（机械电子工程专业论文）基于cims的车间控制器的研究与开发.pdfVIP

摘要 本文阐述了c i m s 的基本概念、理论以及课题研究的目的和意义，并通过对 j c c i m s 工程总体结构与功能设计的分析，提出了c i m s 环境下基于客户朋臣务器模 式的车间控制器的基本理论以及现代化生产管理方法在车间管理中的应用。 从软件工程的角度出发，着重论述了车间控制器的软件设计方法、原理和开发工 具。根据不同的优化目标，对车间控制器中的一个重要组成部分一制定生产作业计 划的各种原则和方法进行分析研究，制定出符合工厂实际的生产作业计划。 结合开发j c c i m s 车间控制器的实践，详细探讨了c i m s 环境下的车间控制器的 软件开发环境和开发过程。该系统是用v b 做前台开发工具，以o r a c l r e 为后台数 据库系统完成的。本文的研究成果对从事c i m s 的同仁具有参考价值。 关键词： c i m s ，车间控制器，面向对象，客户朋艮务器 董王璺! 堕盟主塑塑鱼! 墨笪堑塞量茎垄 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eb a s i cc o n c e p ta n dt h e o r yo fc i m s ( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) ，s o m e m o d e mt h e o r i e so f s h o pf l o o rm a n a g e m e n t ，a n dt h ek e y t e c h n o l o g y i n d e v e l o p i n gt h es h o p f l o o rc o n t r o l l e r 勰w e l l t h r o u g ht h ea n a l y s i so f o v e r a l la r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o ni nt h ej c c i m sp r o j e c t ，t h es t r u c t u r eo fs h o pf l o o r m a n a g e m e n t i se s t a b l i s h e db ys t u d y i n gb a s e do nc l i e n t s e r v e rm o d ei n t h ec i m s e n v i r o n m e n t t h ep r i n c i p l e sa n dt o o l sw h i c ha r eu s e dt od e v e l o pt h es h o pf l o o rc o n t r o l l e ra r e i n t r o d u c e d a c c o r d i n g t ot h ei d e ao fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g f o rv a r i o u ss c h e d u l i n g o b j e c t i v e s ，t h i sp a p e ra n a l y z e s v a r i o u sk i n d so f p r i n c i p l e sa n da p p r o a c h e si na s s i g n i n g t h es h o pf l o o rp l a nw h i c hi sv e r yi m p o r t a n tp a r to f t h es h o pf l o o rc o n t r o l l e r f i n a l l y ，t h es o f t w a r ed e v e l o p i n gt o o l sa n dp r o c e s so f t h es h 叩f l o o rc o n t r o l l e ri nt h e c i m se n v i r o n m e n ta r ei n v e s t i g a t e dw i t ht h ep r a c t i c eo fd e v e l o p m e n to fj c - c i m s t 1 1 i s s y s t e mi si m p l e m e n t e db yu s i n gv b a s f o r e g r o u n dt o o l a n d0 r a c l ea sb a c k g r o u n d d a t a b a s et 0 0 1 p e r h a p st h i sp a p e ri sv a l u a b l ef o ra n y o n ew h oe n g a g e si nc i m s k e yw o r d s ： c i m s ，s h o p f l o o r c o n t r o l l e r ，o b j e c t o r i e n t e d ，c l i e n t s e r v e r 1 1 先进制造技术 第一章绪论 全球社会经济发展的历史经验表明，当今国与国之间的竞争，实质上是整个国民 经济综合实力的较量。而制造业是国民经济的支柱产业，一个国家的综合实力主要取 决于其制造业所提供产品和服务的竞争力。我国制造业产值占国民生产总值的4 0 ， 预计未来1 5 年内制造业的平均增长率将高于国民生产总值的年平均增长率。随着市 场的全球化、多样化以及信息时代的到来，振兴经济、提高综合国力的根本途径在于 制造业的振兴。 对于制造业而言，竞争的核心是创新工艺和创新产品。进入9 0 年代以来，各国 都把制造技术的开发作为国家的关键技术优先发展，如美国的先进制造技术计划 ( a m t p ) ，日本的智能制造技术( i m s ) 国际合作计划、韩国的高级先进技术国家计 划( g 7 ) 和欧共体的e s p r i t 和b r t e e u r a m 计划。面临市场、信息、环境和资 源的严峻挑战，我国制造业的紧迫任务是要提高企业产品市场竞争力。而产品竞争力 的关键在于创新，设计是制造业的灵魂，是我国制造业的关键。 1 1 1 先进制造技术的内涵和外延 先进制造技术( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，a m t ) 是在制造全过程 及制造理念上融入信息科学、电子科学、计算机科学、材料科学、环境科学等新的知 识和技术，面向市场，面向用户，涵盖从设计、制造、生产管理、产品维护以至到报 废处理的整个生产周期的集成制造技术。与传统生产技术有着本质的区别，它能够实 现快速、灵活、高效、清洁的生产。 1 现代设计理论和方法 市场竞争对产品设计的要求是要面向市场、面向用户的。并行工程( c o n c u r r e n t e n g i n e e r i n g ，c e ) 的设计方法，以及由此派生出的一系列新的设计理念，如面向制 造的设计( d e s i g n f o r m a n u f a c t u r a b i l i t y ，d f m ) 、面向装配的设计( d e s i g n f o r a s s e m b l y ， d f a ) 、面向检测的设计( d e s i g nf o rt e s t a b i l i t y ，d f t ) 、可负担性设计( d e s i g nf o r a f f o r d a b i l i t y ) 、绿色设计等，使设计与制造系统的全过程相结合。产品开发的重点向 产品设计过程转移，使之实际涵盖了从产品概念设计到产品报废处理的整个生命周期 中的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户需求，并通过c a d c a p p c a m 、 快速原型制造( r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g ，r p m ) 、虚拟制造技术( v i r t u a l 叁王! ! 坚塑芏塑墼型量塑堕塞墨墅蕉_ 一一一 m a n u f a c t u r i n g ，v m ) 等应用，在设计初期对产品的结构、工艺进行优化，对产品的 性能进行预测。 2 先进的加工制造技术 产品的加工制造是a t m 的基础，是实现快速、灵活地生产创新产品的主题。进 入9 0 年代以来，加工制造技术有以下的发展趋势： 精密成形技术包括精密铸造、精密锻造、精密焊接和精密超精密机加工 特种加工技术如激光、电子、离子束、高压水束、电化学及电火花加工技 术 快速原型制造技术r p m c a d c a e c a m p d m 集成技术 柔性快速制造系统f m s 微米纳米加工技术 少无污染制造与报废产品的可拆卸重组技术 制造过程自动化如数控( n c ) 技术、c i m s 、虚拟制造、全能制造( h o l o n i c m a n u f a c t u r i n g ) 、智能制造( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n g ) 、敏捷制造( a g i l e m a n u f a c t u r i n g ) 、智能4m ( m o d e l i n g 、m a n u f a c t u r i n g 、m e a s u r e m e n t 、 m a n i p u l a t i o n ) 技术等。 3 先进的生产资源管理模式 制造企业从社会大市场中获得资金、物资、人才等资源，又将资源转化为某种社 会需求的产品，因而制造企业必须用最少的资源消耗，获取最大的增值。有效的资源 获取、转换和分配就成为制造企业经营活动的主要内容，如编制满足需求数量和交付 期的计划，监督和控制该计划的实现，并保证资源的分配最合理和消耗最少。从6 0 年代的物料需求计划( m a t e r i a lr e q u i r e m e n tp l a n n i n g ，m r p ) 到制造资源计划( m a t e r i a l r e s o u r c ep l a n n i n g ，m r p i i ) ，以至准时化生产( j u s ti nt i m e ，j i t ) 、企业资源计划 ( e n t e r p r i s er e s o u r c ep l a n n i n g ，e r p ) ，形成了以m r p i i e r p 为代表，以信息技术为 基础，包含先进的管理哲学、理论和方法，进行企业资源计划与控制的高度集成的管 理信息系统，成为企业参与市场竞争的战略手段。 同时，产品的质量已经成为企业生存的命脉。对制造全过程进行质量管理，把形 成产品质量的设计试制过程、制造过程、辅助生产过程、使用过程管理起来的全面质 量管理( t o t a lq u a l i t yc o n t r o l ，t q c ) 应运而生。它不仅全面提高产品质量，而且还 要保证使用质量，把质量管理从原来的生产制造过程扩展到市场调研、质量发展规划、 研究开发、设计、试制、实验、工艺技术、原材料供应、检测仪表、生产、工序控制、 成品检测、包装、销售、用户服务等各个环节。 2 南京航空航天大学硕士论文 1 1 2 发展我国先进制造技术的关键理论和技术 缺乏自主开发能力，缺乏市场竞争力是我过制造业的突出问题。因此，发展先进 制造技术的首要问题是更新传统的设计方式，建立基于知识、面向市场的设计。 现代的设计是基于知识的设计，知识信息以数字化的形式存在于设计制造过程。产品 和工艺越来越复杂，包含越来越多的规则，要求多个远程的组织和个人进行协同设计。 而且，对产品可靠性和安全性的进一步认识要求更安全的设计；对环境恶化和全球人 口膨胀的认识要求具有环境友好性的产品和工艺设计；对可持续性发展的认识也要求 对产品报废后的可回收性进行设计。以下对我国未来2 1 世纪工程设计理论和技术进 行一个简单的分析。 1 设计决策的准确评价和虚拟技术 设计是一个建立在决策理论上的、基于规则的决策过程。决策理论包含三方面的 因素：决策目标选项的获取与识别、选项结果的预估或期望、优选项的确定过程中参 数或取值的使用。对设计的评价需要各方面的分析，如有限元分析、传热分析、流体 分析等，所使用的技术主要依赖计算机技术，而虚拟设计( v i r t u a ld e s i g n ) 就是未来 有潜力的进行设计决策评价的有效工具。 c a d 通常只考虑产品各个子部件的几何特征和相互间的几何约束。而虚拟技术 在虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ) 的环境中，将安全性、人机工程学、易维护性和装配标 准等多种所需满足的条件集成到设计过程中一并考虑。这一技术以信息技术、仿真技 术、虚拟现实技术为基础，在产品进入物质流程以前，在信息流程中通过对虚拟环境 下的软产品原型( s o f tp r o t o t y p e ) 进行感受、实验，对产品将来的性能和可制造性进 行预测和评估，从而缩短设计开发周期，降低开发成本，提高企业的快速响应能力。 2 并行设计( c o n c u r r e n td e s i g n ) 并行工程的首要目的，就是要通过生产准备部门的并行工作，从而使产品的生产 技术准备时间显著缩短。其次，由于各部门的工作同步进行，各种相关闯题在生产准 备阶段便能得到及时沟通和解决，不至于将来将问题拖到日后正式投产时才暴露，防 止可能造成极大损失。从这一意义上来说，并行工程还有保证并提高产品质量的功能， 而且缩短生产准备时间，有利于降低成本。 先行的c a d 技术是一种顺序设计，往往不能排除实际生产中屡见不鲜的工程更 改问题。这种工程更改往往导致在制品半途而废、已准备好的工艺装备不能使用，从 而造成不应有的生产中断、生产费用增加以及产品交货期的延迟。并行工程这种系统 的集成方法，在现行c a d 基础上，根据企业的不同考虑，进一步发展d f x 设计方法， 目的是使设计人员在新产品的设计阶段便能考虑到它们应该易于制造、装配和检测维 修，从而使新产品在制造和装配过程中的工程更改减少到最小程度。 董王! ! 堕笪主塑蕉鱼! 墨盟堑壅量茎蕉一 并行工程的思想要求c a d 将不再只是单纯的利用计算机软件绘图，而是要求利 用先进的计算机技术，进行产品的的三维实体造型、机构学分析、结构强度的校核、 制造工艺的优化等全方位的设计，是c 3 p ( c a d c a e c a m p d m ) 以及c a p p 技术的整 合，并以r p m 和v m 等技术与制造过程相衔接。 3 协同设计和设计信息管理 在设计过程中，设计数据及设计所需的各种文件需要方便快捷的数据库来管理和 维护，而且现代的工程设计已经成为由多个远程的团队和个体进行协同工作的过程， 这些团队包括不同组织的设计人员，他们的设计目标往往有一定的交叉。因而，从数 学上理解，协同设计是一种合作决策。在这种合作中，多个设计人员要同时对设计数 据库进行访问和修改，并且，有一个设计人员所作的修改能迅速更新并为其他人员所 获得。为实现这种协同设计，要有计算机网络通信技术保证优质的传输协议、有效的 信息集成和快速安全的通信。 4 全寿命设计的思想 现代产品要求对设计、制造、装配、安装、维护、报废等产品的整个生命周期进 行综合考虑，全寿命设计是面向产品的整个生命周期的多个目标进行设计，以满足市 场、用户、资源、环境的多方要求。 在全寿命设计中，设计对象是一个时变的系统，不仅设计师要知道设计对象的时 变规律，而且要让用户随时知道产品使用过程中当前的状况。因此，对重大的产品， 要考虑其状态检测和故障诊断功能，对状态稳定要求高的产品，状态补偿和控制结构 也是必然考虑的因素。 5 绿色设计 制造业的可持续性发展是全球可持续发展战略的重要组成部分。绿色设计是以节 省资源和保护环境为指导思想的一种新的工业设计方法。传统的产品设计制造往往忽 略了对自然环境的影响，使得越来越多的有害废弃物轻易进入环境而在无形中破坏了 环境，在原料取得、制造、销售过程中随处可见废弃物。全球环境的日益恶化使制造 业面临如何在取得最大效益的同时，提高资源的利用率、减少废弃物的排放的挑战。 围绕绿色设计这一设计思想，国际上还提出了环境意识的设计与制造 ( e n v i r o n m e n t a l l yc o n s c i o u sd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，e c d & m ) ，面向环境的设计 和制造( d e s i g n a n d m a n u f a c t u r i n gf o re n v i r o n m e n t ，d & m f e ) 、生态工厂( e c o f a c t o r y ) 、 清洁化生产( c l e a np r o d u c t i o n ) 等概念，它们的研究都是全球可持续发展战略在制造 业中的体现。 4 1 2 现代集成制造系统 1 2 1 现代集成制造的理念和内涵 现代集成制造系统是先进制造技术的重要组成部分。1 9 7 3 年美国约瑟夫哈林顿 ( j o s e p hh a r r i n g t o n ) 博士在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 d n g 一书中首次提出 c i m ( 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 g ) 理念。它的内涵是借助计算机，将企业中 各种与制造有关的技术系统集成起来，进而提高企业适应市场竞争的能力。 我国8 6 3 c i m s 主题结合国际上先进制造技术的发展，特别是基于主题的实践， 提出了现代集成制造系统( c o n t e m p o r a r yi n t e g r a t e dm a a u f a e t u r i n g ) 的理念，它在广 度上、深度上拓宽了传统c i m 的内涵：现代集成制造( c i m ) 是一种组织、管理和 运行制造类企业的理念。它将传统的制造技术和现代信息技术、管理技术、自动化技 术、系统工程技术等有机结合，借助计算机( 软、硬件) 使企业产品生命周期市 场需求分析、产品定义、研究开发、设计、生产、支持( 包括质量、销售、采购、发 送、服务) 及产品最后报废、环境处理等各阶段活动中有关的人组织、经营管理和 技术等三要素及信息流、物流和价值流三流有机集成并优化运行，以达到新产品( p ) 上市快( t ) 、高质( q ) 、低耗( c ) 、服务好( s ) 、环境清洁( e ) ，进而提高企业的 柔性、健壮性、敏捷性，使企业赢得市场竞争。“c i m s ”是一种基于c i m 理念构成 的数字化、信息化、智能化、绿色化、集成优化的制造系统，它是信息时代的一种新 型的生产制造模式与系统。 我国“现代集成制造系统”拓展了“计算机集成制造系统”，表现在六个方面： 进一步细化了现代市场竞争的内容( p 、t 、q 、c 、s 、e ) ； 提出了c i m s 的现代化特征：数字化、信息化、智能化、集成优化、绿色化； 强调了系统的观点，拓展了系统集成优化的内容：信息集成( 含功能集成) 、过 程集成和企业间集成优化：企业活动中三要素和三流的集成优化；以及c i m s 相 关技术和各类人员的集成优化： 强调了管理和技术的结合，以及人在系统中的重要作用； 建立了c i m s 技术体系： 扩展了c i m s 应用范围，包括离散型制造业、流程及混合型制造业： 1 2 2 现代集成制造的技术体系和发展趋势 1 现代集成制造的技术体系 基于c i m s 的车间控制器的研究与开发 ( 1 ) 总体技术：包括系统总体模式、系统集成方法论、系统集成技术、标准化 技术、企业建模和仿真技术以及c i m s 系统开发与实施技术等。 ( 2 ) 支撑平台技术：包括网络、数据库、集成平台，框架、计算机辅助软件工程、 产品数据管理( p d m ) 、计算机支持协同工作及机接口技术等。 ( 3 ) 设计自动化技术：包括c a d 、c a p p 、c a m 、c a e 、s b x ( 基于仿真的设 计) 、d f x ( 面向下游工作的设计) 及虚拟样机( v p ) 等。 ( 4 ) 加工生产技术：包括d n c 、c n c 、f m c 、f m s 、虚拟制造( v m ) 及快速 成形制造( r p m ) 技术等。 ( 5 ) 经营管理与决策系统技术；包括m i s 、o a 、m r p i 】、c a q 、供应链，b p r ( 企业过程重构) 、e r p 、d e m ( 动态企业建模) 及电子商务等技术。 ( 6 ) 流程企业生产过程控制技术：包括过程检测、先进控制、故障诊断和面向 生产目标的建模、优化集成控制技术等。 2 现代集成制造技术的发展趋势 ( 1 ) 总体技术发展新动向提出了以下一些先进制造系统的新模式、新概念和 新思想：可伸缩的、柔性的智能制造系统组织模式；基于复杂系统模型的制造系统组 织模式；偏重于管理优化的先进制造系统模式、大量定制生产( m a s sc u s t o m i z a t i o n ) 的制造系统模式；可持续发展的、社会和环境可承受的制造系统模式；综合的制造系 统组织模式。 ( 2 ) 设计自动化技术发展新动向： 协同、面向全生命周期的设计：包括团队技术、d f x 技术、面向集成设计的c a x 技术、s b x 技术；绿色产品设计；网络化设计等。 ( 3 ) 加工生产自动化技术发展新动向： 更加注重研究加工生产自动化系统中人的作用的发挥；单元系统的研究仍然占有 重要的位置；制造过程的计划和调度研究十分活跃；柔性制造技术的研究向着深度和 广度发展；适应现代化生产模式的制造环境的研究正在兴起；底层加工系统的计算机 化、智能化、集成化研究越来越活跃。 ( 4 ) 经营管理与决策系统技术发展新动向： 企业过程重构( b p r ) 成为优化企业运营的有效理论和方法；新一代生产经营管 理技术：从制造资源计划( m r p i i ) 一企业资源计划( e p r ) 一动态企业建模( d e m ) 一智能资源计划( i r p ) ；电子商务的发展正成为关注焦点。 ( 5 ) 支撑技术发展新动向： 企业网络己从局域网发展到i n t e m e t i n t r a n e t e x t r a n e t ；数据库技术向面向分析的 网络化数据仓库发展；计算机支持协同工作环境向多媒体、网络化、智能化发展；新 一代c a s e 工具与面向对象技术相结合；p d m 从领域级发展到企业级；多通道用户 界面成为人机界面研究重点。 ( 6 ) 流程工业c i m s 技术发展新动向： 作为流程工业c i m s 重要组成部分的过程控制系统和技术、企业管理技术以及计 算机网络技术在先进工业国家已较为成熟并得到普遍应用；其研究主要集中在解决企 业管理层中与离散工业c i m s 不同的主题，主要有适应流程工业的m r p e r p 软件、 混合模式制造( m i x e dm o d e m a n u f a c t u r i n g ) 管理软件、能够处理高达数十万个事件 的项目管理软件、基于互联网的企业调度系统、以及过程数据、模型的转换调协和智 6 能系统的应用等。 ( 7 ) 先进制造中的建模，仿真技术发展新动向： 建模仿真技术成功地支持复杂产品全生命周期的制造；迅速发展中的分布式交互 仿真技术和综合仿真环境；从s i m n 计划一d i s 2 xi e e e l 2 7 8 - * d i s + + h l a ( 高级体系 结构) ；广泛重视和研究虚拟样机技术：虚拟现实技术已成为产品设计制造的重要手 段。 3 对c i m s 的一些认识 进入九十年代以来，先进制造技术的进一步发展，出现了智能制造( i n t e l l i g e n t m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、虚拟制造( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 、敏捷制造( a g i l e m a n u f a c t u r i n g ) 、虚拟企业( v i r t u a le n t e r p r i s e ) 等概念，但我们并不认为c i m s 已经 过时，原因如下： 第一，从c i m 哲理内涵看，c i m s 是不断发展的，人们对c i m s 的认识也是不断 深化的。现在，人在c i m s 中的作用，得到充分的重视；制造资源计划、精良生产( l e a n p r o d u c t i o n ) 、准时生产( j u s ti nt i m e ) 等先进管理思想在c i m 的哲理下得以综合运 用。第二，实际上，以信息集成为核心的c i m s 正是这些先进制造模式的有力支撑。 以敏捷制造为例，其核心实际上也是集成，是企业间的动态集成，是新产品开发过程 的动态集成。因此，敏捷制造是c i m s 集成概念的延伸，从某种意义上来说，是c i m s 发展的新阶段。再如智能制造技术，其强调的是整个制造过程的自组织能力，c i m s 的众多研究内容，正是智能制造的发展基础，反过来，智能制造对c i m s 提出了更高 的要求。集成是智能的基础，而智能则推动更高水平的集成。所以，c i m s 对我国现 有的制造业基础来讲，对企业c i m s 的设计实施人员来讲，要做的工作还很多。 l3 车间控制器在c i m s 中的作用 在c i m s 递阶控制结构中，车间控制器位于中间层，起到了承上启下的关键作用， 它是制造企业的基础环节，是管理层和执行层的结合部，同时还是信息流和物流的交 汇点，是c i m s 信息集成的中枢，是控制集成的协调中心。放大来说，车间控制器可 看成一个小的企业，缩小来说，它是制造企业的核心部件，因而具有典型的代表意义。 与车间控制器有信息关系的子系统有：工厂层管理信息系统( m i s ) 、技术分系统 ( c a d c a p p c a m ) 、质量分系统( q i s ) 、以及其下层的单元控制器、刀具工作站、 物料工作站等。车间上层( 包括m i s 、c a d c a p p c a m 分系统) 的指令和信息要通 过车间控制器下达到底层去执行，底层把各种生产信息反馈给车间控制器，并通过车 间控制器进行汇总和上报。车间的管理和控制的优劣直接影响系统的生产率、产品质 量和经济效益。因而对车间控制器软件开发的好坏将直接关系到c i m s 技术应用的成 败。如何实现自动化车间的生产组织和控制，涉及到车间内各生产单元加工任务的安 排，所需物料资源的管理，而解决这些车间管理问题的手段，便是设计适于c i m s 的 车间控制器。车间的生产管理是车间控制器的核心。 1 4 国内外车间控制器的研究概况 正是因为车间管理与控制有着十分重要的地位，所以发达国家对其十分重视a9 0 年代以来，国外对c i m 赋予了新的概念。美国里海大学提出的美国2 1 世纪制造业的 战略是敏捷制造。敏捷制造是将技术、组织管理和人员集成为一个协调的相互关联的 系统。美国国家标准与技术研究所( n i s t ) 为帮助中小企业提高国际市场竞争能力，制 定了一个面向中小企业的综合自动化计划( s h o p s o f t h e9 0 s o n ) 。s o n 从8 0 年代末 开始，首先在该研究所的实验工厂中实施，然后r v w 公司进行试点，取得了明显的 效果。现在，n i s t 正通过分布在美国各州的先进制造技术中心推广s o n 计划。 日本提出的精良生产涉及的范围广泛，它不仅追求系统的集成，更重要的是强调 集成后的效果。它的最终目标是在一个企业里，同时获得极高的生产率、极佳的产品 质量和很大的柔性。 德国研究与技术部制定了庞大的的w o p ( w o r k s h o p o r i e n t e dp r o d u c t i o n ) 计划， 提出了面向车间的新型生产方式。德国的w e r n e r 公司已开发了几个专用的车间控 制器。其特点是实行模块化设计的功能体系结构，这种结构便于扩充和维护，可根据 实际情况，作出需求分析和补充设计。 随着市场竞争的日趋激烈，产品的生命周期越来越短，鉴于这种情况，法国的 p h u g u e t 在1 9 9 5 年的计算机集成制造杂志中发表了有关车间生产控制( p a c ) 的文 章，在该文章中，p h u g u e t 提出了p a c 的系统结构以及系统模型，可以实现计划的 自我修订与优化，较好地解决了产品的短期效应以及库存控制。日本东京的d o k u z e v l l l l 大学于1 9 9 7 年提出了一种在一条f m s 线上柔性加工路线的控制系统模型与模 拟模型，证明了采用柔性加工路线可以动态改善调度的自我调节能力，在某设备出现 故障时，可以选择代替的机床来保证生产的正常进行。1 9 9 3 年美国的t e x a st e c h 大 学提出了一种计划与调度集成的模型，在生产中可以采用代替的加工路线，可以提高 系统的柔性。 在我国的“8 6 3 ”高技术发展计划中，提出了要在自动化领域跟踪世界高新技术， 满足我国企业进行现代化生产管理的要求。我国在“六五”期间。重点发展数控技术， “七五”计划强调c a d c a m 、f m s 和c i m s ，“八五”又将数控机床技术作为基础 装备和基础技术，建立了制造业自动化和数控技术国家工程研究中心，制定了重点技 术改造企业，推广应用c a d c a m 及m r p 技术的计划。 在总结过去经验的基础上，有关部门在制定“九五”规划中，提出了“面向中小 型企业的综合自动化”的设想：将现代化信息技术与传统技术相结合，但不盲目追求 系统的高度自动化和大而全的完整性，尽可能满足企业的实际需求。这其中包括开发 出适合我国国情的车间管理与控制系统，实现信息的集成，确保生产运行高效率，使 企业具有较好的经济效益。 我国一些重点大学的c i m s 研究中心也纷纷开展了车间控制器的研究与开发。对 在c i m s 环境下的车间控制器都进行了深入的研究，并取得了可喜的成绩。 童室堕皇堕丞盔堂堡主丝l 一 1 5 研究与开发车间控制器的意义 多年来，世界各国一直致力于使车间的生产过程自动化，车间控制器正在被各种 类型的生产制造企业所采用，试图通过车间控制器作为总信息控制系统的一部分，控 制整个车间，用来检验产品，监控整个机械加工的进行，控制传输路线，指挥物料的 流动，自动清点库存以及执行定货登记和定货处理等任务。 随着市场竞争的日趋激烈，企业要在竞争中求生存、求发展，除了转变现有的经 营机制外，最重要的是要运用先进的制造技术与管理方法，以提高企业响应市场的快 速应变能力。这就要求企业具有快速的产品开发能力，尽可能短的产品生产周期，较 高的产品质量，较高的设备利用率。而车间控制器的目标就是合理安排车间生产计划， 充分利用现有的各种资源，消除生产瓶颈，实现均衡生产，保证按时交货，提高设备 利用率，提高部件加工质量，缩短生产周期，减少在制品，减少或消除加班，降低零 件加工成本，准确迅速地为上级部门提供可靠的各种生产统计数据。所以车间控制器 运行效率的高低以及其本身的合理性、实用性对一个企业能否获得较高的经济效益起 着非常重要的作用。 本文讨论的车间控制器是金城集团j c c i m s 中制造自动化分系统的一个重要组 成部分，主要功能有接受任务、制定作业计划、确定资源计划、确定资源短缺、进行 生产统计与查询。车间控制器开发的优劣直接影响c i m s 生产子系统的运行效率、产 品质量、生产周期以及生产费用等方面。因此对j c c i m 的车间控制器的研究是必需 的，也是至关重要的。 1 6 本课题主要的研究背景和内容 本文讨论的车间控制器主要是应用于j c - c i m s 中的冲焊车间，冲焊车间包括五条 生产线；焊接机器人生产线、手工焊接线、油箱线、冲压线和弯管线，涉及到的零件 种类繁多，结构复杂，精度要求较高，属于中批量生产。该车间从日本引进了许多先 进的制造技术和设备。基于公司的诸多因素，对车间控制器中的作业计划提出了较高 的要求，既要满足中等批量的生产要求，又要解决诸多零件的生产排序、负荷分配以 及能力平衡。故本文着重讨论了车间作业计划的制定、作业排序的优化、负荷分配以 及能力平衡。 本文首先对先进制造技术的概念以及发展情况做了介绍，然后针对c i m s 理念和 内涵的发展，探讨了c i m s 的发展趋势，并提出了自己对c i m s 的一些看法。 其次，作为c i m s 的重要组成部分，车间控制器是本文研究的重点。本文以信息 集成为主线，从不同侧面详细地介绍了车间控制器的功能、体系结构、车间控制器与 c i m s 其它分系统的功能联系和信息联系，对车间结构的开放性和可重构做了探讨， 使对车间控制器的结构和功能有比较全面的了解。对于车间模型的建立，本文主要讨 论了传统的结构化分析方法和面向对象的建模方法，比较了两种方法的特点，并提出 了一种可的行面向对象建模的方法。 再次，根据j c c i m s 中车间控制器的特点，详细地讨论了车间控制器的一个重要 组成部分：作业计划的制定。本文主要讨论了两种常用方法，一种是基于o p t 的编 9 基于c i m s 的车间控制器的研究与开发 制计划的方法，此方法也可以用来开发j c - c i m s 车间控制器中计划的制定。另一个 是网络计划法，其中的部分原理将被用于本车间控制器中计划的制定。 然后，探讨了基于工艺路线的生产作业计划的制定方法，对计划中的多零件排序 与优化问题进行了详细的讨论，并建立了数学模型。 最后，对j c c i m s 环境下车间控制器的软件开发进行了详细的讨论，并总结了本 系统的特点。 l o 第二章车间控制器概论 2 1 车间控制系统的发展 自从本世纪初泰勒提出以劳动分工为基础的科学管理理论，福特运用泰勒理论， 开创流水作业、顺序决策、集中领导、分级管理生产模式以来，车间控制系统就随着 技术的进步、企业组织形式的不断变革与创造而逐步走向成熟与完善。 从5 0 年代开始，人们逐步认识到少品种、大批量生产方式的缺点，尤其是计算 机技术本身的发展及其在制造工业中的应用，如数控机床、加工中心、计算机辅助设 计、计算机辅助制造等新技术的涌现，使得制造系统技术水平上升到一个新台阶，迫 切要求管理技术与之相适用。6 0 年代美国学者首先提出了一种全新的企业管理思想： 物料需要计划m r p 。m r p 以物料清单b o m 为主线，通过产品的逐级分解，把产品 分解为各个部件，把部件分解成零件，依据零件确定原材料；然后根据交货期逐一确 定各个加工阶段的完工时间( d u ed a t e ) ，该系统被形象地称之为推系统( p u s h s y s t e m ) 。m r p 在生产实践中不断完善，功能逐步增加，发展成为m r p i i ，m r p i i 目 前广泛应用于企业管理之中。与美国的m r p i i 相对应，日本人提出了另一种管理思 想：准时生产j i t 。j i t 强调在准确的时间把所需数目的工件送至正确的地方，因而， j i t 式生产系统在理论上讲完全没有任何资源浪费和排队现象，可以最大限度地清除 任何不产生效益的“垃圾”( r u b b i s h ) 。因为j i t 系统以产品交货日期反过来要求各 承制商、供货商的交货时间，这种系统被称为“拉系统”( p d ls y s t e m ) 。由于j i t 在 日本企业的实施以看板( k a n b a n ) 形式出现，所以j i t 又称为k a n b a n 系统。欧洲人的 j i t 是最优化生产控制技术o p t ，o p t 认为制造企业的最终目标是获取利润，企业的 一切活动均以此为中心。然而，由于制造系统的复杂性，许多优化技术与方法并不能 完全保证制造系统达到所期望的目标。 8 0 年代以来，随着市场国际化、竞争激烈化、需求多样化，使得少品种、大批量、 专用设备、高效率的规模经济日益受到挑战，制造系统必须以最短的时间t ( t i m et o m a r k e 0 、优良的品质q ( h i g hq u a l i t y ) 、具有竞争力的价格c ( l o wc o s t ) ，向顾客提 供全方位优质服务s ( g o o ds e r v i c e ) ，才能赢得竞争。计算机软件、硬件技术、网络技 术、数据库技术以及计算机在制造系统中的各种应用技术为企业赢得这种竞争提供了 良好的技术保障。企业本身的结构也发生了巨大的变化，传统的线性结构被平等式环 状结构所取代，顺序决策被平行决策所取代，精细分工、流水作业被工序集中的柔性 生产设备、独立制造岛或具有综合工作能力的小组所取代，集中领导被分布式管理模 式所取代。在新的生产模式下，各车间控制系统可根据所处的环境信息自行决策，但 茎王! ! 坚箜主间丝型墨笪婴塞量茎垄一 在总体上又能与企业其他部门相互协调、相互适应，形成一种最合理的结构和最优化 的运行方式。 2 2 车间控制器与c i m s 其它分系统的关系 c i m s 通常由m i s 、c a d c a p p c a m 、q i s 、车间控制器等四个功能分系统和计 算机网络和数据库两大支撑分系统组成。车间控制器与c i m s 其它分系统有着密切的 联系。 2 2 1 功能联系 车间控制器的主要功能有：车间作业计划的制定与调度、资源管理、物料管理、 制造与检验、质量控制、成本控制、监控等功能。上述主要功能的实现有赖于c i m s 其它分系统的配合，具体体现在以下几个方面： ( 1 ) 车间作业计划的制定必须以m i s 主生产作业计划和较长期生产作业计划为 依据，该计划是车间应该完成的。车间计划制定中必然用到很多工艺信息，诸如零件 的技术要求、采用的加工方法、使用的设备、工装等，这些信息由c a d c a p p c a m 分系统提供。零件制造过程中遵循何种控制规律，使用什么精度的检具有q i s 分系统 提供。若作业计划执行过程中出现故障，如机床损坏、刀具破损、工件超差等，就必 须进行实时调度，此时零件的可选加工路径或可替换的刀具均由c a d c a p p c a m 系 统规定，而零件的超差处理意见由q i s 决定。 ( 2 ) 车问生产资源( 如刀具、量具、夹具、毛坯、半成品、成品、设备、人员 等) 的管理，均与m i s 、c a d c a p p c a m 、q i s 分系统有着密切的联系。车间生产 资源的状态是m i s 制定生产计划的依据，车间内部生产计划的制定当然也离不开本 身资源的检查、评估，车间调度还必须了解资源的动态信息，完成资源的动态再分配。 c a p p 系统根据车间资源情况制定零件加工工艺。车间量具、检具、夹具的可用性取 决于q i s 的定检计划。 ( 3 ) 车间的制造、检验及质量管理功能的实现，也必须依靠其它分系统的支持。 车间制造所需的工艺规程、n c 代码来自c a d c a p p c a m 分系统。检验规程或检验 n c 代码则来自q i s 分系统，作为质量管理的依据。 ( 4 ) 车间监控系统一方面保证车间计划的顺利进行，另一方面，为m i s 、 c a d c a p p c a m 、q i s 分系统提供车间实时运行状态，以便根据实际加工情况更改 有关计划、检查追踪出现质量事故的原因，以杜绝类似事件的再次发生。 ( 5 ) 车间控制器要实现上述功能，没有分布式数据库管理系统和计算机网络系 统的是不可能的。数据库管理系统可保证车间控制系统中所需信息的一致性、完整性、 安全性，而网络则是数据交互、共享的桥梁。 2 2 2 信息联系 车间控制器与c i m s 其它分系统有着十分密切的信息联系。图2 - l 为j c - c i m s 工 程项目中车间控制器与c i m s 其它分系统的信息联系。 1 ：月生产作业计划完成2 ：月生产作业计划及零星生产计划 3 ：工艺文件需求信息，设备信息4 ：工艺文件及工艺文件准备情况 5 ：质量汇报，废品汇总表6 ：质量控制信息 7 ：物料需求计划8 ：物料库反馈资源准备情况 9 ：刀具，量具资源需求计划1 0 ：刀具，量具资源准备信息 11 ：日生产作业计划1 2 ：单元反馈生产完成信息 图2 1 车间控制器信息运行模式 车间控制器与外系统信息联系按性质可分为静态信息和动态信息。在零件加工 ( 装配) 过程中基本保持不变的信息称为静态信息，如产品工艺规程、加工程序等； 反之，称为动态信息，如车间计划跟踪信息、库存信息、设备、人员状态等。若按信 息的来源和去向划分，可分为输入信息和输出信息。输入信息指外系统输入车间控制 器的信息，如生产作业计划、工艺规程、n c 代码等；输出信息指车间控制器输出给 外系统的信息，如作业完成情况、库存信息、刀具准备情况等。 基于c i m s 的车间控制器的研究与开发 2 3 车间控制器的功能和体系结构 集成化车间控制器的结构如图2 2 。该控制器以车间为控制对象，其输入为车间 生产计划，输出为车间计划完成情况。该控制器功能如下： 1 作业管理 接受企业集成计划系统生成并下达的车间生产计划，该计划包含了计划信息和质 量、成本指标；把车间生产计划按产品或零件在车间内的工艺路线分解，考虑生产统 计模块统计的车间作业动态信息中包含的工序物料库存和上一生产周期作业指令中 未完工数量，生成车间工序计划，即工作中心计划；并把车间工序计划下达给资源管 理和物料管理模块；另外，把车间生产计划中包含的质量、成本指标下达给质量控制 及成本控制模块。 车间