（机械工程专业论文）网络化制造实验系统中单元控制器的研究.pdf

工秤硕十学位论文网络化制造实验系统中荦元控制器的研究 摘要 本文结合九江机电研究所“网络化制造实验系统”项目的研发，重点研究网络 化制造实验系统中的单元控制器的实现技术。 论文的主要研究内容有：基于面向对象和功能组件的设计思想，建立了面向网 络化制造环境的单元控制器的体系结构和功能模型，该模型满足了制造单元可重 组、可重用、可扩充的要求；对单元控制器中的作业调度策略进行了深入的探讨， 基于二任务属性，设计了几种简单有效的动态作业调度策略；为解决不同运行平台的 数控加工设备和系统的接入，本文在分析相关硬软件标准和协议的基础上，研究了 异构系统的集成技术，解决了基于d o s 系统运行的数控系统的集成问题；研究并设 计了基于w i n s o c k 控件的远程监控技术，实现了对加工过程的实时在线监控及远程 监控。 本文最后针对九江职业技术学院的数控技术教学实验中心的教学需求，设计开 发了一个单元控制器的原型。系统试运行表明：该原型系统基本满足了高校机械制 造及自动化专业学生学习先进制造技术、数控技术等课程的实践教学的要求。 关键词：单元控制器，网络化制造，实验系统，作业调度，实时监控 工程硕士学位论文网络化制造实验系统中单元控制器静研究 a b s t r a c t c o m b i n i n gw i t ht h ep r o j e c to f n e t w o r k - b a s e dm a n u f a c t u r i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e m b yj i u 1 i a n gm e c h a n i c a la n de l e c t r o n i cr e s e a r c hc o n s t i t u t i o n ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e d e v e l o p m e n to f c e l lc o n t r o l l e ri nn e t w o r k b a s e dm a n u f a c t u r i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e m t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w ：c o m p l e t i n gt h ed e s i g n i n gt h o u g h tb a s e do n o b j e c t - o r i e n t e da n df u n c t i o nm o d u l e ；e s t a b l i s h i n gas y s t e m a t i cs t r u c t u r ea n df u n c t i o n m o d e lb a s e do l ln e t w o r ke n v i r o n m e n tw h i c hm e e tt h e s er e q u i r e m e n t so fr e c o n f i g u r a t i o n , r e u s ea n de x p a n s i o n ；d e e p l ya n a l y z i n gt h es t r a t e g yo fc e l lc o n t r o l l e r s w o r k s h o p s c h e d u l i n g ；d e s i g n i n g s e v e r a lk i n d so fs i m p l ea n de f f e c t i v e d y n a m i cw o r k s h o p s c h e d u l i n gs t r a t e g yw h i c hb a s e do ne l e m e n t a r yt a s kp r o p e r t y ；o nt h eb a s i so fa n a l y z i n g r e l a t i v es o f t w a r ea n dh a r d w a r es t a n d a r d ，m a k i n gar e s e a r c ho nt h ei n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y f o rs o l v i n gt h ep r o b l e mo ft h ei n t e g r a t i o no fn cs y s t e mw h i c hr u n n i n gu n d e rt h ed o s ； r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p m e n tw i n s o c k - b a s e dr e m o t em o n i t o r i n gs oa st or e a l i z et h er e a l t i m eo n - l i n ea n dr e m o t em o n i t o r i n g c o n s i d e r i n gt h ed e m a n d so fj i u j i a n gv o c a t i o n a lc o l l e g e ，ap r o t o t y p eo fc e l l c o n t r o l l e rh a sb e e nd e v e l o p e da n di m p l e m e n t e d 1 r h es y s t e mr u n n i n gr e s u l t sh a v e i n d i c a t e dt h a tt h i ss y s t e mb a s i c a l l ym e e t st h er e q u i r e m e n t sf o rs t u d y i n go fu n i v e r s i t y s t u d e n t sw h om a j o r e di nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n , t e a c h i n go fn c t e c h n o l o g yc o u r s e k e y w o r d s ：c e l lc o n t r o l l e r , n e t w o r k - b a s e dm a n u f a c t u r i n g , e x p e r i m e n t a ls y s t e m ， w o r k s h o ps c h e d u l i n g ，r e a l - t i m em o n i t o r i n g 工程硕士学位论文 列络化毒4 造实验系统中荦元拧剖器的研究 1 绪论 1 1 课题研究背景 随着全球经济一体化进程的不断加快，国际化市场竞争越柬越激烈，我国制造 业既迎来大好的发展机遇也遭遇到严峻的挑战。进入9 0 年代以来，如何以最短的 时间开发出高质量及价格能被用户接受的新产品已成为市场竞争的新焦点。 2 0 世纪年代以来，为解决制造业所面临的一系列难题，许多新技术被应用 到制造业中。这些新技术主要有：数控( n c ) 、分娟式数控( d n c ) 、计算机数控 ( c n c ) 、物料需求计划( m r p ) 、制造资源规划( m r p 1 1 ) 、计算机辅助设计与 计算机辅助制造( c a d c a m ) 、计算机辅助工艺设计( c a p p ) 、计算机辅助工程 ( c a e ) 和机械制造中的成组技术( g t ) 以及工业机黯人( r o b o t ) 等。但是这些 新技术并没有带来人们曾经预测的巨大效盏，主要原因在于它们只是离散地分如在 制造业的各个子系统中，只能使系统的局部达到自动化和最优化，而未能使整个生 产过程长期在最优化状态下运行。 进入9 0 年代后，信息技术的快速发展推动了制造业产业结构的不断变革，促 进了生产过程自动化水平进一步提高。在工业发达国家，自动化已成为改造传统工 业和发展新兴产业的基本目标。企业自动化也由“点”( 即单机自动化) 到“线”( 即 由多种自动化殴备组成的生产线) 。再由“线”发展到“面”( 通过柔性制造系统， 力图实现企业全部作业流程的自动化) ，进而由“面”向“立体”( 指企业全部生产 系统和企业内部业务实现综合自动化) 的方向发展，以期实现企业全部业务的一元 化、集成化和高效化。由此相对应的一些先进的制造技术如：计算机集成系统 ( c i m s ) 、柔性制造系统( f m s ) 、网络化制造技术等得到极大地推广与应用i l r z 】。 柔性制造系统( f m s ) 是由单元控制器、物料储运系统和若干数控加工设备组 成的自动化制造系统，用于实现计算机集成制造系统( c i m s ) 的三大功能( 管理、 设计、制造) 之一制造功能。单元控制器是f m s 的核心，其功能是实现优化 生产调度和生产任务，将不同生产类型厂家的数控设备集成在制造系统内，实现集 中控制。 出于目耵的单元控制器一般部是针对具体的制造环境专门没汁的t 缺乏柔性， 不具备快捷、动念重构等功能，不能满足敏捷制造对单元控制器的要求。本课题基 于面向对象和功能组件的思想，进行柔性制造系统开放式单元控制器的研究，建立 面向网络化制造环境的丌放式单元控制器的总体结构，该结构适应制造单元可重 工稃硕士学劈论文网络化制造实验系统中单元控制器的研究 组、可重用、可扩充的要求。开方式单元控制器除了具有号用的单元控制器的功能 外，还应具有以下特点： 能通过网络与其他单元合作协调为本单元承接任务；能根掘所承接任务和 擎元的当前状态，对订单作出处理决策，选择合作伙伴，形成虚拟单元： 不仅能用于加工单元，还可用于装配、运输等单元，具有相对于具体应用 过程的独立性；能用于各种制造单元配置，具有相对于制造单元配詈的独立性： 应具有相对于计算机的独立性，可以直接或稍加修改就能适应不同的计算 机和网络系统软硬件环境。 1 2 国内外发展概况 单元控制器的发展经历了两个阶段，第一阶段为无智能的传统控制阶段，功能 上它只对单元中发生的顺序事件进行监控，硬件速度及技术的限制使其不具备调度 功能。8 0 年代随着人工智能技术的发展，单元控制器中引入了基于规则的号家系统 方法负责调度决策，进入智能单元控制器阶段。这一阶段的研究成果比较丰富，近 l o 套单元控制原型系统在大学实验室中问世。其中较为典型的有美国北卡罗莱纳州 立大学0 b r a d y 等研制的p l a t o - z 智能单元控制系统 l ，它采用多黑板结构，4 个黑板的功能分别是：调度、作业分配、监控和故障处理。该系统有多个知识源， 各自代表相应领域的专家，在特定条件下激活，它们为解决问题而协作工作，相互 之间的通信通过黑板结构实现。p l a t o - z 中被黑板调用的知识源不只是基于规则的， 还可以是启发算法和最优化例程。美国北依利诺斯大学的k h l e e 在i c o s s 系统中 采用控制功能核心与数据库外壳相分离的两层结构i 6 1 ，使用面向对象的方法来表示 和组织知识。调度器首先判断单元有没有能力在期望的时j 日j 段内完成下达的任务， 然后按照不尉的优先级派遣规则为每一项下达的任务分配资源，当单元中错误发生 时重新配冒资源。其中采用的优先级派遣规则有s p t ，f i f o 及e d d 等。同本大阪大 学的h a t o n o 和t a m u r a 等提出了基于知识的在线调度方法1 6 1 ，他们发现：基于启发 式派遣规则的动态调度方法由于缺乏全局观点，调度的效果依赖于特定的系统和特 定的性能判据。因此，提出在仿真和专家经验的基础上智能选择启发式规则的动态 调度方法。 近年来，国内在单元控制器的研究方面进行了一些工作，取得了一定的研究成 果，主要有：浙江大学高春华提出了一种基于面向对象智能p e t r i 网的离散制造单 元控制系统模型，该模型可以较好地表示制造系统的高级调度知识”1 ；华中科技大 学张洁等人提出了模块化的可重构的基于资源模型的单元控制软件结构，利用p e t r i 2 工稃硕士学位论文网络化制造实验系统中肇元控制器的研究 网建立了内部资源的通用模型，提出了基于通用消息传递的控制系统通用模型 | 0 - 1 1 ； 南京理工大学张友良等提出了一种支持制造系统可重陶的单元控制器设计方案，讨 论了单元控制器的软件框架结构”4 1 ；上海交通大学章劲松等人运用面向对象分析 方法，在对制造系统进行抽象和概括的基础上，建立了单元控制器的助能模型和数 掘模型，提出了单元控制器的自适应递阶式控制结构，建立了基于c o r b a 的单元 控制器软件牙发平台l l ”。 从国内公开的文献报道束看，目静国内在单元控制器的研究主要集中在结构描 述、功能描述、性能描述、信息描述以及调度与决策的理论及模型和软件框架模型 的研究与探讨方面，实用性的成果并不多，特别是面向网络化制造的开放式单元控 制器的研究与应用尚处于探索和起步阶段。 单元控制器足网络化制造系统中制造环境内部网络化系统的核心，它控制、管 理和调度系统的资源，以优化的方式完成指定的生产任务。单元控制器发展必不可 少的三项技术是仿真、操作系统和新语言。未来的单元控制器应能完善及时制造环 境，具存决策的智毙，不管条件正鬻与否都能保证若9 造单元的运转。目前单元控制 器正努力向杯准化方向改进，以满足众多中小企业的需求。 1 3 课题研究意义 目前我国机械制造业的制造水平不断提升，加工自动化的程度也在逐年提高， 一般国有企业数控机床的拥有奉达1 5 3 0 左右合资、三资、外商独资企业数 控机床的拥有率达3 0 5 0 左右。但是当前大部分企业的数控设备均为独立运 行，设备的生产调度均由人工直接干预，削弱了数控设备的功能，造成了设备负荷 不均匀和降低了设备的使用效率。本课题研究的意义在于将分散的数控设备利用局 域网通过计算机实现集中控制，数控设备所需的加工程序及加工指令，数控设备的 加工状态等可通过网络在计算机和设备之日j 进行信息传递，即实现网络化制造。作 为该技术的进步延伸，通过i n t e r n e t 可实现企业的异地生产协同。 本课题的技术因能对分散的数控设备进行集中控制和作业调度，故能极大限度 地提高设备的利用率，降低人力物力，降低生产成本，提高企业的经济效益。如该 项技术得以推广应用，则会产生较大的经济效益。同时还将对于进一步推进制造业 的信息化，促进经济建设与发展具有深远的意义。 国家确定的“以信息化带动工业化”的宏伟战略目标，迫切需要大量复合型、 高素质的机电体化的专业人才。高等院校，特别是工科院校面临着及时为国民经 济各行各业输送大量的专业理论基础扎实并且具有良好先进技术开发能力与应用 3 工程硕士学位论文 网络化制造实验系统中单元控制器的研究 能力的专业人才。这些优秀高素质人才的培养，离不开与现代理论教学相配套的先 进实验系统与设备。本课题研究设计开发的单元控制器及网络化制造实验系统可满 足高校相关专业实验教学的需要，另外还可用于国家和省的“制造业信息化”推广 应用工程为制造系统底层设备的信息化以及生产制造过程的管理控制一体化提供 有力的技术支撑。 1 4 课题研究内容和目标 1 4 i 研究内容 本课题的研究是九江机电研究所“网络化制造( 实验) 系统的研发”项目研究 的重要组成部分，主要研究内容有： ( 1 ) 单元控制器的需求分析； ( 2 ) 单元控制器的总体设计； ( 3 ) 单元控制器的关键技术模块的研究、设计与开发； ( 4 ) 单元控制器在网络化制造实验系统中的应用研究。 1 4 2 研究目标 ( 1 ) 建立面向网络化制造环境的单元控制器的总体结构，该结构应适应制造 单元可重组、可重用、可扩充的要求。 ( 2 ) 设计和开发的单元控制器应具有开放性好、通用性强、集成性好、实时 性好等特点。 ( 3 ) 将单元控制器原型应用于网络化制造实验系统中。 1 5 论文结构 全文共分五章，第二章、第三章、第四章是本文研究的核心部分。各章主要内 容如下： 第一章绪论主要介绍选题的依据、背景，分析了单元控制器在国内外当前的研 究状态，拟定了本课题的研究方向、研究内容及要达到的研究目标； 第二章主要就面向网络化制造的单元控制器的功能模型、软硬件结构进行分析 与研究； 第三章是单元控制器的关键技术研究，包括作业调度、实时在线监控、异构系 4 工程硕士学位论交 网络化制造实验系统中单元控制器的研究 统的集成等内容： 第四章足单元控制器在网络化制造实验系统中的应用研究和开发； 第五章是对课题研究的总结和展望。 1 6 本章小结 本章就丌展本课题研究的背景、立项的依据及丌展本课题研究的必要性与可行 性进行了分析，研究分析了单元控制器在国内外当前的研究现状，在此基础上拟定 了本课题的研究方向、研究内容及要达到的研究目标。 5 工程硕士学位论文网络化制造实验系统中单元控制器的研究 2 单元控制器的需求分析与总体设计 2 1 需求分析 网络化制造对于中小企业来说更具发展空间，中小企业可通过网络相互协作， 使各企业的知识、信息和制造资源得到充分的共享，降低产品的丌发和制造成本， 提高竞争力，同时又保持高度的自主性、积极性和创造性。网络技术可以使分散化 的、小规模的制造企业有机的集成起来，化不利因素为有利因素。网络化制造可分 为设备层、企业层和企业群层三个层次，设备层的网络化制造包括设备的远程控制、 监控和故障诊断等；企业层的网络化制造包括企业内的设计、制造、采购、销售、 生产管理等子系统的信息集成，也包括企业与外部的网络化协作等；企业群层的网 络化制造包括基于网络的企业问集成、基于网络的供应链管理等。面向网络化制造 的单元控制器是用于企业层和设备层的网络化制造中，可实现产品的协同设计、生 产调度、资源调配、生产管理等任务【1 7 1 。因此，工程实际中要求单元控制器具有下 列四个特征： 时日j 和空间上具有开放性。即单元控制器能集成不断更新的加工设备和离 散的、功能各异的不同厂商制造的数控设备。 功能结构上具有柔性。即能根据制造任务和生产品种的变化迅速进行调整， 方便地增、减单元控制器的功能。其柔性的内涵表现为：可重组、可藿用、可扩充。 敏捷制造的反应能力。为使企业在无法预测、快速变化的市场竞争中赢得 胜机，必须缩短产品的制造周期，单元控制器必须要满足用户个性化的需求，具有 快速响应性。 遵守i s o o s l 开放式系统参考模型。在接口、服务和支持方式上充分采用 规范和标准。 2 2 系统的功能模型 2 2 i 建摸方法 描述系统的功能可以有多种方法，如可用数学公式、图形或文字叙述等，常见 的有p _ t - - 种方法【1 8 】： ( 1 ) 结构化分析法s a ( s t r u c t u r e da n a l y s i s ) 一一该方法足由荚固y o u r d o n 6 工程硕士学位论文 网络化制造实验系统中单元控制器的研究 公司在7 0 年代提出的，可用于分析大型数据处理系统，多用于分析和定义用户的 功能需求。 ( 2 ) 结构化设计法s d ( s t r u c t u r e dd e s i g n )一该方法是由i b m 公司 w s t e v e m s 等人提出，基本方法足：将系统设计成帽对独立、单一功能的模块组成 的结构，以提高软件开发的质量。 ( 3 ) 功能模型法i d e f 0 ( i c a md e f i n i t i o n m e t h o d ) 一一该方法是1 9 8 1 年由 美国空军公布i c a m ( i n t e g r a t e dc o m p u t e ra i d e dm a n u f a e t u r i n g ) i 程中使用的结构化 分析和设计的方法。这种方法主要用于分折定义功能需求，以及建立系统功能模型。 i d e f o 方法使用图形语言建立系统功能模型，是复杂大系统建立功能模型时最普遍 使用的方法。 i d e f 0 能描述系统的功能及需求，进而表达一个能符合需求及能完成功能的实 现。通过建立一种i d e f 0 模型来体现。通常采用一种图形语言来表示i d e f 模型。 这种图形语言能做到： 控制地逐步展开细节： 精确性及准确性； 注意模型的接口； 提供套强有力的分析和设计词汇。 i d e f o 图形中同时考虑活动、信息及接口条件。它把方盒作为活动，用箭头表 示数据及接口。因此在表示一种当f ； 的操作，表示功能说明或设计时，总是由一个 活动模型、一个信息模型及一个用户接口模型组成。 本课题采用i d e f 0 方法对单元控制器进行功能设计。 2 2 2 功能模型树 单元控制器的功能模型树如图2 2 2 1 所示。该模型由五个模块组成，即 7 j 三堡堡主兰堡垒奎 ：塑竺丝型垒塞墅墨丝主兰垂堡型登堕里茎 图2 2 2 1单元控制器的功能模型树 系统仿真模块。该模块包括制造过程仿真、零件加工仿真、零件装配仿真 等。 生产计划制定模块。该模块包括周f 1 生产计划和资源需求计划等。 信息管理模块。该模块包括刀具信息管理、设备信息管理、n c 程序设计 管理、生产数据管理和质量控制管理等。 作业调度模块。该模块包括调度策略、队列管理和动念调度等。 实时在线监控模块。该模块包括加工状态采集、网络通信和在线监控等。 2 2 3 i d e f 0 图 根据单元控制器的功能模型树，可采用i d e f o 方法柬描述单元控制器的功能模 型，如图2 3 2 1 所示为a 一0 图，如图2 2 3 2 所示为a 0 图。 s 墨焉垂篓焉重量熹重j| 兰一互 亘一 图2 2 3 1 单元控制器a o 图 图2 2 3 2 单元控制器a 0 图 9 工程硕士学位论文 网络化制造实验系统中单元控制器的研究 由图可知，单元控制器由系统仿真( a 1 ) 、生产计划制订( a 2 ) 、信息管理( a 3 ) 、 作业调度( a 4 ) 和实时在线监控( a 5 ) 等五个功能模块组成。各模块的功能分别为： 系统仿真模块接受系统的配霄信息和客户通过i n t e r n e t 网所发的订单信 息，根掘经营目标计划制订原则、工艺文件和质检标准，通过图形工作站及相应软 件对制造过程、零件加工、零件装配等进行仿真，做出评判后制订出高效作业计划 方案和调度策略优化方案。该模块包括制造过程仿真( a 1 1 ) 、零件加工仿真( a 1 2 ) 、 零件装配仿真( a 1 3 ) 等。 生产计划制定模块接受总生产计划和系统仿真模块输出的高效作业计 划方案，根掘经营目标计划制订原则和工艺文件及本制造系统的生产能力，通过计 算机软硬件做出判断，给出向客户接受订单的反馈信息，并制定出详细的周r 生产 计划和生成资源需求计划。该模块包括周r 生产计划( a 2 1 ) 和资源需求计划( a 2 2 ) 等。 信息管理模块接受生产资源信息和生产数据及质量控制信息，根据管 理目标标准规范，通过计算机软硬件及协调有关职能部门完成管理报表和统计分析 结果。该模块包括刀具信息管蟹2 ( a 3 1 ) 、设备信息管t 里( a 3 2 ) 、n c 程序设计管t 里( a 3 3 ) 、 生产数据管j 里c a 3 4 ) 和质量控制管理( a 3 5 ) 等。 作业调度模块接受系统仿真模块输出的调度策略优化方案和用户强行 干涉数据，根据生产计划制订模块输出的周同生产计划和资源需求计划，通过计算 机软硬件进行合理安排系统的具体加工事件，将资源需求计划分配给制造系统中的 各个加工设备，使工件按照合理作业序列，在系统中流动，输出生产计划执行情况 和作业序列指令。该模块包括调度策略( a 4 1 ) 、队列管理( a 4 2 ) 和动态调度( a 4 3 ) 等。 实时在线监控模块接受信息管理模块输出的系统静态和动态数据以及 人工干涉指令，根据生产计划制订模块输出的周r 生产计划和资源需求计划，再根 据作业调度模块输出的作业序列指令，由计算机软硬件产生监控指令控制系统内各 加工设备的活动，并且接受底层设备和现场操作员反馈的信息，输出加工状态、资 源状态文件以及控制指令供其它模块使用。该模块包括加工状态采集( a 5 1 ) 、网络 通信( a 5 2 ) 和在线监控( a 5 3 ) 等。 2 3 系统的控制结构 2 3 1 硬件结构 单元控制器基于e t h e r n e t 网与各加工设备相连，采用双网卡工作，通过h u b l ( 集线器) 与设计部门相连，通过h l b 2 与加工设备相连。对于不能入网的数控加 o 工程硕士学位论文网络化制造实验系统中单元控制器的研究 工设备，使用网络协议转换器或使用一台设备用计算机作为协议转换器，并实现单 元控制器与设备f b j 的信息传送和单元控制器对设备的实时控制。单元控耕器的硬件 结构如图2 3 1 1 。 最计用升算机j 敏计用计算机ii 瑷计用计算机jl 堤升用计算机 第鲤器1 二 二 单元控制器 二= 二 集线器2 挈乏il 蓑羹ll 堡苎暑生竺墨il 堡兰聋竺堡l i 竺竺查 2 3 2 软件结构 数控车廉ii 运榆小车 圈2 3 i 1 单元控制器的歧n 结构 依据所建立的单元控制器功能模块，采用协同递阶控制结构建立单元控制器的 控制软件结构，见图2 3 2 1 所示。 整个控制软件结构分三层，控制结构层次分明，易于控制及实现，最上层为单 元总控层，负责备功能模块的管理、工作协调及监控。为了各功能模块问信息传递 快捷，减轻单元总控的负担，在设计中，增加了协同管理服务功能，协助单元总控 工作。这种控制软件结构，既保留了递阶控制结构任务均衡的优点，又克服了瓶颈 现象。中间层为功能模块层，负责一组功能的管理、控制及信息上下传递作用。最 低层为功能组件，该功能组件为封装式设计。对外是杯准接口，内部针对具体任务 设计。功能组件按完成某一具体任务和功能类别划分由功能模块集中管理。例如， 新增加一台加工设备，只要在实时在线监控功能模块中将网络通信组件的准入参数 修改即可。 三堡堡主兰堡垒茎 塑笪些型堕壅鉴墨竺! 兰垦堡型矍塑堕窒 图2 3 2 1 单元控制器的软f j 结构 2 4 单元控制器开发的运行平台 根掘数控设备的具体情况，本单元控制器将在如下的硬软件平台上运行： 硬件要求：服务器 客户机 以太网号 软件要求：服务器 客户机 2 5 本章小结 p e n t i u mi vc p u1 7 g h z ，1 7 ”彩显，1 2 8 q b 内存， 4 0 g 硬盘，5 2 倍速光驱 p e n t i u mi i ic p u8 0 0 m h z ，1 5 ”彩显， 6 4 m b 内存，2 0 g 硬盘 d - l i n kd e 一2 2 0f a m il ye t h e r n e ta d a p t e r w i n d o w s2 0 0 0s e r v e r ，v i s u a lb a s i c 6 0 w i n d o w s9 5 9 8 ，d o s6 2 ( m s c1l e n t ) 本章根据网络化制造实验系统对单元控制器的性能要求，主要研究了单元控制 器的功能模型与控制结构，设计了单元控制器的五个功能模块，即：系统仿真模块、 生产计划制定模块、作业调度模块、信息管理模块和实时在线监控模块；提出了单 元控制器的控制构想和硬软件丌发运行平台。 1 2 工程硕士学位论文网络化制造实验系统中单元控制器的研究 3 单元控制器的关键技术研究 本课题着重研究了作业调度、加工过程实时在线监控与异构系统的集成等三个 单元控制器实现的关键技术f 1 9 1 。 3 1 作业调度 网络化制造以数字化、柔性化，敏捷化为主要特征，其目的是为了快速响应客 户的需求，在车| 日j 的同常生产中则表现为作业的优化调度与管理。车m 作业调度与 控制技术是实现生产高效率、高柔性和高可靠性的关键，有效实用的调度方法和优 化技术的研究与应用已成为先进制造技术实践的基础。 调度问题主要集中在车间的计划与调度方面。制造系统的作业调度足针对一项 可分解的工作( 如产品制造) ，探讨在尽可能满足约束条件( 如交货期、工艺路线、 资源情况) 的前提下，通过下达生产指令，安排其组成部分( 操作) 使用哪些资源、 其加工时日j 及加工的先后顺序，以获得产品制造时f b 】或成本的最优化。在理论研究 中，生产调度问题常被称为排序问题或资源分配问题。 3 1 1 调度系统的分类 作业调度系统的分类方法很多，主要有以下几种【2 0 l ： 根据加工系统的复杂度，可分为单机、多台并行机、f l o ws h o p 和j o bs h o p 。 单机调度问题是所有的操作任务都在单台机器上完成，为此存在任务的优化排队问 题：多台并行机的调度问题更复杂，因而优化问题更突出；f l o ws h o p 型问题假没 所有作业都在同样的设备上加工，并有一致的加工操作和加工顺序；j o bs h o p 是最 一般的调度类型、并不限制作业的操作的加工设备，并允许一个作业加工具有不同 的加工路径。 根掘性能指标，分为基于调度费用和调度性能的指标两大类。 工程硕士学位论文网络化制造实验系统中单元控制器的研究 根据生产环境的特点，可将调度问题分为确定性调度和随机性调度问题。 根掘作业的加工特点，可将调度问题分为静态调度和动态调度。静态调度 是指所有待安排加工的工作均处于待加工状态，因而进行一次调度后、各作业的加 工被确定、在以后的加工过程中就不再改变；动态调度是指作业依次进入待加工状 态、各种作业不断进入系统接受加工、同时完成加工的作业又不断离开，还要考虑 作业环境中不断出现的动态扰动、如作业的加工超时、设备的损坏等。因此动态调 度要根据系统中作业、设备等的状况，不断地进行调度。实际调度的类型往往是j o b s h o p 型，且是动态的。 3 1 2 作业调度的环境特征 一般的调度问题都是对于具体生产环境中复杂的、动态的、多目标的调度问题 的一种抽象和简化，因而，一个调度算法可以通过其如何表述这些复杂性束进行分 类。由于实际生产环境是于差万别的，那木，一个调度算法就应该根据其是否能适 合对应的生产环境的重要特征来进行评估。f r e d e r i c k 等人为了帮助区别不同的生 产调度策略，给出了典型生产调度环境的五个特征，这将有助于我们了解各种不同 的调度算法的应用环境【2 ”。 边界条件：生产调度常常是一个重调度问题，即修改已有的尘产调度去适应 新的作业。为提供重调度，调度算法应能处理生产系统中有关的初始状态。 类似的生产调度通常是在一个有限的时间区域咀进行的，系统的最优解( 或 次优解) 办是在限定的边界范围内束获取。 分批大小和调整费用：为有效地解决实际生产中的调度问题，往往将任务分 成多批进行，并考虑改变已有调度结果所付出的代价( 调整费用) 加工路径：在实际生产中，作业的加工路径可能需要动态改变，工艺顺序可 能是半有序的( s e m i o r d e r ) 。 随机事件和扰动：比如，出现关键作业、设备损坏、加工操作失败、原料短 缺、加工时间，到达时间交货期的改变等。 1 4 工程硕士学位论文 网络化制造实验系统中单元控制器的研究 性能指标和多目标：追求不同的性能指标往往会得到不同的优化解，同时，系 统目标也以多目标为主。调度目标分三类：基于作业交货期的目杯、基于作业完成 时间的目标、基于生产成本的目杯。这种多目标性导致调度的复杂性和计算量急剧 增加。 3 1 3 作业调度问题的研究方法 在对调度问题进行研究的方法上，最初是集中在整数规划、仿真和简单的规则 上，这些方法不是调度结果不理想就是难以解决复杂的问题。随着各种新的相关学 科与优化技术的建立与发展，在调度领域也出现了许多新的优化方法，比如神经网 络、模拟退火法、遗传算法、禁忌搜索法等，使得调度问题的研究方法向多元化方 向发展。 运筹学方法【2 2 j 运筹学方法是将生产调度问题简化为数学规划模型，采用 基于枚举思想的分枝定界法或动态规划算法进行解决调度最优化或近优化问题，属 于精确方法。这类方法虽然从理论上能求得最优解，但由于其计算复杂性的原因、 因而不能获得真正的实用。对于复杂的问题，这种纯数学方法有模型抽取困难、运 算量大、算法难以实现的弱点，对于生产环境中的动念调度实现复杂，解决不了动 态及快速响应市场的问题。 基于规则的方法【2 3 】对生产加工任务进行调度的最传统的方法是使用调度 规则( d i s p a t c h i n gr u l e s ) ，已经有许多调度规则被应用，因其调度规则简单、 易于实现、计算复杂度低等原因，能够用于动态实时调度系统中，许多年来一直受 到学者们的广泛研究，并不断涌现出新的调度规则。如研究与制定较优的单元零件 加工调度算法，在减少等待时i 日j 、提高生产率等诸多约束条件下达到了一种较为科 学有效的调度效果。 系统仿真的方法f 2 4 1 基于仿真的方法不单纯追求系统的数学模型，侧重对 系统中运行的逻辑关系的描述，能够对生产调度方案进行比较评价，分析系统的动 态性能，并选择系统的动态结构参数。由于制造系统的复杂性，很难用一个精确的 解析模型来进行描述和分析。而通过运行仿真模型束收集数据，则能对实际系统进 行性能、状态等方面的分析，从而，能对系统采用合适的控制调度方法。仿真方法 最早被用来作为测试调度启发式规则及分派规则的工具。后来，人们发现，通过将 简单的优先权规则进行组合，或用一个简单的优先权规则将一些启发式规则进行组 合，这样的调度优于单独的优先权规则。于是，仿真方法逐渐发展为一种人机交互 工程硕士学位论文网络化制造实验系统中单元控制器的研究 的柔性仿真工具，并用束进行车间调度。这样，就能通过仿真而动念地展现j o bs h o p 车阳j 的状态，分析在不同的调度方法下的系统性能，并运用知识和经验去选择合适 的调度方法( 规则) ，从而改善调度性能。 基于d e d s 的解析模型方法由于制造系统是一类典型的离散事件系统，因 此，可以用研究离散事件系统的解析模型和方法去探讨车间调度问题，诸如排队论、 极大极小代数模型、p e t r i 网等。 p e t r i 网作为一种图形建模工具可以形象地衷示和分析f q s 中加工过程的并发 和分南特征以及多项作业共享资源时的冲突现象，具有很强的建模能力，对于描述 系统的不确定性和随机性也具有一定的优越性。目前，p e t r i 网模型用于f m s 的调 度还存在以下的问题：1 ) 节点语义的单义性，使得所携带的系统信息量不够丰富。 2 ) 重用性差。p e t r i 网多是基于f m s 中作业的加工流稃建模，当作业需求或工艺 稍有变动时，必须修改模型结构，这难于适应f m s 中存在的不确定因素。3 ) 不能 对高级的调度舰则加以建模，通常只能用禁止弧机制体现一些低级控制。 基于排序的方法【2 5 l该方法是先有可行性加工顺序，然后爿确定每个操作 的丌工时日j ，并对这个顺序进行优化，它虽然属于近似算法，但育可能达到最优的 调度方案。它主要包括邻近搜索法，它在生产调度领域得到了相当广泛的应用，在 探索解空b j 时，仅对选定的成本函数值的变化做出响应，因而通用性强。这类方法 包括局部探索( l o c a ls e a r c h ) 、模拟退火法( s i m u l a t e da n n e a l i n g ) 、列表寻 优法( t a b l es e a r c h ) ，遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ) 。邻近搜索虽然可能得 到最优的调度方案，但也存在各自的不足，很多学者采取混合算法束弥补单一方法 的不足。 基于智能的调度方法【2 6 l 近年来，基于知识的智能调度系统和方法的研究 取得了很大的进展，它将传统的调度方法与基于知i = 的调度评价相结合，主要包括 智能调度专家系统，基于智能搜索的方法及基于多代理技术( m u l t i - a g e n ts y s t e m 简称m a s ) 的合作求解的方法等。它们的研究特点是：在支持某些活动发尘的资源 条件具备时( 称为决策点) ，根据系统当时所处的属性状态，决定采取何种规则( 策 略) ，确定或选择活动发生的顺序和时间，即状态指导的智能调度方法。 3 1 4 本课题的作业调度策略 问题的描述把各个作业分配到车日j 现有的设备上，并确定它们的先后次 工程硕士学位论文网络化制造实验系统中单元控制器的研究 序，这是一项复杂的工作，也是一个非多项式问题，无法用多项式求出其精确解。 尽管作业计划问题己进行了大量的研究并取得了一定的成果，但是，对于所有的生 产作业问题都要得到最优解是困难的，甚至是不可能的。而启发式算法能满足普通 车间级生产管理的需要，因此在作业排序中，启发式算法得到广泛的应用。 通常，传统机械制造业车间任务特点是：计划批量任务、单件小批任务和新产 品开发、临时试制任务同时存在。车问面对这种混流生产情况，如何充分利用现有 设备资源，在最短流程的时间内完成任务，或在一定调度长度( m a k e s p a n ) 完成多任 务便是要研究和解决的课题。 在研究作业调度问题时，通常我们认为车j 日j 设备足唯一受到限制的资源约束。 车间调度需要考察以下几个方面： 1 ) 加工机器总数m ： 2 ) n _ i t 件总数n 以及工件p ，需要加工的工序数o 。 3 ) i 件的工艺路线及加工时间x t l l 4 ) 1 件加工的优先权和交付期。 作业排序问题的目标是：资源的有效利用、对需求的迅速反应、与最后期限符 合。对于作业的排序调度问题，r w c o n v r a y 等人提出的用四个参数表示的方法。 这四个参数是n m a b 。其中行代表工件数；m 代表机器数；a 代衷排序类型，在a 的位置若杯以“，”，则代表流水型排序，若杯以“户”，则是流水型排序中的同顺序 排序，若杯以“g ”，则表示非流水型排序；b 代表目标函数，在b 的位霄标以具体 的目标，如f m 。或c m 。等【z ”。 车间流水作业排序算法为了解决生产实际中的排序问题，以小的计算量 得到近优解，本课题根据几种经典的排序算法思路，采用了一种综合分割启发式算 法，既考虑工件工序时间，也研究了工件总加工时日j 对排序的影响，该算法能很好 解决车间流水作业排序问题，算法步骤如下【2 8 】： 1 )找出与m i n p 。l 对应的零件k ，将其排在首位，然后找出与r a i n 只。 对应的零件，将其排在最后，足或工若有多个，则选总加工时日j 少的零件；剩下 的零件组成子集s 2 ； 2 )计算s - 2 每个工件的总加工时问尸l = p u ，找出最短加工时丑j 尸和最 长加工时b j 尸m 驮； 3 )分割点e o = 尸。+ a ( 尸。一户t n 。) ， 【0 ，l 】， 初始值为o ： 4 )计算分割点p 。，对s - 2 所有工件，若p r 则按尸i 不减的顺序排成一 个序列瓢；若p i r ，则按p l 不增的顺序排成一个序列昂； 5 1顺序( s a ，s b ) 即为s 2 所求顺序。若瓯中存在只相同的工件五则 将其余较大的工件按只。不增的顺序排在三之前；若品中存在只相同的工件y ，则 工稃硕士学位论文网络化制造实验系统中币元控制器的研究 将其余工件按尸。不增的顺序排在岛之后： 6 )顺序s = ( k ，曲，y ，墨l ) i p 为所求一种排列顺序； 7 )分别耿 = o 1 ，0 2 ，l ，转步骤4 ，取最优排序结果。 其中m 代表设备数：p i 代表工件f 在畅上的加工时间。 综合分割启发式算法的特点如下： 第一，综合了工序和工件总加工时日j 对排序的影响，计算量相对比较少，尤其 在零件种类数量较大的情况下求解，更体现出其算法优点。 第二，算法简单，易掌握易应用，不易出错，适合于传统车f 、日j 生产管理人员在 作业调度中运用。 第三，所得作业排序结果和传统经典算法相似，甚至更优。 单件作业的排序问题分解对于一般的n m g f 。问题，可以用分枝界 定法或整数规划法求最优解，但因其求解的复杂性，在一般的车间作业排序工作中 还无法应用。通常，车日j 碰到的作业凋度问题有新产品的试制、小批量、多品种生 产的产品和i 临时零散的零件、急件、维修件需求制造等。尽管如此，零件可以人为 地归类组成零件集，这样制造问题可以分为两类：一是零散零件集的制造：二足有 序零件集( 产品) 的制造。 基于规则的零散零件集制造调度方法在复杂的生产调度问题求解中引 入合适的调度规则往往十分有效，是求解此类问题使用最多的方法。本课题采用以 下调度规则： 1 ) s p t ( s h o r t e s tp r o c e s s i n gt i m e ) 规则：在设备前排队等候加工的工作中， 优先选择加工时间最短的工件作为下一个加工工件，可使工件平均流程时问最少和 减少任务延迟率，从而减少在制品量，常用于单机调度。 2 1l w k r ( l e a s tw o r kr e m a i n i n g ) 规则：优先安排待加工作业总量最小的工 件。 3 1 f c f s ( f i r s tc o m ef i r s ts e r v e d ) 规则：优先安排最早进入可排工序集合的 工件。 4 、 e d d ( e a r l i e s td u ed a t e ) 规则：优先选择完工期限紧的工件，可使工件最 大延误期最小。 5 1m o p n r ( m o s t o p e r a t i o nr e m a i n i n g ) 规则：优先安排待加工工序数最多的 工件。使不同工作量的工件的完工时间尽量接近。 6 、 s c r (