发和实施的费用是一个重要的因素，在传统的f m s 中往往都是针对特定的系统和用 户，设计和开发专用的管理和控制软件，该项软件费用约占整个f m s 投资费用的 2 5 4 5 。 ( 2 ) 为了适应产品工艺过程的更新、满足更高的产品质量要求或加快对创新技 术、新装置、新材料的应用，柔性制造系统本身需要具备可重组性。此外f m s 在长期 一一旦重塑塑型墨堕! ! 竺! 垄堡垫垄箜堡窒塑堕旦 的运行过程中还会遇到各种各样的变化，例如设备的更换、损坏、产品需求的变化、 产品更新或生产工艺改进。传统的面向特定的f m s 开发的控制软件不能很好的满足这 种要求。 为了有效的降低软件开发的成本，更好的满足制造系统的可重组性的要求，有必 要对柔性制造系统可重构控制的技术进行研究。 在可重构控制系统下面用户应能够根据实际的制造系统的特征，在特定的控制结 构的基础上，利用系统配置模块配置出f m s 系统的配置文件，将此配置文件调入运行 系统就可实施对系统的控制。近年来快速发展工控组态软件对柔性制造系统可重构控 制软件的研究具有重要的启发意义。 2 3 2 工业监控组态软件的发展和原理 随着计算机和工业的发展，计算机越来越广泛的应用于工业控制系统，早在上世 纪6 0 年代，控制领域就已引入了计算机。只是当时的计算机只是控制调节器的设定 点，具体的控制则由电子调节器来执行。7 0 年代，随着电子技术的飞速发展，大规 模集成电路的出现，其生产成本大幅度降低，出现了第一代集散型控制系统 ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) ，随后的2 0 年，d c s 及其计算机控制技术日趋 成熟，得到了广泛的应用。d c s 以系统以数字控制代替了模拟控制，精度有所提高， 具有集中管理、分散控制、分散危险、可靠性高、组态容易和扩展性强的特点。 但是尽管d c s 技术、市场发展迅速，但软件仍是专用的和封闭的，除了在功能上 不断加强外，软件的成本一直居高不下，阻碍了在一些中小型的项目中的应用。到 8 0 年代后期，随着个人计算机的普及和开放系统( o p e ns y s t e m ) 概念的推广以及现 场总线技术的成熟，基于个人计算机的监控系统开始进入市场，并发展壮大。监控系 统的软件部分组态软件则是实现分散控制和集中管理的核心。 组态原理( c o n f i g u r a t i o np r i n c i p l e ) 是一种根据面向的对象的不同而适时改 变自身组织形态的原理。组态软件指些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在 自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式( 而不是 编程方式) 提供良好的用户开发界面和简捷的使用方法，其预设置的各种软件模块可 以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和 i o 设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬 件的全部接口，进行系统集成。 2 3 3 工业监控组态软件的一般架构 在设计思想上工控组态普遍采用模块化和面向对象的方法。组态软件般都由若 干组件构成，而且组态的数量在不断的增长，功能不断加强。各组态软件普遍使用了 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 “面向对象”( o b j e c to r i e n t e d ) 的编程和设计方法，使软件更加容易学习和掌握， 功能也更强大。 一般的组态软件都由下列组件组成：图形界面系统、实时数据库系统、第三方程 序接口组件、控制功能组件。 在图形界面生成系统下，用户可以运用系统提供的各种图形工具绘制工业现场的 设备定义动画连接，亦可同时引入报警通知、报表打印、历史数据的查询和打印等 功能，此外各组态软件还普遍提供了种类似b a s i c 语言的编程工具脚本语言来 扩充其功能。控制功能组件以基于p c 的策略编辑生成组件( 也有人称之为软逻辑或 软p l c ) 为代表，是组态软件的主要组成部分，用于生成系统控制的策略。实时数据 库是更为重要的一个组件，能够存储每个工艺点的多年的数据，同时很好的满足控制 的实时性的要求。通信及第三方的程序接口组件是开放系统的标志，是组态软件以三 方的程序交互及实施远程控制的重要手段之一。这些组件中有的功能是一个独立的程 序，可以单独使用，有的被“绑定”在其他程序当中，不被“显式”的使用。 用户通过这些组件就可以生成特定工控现场的系统配置文件，将此系统配置文件 调入运行系统中就可实现对工业现场的监控。 2 3 4 根据模块化和组态的思想实现的可重构控制软件的架构 组态软件由于其功能强大，使用灵活方便，实施成本较低，近年来在工业控制中 获得了较大的进展，但是现在流行的组态软件主要还是面向流程式的控制过程，应用 较多的是发电站、化工生产等领域，很少有调度决策的问题。而柔性制造系统是个典 型的离散事件系统，组成系统的实体之间有复杂的依赖关系，系统运行时存在大量的 调度决策问题，有其特定的规律。将传统的组态软件应用于制造系统，需要编写复杂 的脚本程序，这样会降低系统实施的速度和稳定性，软件运行的效率也得不到保证， 因此有必要在研究制造系统运行模型的基础上，借鉴工控组态软件的设计中的模块化 的思想及其软件架构的特点，开发面向制造系统的组态软件。 所谓模块，就是可组合成系统的，具有某种确定功能和接口联结( 输入接口和 输出接口) 的通用独立单元。模块化是实现复杂系统的重要途径。根据模块化的和组 态的思想，基于目前在f m s 中普遍采用的递级控制控制结构，可以将柔性制造系统的 可重构控制软件划分为系统配置模块、零件加工路径设计模块、作业计划编辑输入模 块、控制运行模块以及仿真平台，各模块的具体划分以及相互间的关系如图2 - 3 所示。 各个模块的具体功能阐述如下： ( 1 ) 系统配置软件 它的主要功能是可视化设计柔性制造系统的布局及进行属性配置，在此模块中 要求用户可在屏幕上绘制和组合图形对象，模拟柔性制造系统中的设备和制造单元， 图形对象可任意放大、缩小、移动、改变颜色、复制、粘贴等，以便让用户实现自由 1 3 一旦重塑丝型墨竺主! 坚! 垄堡垫查塑婴壅塑鏖旦 - - - - - - - - - - 代表文件的读入关系 一 代表信息传递的方向 图2 3 可重构控制软件的架构图 组态，而且能提供给用户相应的界面方便的设定设备和单元的属性。 组态完成的画面和配置应能够保存为一个特定格式的文件，将这个文件调入系统 运行模块，系统控制软件能根据其中的设置对各单元和设备的控制软件初始化，并对 图形对象和对应的设备和单元的控制软件进行关联，每个图形对象应能根据制造现场 的中相应设备的活动实时动态地刷新显示。 ( 2 ) 零件加工路径设计软件 本模块的主要功能是，用可视化的方法，在布局图上用鼠标点击相应加工设备的 图标，自动生成零件在制造系统中的流动路线。每一种零件都要通过这种方法生成零 件的加工流动路线文件。用户应用本软件时，首先读入布局配置文件，在本软件的窗 口显示布局图，然后在布局图上用鼠标点击各设备或制造单元的图标，这时软件自动 记录它们的点击顺序，即零件的加工路径。零件加工路径的记录应能存储到硬盘。另 南京航空航天大学硕士学位论文 外，可以用人工的方法对新的或已有的零件的加工路径进行编辑( 增加、删除、修改) 。 ( 3 ) 作业计划编辑输入软件 在自动化制造系统运行前，要输入在本班次( 或这天) 加工中要加工的任务，即 零件的品种和数量，以及它们的优先级。在加工过程中，如果某任务还没有执行，可 以对其进行修改，也可以增加新的任务。所有要加工的零件，必须已经生成了加工路 径。 ( 4 ) 控制运行软件 控制运行软件是本控制系统的核心，采用递阶控制结构，主要分成三大部分：系 统控制软件，单元控制软件，设备控制软件。之所以采用这种控制结构主要是考虑到 这种控制结构的各层软件的独立性比较强，局部的增删简单易行，而且大多数的f m s 在硬件控制结构上也采用递阶控制的方式，这样使软件的实施比较简便。 系统控制软件是一个框架性软件。它具有兼容各种制造系统布局、配置和各种零 件以及各种零件批量加工控制的能力。它的输入是布局配置文件和零件加工路径文 件，以及加工作业计划。系统控制层可以直接控制单元层和不在单元的设备层。系统 控制层只有一个软件，即系统控制软件。单元控制层可以有一个或多个单元控制软件， 也可以无单元控制软件，即无单元控制层，这时为二级的软件递阶控制结构。设备控 制层有多个设备控制软件。单元控制软件接收上一级的控制命令，协调本单元设备的 动作，并把控制命令发给设备控制软件。设备控制软件接收上一级的控制命令，对设 备实施直接控制。 系统的软件递阶控制结构示例见下图： 图2 - - 3 系统的软件递阶控制结构 一个单元控制软件可以对两个或两个以上的设备控制软件进行控制，协调单元内 各设备的动作，完成相应的加工任务。 可重构控制系统中f m s 建模技术的研究和应用 系统控制软件、单元控制软件和设备控制软件都有自己的配置文件。配置文件的 作用是存放系统、单元或设备的组成、结构和相互关系的信息，配置文件以文本文件 的方式存放，它可以通过编辑的方式进行修改，也可以通过可视化或对话框的方式进 行修改。当系统、单元、设备软件运行时，它会自己调用配置文件进行配置。 ( 5 ) 仿真平台 仿真平台是在实验室环境下，调试和测试制造系统控制软件的重要手段。仿真平 台主要是建立制造系统中各设备的仿真软件。仿真软件要能够完成： 1 、接收上级控制软件的命令； 2 、仿真制造设备的运行； 3 、设备仿真运行完成后，反馈完成命令。 1 6 一 直至堕至堕蒌盔堂堕主堂笪笙奎 第三章可重构控制中柔性制造系统建模方法的研究 在计算机控制中，任何系统必须有一个与之相对应的模型，用以表达该系统。所 谓模型就是对真实系统的简化、抽象和对系统本质的一种描述。采用某种方法对真实 系统进行抽象，得到系统模型，这个过程称为建模。为了实现柔性制造系统的可重构 控制，必须对其建模技术进行研究。 3 1 离散事件动态系统建模理论概述 柔性制造系统是一种典型的离散事件动态系统( d e d s ，d i s c r e t ee v e n td y n a m i c s y s t e m ) 。离散事件系统是指其活动和状态的变化仅在离散事件点上发生的一类系统。 这类系统的状态仅与离散的时间点有关，当离散的时间点上有时间发生时。系统的状 态才会发生变化。一个简单的例子是行驶的公共汽车，若把乘客数当作系统状态，仅 仅当汽车停靠车站，有上、下的乘客事件发生时，系统的状态才发生变化，这些事件 ( 上、下乘客) 是在离散事件点( 停靠时间) 上发生的。如果离散事件系统的活动和 状态处于频繁变动的动态过程，则称为离散事件动态系统。 对于f m s ，它的原材料( 毛坯) 供应和产品的完成都发生在离散的时间点上，而 且系统的状态处于动态变化之中，所以f m s 是典型的d e d s 系统。下面简单介绍一 下应用于离散事件动态系统建模的主要方法。 3 1 1 排队论 排队是指服务机构处要求服务的对象的一个等队列，而排队论则是研究各种排队 现象的理论。在排队论中，将服务的对象称作顾客，而将提供服务的机构或人称为服 务台或服务员。服务时间相当于顾客占用服务台的时间。服务台按照一定的次序对客 户提供服务，称作排队规则。 在离散事件系统中，顾客到达的时间和服务的时间一般是随机的，因此就会出现 排队问题。日常生活中人们会经常遇到各种各样的排队现象，排队论的实质就是研究 服务平台与顾客效率的问题，希望服务效率高，而顾客的等待时间短。 排队论的特点是从概率和统计的角度和对离散事件动态系统进行建模和分析，所 追求的目标是导出系统性能的解析表达式。 下图是排队论的一般模型。 一一旦重塑塑型墨丝! 竺! 壅堡垫查塑婴窒塑壁旦 l l 服 西 务 机 构 图3 一l 排队论模型 排队结构指的是队列的数目和排列方式。排队规则和服务规则则是说明顾客在排 队系统中按照怎样的规则、次序接受服务。一般的排队系统都有三个基本组成部分： 输入过程、排队规则、服务机构。其中排队规则可以分为三种情形： ( 1 ) 损失制。一个顾客到达时，若所有的服务台均被占用，则该顾客自动离去。 ( 2 ) 等待制。一个顾客到达时，若所有的服务台均被占用，则该顾客进入队列 等待服务。 ( 3 ) 混合制。这是上述两种排队规则的混合形式，当队列的有限时，一个顾客 到达时，若对列未满则等待服务，若未满，则离去：或者当时间有限时， 如估计等待时间不超过限制时间则等待，否则离去。 在等待制和混合制的系统中，有服务规则的问题，常见的服务规则有：先到先服 务、后到先服务、按优先权服务和随机服务。 为了研究排队系统运行的效率，估计服务质量，确定系统参数的最优值，以及决 定系统结构是否合理，研究改进的措施，必须确定用以判断系统运行优劣的基本数量 指标，排队系统最重要的三个指标是： ( 1 ) 队列长度，指系统中排队等候和正在接受服务的顾客的数目，这个值越小 越好。 ( 2 ) 等待时间，指顾客到达至开始接受服务之间的时间间隔，这个值也是越小 越好。 ( 3 ) 忙期，忙期是指服务台连续忙碌的是时间，即指顾客到达空闲服务台开始， 到服务台再次变为空闲的状态这段时间，它直接关系到服务员的工作强 度，因此是服务台最关心的数量指标。忙期和一忙期中平均完成的顾客数 量都是衡量服务机构的效率的指标。与忙期相对应的闲期，这是服务台连 续保持空闲的时间长度，二者是交替出现的。 ( 4 ) 服务台的利用率，指服务台的忙的时间在总时间中的比例。 最初讲排队理论用于f m s 建模的是s o l l b e r g ，其模型假设服务台( 工作台) 具 有指数型服务时闻分布，顾客( 工件) 都是同一类型，通过排队模型可以分析系统的 直塞堕室堕丕盔兰堡主堂垡堡苎 生产率、平均生产时间、工位的利用率、系统的极限生产率。 排队论不关心f m s 的实际布局，适用于对规模较小和网络特性较为简单的系统进 行性能评估，缺点在于对所研究的系统引入的假设条件太多，而且通常要求系统缓冲 区为无限大，这极大的限制了它在f m s 建模中的应用。 3 1 2 活动循环图方法 活动循环图( a c d a c t i v i t yc y c l ed i a g r a m ) 目前广泛的应用于f m s 等离散事件 系统的建模仿真。这种方法以直观的方式显示了系统的动态变化，利于理解和分析。 a c d 中两类节点代表了系统中实体的静态和动态，各个实体的动态和静态交替变化 反映了系统运行的特性。活动循环图可以根据问题的需要。对所分析的系统建立不同 层次的模型，高层次的模型可以进一步分解为底层次的模型。a c d 的另一个特点是 通过a c d 描述的模型，可以方便的转换为e c s l 仿真语言的程序。但是当系统过于 庞大、复杂时，系统的活动循环图会变得十分繁杂。 活动循环图对系统描述的原理认为系统中的每一个实体都按各自的方式循环的 发生变化，而在这一循环当中有只有两种状态静止状态和活动状态，这两种状态 在循环中交替的出现。静止状态( 或称队列) 用圆表示，而活动状态用矩形代表。它 们之间的转换用有向弧( 箭头) 来表示。在一个队列系统中一般有多种实体，有向弧 就要使用不同的颜色或线型，以便于区分不同的实体。 一个活动发生的条件是：所有前置队列中都具有按照队规则挑选的、足够数量的 令牌( t o k e n s ) ，一个活动可以同时发生多起( 例如f m s 中几台机床同时处于切割活 动中) ，活动的延续时间可以是