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南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 如何利用现代通讯信息技术，将现代管理思想有效的运用于企业来组织生产， 从而提高企业市场竞争力，是我国制造业所面临的紧迫任务。 本文首先分析了耳前制造企业中d n c 系统的发展现状、以及实际生产过程中 存在的不足，描述了此类企业对d n c 系统的需求特点，阐述了在未来日益激烈的 市场竞争中d n c 系统应该具有的功能与发展趋势。然后结合一个典型的制造业企 业南京四开电子企业有限公司进行了系统的需求分析和设计。接着研究了企业 车间级生产计划管理模型，提出了一种以按时交付为目标的机床生产能力平衡与车 间级生产计划的控制方法，并对其中需要解决的关键技术进行了研究和讨论。同时 根据企业自身的机床设各特点，实现了对车间机床加工过程的实时监控。最后根据 系统的设计思想，结台提出的实现方法进行了系统的开发。 关键词：d n c 生产计划能力平衡生产控制实时监控 第1 页 w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统的研究 a b s t r a c t i ti st h eu r g e n tt a s kf o ro u rm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e st oo r g a n i z et h ep r o d u c t i o n e f f i c i e n t l ya n dt oi m p r o v et h e i rc o m p e t i t i v ep o w e ri nt h em a r k e tb ym e a n so ft h e u t i l i z a t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o ns c i e n c e ，t h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dm o d e r n m a n a g e m e n tp h i l o s o p h y i nt h ef i r s tp a r to ft h ea r t i c l e ，t h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dt h es h o r t a g eo fd n c s y s t e m i nm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sa n dt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e v e l o p m e n ti nt h i sk i n do f e n t e r p r i s e sa r ea n a l y z e d t h e nt h ef u n c t i o n sa n dt h et r e n do fd n cs y s t e mo ft h ef u t u r e w e r ea l s od i s c u s s e d t h er e q u i r e m e n ta n a l y s i sa n ds y s t e md e s i g na r ec a r r i e do u t a c c o r d i n gt ot h es i t u a t i o no fn a n j i n gs k y e l e c t r o nc o l t d a tt h es a m et i m e t h ek e y t e c h n o l o g yt os o l v et h ec a p a b i l i t yb a l a n c eo ft h em a c h i n et o o la n ds c h e d u l i n gs y s t e mo f t h ew o r k s h o pp r o d u c t i o na r es t u d i e d ，a n dam a n a g e m e n tm o d e lo ft h ew o r k s h o p p r o d u c t i o ns o l v e dt h ec o r r e s p o n s i v ep r o b l e mt o f i n i s ht h ep r o d u c t i o nt a s ki nt i m e a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tn e e di nt h ee n t e r p r i s e s m o r e o v e r , 也er e a lt i m em o n i t o ro ft h e w o r k s h o pp r o d u c t i o ni sr e a l i z e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so f t h es k y c n c f i n a l l y , t h ea p p l i c a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e db a s e d o na 1 1t h e s ea b o v e k e y w o r d s ：d n cp r o d u c t i o np l a n n i n g c a p a b i l i t yb a l a n c i n g p r o d u c t i o nc o n t r o lr e a lt i m em o n i t o r 第l i 页 南京航空航天大学硕士学位论文 i id n c 系统概述 i i 1d n c 系统的概念 第一章绪论 d n c 是计算机直接数控i r c c tn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 或分布式数控( d i s t r i b u t e d n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 的简称，它是实现c a d c a m 和计算机辅助生产管理系统 ( c a p m s ) 集成的纽带，是机械加工车间自动化的又一种形式。d n c 强调信息的集 成与信息流的自动化，相对于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 ) 来说，d n c 是投资小，见效快并具有较好柔性的多个数控加工设备的集成控制系统口】。 d n c 系统的划分有很多种，按系统的内涵不同可以划分为直接d n c 、分布式 d n c 、柔性d n c 、网络d n c 和集成d n c 等。 直接d n c 系统，即直接数字控制的d n c ，也是早先简单的d n c ，其任务只是 实现微机与数控机床直接的单向连接，将n c 程序下传给数控系统，从而完成零件 在机床上的加工。 分布式d n c 系统，即分布式的数字控制d n c ，它不但能实现n c 程序的双向 传输，而且具有系统的信息收集、状态监视和系统控制等功能。 柔性d n c 系统，是由于8 0 年代以后，c i m s 技术的发展和d n c 功能的不断 扩大，使得d n c 系统与f m s 系统之间的概念越来越模糊，此时的d n c 已经成为 f m s 必不可少的一部分，因此把它称为柔性d n c 系统。 网络d n c 系统，是为了适应敏捷制造、全球制造、分布式制造和远程制造而 发展起来的一种d n c 系统，这种d n c 系统的特定是更强度网络与分布式数 据库技术方面的功能和虚拟集成 8 】。 集成d n c 系统是现代化机械加工车间的一种运行模式，它以数控技术、通讯 技术、控制技术、计算机技术和网络技术等先进技术为基础，把与制造过程有关的 设备与上层控制计算机集成起来从而实现制造车间和制造设备的集中控制管理以 及制造设备之问，制造设备与上层计算机之间的信息交付【7 l 。 i i 2d n c 系统在企业信息化过程中的作用 d n c 是用一台或多台计算机，对多台机床实施综合控制的一种方法，是机械制 造系统的一个重要发展。随着计算机集成制造技术( c r m ) 、敏捷制造技术( a m ) 、全 第l 页 w i n d o w s 环装下d n c 通讯与管理系统的研究 球制造( g m ) 等先进制造技术的不断发展，作为实现制造系统柔性自动化的基本方法 的d n c 技术在车间自动化和工厂信息化过程中扮演着极其重要的角色。具体表现 在以下几个方面： 利用d n c 技术，各数控设备的数据和命令信息就可以直接通过电缆或网络 用数据通讯方法来实现，从而迸一步提供系统的可靠性。 d n c 系统不仅具有程序编制和编辑功能，而且具有一定的通讯功能，提高 了系统的工作效率。 d n c 系统将若干台数控设备通过通讯网络连接到一台d n c 主机上，从而 使得d n c 主机能够在线调整和管理整个d n c 系统，使其达到优化运作的 目的。 d n c 系统有利于企业实现分布式控制。与集中式相比，分布式控制不但成 本低，而且较为可靠，这种系统的优点是灵活、易于扩充、可靠性高，并 具有良好的开发性。 1 1 3d n c 系统的研究现状和发展趋势 上世纪8 0 年代，d n c 技术仅局限于用一台中央计算机控制多台c n c 机床，当 时主要是为了解决纸带的制作、管理与维护等问题。之后，随着计算机技术与网络 技术的发展，d n c 概念产生了质的变化，现在所讲的d n c ，其基本涵义为对加工 作业进行分散控制与集中监测及管理，并可全方位相互交换信息，已成为功能强大、 全面、可靠的车间信息网络。近年来，数控机床的占有率在我国呈逐年上升趋势。 为此对数控机床进行集成化控制显得日益重要。d n c 是实现这一目标的主要方式， 可显著地提高这些智能化设备的使用效率及整体生产水平与管理水平及集成化生 产能力和敏捷制造能力。f m s 是人们所熟知的机械制造自动化的一种运行模式，但 它过于强调物流自动化，相对f m s 而言，d n c 网络通信，因其投资少、规模小、 见效快等特点己引起国内外的高度重视。 目前国内外关于d n c 技术研究的现状主要集中在d n c 硬件接口技术研究和 d n c 软件技术的研究两个方面。在d n c 技术发展初期，其功能大小主要由构成系 统的硬件来决定，随着计算机通信技术及网络技术的发展，在硬件的要求上基本相 同，并已形成了共识的d n c 通信接口商品化产品。现在d n c 的功能及特色主要由 软件来扩展，竞争的结果使得d n c 功能越来越丰富、强大，使用也越来越方便、 容易。现在d n c 软件大部分可通过w m d o w s 支持的t c p i p 协议与l a n 或u n i x 系统联接，实现c n c 程序、工艺参数等数据的上下传递：状态信息( 含故障信息、 刀具信息) 采集与显示；n c 程序编辑( 含图形仿真与比较等) ：生产调度与监控； 单元控制与集中管理( 含生产订单、设备、工具、材料、工艺文件、n c 程序、数 第2 页 南京航空航天大学硕士学位论文 据备份、质量等管理) ：人员分级权限；事件日志；远程控制( 含异地访问) 以及 与c a d c a m c a p p m i s 集成等功能。 从国内外对d n c 技术研究思想的演变，可反映出现代d n c 软件技术的发展趋 势，其发展方向主要表现在以下几个方面i v l l l 0 1 ： 1 基于软件总线d n c 系统研究 为了使d n c 系统具有可移植性、可扩展性、可伸缩性和可互换性等特点，提 出d n c 软件的设计基于软件总线的设计思想，遵循一定的规范，并用某种语言定 义软件总线的插脚，将异构c n c 机床应用功能模块按软件总线规范做成软插卡， 类似于插入计算机硬件总线的硬插卡一样插入软件总线，表现形式为透明的d n c 即插即用软插卡，以达到即插& 口用的效果。 2 基于开放式c h i c 系统的d n c 系统研究 目前，开放式c n c 系统的研究越来越热，其设计思想均是以通用p c 机作为硬 件开发平台。基于这种开放式c n c 系统与d n c 系统的配套开发研究，必将成为 d n c 技术发展的主要模式，其主要特点可按一个统一的d n c 开发平台，通过标准 化通信协议，以一个共同的数据结构和人机界面来面对用户。 3 重构技术与敏捷d n c 系统的研究 为了适应市场的需求，机械制造企业面对的是一个多变的需求环境，加工任务 与加工路线的变化导致所需设备资源不足或设备负荷过重。为了克服以上困难，可 根据动态重构与动态联盟的概念，即在某时间区域内，为了完成某项具体的生产任 务，根据重构原则与算法，确定车间内的哪些工作属于哪个工作单元或车间外某一 车间的某个工作单元来完成。甚至通过信息技术及远程广域网络通信技术与 i n t e m e t ，在国内或国外寻求合适的具有d n c 加工能力的盟友建立动态联盟，获得 所需的数控加工资源，以扩大企业的d n c 加工能力，提高企业快速响应市场，适 应多样化产品的生产能力。一旦任务完成，重构的旧单元或旧联盟解体，并根据新 任务的要求又重构新的单元或建立新的动态联盟。这种用敏捷的工具通过敏捷的生 产过程，制造出敏捷的产品的敏捷d n c 系统，已引起国内外研究人员的高度重视。 4 d n c 系统c i m s 的集成 近年来，随着c i m s 技术的研究、开发与推广应用，在许多企业已建立了较完 善的c a d c 删a p p c i m 应用系统。另一方面正如前面所述，世界各著名硬件 制造商及数控系统制造商纷纷推出d n c 通信接口，提供符合m a p ( m a n u f a c t u r i n g a u t o m a t i o np r o t o c 0 1 ) 标准的d n c 网络接口的选件，因此，今后人们对d n c 系统研 究的重点，将由过去的单纯的通信技术的研究转向对d n c 集成化生产管理系统技 术的研究，开发d n c 系统与c a d c a m c a p p 枷 s 等应用软件的接口及集成。 第3 页 w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统的研究 1 2 中小型企业对d n c 系统的需求 随着信息技术和c i m s 技术的发展，车间内外信息的交换和集成将成为车刮控 制和管理的重要组成部分。显然集成的思想在d n c 中占有很重要的地位和作用， 集成已经成为d n c 的核心，它的功能也在不断的扩大。随着市场竞争的日益激烈， 许多基础不太好的中小企业也希望通过引进d n c 控制与管理技术，来提升自身的 竞争力，但是中小型企业自身的特点，又为d n c 技术提出了进一步的要求。一般 来说中小型企业产品品种不多、结构也不太复杂，没有太多的高度的自动化设备， 生产管理中人工参与较多，没有多层递阶的组织结构，各部门管理的功能交叉比较 普遍，因而对相同数据信息的要求较多。这就要求d n c 系统能够根据这些企业的 实际的情况来提供切实可行的功能。因此，只有不断的集成和完善d n c 的底层自 动化功能，提高底层工作的效率，才能提高中小型企业在市场中的地位。 1 3 本课题的提出与研究目的 随着d n c 的进一步的发展，传统的d n c 技术已不能满足现代制造业的需要； 同时，m r pi i 与e r p 、c i m s 的推广应用和制造业信息化的实施，使得我国许多离 散制造企业的信息化已达到了一个较高的水平，企业利用信息系统初步实现了信息 处理与管理的自动化，特别是m r p 的推广应用，使得企业的计划更合理、资源 管理与配置更科学。因此，集成d n c 系统也就应运而尘，它除了具有传统d n c 的 功能外，在生产的管理，机床之间的通讯等方面部有很大的改善，从而也就更有利 于把与制造过程有关的设各与上层控制计算机集成起来，更有效的实现对制造车间 制造设备的集中控制管理以及制造设备之间，制造设备与上层计算机之问的信息交 付。 由于在m r pi i 的实旌中，通常回避车问设备生产能力平衡问题，使得车间管 理人员不能方便地进行机床生产能力的综合平衡，资源的有效配置和计划的科学调 度。作为生产管理中主要内容之的生产控制一直是企业实现信息化管理的一个薄 弱环节，在目前还没有十分成功的实用化系统可供企业使用。那么对于和m r p i i 有相似功能的集成d n c 系统来说，同样如此。 本课题是南京航空航天大学c i m s 工程研究中心与南京四开电子企业有限公司 的合作项目，是四开电子企业有限公司根据当前企业自身发展的需要以及企业所处 的市场竞争环境，为解决不断增长的产品市场需求和其自身生产能力的限制之间的 矛盾提出的。 本课题的研究目的是应用管理技术，信息集成技术与可视化技术相结合，研究 开发出一个基于w i n d o w s 下的d n c 通讯与管理系统平台，使得企业的车间生产主 第4 页 南京航空航天大学硕士学位论文 管领导能方便、直观地进行车间计划分解、车间机床能力平衡、车间生产计划控制 和车间生产实时监控，最大限度的保证产品的按时交付。对于深化企业改革、提高 运营效率，进一步提高领导决策的科学性、及时性，计划调度的合理性有着十分重 要的意义。 1 4 课题的主要研究内容 w m d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统的总体设计 分析企业实际发展过程种所遇到的问题，概括出企业的相应需求，提出一 种适合企业自身实际生产所需要的系统总体框架，确定系统的功能与运行模 式； w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统的关键技术的研究 以按时交付车间生产任务为目标，分别研究和详细阐述了车间级生产计划的 分解、作业日计划的调整与管理、车间生产进度的控制、机床能力平衡和派工 计划生成、以及车间级生产计划的完工汇报五方面的具体的关键技术；同时， 为了实现车间管理人员对车间生产的实时监控，提出了实时监控系统具体的实 现办法。 一 w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统的关键技术的实现 通过设计具体的算法和合适的编程语言来具体实现本系统的一些关键技 术。 1 5 本文的章节结构 本文各章节的具体的内容安排如下： 第一章绪论 首先具体介绍了d n c 系统的概念和相关内容；然后介绍d n c 系统在企业 信息化过程中所起的巨大作用；接着结合d n c 系统的发展现状和发展趋势， 阐述了中小型企业对d n c 系统的需求，最后阐述本课题的提出以及主要的研 究内容和研究的意义。 第二章w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统的设计 首先描述研究对缘南京四开电子企业有限公司在企业发展过程中所遇 到的问题并分析其产生的原因；然后在研究企业的需求基础上，提出系统的设 计思想以及总体框架：最后迸行系统的功能定义和信息模型设计，同时介绍系 统中其他相关部分的有关内容。 第三章w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统关键技术的研究 第5 页 w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统的研究 根据企业的需求和系统的设计思路，研究系统的关键技术。首先通过分解 车间级生产计划来获得车间的日加工任务，然后通过车间的具体生产情况和车 间机床具体的工作能力来完成车间日作业的计划的管理、机床能力的平衡和机 床派工单的下放；通过动态控制算法来修改车间曰生产计划，从而保证车间生 产任务的按时交付；最后完成对车间机床属性的灵活配置以适应不同车间生产 的需要。 第四章w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统的开发与实现 首先介绍系统的开发环境和工具，然后按系统的总体框架顺序介绍核心模 块的具体实现和其他相关模块的开发。 第五章总结与展望 总结了本文的主要工作与应用的成果，分析研究与开发中的不足，最后指出 还需进一步的研究内容。 第6 页 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统的设计 在下面的章节中将对该d n c 通讯与管理系统的总体设计进行详细阐述。具体 包括系统的需求分析、系统的设计思想、系统的总体设计框架结构、系统的功能模 块的定义以及系统的信息模型的建立。 2 1 w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统的需求分析 2 1 1 南京四开电子企业有限公司发展过程中遇到的问题 本课题是南京航空航天大学与南京四开电子企业有限公司的合作项目，它是与 南京四开电子企业有限公司数控产品的研制、开发和推广相配套的并且密切相关 的，所以本系统的研究与设计有其一定的针对性。下面先描述一下目前该企业的现 状和所面临的问题：南京四开电子企业有限公司是一家主要从事数控系统与机床的 研究、开发和生产的高新企业。其自行研制出的具有自主版权的s k y 数控系统， 是国内较先在3 2 位c p u 通用微机平台( w i n d o w s 环境) 上开发出来的、性能价格 比高的经济型及普及型全功能数控系统，因此该企业的发展前景非常好。但随着计 算机技术、网络技术越来越广泛的运用，机械制造企业走向全面的信息化、网络化 已是迫在眉睫的任务。如何使信息化、网络化在企业的每个层面展开，如何使诸如 c i m s 工程、e r p 系统能延伸至加工设备，如何使得其数控机床与管理层之间也能 实现信息通畅的交互，这是该企业在信息化、网络化的过程中对数控系统提出的一 个新课题。因此，该企业发展过程中遇到的问题可以归纳为以下两点： 首先，该企业自行研制的s k y 数控系统比较先进，提供了可视化的w i n d o w s 操作平台来实现对数控机床的直观操作，同时该数控系统还具备了能在t c p i p 协 议通讯的接口，便于机床与外界的通讯。但是整个数控系统的灵活性不够，缺乏对 不同加工环境下的适应能力( 例：对机床名称、机床代号、i p 地址等属性的变更配 置) 。 其次，该企业的数控系统虽然具备了与e r p 等上层管理系统很好的交互能力， 但是它的功能还不是很完善( 例：车间数控设各生产实时监控、生产计划的分解、 作业计划生成等功能) 。 2 1 2 系统的需求分析 上一节中我们分析了该企业在发展过程中所遇到的问题，那么在此基础之上可 以得到它的总的需求是：在保持s k y 数控系统先进性的同时，近一步提高该数控 第7 页 w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统的研究 系统的灵活性，保证该数控系统能根据不同的环境做出与之相适宜的调整；为该数 控系统提供相配套的车间级的管理功能，借助于该数控系统原本的通讯接口优势， 实现企业内部各职能部门之间的信息交互更及时、更准确，从而进步提高企业的 运行效率，大大改善s k y 数控系统的与其他管理系统的集成性。 因此说本d n c 系统要求满足以下几点： 1 机床属性的灵活配置 针对不同的机床和条件，可以配置不同的属性；同时提供机床相应属性的 查询、更改、删除等功能。 2 车间机床实时监控 实现对车间机床工作的实时监控，使得管理人员能够更快捷，更方便的了 解车问的加工情况。 3 生产过程控制 能够和车间生产信息有机结合，进行生产进度的有效控制，通过及时、有 效的对生产进度的控制，确保产品的按时交互。 4 作业计划的生成 在上层计划初步确立的情况下，通过能力查询，自动完成对上层计划的分 解，即生成日计划；同时，可以根据日计划的完工情况，对日计划进行相应的 调整。 5 派工生成 根据日生产计划，实现派工单的下达；根据实时的车间信息和机床的生产 能力信息，及时调整车间的作业分配。 6 系统操作的简洁和人机的友好 力求整个系统的操作简便和快捷，使得操作人员能方便、直观的对整个系 统进行有效的管理和控制。 2 2 系统的设计思想 为了解决机床属性的灵活配置问题，在数据库中建立一个相应的数据库表文 件，来完成机床属性的添加、修改、保存等功能。而当要用及机床属性信息时，可 以通过数据库的查询功能来实现对相应机床属性的访问。 在解决车间机床实时监控问题时，考虑到s k y 数控系统已有网络通讯接口， 借助w i n d o w s 环境下t c p 用酽协议来实现机床之闯的通讯，从而实现对整个车间机 床加工过程的实时监控，具体实现通讯的方法将在第三章详细讲述。 在车间级的生产任务被分配到车间后，需要进行生产进度的控制，来确保产品 最终按时交付。具体的思路是通过查看生产完成信息，以及零部件和产品的库存情 第8 页 南京航空航天大学硕士学位论文 况等信息，确定未完成的工作量，结合一定的判断方法，使管理人员能够及时发现 如果未完成的工作任务仍按原计划进行生产是否会影响最终的交货期，以及其余交 付定单是否能够如期完工。 在得到上层生产计划的生产信息后，充分考虑到车间班组的生产能力情况，来 确立该上层生产计划的可行性：在上层生产计划得到确立后，自动分配日生产计划 给相应的班组。具体分配方法将在第三章详细讲述。 有了相应的日计划作为依据，通过查询对应班组相应机床的日生产能力情况， 以及加工工艺路线等信息，产生有效的派工单。 考虑到本系统与其他系统的集成性，因此在系统设计时预留了与其他上层管理 系统( m r p i f e r p ) 数据接口。具体的方法是通过不同的数据信息接口工具( 例：车 间级计划接口、工艺信息接口等) 实现不同数据库间的数据表的有条件的导入与导 出，从而实现本系统与其他系统之间的数据信息共享问题，达到不同系统之阊相关 信息的集成。 2 3 系统的总体框架结构 2 3 1 系统在整个企业信息系统的定位和功能 在进行系统的框架设计前，由于该系统的许多参考信息来源于其他管理上层， 因此本系统与上层管理信息系统有着密切的关系。为了清楚的说明两者之间的关 系，在此先简要介绍一下企业信息系统的结构。企业的信息系统通常包括计划层、 执行层和控制层三层。企业大致的信息系统的模型如图2 一l 所示。 制层 图2 1 三层企业信息系统模型 计划层通常是企业管理决策层，一般以交付定单信息为信息源头，通过主生产 计划的编制、分解，生成车间级的生产计划，通过进行工厂的粗能力平衡和车闻级 能力平衡来确定交付计划的可行性。然后通过相应的数据接口将该计划下达至本系 第9 页 w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统的研究 统，从而完成系统之间的信息交付。 本系统则涵盖了企业集成模型中的执行层与控制层中的部分功能，即通常所说 的制造执行系统( m a n u f a c t u r i n ge x e c u t i o ns y s t e m ，m e s ) 和设备层控制系统中的部 分功能。 制造执行系统是位于上层管理系统和下层设备控制系统之间的层管理信息 系统。它为操作人员和管理人员提供计划的执行、跟踪以及所有资源( 如：人、设 备、物料、客户需求等) 的当前状态。 执行层强调的是计划的执行，它通过制造执行系统把企业上层与企业的现场控 制部分有机的集成起来。对本系统而言，它负责对车间级生产计划的分解，生成车 间的日生产计划：同时考虑至0 具体机床的生产能力，来完成派工的具体生成；为了 保证生产计划的顺利完成，将对车间的生产过程加以控制；通过对不同机床不同属 性的配置，来完成对车间机床的实时生产监控；最好本系统还将输出用于统计车间 的现场信息，如完工等信息。 控制层强调对设备的控制，其中包括p l c 、数据采集卡、条形码、各种计量与 检测仪器、机械手等的控制。在四开数控系统中，它的设备控制层输出设备的加工 状态信息、当前加工坐标信息、主轴功率信息以及当前n c 程序等设备的相关信息。 以上各种信息经过信息处理模块生成统计结果并反馈给本系统，从而成为进行生产 动态控制的信息基础。 2 3 2 系统总体框架 图2 2 表示系统的总体框架，其中包含系统的核心模块和用于支撑本系统更 加有效运行的支撑模块以及两者之间的信息接口。 系统的核心模块就是本系统所研究的重点，是本文研究的主要内容。它主要包 括车间级作业计划管理和车间机床属性配置和实时监控两个部分。在车间级作业计 划管理中又包括了车间级计划的分解、日作业计划的调整与管理、机床能力平衡、 派工计划生成与执行、车间生产进度控制和车间级生产计划完工汇报六部分。在图 2 2 系统的总体框架中，粗的双向箭头表示两个不同职能之间的执行烦序和相应的 功能反馈；粗的单向箭头表示不同职能之间的执行顺序；细单向箭头表示提供信息 的内容和来源。从图2 2 中可以看出系统具体的执行过程。 系统的支撑模块不是本系统研究的重点，但它是本系统有效运行不可缺少的部 分，它为系统的核心模块提供必要的基础信息。 第1 0 页 南京航空航天大学硕士学位论文 定单管理 n 主计划编制 j e 车间级计划编制 j 【 车间信息反馈 车间级能力平衡1 1e 生产管理与控制 0 车间级计划的分解 l 完工信息 车问 t ， 叫日作业计划的管理 信息 计 u 领料单 划3 扁1 一1b 1 h k ，* 扎 ：i，一 物料管理1 - 撒上计划明生厩与执仃卜 调 信 _ 整 、j 息 工具单 - i 1 ：具管理 r 接 、 口 车间生产进度控制 卜_ i质量管理l i 机床能力平衡 i 工艺信息 ，i 工艺管理 l | i u 车间级计划完工汇报 设备管理l i | u n c 程序上下载 车间机床配置与实时监控in c 程序管理l ：核心模块结构 ：一一一一一，一j 图2 2 系统的总体框架图 支撑模块结构 第1 1 页 w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统的研究 2 4 系统的功能定义 2 4 1 系统核心模块的功能定义 本系统主要是在保证加工任务按时完工的前提下，根据车间加工任务的完工日 期，车间各机床的实际生产能力，实现以车间机床为加工单位的车间加工任务的分 配以及能力负荷的平衡和调整：同时通过实时监控车间机床获得车问机床加工的各 种有用实时信息和各种生产统计结果，达到对日常生产进度进行控制，从而采取有 效措施以确保车间级生产计划的及时交付。根据以上所要求的主要目标，系统核心 模块的功能定义如下： 车间级生产计划的接受与分解模块； 日作业计划的管理模块； 车间机床能力的平衡模块； 车间生产进度控制模块； 系统兼容接口模块： 派工计划的生成与执行模块； 车间级生产计划的完工汇报模块； 车间机床配置与实时监控模块； 1 车间级生产计划的接受与分解模块 本模块主要是接受上层管理部门所下达的车间级生产计划，为进行车间级 的能力平衡和生产进度控制提供时间上的约束；同时根据本车间生产能力对此 车间级计划进行分解，初步拟定出车间的日计划。主要功能包括： a ) 接受车间级生产计划； b ) 车间级生产计划的分解。 2 日作业计划管理模块 通过对物料、工具等有用信息的查询，根据作业计划的任务和车间的决策 控制，作出对初步作业计划的调整和修改，以确保该作业计划的切实可行性。 主要功能包括：作业计划的调整与管理。 3 车间机床能力的平衡模块 车间机床能力平衡模块主要是根据车间日生产作业计划，给车问主管人员 和操作人员提供一个机床的能力平衡工具，使其能方便直观的分析车间各机床 的能力负荷情况，从而进行车间机床的能力平衡和调整，从而为制订合理的派 工任务提供依据。主要功能包括： a ) 车间机床的能力负荷查询； b ) 车间机床的能力负荷平衡； 第1 2 页 南京航空航天大学硕士学位论文 c ) 车间机床的能力调整。 4 车间生产进度控制模块 根据车间生产任务的完工情况和车间的生产计划信息，通过一定的方法， 使车间管理人员和操作人员能及时发现问题，从而为采取相应的措施提供快速 直观的判断依据。主要功能包括： a ) 车间已完成量统计： b ) 车间已完成量和应完成量比较： c ) 车间未完成量的分析。 5 系统兼容接口模块 该模块在本系统的开发和运行中占有重要的地位，是实现与外界系统集成 的主要手段。被采集的生产状态信息经计算机分析处理后通过接口可反馈到本 系统，在此基础上，车间管理人员和操作人员就可以通过分析统计数字和对车 闻生产状态的查询来及时获得有用的信息，帮助车间管理人员和操作人员来进 行管理决策。主要功能包括： a ) 基础数据接口； i 零件工艺信息接口； i i n c 程序信息接口； b ) 生产信息接口。 i 机床日计划完工信息接口； i i 物料查询接口； i i i 工具查询接口： i v 设备维护查询接口； v 质量信息接口； 6 派工计划的生产和执行模块 该模块负责把车间的曰生产计划具体分配到指定的车间机床，同时为保证 车间的正常生产，相应的制订出了车间的物料领料清单和工具领料清单。主要 功能包括： a ) 派工计划的制订； b ) 车间物料领料清单； c ) 车间工具领料清单。 7 车间级生产计划的完工汇报模块 该模块主要负责整理车间日生产计划的完工信息，在进行分析统计后，得 出整个车间的生产计划的完工信息，从而为车间生产进度控制模块和作业计划 管理模块的工作提供依据。主要功能如下： a ) 车间机床日作业完工汇报查询： b ) 车间日作业计划完工汇报统计： 第1 ，页 w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统的研究 c ) 车间机床加工质量统计。 8 车间机床配置与实时监控模块 该模块使得车间可以根据自己的实际需要，来完成对车间机床基本属性的 灵活配置：同时它还有助于车间管理人员和操作人员对车间加工的实时信息有 一个充分的了解，从而保证了车间加工的连续性，提高了车间的工作效率。主 要功能包括： a ) 车间机床属性配置： b ) 车间机床工作方式监控； c ) 车间机床加工过程监控； d ) 车间机床n c 程序工作监控； e ) 与车间机床实时消息对话。 本系统包含的功能模块结构如图2 3 所示。 第1 4 页 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 3 系统功能模块结构图 第1 5 页 w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统的研究 2 4 2 系统支撑模块的功能定义 通过上面的系统框架图可以看出本d n c 系统要想高速有效的运行，需要其他 一些必要支撑系统的大力支持，为了下面章节能够更好的展开，这里我们简要介绍 一下其他支撑系统。 由于本系统应用范围主要集中于车间，而一个企业要想真正实现企业的信息 化，它必须要得到上层管理系统的有效支持，即企业信息模型中的计划层的支持。 该层的工作主要以交付定单信息为信息源头，初步拟定出该企业的主生产计划，即 确定该企业一年或者一个季度的大致生产任务。为了保证该生产任务的顺利进行， 必须根据产品交付计划、各车间的实际生产能力和加工对象在整个车间的流动程序 完成对主生产计划进行分解，确定各细分计划的开工日期和完工日期，实现以车间 为加工单位的车间生产任务的分配以及能力负荷的平衡与调整。最后，该上层管理 系统通过集成的信息接口实现车间级生产计划的下达，同时通过本系统集成的信息 接口获得车间层的生产管理信息。 四开电子企业有限公司的s k y 数控系统构成了本系统的设备层。由于该数控 系统已经具备了基于w i n d o w s 操作环境下以t c p i p 为通讯协议的先进的d n c 通 讯接口，这就基本实现了传统意义上单元层与设备层的集成，大大提高了n c 程序 的上下载的速度和机床信号的采集的及时准确性。此外，现场生产数据信息的反馈， 如零件加工完成情况信息、零件质检信息、设备运转信息等，变得更加完整可靠。 当然与本系统相关的功能还有一些，如： 物料管理模块； 它主要实现了物料的按批次管理功能。对零件从投料到产出全过程按批次 进行管理，提供截至到上一班次为止的各个零件在每个班组级单位内的分布情 况，并且可以为计划控制时候提供系统的在制品信息。 工具管理模块； 它主要实现各种刀具、夹具等工具的入库、出库、借用归还管理和各种工 具的检验、解封存。此外，还有工具库的库存盘点和基本信息的维护等功能。 工艺管理模块； 它主要的功能是方便用户获得各种零件的工艺属性信息、工艺路线信息、 以及工序内容信息等，为生产计划的安排和生产能力的平衡提供依据。 质量管理模块； 它主要完成对生产质量信息的统计和管理。包括如：不合格产品的管理、 废品管理、返工管理和返修管理等功能。 n c 程序管理模块； 它主要完成n c 程序的编制、修改和测试等功能，实现n c 程序的集中管 第1 6 页 南京航空航天大学硕士学位论文 理与双向传输，保证n c 程序的实时传输和n c 程序的远程调用。 系统支撑模块的功能结构如图2 4 所示。 第1 7 页 w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统的研究 图2 4 支撑模块的功能结构图 第1 8 页 南京航空航天大学硕士学位论文 2 5 系统的信息模型 本系统设计的主要思想就是将该系统有机的融入整个企业的信息管理系统中 去。因此，本系统与其他系统有着不可分割的信息交换途径。 系统的信息模型图如图2 5 所示。 图2 - - 5 系统的信息模型图 以下是本系统与其他模块之间的信息交付说明： 1 本系统与上层m i s 系统之间的信息交换： 系统从上层m i s 系统得到车间级的生产计划、生产的产品、交付日期 和交付数量等信息。 本系统按时向上层m i s 系统汇报完工等信息，使得上层m i s 系统对车 间的生产和管理有个确切的了解，有助于车间级计划的制订和车间级 能力计划的控制和平衡。 2 本系统与c a d c a m c a p p 之间的信息交换： 系统向c a d ，c 黼a p p 管理系统发出交付相应产品的工艺文件需求 计划。 c a d c a m c a p p 管理系统向本系统提供相应的工艺文件信息以及工 艺文件的准备情况。 3 本系统与物料管理系统之问的信息交换： 第1 9 页 w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统的研究 系统向产品库房发出提交可用物料清单信息，以获得交付产品及其相 关零部件的库存情况。 物料管理系统向本系统提供可用的物料清单报告。 4 本系统与设备管理系统之间的信息交换： 本系统向设备管理系统提交特定机床的工作能力信息，以为下一步的 生产能力平衡和派工提供依据。 设备管理系统向本系统提供设备的工作能力信息报告。 5 本系统与质量管理系统之间的信息交换： 本系统向质量管理系统提供质量反馈报告。 质量系统向本系统提供设备的生产质量统计信息。 6 本系统与工具管理系统之间的信息交换： 本系统向工具管理系统提供生产相应产品所需的刀具、夹具、量具等 工具信息，从而为车间生产做好准备。 工具管理系统向本系统提供有用的工具库信息。 7 本系统与n c 程序管理系统之间的信息交换： 本系统向n c 程序管理系统提交生产相应零件的n c 程序信息。 n c 程序管理系统向本系统提供n c 程序库信息。 8 本系统与s k y 数控机床之间的信息交换： 本系统向s k y 数控机床提供生产任务信息以及提供相应的实时对话 信息，以便系统之间的快速联系。 s k y 数控机床向本系统提供各种加工信息，如机床主轴转速、加工状 态、加工坐标等信息，以及消息对话信息。 2 。6 本章小结 在本章中首先分析了南京四开电子企业有限公司发展过程中所遇到的问题，在 此基础上进行了系统的需求分析，接着阐述了本系统设计的总体思想，在分析了本 系统在企业信息管理系统中定位和功能后，提出了系统的总体框架，最后进行了本 系统的核心模块和支撑模块的功能定义，并研究了系统的信息模型。 第2 0 页 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统 关键技术研究 前面讨论了系统的总体设计框架、结构模型和功能模型等，在本章中将着重研 究一下系统中关键技术。主要包括车间级作业计划管理、车间机床属性配置与实时 监控两项技术内容。 3 1 车间级作业计划管理技术 本系统的生产管理技术涵盖了车间级作业计划的分解、作业日计划的调整与管 理、派工计划生成与执行、车间生产进度的控制、机床能力平衡、以及车间级生产 计戈! 丝塞王逛堡等毫尘逝是体整些墨巡挈粤! = l 陋 ，、，、 0t 且库jl 毕产科 jl 幸产准善麾l磐好车间 机鬣嚣、l 誊i 掣乒型夹具等清单ll 计划表 ii 人员情况 车间级生产计划的分解r ：车间管理品 三兰兰竺j 厂 磊面鬲面 机床能力平ii 生产前准备 1 i 衡与派工 ll i i 作业计划调整 t ) _ ，1 工人加工 工人完工汇报单 车间管理品) _ 1 1 车间信息统计 车间管理品 生产进度控制 车间日计划完工汇报 机床加工质量统计 车间计划进度统计 图3 1 车间作业计划管理业务流程图 第2 1 页 w i n d o w s 环境下d n c 通讯与管理系统的研究 本系统首先从上层m 1 s 系统获取车间级生产计划表，在各种生产准各信息确立 的情况下，车间管理人员进行了车间级作业计划的分解，同时系统统计出车间的日 计划和任务的优先级，在进行机床生产能力平衡的同时进行派工计划的下达。在对 车间生产信息的统计后，完成车间相应计划信息的汇报、机床加工质量的统计和车 间计划进度情况的统计。在了解这些反馈信息之后，进行相应的车间生产进度的控 制和相应的作业计划的调整，从而保证了车间的计划的顺利完成和按时交付。车间 作业计划管理序列图如图3 2 所示。 胡摄班例斟蝉 耐删g 刚i 版 ， 桃辊卫杜 ， 完珂赫堆 t 删 ， 4 乱蜷 6 谌 ， 删 耀 枷耙憾 甯硪日锚蜥 机稆出唰_ 暾 图3 2 车间作业计划管理序列图 3 1 1 车间级作业计划的分解 口酥d 明以嘲 由于本系统是应用于车间级的管理，所以它在接受上层m i s 系统所下达的车间 级生产管理系统后，必须完成对该计划的分解工作，从而才能保证生产的具体执行 和完成。本系统的车间级计划分解流程如图3 3 所示。 第2 2 页 南京航空航天大学硕士学位论文 本系统从上层m i