（系统工程专业论文）连续生产过程调度与决策支持系统设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 对工业生产进行自动化控制和自动化管理成为当今时代工业发展的主题。企业 网络的开放化，企业信息的集成化，企业管理的最优化将是将是企业以后发展的方 向。目前，e r p ( 企业资源利用计划) 在企业的应用越来越广，己成为企业信息化的 目标。生产管理作为e r p 的一项重要内容，也受到了企业的重视。生产调度作为过 程控制与生产管理之间的重要信息传输纽带，在管控一体化的网络发展模式中，占 据着越来越重要的位置，它是生产管理的基础，信息系统的源头。1 本文研究了基于c a n 总线的连续生产过程调度与决策支持系统，文中利用中央 控制站实现生产过程的自动化管理，完成监控、调度、协调生产过程的任务。本文 进行了以下几个方面的研究工作： 本文在回顾了工业网络的发展趋势、c i p s 于工业改造中的应用意义、调度决策 的研究意义之后，探讨流程工业c i p s 的功能结构和实现c i p s 的关键技术，并根据 c i p s 中生产调度系统的特点，给出c i p s 的生产调度系统的系统结构模型。 本文重点以大冶球团厂生产过程自动化改造项目为背景，构建了基于c a n 总线 的分布式多层现场总线网络结构基础之上的连续生产调度与决策支持系统的系统结 构。论述基于c a n 总线的连续生产调度与决策支持系统的软硬件设计与系统实现。 最后，本文在讨论c i p s 中常用的调度方法之后，提出调度决策支持系统集成数据挖 掘的思想，探索用数据挖掘方法解决球团厂连续生产过程中的调度决策问题。 关键词：生产调度；决策支持； c a n ；c i p s ；c i m s ；球团生产；现场总线 ， 一 t 数据挖掘 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m a t i cc o n t r o la n dm a n a g e m e n ti ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o nh a sb e c o m e t h ek e y t o p i c i ni n d u s t r i a l d e v e l o p m e n tt o d a y t h eo p e n i n go fe n t e r p r i s en e t w o r k ，t h ei n t e g r a t i o n o f e n t e r p r i s ei n f o r m a t i o na n dt h eo p t i m i z a t i o no fe n t e r p r i s em a n a g e m e n t w i l lb et h et r e n do f e n t e r p r i s ed e v e l o p m e n t n o w , a st h et a r g e t o fe n t e r p r i s ei n f o r m a t i o n l i z a t i o n ，e n t e r p r i s e r e s o u r c ep l a n n i n g ( e r p ) h a sm o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o n s a l s o ，p r o d u c t i o nm a n a g e m e n t ， a l l i m p o r t a n tc o m p o n e n t o fe r p , i se m p h a s i z e db ye n t e r p r i s e p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g ，a n i m p o r t a n ti n f o r m a t i o nb r i d g ew h i c hl i n k sp r o c e s sc o n t r o lt op r o d u c t i o nm a n a g e m e n t ，t h e b a s e m e n ! o fp r o d u c t i o nm a n a g e m e n ta n dt h es o u r c eo fi n f o r m a t i o ns y s t e m s ，i st a k i n g m o r ea n dm o r ei m p o r t a n tp l a c ei nt h en e t w o r k e d d e v e l o p m e n tm o d eo fi n t e g r a t i o no f m a n a g e m e n ta n d c o n t r 0 1 7 r h i st h e s i sf o c u s e so nac a n b u s - b a s e dc o n t i n u o u sp r o d u c t i o n s c h e d u l i n ga n d d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ，i nw h i c hac e n t r a lc o n t r o ls t a t i o ni su s e dt oi m p l e m e n ta u t o m a t i c m a n a g e m e n to fp r o d u c t i o np r o c e s sa n dt o f u l f i l lt h et a s k so fm o n i t o r i n g , s c h e d u l i n g ， h a r m o n i z i n g t h ep r o d u c t i o n p r o c e s s t h ei n v o l v e d w o r ki sp r e s e n t e da sf o l l o w s ： a f t e rr e v i e w i n gt h et r e n do fi n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r kd e v e l o p m e n t ，t h ea p p l i e d s i g n i f i c a n c e o fc i p si ni n d u s t r i a lr e c o n s t r u c t i o n ，a n dt h er e s e a r c h f u l m e a n i n g s o f s c h e d u l i n gd e c i s i o n ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ef u n c t i o n a ls t r u c t u r eo fc 1 p si nc o n t i n u o u s i n d u s t r ya n d t h em a i nt e c h n o l o g i e so fc i p s sr e a l i z a t i o n ，a n dp r e s e n t st h es y s t e ms t r u c t u r e m o d e lo ft h ep r o d u c t i o ns c h e d u i i n gs y s t e m so fc i p sb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h et r a i t so f p r o d u c t i o ns c h e d u l i n gs y s t e m so f c i p s w i t ht h eb a c k g r o u n do ft h ep r o d u c t i o np r o c e s sa u t o m a t i cr e c o n s t r u c t i o np r o j e c to f d a y ep e l l e t i z i n gp l a n t ，t h i st h e s i se m p h a t i c a l l yc o n s t r u c t s t h e s y s t e ms t r u c t u r eo ft h e c a n b u s b a s e dc o n t i n u o u sp r o d u c t i o ns c h e d u l i n ga n dd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mb a s e do n d i s t r i b u t e d m u l t i l a y e r f i e l d b u sn e t w o r kf r a m e w o r k ，a n dd i s s e r t a t e st h es o f t w a r ea n d h a d w a r e d e s i g na n ds y s t e mi m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e m l a s t ，o nt h eb a s eo f d i s c u s s i o n o ft h en o r m a lm e t h o d so fp r o d u c t i o ns c h e d u l i n go fc i p s ，t h i st h e s i sp u t sf o r w a r dt h ei d e a o fi n t e g r a t i o no fs c h e d u l i n gd e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ( d s s ) a n dd a t am i n i n g ( d m ) ，a n d t r i e st os o l v et h ep r o b l e m so f s c h e d u l i n gd e c i s i o ni nc o n t i n u o u sp r o d u c t i o np r o c e s so f t h e p e l l e t i z i n gp l a n tb y d a t am i n i n gm e t h o d s k e y w o r d s ：p r o d u c t i o ns c h e d u l i n g ，d e c i s i o ns u p p o r t ，c a n ，c i p s ，c i m s p e l l e t i z i n g , f i e l d b u s ，d a t am i n i n g u 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 。1 课题的来源、研究目的及意义 1 1 1课题来源 目6 “，竖炉球团生产是一个集制气、配料、烘干、润磨、造球、布料、烧结、 料等于一体的复杂过程。从现有生产过程来看，大冶竖炉球团存在一些值得改进 的地方。虽然生产工艺要求严格，但是，一方面，原料和设备存在不可抗拒的因素； ”一方面，存在人工操作控制的不确定因素。这些因素限制了矿厂的球团矿产量和 质量的提高，造成了设备的浪费和原料消耗的浪费。随着用户对球团质量要求的不 断提高及国内外竞争的加剧，传统的人工控制竖炉球团生产过程的方法已经不能适 应生产发展的要求。所以，充分利用现代计算机技术、网络技术、检测技术及现代 控制技术，实现竖炉球团生产过程的自动控制、自动计量及自动管理功能，这是实 现竖炉球团生产过程现代化的必然要求，就此提出对大冶竖炉球团生产过程进行自 动化改造的方案。 火冶竖炉球团生产过程大致如图1 1 所示： 图1 一l 球团生产过程流程图 华中科技大学硕士学位论文 住整个竖炉球团生产过程中，竖炉是最核心的，它有两条主要供给线：首先是 物料供给线，包括配料、烘干、润磨、造球等几个环节，其主要功能是为竖炉提供 所要加工的原料；其次一条供给线是燃料供给线，一方面包括制煤气、加压等环节： 蜀一方面包括助燃风和冷却风的供给环节等等。 根据以一k 实际情况，整个生产过程自动控制系统可分为竖炉控制子系统、制气 控制子系统和造球控制子系统。这是一个以竖炉控制为核心的多环节串并联而成的 复杂控制系统。总体控制框图如图1 2 所示： 剧l 一2 大冶竖炉球团生产过程技术改造方案的总体框图 企业在进行信息化的过程中，要经历基础级过程自动化、生产调度指挥及生产 管理决策三个阶段。在实现基础级过程自动化以后，需进一步挖掘检测数据的信息 资源，利用计算机网络技术实现数据共享，以更好地服务于生产【l l o 生产调度属于 策略( t a c t i c a l ) 和运作( o p e r a t i o n ) 层，是解决生产计划和生产控制中的调度问题， 有效地配置有限的资源以达到一定的目标1 2 】。 所以，在建立竖炉控制子系统、煤气控制子系统和造球控制予系统基础以上， 夫冶铁矿球团厂建成了以调度为中心，以数据为基础，集中监视生产现场设备运转 状况及工艺参数，能迅速指挥、调度生产的，控制、调度一体化的生产调度与决策 支持系统，实现生产过程的自动控制，使整个生产系统处于受控状态。系统在运转 过程中自动记录生产数据、总结工艺要求，进一步修改完善本系统的控制方法及软 件功能，逐步优化系统控制。 华中科技大学硕士学位论文 11 2 课题目的及意义 奉课题是建立以现场总线为基础的生产调度与决策支持系统，利用中央控制站 。戈现，产过程的自动化管理，通过c a n 接口连接现场控制底层，并通过以太网与决 策层进行网络通讯。在信息采集、加工的基础上，运用网络和数据库技术，实现信 息集成，在集成信息的基础上进一步优化生产与操作，增加产量，改善t q c s ( 时 川，质量，价格，服务) ，提高企业的市场应变能力和竞争能力。 将本系统投入使用之后，大冶竖炉球团厂将会提高产品合格率、减少能源消耗 材料、降低原材料的意外流失、增加设备寿命、保证质量的情况下的增产。并且将 奉系统推广后，会给同行以很好的借鉴，也会给同行企业带来较好的经济和社会效 益。 1 2 国内外研究发展趋势 1 2 1 工业网络的发展趋势 庄现代工业生产中，自动化技术是保证工业生产高质、高效、安全运行的重要 f - 段。随着现代科技的迅猛发展，自动化技术也经历了若干次重要突破，首先在五 十年代，以模拟信号为主的电子装置和自动化仪表组成的监控系统取代传统的电 t 传动控制系统。然后是在七八十年代，d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，集散控 制系统) 的出现，把大量分散的单回路测控系统通过计算机进行集中统一管理，用 备种i o 功能模拟代替控制室仪表，利用计算机实现回路调节、工况连锁、参数显 吓、数据储存等多种功能。从而实现了工业控制技术的飞跃。进入九十年代，现场 总线( f i c l d b u s ) 技术迅速崛起并趋向成熟，控制功能全面转入现场智能仪表，以此 为特征的f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，现场总线控制系统) 正在取代d c s 并推动 着。1 1 业控制技术的又一次飞跃【3 】1 4 】1 5 l 【6 1 。 现场总线技术将当今网络通信与管理的观念引入到了工业控制领域，形成了先 进的控制网络技术，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能 设备互连通信网络i ”。国际上许多有实力、有影响的公司都先后在不同程度上进行 了现场总线技术与产品的开发。中国仪器仪表行业协会也已成立了中国现场总线委 员会，简称c f c ，并参加了国际f f 组织；北京冶金部自动化设计院也参加了国际 f f 组织，并投入了相当力量进行开发和应用研究；建设部还成立了基于l o nw b r k s 技术的中国智能建筑技术协作网1 8 l 9 1 。现场总线技术由于其造价低廉又能满足工业现 华中科技大学硕士学位论文 场环境下的通信要求而成为新型的通信方式1 1 5 j 。 随着现代化工业的不断发展，人们对生产过程的控制提出了更高的要求，需要 扶取更多的来自现场的信息，实现对现场监测、控制，并将现场数据融入管理、决 策及商务等各个层次的信息交换与集成，以提高生产效率、提高产品的市场竞争力。 见场总线技术便是顺应这一需求而发展起来的新型技术，它将专用微处理器植入传 统的测量控制仪表，使其具有数字计算和数字通信的能力。采用双绞线等作为总线， 把多个测量控制仪表连接成网络系统，按公开、规范的通信协议，在位于现场的多 个微机化测量控制设备问以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信 息交换，在生产现场、在微机化控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统 1 1 6 j ，在生产现场形成全分布式自动控制系统【1 8 l 。新型的现场总线控制系统( f c s ) 突破了d c s 系统中通信由专用网络的封闭系统来实现所造成的缺陷，把基于封闭的、 弩l j 的解决方案变成基于公开化、标准化的解决方案，同时把d c s 系统集中与分散 十h 结合的集散系统结构变成了新型全分布式结构，把控制功能彻底下放到现场，依 靠现场的智能设备本身便可实现控制功能。现场总线控制系统顺应了控制系统向分 散化、网络化和智能化的发展趋势，现已成为控制系统发展的主流方向i l 7 1 。 c a n 是控制局域网络( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 的简称，正是现今流行的一种 较为先进的、性能出色的现场总线技术。由于其高性能、高可靠性、及独特的设计， c a n 越来越受到人们的重视。由于c a n 总线本身的特点，其应用范围目前逐渐由 l 局限于汽车工业，而向过程工业、机械工业、数控机床及传感器等领域发展1 4 i 。 它是一种有效支持分布式控制系统或实时控制的串行通信网络，具有突出的可靠性、 典时性和灵活性。其总线规范已被定为国际标准i s 0 1 1 8 9 8 ，被公认为是目前最具有 发展前途的现场总线之- - t ”1 。 互联网及其相关技术已经极大地改变了企业的经营方式，它使信息通信贯穿整 个社会，遍及全球。在制造加工工业中，新技术的方向是建立在i n t r a n e vi n t e m e t 基 础f ：的j r 放式的、透明的商业运作，用以取代传统的卖方驱动体系。企业决策层、 生产管理者乃至经销商和用户都需要了解生产线上的生产信息，以太网、t c p i p 为 这种需求提供了高效的实现技术。过程控制和自动化领域的每个组成部分从嵌 入式系统到场地总线都认识到以太网和t c p i p 的重要性。 工业控制网络发展的趋势和要求：1 、工业网络体系的原则一- 开放性；2 、工 业控制的方向与i n t e m e t 集成；3 、高性能工业网络的要求更高的带宽：4 、 新的工业网络体系。而目前发展起来的现场总线技术与以太网技术是现在工业控制 4 华中科技大学硕士学位论文 网络的焦点问题，它们的相互结合，可以为工业控制网络产生新的活力1 1 叭。 12 2c i p s 成为改造传统工业的必然 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 ) 博士首次提出计算机集成制造 ( 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 ) 的概念。1 9 8 6 年，欧共体把c 1 m s 概念 拓宽到流程工业，即在连续型生产过程中实施c i m s 计划，也称为计算机集成过程 系统( c i p s ，c o m p u t e ri n t e g r a t e dp r o c e s ss y s t e m s ) 。 随着计算机技术的迅猛发展，特别是9 0 年代以来，在日益激烈的市场竞争推动 r ，c i m s 的理论与实践都得到很大的发展。国际自控界对流程工业c i m s 的研究已 展了1 0 多年，9 0 年代以来，每年都召开“c i m i nt h ep r o c e s si n d u s t r i e s ”的研讨会， 第1 1 届，1 2 届i f a c 世界大会都设立了相应的专题报告会。特别是国外公司和企业 投入了极人的热情和精力推动流程工业c i m s 在生产实际中的应用，并已取得了 显著的经济效益。流程工业基础自动化水平相对较高，据专家预测，在流程工业中 实现综合自动化所取得的经济效益和社会效益，会比离散型工业的c 1 m s 的效益更 l | j 】显和迅速。由此，流程工业c i p s 将成为信息时代改造传统工业的必然模式i l “。 c i p s 的研究与实践结果表明，单纯提高生产装置的控制水平，寻求局部最优的 投入产出比远远低于提高整体调度水平的投入产出比。特别是随着我国改革开放， 从“划经济过渡到市场经济，流程工业生产中的管理决策、生产调度、过程控制等 发生了重大变化，面临着许多新的问题。例如，在计划经济条件下，过程控制与生 j 2 渊度关系不大，一般只考虑单一品种、满负荷生产、稳定工况条件下的线性最优 控制。而在市场经济条件下，产品品种的频繁变换、生产量随市场波动、以及产品 质量与价格的竞争力等，过程控制优化要与生产调度相结合，实现多品种、变负荷、 变一j 况条件f 的动态生产调度和过程优化控制。研究面向生产调度与过程控制整体 考虑的集成技术，从而能够实现生产调度与过程控制的综合优化方法，提高流程工 业生产过程的柔性，以适应多变市场的需要，具有重要的理论意义，特别是对发展 适合我国国情的c i m s 具有重要的应用价值。 1 2 3 调度决策研究的意义 调度问题是一类应用广泛的运筹学问题。一般来说，对于调度决策的要求，是 希望在满足一定技术与资源约束的前提下对一系列活动进行排序，并确定适当的执 行时间段，以保证各类活动得以经济合理地安排执行【1 2 11 1 3 】。 华中科技大学硕士学位论文 住现代制造生产领域，调度以其所处的独特地位受到了日益广泛的重视。生产调 发作为连接工厂计划层和实时设备控制层的中间环节，在c i m 中的位置正处于整个 体系结构的中间，发挥两方面的作用：一方面接受企业决策层的综合生产计划，经静 念的计划分解后向下面的设备控制层发布调度指令；另一方面，接受设备控制层上报 的实时状态信息，依此进行动态调度来改变部分设定值，并把计划执行情况上报企业 决策层。它直接影响生产成本和资源的合理利用。因此，调度决策水平的提高成为现 在制造企业中决定生产经营过程能否稳定高效地运转地决定因素之一1 1 。 1 3 控制器局域网总线一c a n 13 1 c a n 的性能特点 c a n 总线是德国b o s c h 公司从2 0 世纪8 0 年代初为解决现代汽车中众多的控制 与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议【钔i i o l ，c a n 属于总线式 串行通信网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通讯总线相比， c a n 总线的数据通讯具有突出的可靠性、实时性、灵活性。其特别可概括如下： ( 1 ) 可实现全分布式多机系统，无主、从机之分，各节点均可主动发送报文1 2 0 i 。 ( 2 ) 多主站依据优先权进行总线访问【1 6 j ，可满足不同的实时要求。 ( 3 ) 采用非破坏性仲裁技术，即使网络负荷很重也不致网络瘫痪1 2 0 j 。 ( 4 ) 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送 接收数据，无需专门的调度。 ( 5 ) 远程数据请求，直接通讯距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ；通讯速率 最高町达1 0 m b p s ( 此时通讯距离最长为4 0 m ) 。 ( 6 ) c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个；报文标识符可 达2 0 3 2 种( c a n 2 0 a ) ，而扩展标准( c a n 2 0 b ) 的报文标识符几乎不受限制。 ( 7 ) 采用短帧结构，传输时问短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。 ( 8 ) c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。 ( 9 ) c a n 的通讯介质可为双绞线、同轴电缆或者光纤，选择灵活。 ( 1 0 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动自动关闭输出功能，以便总线上其他 节点的操作不受影响。 ( 1 1 ) 全系统数据相容性。 c a n 是一种适于控制领域使用的单片微机局部网络。这些特点使c a n 总线技 华中科技大学硕士学位论文 术特别适用于在各种低成本、高抗干扰的多机控制系统中的应用【z 1 j 。它较传统底串 仃通信，在硬件上可减少走线、易于系统扩充或改型，在软件通信更加灵活、实时 性更好、纠错能力更强。这一切都表明c a n 总线是高可靠性分布式控制系统底理想 总线，实践证明亦是如此。基于c a n 总线底控制系统有广阔的应用前景。 132 c a n 的网络分层结构 c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础之上的，不过考虑 钊作为。l ：业控制底层网络，其信息传输量较少，实时性要求比较高，成本降低，因 此，c a n 的模型结构没有严格遵循国际标准化组织( i s o ) 的开放系统互连的七层 参考模型( o s i ) ，c a n 总线只采用了其中最关键的两层，即物理层和数据链路层( 包 括逻辑链路控制子层l l c 和媒体访问控制子层m a c ) 。c a n 总线的物理层和数据 链路层的功能在c a n 控制器中完成【”l 2 2 1 。在c a n 技术规范2 0 a 的版本中，数据 链据层的l l c 和m a c 子层的服务和功能被描述为“目标层”和“传送层p p oc a n 的分层结构和功能如图1 3 所示。 数据链路层 逻辑链路子层 接受滤波 超载通知 恢复管理 媒体访问控制子层 数据封装拆装 帧编码( 填充解除填充) 媒体访问管理 错误监测 出错标定 应答 串行化，解除串行化 物理层 位编码，解码 位定时 同步 ( 驱动器，接收器特性) 监控器 故障界定 总线故障管理 图l 3c a n 的分层结构和功能 华中科技大学硕士学位论文 l l c 子层的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供服务。确认由l l c 子 层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载提供信息。在定义目标处理 时，存在许多灵活性。m a c 子层的功能主要是传送规则，亦即控制帧结构、执行仲 裁、错误检测、出错标定和故障界定。m a c 子层也要确定，为开始一次新的发送， 总线是否开放或者是否马上开始接收。传定时特性也是m a c 子层的一部分。m a c 子层持性不存在修改的灵活性。物理层的功能是有关全部电气特性不同在节点阃的 实际传送。自然，在一个网络内。物理层的所有节点必须是相同的。然而，在选择 物理层时存在很大的灵活性。 c a n 技术规范2 0 b 定义了数据链路中的m a c 子层和l l c 子层的一部分，并 描述与c a n 有关的外层。物理层定义信号怎样进行发送，因而，涉及位定时、位编 刚和问步的描述。在这部分技术规范中，未定义物理层中的驱动器接收器持性，以 便允许根据具体应用，对发送媒体和信号电平进行优化。m a c 子层是c a n 协议的 核心，它描述由l l c 子层接收到的报文和对l l c 予层发送的认可报文。m a c 子层 a 门自应报文帧、仲裁、应答、错误检测和标定。m a c 子层由称为故障界定的一个管 理实体监控，它具有识别永久故障或短暂扰动的自检机制。l l c 子层的主要功能是 报文滤波、超载通知和恢复管理。 13 3 c a n 的帧结构 报文传输由四种不同类型的帧表示和控制：数据帧( 如图1 - - 4 ) 携带数据从发 送器到接收器；远程帧用于请求发送具有相同标识符的数据帧，它与数据帧的最大 j g l f a 数据帧帧间 铲问 空间 _ 121 i 7 位 或超 1 1 位位位4 位0 8 字节1 5 位位 载帧 r备数据 c r c 序列 c r c a t用长度 数据场 界c 帧 定k 帧 r码 起 符 场 结 始仲裁场控日i 场c r c 场京 图1 - - 4c a n 总线的数据帧结构 8 华中科技大学硕士学位论文 区别是没有数据场，r t r 位是隐位，数据长度码d l c 的数值表示的是对应数据帧的 d l c 值；出错帧由检测到总线错误的任何单元发送以通知总线上的其他所有节点， 它由两个不同的场组成，第一个场由来自各节点的错误标志叠加得到，第二个场是 错误定界符；超载帧用于提供当前的和后续的数据帧或远程帧之间的附加延迟，它 与出错帧相类似，由超载标志( 6 个显位) 和超载定界符( 8 个隐位) 组成。 数据帧由7 个不同的位场组成：( 1 ) 帧起始：标志数据帧和远程帧的起始，它由 单个显位构成，在总线空闲时发送，在总线上会产生同步作用；( 2 ) 仲裁场：由1 1 位标识符和远程发送请求位r t r 组成，r t r 为显位表示数据帧，隐位表示远程帧a 标识符由高至低次序发送，且前7 位( i d 1 0 i d 4 ) 不能全为隐位，标识符用于提供 荚r 传送报文和总线访问的优先权信息，其数值越小，表示优先权越高，发生冲突 时优先发送：( 3 ) 控制场：由6 位构成，前两位为保留位，为显性，后四位为数据长 度码，表示数据场中数据的字节数，必须在0 8 范围内变化；( 4 ) 数据场：由被发 送数据组成，数目为控制场中决定的0 8 个字节，第一个字节的最高位首先被发送； ( 5 1c r c 场：c r c 包括( 循环冗余码校验) 序列位( 1 5 位) 和界定符( 1 个隐位) ，用 于帧校验；( 6 ) a c k 场：由应答间隙和应答界定符组成，共两位；( 7 ) 帧结束；每个 数据帧和远程帧均由7 个隐位组成的标志序列界定，此期间无位填充p j 。 1 3 4c a n 通信过程描述 c k l 、l 函数访问顺序( f u n c t i o nc a l lo r d e r ) 如流程图l 一5 所示 图1 5c a n 访问顺序 9 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本文的组织结构 第一章介绍本文的研究背景、目的意义，工业控制网络的发展趋势，c i p s 对于 i ：业改造的应用意义和调度决策的研究意义。并且阐述了c a n 总线的基本概念和性 能特点，分析了c a n 的网络分层结构、帧结构和通信过程描述。 第二章介绍流程工业的c i m s 即c 1 p s 的功能结构，探讨实现c i p s 的关键技术， 然后针对c i p s 的生产调度系统进行研究，分析了c i p s 的生产调度系统的特点之后， 给出c i p s 的生产调度系统结构的构架模型。 第一章针对球团厂生产调度的具体情况，探讨和分析基于c a n 总线的分布式多 层现场总线网络结构基础之上的连续生产调度与决策支持系统的结构构架。其中讲 述r 球团厂调度系统建设的思想、计算机网络规划和系统功能结构。 第四章论述了基于c a n 总线的连续生产调度与决策支持系统的软硬件设计与 系统实现，其中详细讲述了该系统的软件主要功能模块设计、通信设计、数据库设 汁以及系统实现。 第血章概述数据挖掘的基本概念、数据挖掘的主要功能和数据挖掘应用技术。 在讨论c i p s 常用调度方法之后，提出调度d s s 集成d m 思想。迸步探索用数据 挖掘方法解决球团厂连续生产过程中的调度决策问题。 第六章为全文总结。总结本系统的主要特点、创新之处及其实用价值。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2c i p s 中的生产调度系统 2 1引言 球团生产厂属于连续制造工业，具备生产规模庞大、环节衔接紧密、生产过程 复杂丽稳定等连续工业自身的特点。相对于c i m s ，c 1 p s 所需的技术基础与技术手 段有较大的差异，离散制造工业的生产自动化是围绕设计和制造展开的，连续过程 r 业则是以管理和控制为核心，追求管理控制一体化，其生产的管理与控制是以生 产调度的方式由生产调度室来完成的，因而，其生产是以调度为核心的【2 6 j 。伴随着 流程工业c 1 p s 将成为信息时代改造传统工业的必然模式，在研究球团厂的生产调度 系统之前我们很有必要研究一下c i p s 中的生产调度系统。 2 2 流程工业的c i m s c i p s 22 1 流程工业c l m s c i m s 是英文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 s 的缩写，直译为计算机 集成制造系统【2 9 i 。c 1 m s 的含义是采用计算机技术、通讯技术、自动化技术以及有 关生产技术，建立全企业或全厂的包括经营决策、管理信息、生产调度、监督控制 和直接控制在内的管理及控制全部生产活动的综合自动化系统，从而达到提高企业 经济效益和竞争能力的目的。计算机集成制造系统c 1 m s 首先是在离散制造工业中 发展起来的1 2 射，然而在实际中还存在着大量连续过程工业，如石油、化工、钢铁等 f 。多个行业。离散制造工业所形成的“自动化孤岛”所带来的种种弊端，在连续过 程l i 业中显得更为突出，因此c i m s 由离散制造工业向连续过程工业的扩展就成为 历史的必然。后者又称为计算机集成过程系统c i p s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e d p r o c e s s s y s t e m s ) 1 2 4 1 。 流程工业是连续性生产过程，如炼油、化工、电力等，近几十年来各类生产过 程都已发生了显著的变化，其主要特征是生产规模的大型化和生产过程的连续化。 在市场经济的激烈竞争中，为了保证生产的高效稳定运行，以获取最大的经济效益， 原来简单的、局部的、常规的控制和仅凭经验的管理就不能满足现代化生产的要求 了。企业的管理者和控制工程师们面临的问题是：如何根据市场上原料供应和产品 华中科技大学硕士学位论文 需求的变化进行经营决策和组织生产；如何在生产计划改变下对生产过程进行控制， 以便最大限度地发挥生产设备的柔性；如何估计那些无法在线测量而又对整个操作 极为重要的工艺参数。计算机技术、网络通信技术、控制理论、大系统理论以及生 产工艺技术理论的发展，并按c i m 的思想将各种技术集成起来，使上述问题的解决 成为可能。 222c i p s 的功能结构 图2 1 表示c i p s 的功能结构模型，图中间部分是功能层次，它是一种递阶结 构，共分为五层，顶层为经营决策层，层4 为管理信息系统，层3 为生产调度系统， 层2 为过程监控系统，层l 为d c s 系统。实现上述功能的两个支撑系统是数据库管 理系统和计算机网络系统。图的左侧表示所需信息，右侧是支持信息集成的数据库 管理系统。 层5 ( 决策层) 层4 ( 管理层) 层3 ( 调度层) 层2 ( 监控层) 层1 ( 控制层) 决策信息 管理信息 调度信息 模型信息 监视操作 经营决策系统 i产品策略 管理信息系统i i生产计划 生产调度系统l i调度指令 过程监控系统i i优化设置 d c s 系统i i控制决策 生产过程 幽2 - - 1 流程l 二业c 1 m s 功能层次 经营决策系统是顶层功能，依据企业内部和外部信息对企业产品策略、中长远 ej 标发展规划和企业经营提出决策支持。管理信息系统功能，又可细分为经营管理、 4 ：产管理和人文管理，对厂级、车间、各科室的生产和业务信息实现集成管理，并 依据经营决策指令制定和落实年、季、月综合计划。生产计划是综合计划的核心， 管理信息系统将月计划指令下达给生产调度系统。生产调度系统完成生产计划分解， 同时根据生产的实际情况形成调度指令，即时地指挥生产，组织日常均衡生产和处 理异常事件。过程监控系统根据调度指令实现生产过程操作优化、先进控制、故障 关系数据库系丝一实时数据库 华中科技大学硕士学位论文 诊断、过程仿真等功能。当调度指令变化时，使生产装置的过程操作在保证质量的 f j 提下始终处于最佳工作点附近。d c s 系统实现对生产过程运行状态的检测、监视、 常规控制和传统的先进控制。 从上述可知，功能结构模型体现了多级递阶控制思想和多层跨平台概念，各功 i l n 次所涉及的内容、范围不同，因而执行的频率亦不同，赖于实现的系统平台亦 不相同1 3 “。 2 2 3 实现c i p s 的关键技术 实现c i p s 需要解决两大类的技术问题，其一是建立集成的环境，其二是实现上 述各种功能的相关技术。 ( 1 ) 计算机网络系统是整个系统集成的物质基础，采用什么样的计算机体系结构 是主从结构还是c l i e n t s e r v e r 结构：采用什么样的网络系统、网络拓扑、通讯协议、 通信传输速率、传输介质等，均是建立计算机集成环境必须解决的问题。必须从技 术的先进性和成熟程度、系统的开放性、可扩展性、网络传输响应的快速性、可靠 。陀、实用性以及经济性等多方面考虑来确定1 3 0 i 。 ( 2 ) 数据库管理系统。信息集成是c i p s 的核心，而数据库管理系统则是信息集 成的基础，出于流程工业本身的特点，有大量的反映生产过程状态的实时测量的数 据需要进行处理、管理，以便有效的利用，因此实时数据库管理系统是采用实时数 据对生产过程进行监督控制、生产状态分析、评价的基础。因而流程工业信息集成 环境中需要同时设置关系数据库和实时数据库管理系统，作为全系统信息的集散地。 这两个数据库既可独立操作，又可协同动作，及时并行或交叉地处理来自全厂的各 种信息，真正做到信息集成与共享【3 9 j 。其问的关系如图2 - - 2 所示。 图2 2 数据库环境 ( 3 ) 各种接1 3 技术，诸如关系数据库的接1 3 、各种应用软件( 管理软件和先进控 华中科技大学硕士学位论文 制软件等) 与数据库的接口、各应用软件之间以及异种计算机和异种网络互连的接 lj 等都是集成系统成败的重要环节。 r 4 ) 生产计划调度的科学化是连续性生产过程实现在一定限度的生产柔性的关 键，足一被学术界和工业界广泛重视的研究课题。由于连续性生产过程的高度复杂 性的特点，必须将生产工艺机理建模与系统工程理论紧密结合起来，去寻找解决这 问题的办法。实践结果表明，基于全流程模拟，结合应用线性规划、非线性规划 或动态规划的方法建立计算机辅助生产计划调度系统，实现优化排产和优化调度是 。有效的途径。 ( 5 ) 过程操作优化是流程工业适应市场个方面叙述的是监控系统的功能和需要 的技术支持。 ( 6 ) 先进控制，针对流程工业中关键的难控对象研究各种控制算法，如推理控制、 预测控制、智能控制等。 2 3c i p s 中的生产调度系统 2 3 1连续型生产过程与离散型生产过程调度系统的区别 连续型生产过程生产调度系统和离散型生产过程调度系统有着很大的不同。针 对离散加工过程的生产调度系统，相继产生物料资源规划( m r p ) 、制造资源规划 m r p 1 1 ) 和企业资源规划( e r p ) 、适时生产( j i t ) 等，这一切都是基于产品和 t l f 4 所构成的数据，即物料单( b o m ) 、工艺数据和设备状况数据，将市场对产品 的需求转变为对加工过程和外购原材料、零部件的需求。上述模型建模的理论基础 足规划论、排队论、库存论及网络理论。应用计算机技术完成主生产计划、物料需 求“划、能力平衡计划、采购和库存控制等，使企业对市场应变能力从管理角度得 以优化生产计划和优化生产调度的实现【3 1 i 。 但是，由于连续生产过程系统内部包含诸多化学、物理过程，流程工业生产调 度更加复杂，特别是对生产调度方法的实时性、协调性和可靠性提出了更高的要求， 因此，基于从b o m 等一列离散变量概念出发，生成的m r p 、m r p i i 、e r p 、j r r 等优化生产计划调度的方法及模型基本上不再适用。必须根据连续过程特点，构筑 新的寻优思路及框架。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 3 2 连续生产过程调度系统特征 与离散加工过程相比，连续生产过程生产计划调度系统有如下特征： ( 1 ) 流程工业生产过程包括了信息流、物质流、能量流，而且伴随着复杂的物理 化学反应，以及突变性和不确定性等因素，是一个十分复杂的大系统1 1 1 l ，对这类生 产过程的描述，不仅需要“等待”、“传输”、“加工时间”、“存储”等概念，此外还 需要增加“反应率”、“分离率”、“合成率”、“传热”、“传质”等与连续过程相关的 概念。这应该说是连续过程区别于离散过程的最基本特征。 ( 2 ) 为了对连续过程进行系统分析，对生产过程及产品质量进行控制，建立过程 模型是必不可少的。建立相应描述连续过程模型的目的正是为了给连续过程生产计 e 0 调度优化提供反映化学、物理过程的约束条件。连续过程优化模型必须基于系统 的过程模型，只有这样，才能把连续过程最重要的过程的物理、化学约束反映在优 化模型中。优化模型如不和过程模型相结合，则这种“优化”将被认为是极不充分 的。 ( 3 1 从系统变量的时间特征角度分析，连续过程的生产调度系统的特征是，系统 琏混杂的，离散决策变量与连续决策变量共存。系统内既包含连续过程变量，如生 产过程就是连续的：同时也包含离散过程变量，如生产方案的切换、调度指令的下 达、随机事件的引入、生产装置的切换等等都是离散的。所以连续过程的生产计划 渊度系统是混杂系统。还必须指出，这种混杂既包括“级问混杂”，也包括“同级混 杂”。 ( 4 1 连续过程c i m s 中生产调度是根据上级计划指令、市场需求、原料供应及储 运情况，进行生产方案设定、系统优化指挥装置操作。因而这个系统是一个递阶结 构的夫系统，在系统分解协调优化过程中，“基于过程模型”