（机械制造及其自动化专业论文）基于网络的车间生产管理系统的研究与开发.pdf

中文摘要 基于网络的车间生产管理系统的研究与开发 研究生 张扬指导教师 易红 东南大学机械工程学院 摘要 随着计算机和网络通讯技术的不断发展 以单台数控设备独立运行的传统的车间生产管理模式已 不能完全满足企业信息化发展的需要 严重地制约了数控设备效率的发挥 对数控设备进行有效地群 集管理 把车间的数控设备管理 调度和车间管理等结合起来 构建以分布式网络控制的集成化车间 生产管理系统是当前实现设备联网 提高企业信息化的有效途径之一 因此 研究基于网络的车间生 产管理系统对于提高数控设备的机床效率以及应对市场变化有着重要意义 本文在研究国内外车间网 络化的基础上 以数控设备的网络化生产管理系统为开发对象 采用v i s u a ls t u d i o 和s q ls e r v e r 数据 库为前后台的开发工具 构建了适合数控车间网络化要求的生产管理系统 主要的研究内容及成果如 下 1 建立了基于网络的车间生产管理系统的体系结构 分析国内外制造业和数控设备研究现状和 发展趋势 在网络化制造模式对数控车间功能需求分析的基础上 从功能结构和框架结构等不同角度 分析并建立了系统的总体结构 给出了系统的设计原则 制定了设计的目标 为具体的硬件和软件结 构设计和实现提供参考 2 研究开发了基于网络的车间生产管理系统数控d n c 通信模块 以b s 网络通信模式为主 结合组件技术 并在d n c 局域网及以太网的成熟技术的支撑下 针对数控设备接口的不同形式 采 用了不同的配置方式实现了数控设备与以太网络的连接 构建了具有开放性 继承性和可扩展性的系 统架构 3 研究开发了基于网络的车间生产管理模块 在对数控加工车间的作业计划和生产调度的需求 分析基础上 建立了系统功能模型 给出了车间作业计划制定的数学模型 对作业计划的制定和调度 提出了较为可行的算法 4 在上述研究的基础上 结合江苏省重大科技成果转化专项基金项目的要求 开发了基于网络 的车间生产管理原型系统 并通过了测试运行 关键词 网络化制造 d n c 车间管理 数控设备 车间作业计划 优化调度算法 东南大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fw e r k s h o p p r o d u c t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nw e b b yz h a n gy a n gs u p e r v i s e db yy ih o n g s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ec o n t i n u a l l yd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s t h e t r a d i t i o n a lp r o d u c t i o nm a n a g e m e n ts t y l ew i t hs i n g l ei n d e p e n d e n to p e r a t i o no fn ce q u i p m e n tc a n n o tt o t a l l y s u p p o r t e dt h er e q u i r e m e n to ft h ed e v e l o p m e n to fe n t e r p r i s ei n f o r m a t i o na n dh a sb e e nr e s t r i c t e dt h ee f f i c i e n c y o fn ce q u i p m e n ts e r i o u s l y t a k ee f f e c t i v ew a yt ot h en ce q u i p m e n t si n t e g r a t e dm a n a g e m e n t a n dc o m b i n e d w i t ht h em a n a g e m e n to fn cm a c h i n e j o b s h o ps c h e d u l i n ga n dw o r k s h o pm a n a g e m e n t e t c t h i sm i g h tb e t h em o s te f f e c t i v ew a yt of u l f i l lm a c h i n et o o l sn e t w o r k e da n di m p r o v ee n t e r p r i s ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t w h e nc o n s t r u c t e dt h ed n cw o r k s h o pm a n a g e m e n ts y s t e m t h e r e f o r e t h er e s e a r c ho fn cw o r k s h o p p r o d u c t i o nm a n a g e m e n tb a s e do nn e t w o r kw i l lh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c ef o re n t e r p r i s ew h e nr e s p o n dt oq u i c k l y c h a n g i n gm a r k e ta n dp r o m o t et h ee q u i p m e n te f f i c i e n c y a f t e rc a r e f u l l ys t u d yt h en cw o r k s h o pn e t w o r k e d b o t hi nd o m e s t i ca n do v e r s e a w eh a v eb u i l tu pt h ei n t e g r a t i o nn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mt h a tw i l lm e e tt h e d e m a n do fn cc o m m u n i c a t i o n w h i c hu s ev i s u a ls t u d i oa n ds q ls e r v e ra sd e v e l o p i n gt o o la n dd a t a b a s e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n da c h i e v e m e n ta sb e l o w 1 1 1 1 es y s t e m a t i ca r c h i t e c t u r eo fw o r k s h o pp r o d u c t i o nm a n a g e m e n tb a s e do nw e bw a sb u i l tu p a n a l y z e dt h es t a t u sa n dt r e n do fd o m e s t i ca n do v e r s e am a n u f a c t u r i n ga n dn u m e r i c a lc o n t r o le q u i p m e n t b a s e do nt h es t u d yo ft h ef u n c t i o n a ld e m a n do fn e t w o r km a n u f a c t u r i n gm o d e t h eg e n e r a la r c h i t e c t u r ef o r s y s t e mf r o md i f f e r e n tp r o s p e c t s o ff u n c t i o n a ls t r u c t u r ea n df r a m e w o r ks t r u c t u r e p r o p o s e dt h ed e s i g n p r i n c i p l e f o r m u l a t e dad e s i g ng o a l w h i c hp r o v i d e dar e f e r e n c et os t r u c t u r ed e s i g no ft h es p e c i f i ch a r d w a r e a n ds o f t w a r e 2 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt h ed n cc o m m u n i c a t i o nm o d u l ef o rn cw o r k s h o pb a s e do nw e b a d o p t e db sa r c h i t e c t u r ea st h em a i nc o m m u n i c a t i o ns t y l e c o m b i n e dw i t hc o m p o n e n tt e c h n o l o g i e sa n da t t h es u p p o r to fs o p h i s t i c a t e dd n ct e c h n o l o g y l a na n de t h e m e t u s i n gd i f f e r e n tm e t h o d sf o ri m p l e m e n to f t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nn ce q u i p m e n t sa n de t h e m e ta c c o r d i n gt od i f f e r e n tf o r m so fn ce q u i p m e n t s c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e r e a l i z e dt h ea r c h i t e c t u r et h a tw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fo p e n n e s s i n h e r i t a n c ea n d s c a l a b i l i t y 3 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt h ew o r k s h o pm a n a g e m e n tm o d u l eb a s e do nw e b t h ef u n c t i o nm o d e l o fp r o d u c t i o ns c h e d u l i n gi sb u i l du pb a s e do nt h ea n a l y z er e q u i r e m e n t so fp r o d u c t i o np l a n n i n ga n dj o b s h o p s c h e d u l i n gp r o b l e mi nn ce q u i p m e n t sw o r k s h o p m a t h e m a t i c a ld e s c r i p t i o no fj o b s h o ps c h e d u l i n gp r o b l e m a n df e a s i b l es o l u t i o n sa r ep r o p o s e d f i n a l l y a c c o r d i n gt ot h i sm o d e l w ed e v e l o p e dan e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n gm a n a g e m e n ts y s t e m 4 b a s e do nt h er e s e a r c ha b o v e c o m b i n e dw i t ht h er e q u i r e m e n to ft h ej i a n g s us c i e n t i f i ca n d t e c h n o l o g i c a la c h i e v e m e n t si n t ot h ep r o j e c t d e v e l o p e dap r o t o t y p es y s t e mo fw o r k s h o pp r o d u c t i o n m a n a g e m e n tb a s e do nw e b a n dt h ef e a s i b i l i t yh a sb e e nv e r i f i e d k e yw o r d s n e t w o r km a n u f a c t u r i n g d n c w o r k s h o pm a n a g e m e n tn ce q u i p m e n t j o b s h o pp l a n o p t i m i z a t i o ns c h e d u l i n ga l g o r i t h m s 2 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包 含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名 二妲日期 兰 墨 主 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子 文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包括以电子信息形式刊登 论文的 全部内容或中 英文摘要等部分内容 论文的公布 包括以电子信息形式刊登 授权东南人学研究生 院办理 口 研究生签名 篮塑导师签名 量壁兰竺蟠勘 兰竺芝 厂 第1 章绪论 第l 章绪论 随着国际经济一体化步伐的加快以及科学技术的迅猛发展 世界范围内的市场竞争日趋激烈 在 网络技术 信息技术和通讯技术的大力推动下 数控技术经历了从普通的n c n u m e r i c a lc o n t r 0 1 计算机数控c h i c c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 直接数控d n c d i r e c tn u m e r i c a lc o n t r 0 1 分布式 数控d c d i s t r i b u t e dc o n t r 0 1 技术发展到今天的网络化数控 n e t w o r kn c 数控技术日益朝着智能 化 自动化与集成化方向发展 l 引 现代制造技术不仅要实现车间制造单元的集中控制以及设备间 设 备与上层计算机的数据交换 而且还必须采用各种先进的技术手段以及先进的生产运作模式来满足企 业信息集成系统的需求 因此 促使集生产制造与管理为一体的车间网络化制造及信息管理平台的搭 建是当前企业发展的必然趋势 信息技术与制造技术的有机融合成了制造技术的主要发展方向1 4 j 通 过技术实现生产管理的改造 对于提高产品效率 实现信息共享从而提高企业的竞争力以及我国总体 的制造业信息化水平等都具有非常重要的意义 1 1 现代制造业所面临的发展环境 科学技术的发展带动了电子信息技术的发展 推动着社会的进步 急剧地改变着现代制造业的产 品结构和生产过程 传统的生产管理 劳动方式 组织结构和决策准则正经历着新的变革 在各种技 术和外力因素的综合作用下 出现了 些先进制造技术和制造模式 如单元制造系统 c m c e l l m a n u f a c t u r i n g 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 柔性加工系 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 敏捷制造 a m a g i l em a n u f a c t u r i n g 虚拟制造 v m v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g 绿色制造 g m g r e e nm a n u f a c t u r i n g 分散化网络制造 d n m d i s p e r s e dn e t w o r k m a n u f a c t u r i n g 精益生产 l 只l e a np r o d u c t i o n 智能制造 i m i n t e l l i g e n c em a n u f a c t u r i n g 等i 川 在车间管理系统研究方面 也从单纯建立数学模型求解最优生产调度方案 转移到重视车间如何建立 适应敏捷制造和虚拟企业需要的生产组织管理模式上来 制造网格 m gm a n u f a c t u r i n gg r i d 仿生制 造系统 b m s b i o l o g i c a lm a n u f a c t u r i n gs y s t e m 自主分布制造系统 a d m s a u t o n o m o u sd i s t r i b u t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m 等企业生产管理模式就是企业生产组织管理技术的最新发展的典型代表i o j 在工业化国家中 制造业创造的财富约占一个国家基本财富的一半以上 经济发达国家更是把制 造业作为本国的经济支柱 并根据科技与经济的发展 不断摆正在国民经济中的重要地位 调整制造 业的发展战略和政策方针 随着市场的不断变化以及对产品个性化的需求 多品种 中小批量生产方 式已经逐渐成为制造业的发展主流 车间的计划与调度问题也变得越米越复杂化 生产计划与调度是 计算机集成制造系统研究领域生产管理的核心内容和关键技术 其任务是在企业车间有限资源约束下 确定工件在相关设备上的加工顺序和加工时间 以保证所选定的生产目标最优 生产计划与调度本身 是一个复杂的过程 牵涉到生产信息管理 生产资源管理 生产组合管理等信息的集成 还要考虑到 生产实时性的要求 制造企业的竞争力主要取决于产品的供货周期 质量和售后服务水平 科学地制 定生产调度方案 采用先进的生产管理 对于控制车间在制品库存 提高产品交货期满足率 缩短产 品供货周期和提高企业生产率起着至关重要的作用 在以上多种因素的综合作用下 制造业日益向着高度自动化 智能化 集成化 网络化的方向蓬 勃发展 信息技术在促进制造业发展过程中的作业仍然是第一位的 为此 我们应有的战略选择是 采用先进的制造技术和生产模式来提高制造企业市场竞争力 利用集成技术改进管理 提高质量 降 低成本 按敏捷制造的原则建立新兴产业并对企业进行结构调整 积极争取参与到全球化敏捷生产体 系中 东南大学硕士学位论文 1 2 基于网络的车间生产管理系统的重要性 自1 9 5 2 年美国p a r s o n s 公司和麻省理工学院成功地研制了世界上第一台电子管三坐标数控铣床以 来 数控设备发生了翻天覆地的变化 形成了专业数控机床以及数控成套设备 数控设备是企业的重 要设备资源 是尖端工业 如航空和航天 国防等 最基本的装备 反映了企业生产能力和生产水平 的一个重要指标 在先进制造领域中 数控技术是基础技术 它集传统的机械制造技术 计算机技术 成组技术与现代控制技术 传感器技术 信息处理技术 网络通信技术 光电技术等于一体1 9 j 数控 设备具有强大的控制功能 它不仅具有加工质量稳定 自动化程度高和能实现传统机床难以进行的复 杂曲面加工 而且其调整方便 适应面广 作为一种自动化的加工设备和基础执行设备而被广泛应用 在现代制造技术中的f m s c i m s 等之中 为生产加工系统提供大量有价值的数据 网络数控是计算 机管理 控制一体化的技术 向上接入网络 实现信息的共享 向下实现远程操作与实时多任务控制 等功能 它的广泛使用给机械制造业的生产方式 产业结构 管理方式带来了深刻的变化 新技术的不断涌现 日益激烈多变的全球化市场竞争和以i n t e r n e t i n t r a n e t 为代表的信息技术的迅 速发展并向制造业的全面渗透 正在从根本上改变着现代制造业的生存环境 网络化制造已经成为一 种新的用户驱动的制造方法 制造全球化和网络化是现代制造业的发展趋势 现代意义上的网络数控 系统以通讯和生产信息资源共享为手段 以实现企业内的重要资源的数控设备共享为目标 支持 i s o o s i 网络互连规范 通过网络支持本地和异地制造 信息集成 具有很强的开放性 其联网功能 通过标准网络设备来实现 而不需要其他的接口部件或者上位机 i o l 以此为要求 合理的利用以信息 技术为代表的高科技 建立基于网络的体系结构 生产和管理模式 快速 灵活地利用各种分布的 异构的制造资源 在网络支持下对设备进行连接并进行相关软件平台的开发 将产品从概念到加工 从管理到生产的全部过程连续集成 实现数控加工信息和生产管理信息的网络化管理 建立满足企业 需求的网络化数控为主体的生产管理系统 对于加速我国制造业信息化进程具有较为重要的意义 也 成为现代制造车间的发展趋势 1 3 基于网络的车间生产管理系统的国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 国外的研究重点主要集中硬件集成控制方面 从b t r 技术 直接d n c 分布d n c 到车间网络集 成管理系统 主要围绕着c n c 车间的信息集成展开 美国国防部为了减少军备制造对日本控制系统 的依赖性 与1 9 8 1 成立了 美国国家制造科学中心 n c m s 形成一份开放式系统体系结构规范 s o s a s s p e c i f i c a t i o no fa no p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r es t a n d a r d 开发了基于此体系结构的c n c 型谱系 列 其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动 其中影响较大的有美国的o m a c o p e nm o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r s 欧洲的o s a c a o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o n s y s t e m 和日本的o s e c o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r 等 c n c 机床用户和学术界对c h i c 厂商不断提出开放式体系结构 o s a 的要求 主张网络化p c n c 以便与计算机通信技术接轨 使制造环境的信息集成标准化 便于企业实现信息化 c n c 发展到今天 随着p c 机的发展 原来在大 中型机上才能实现的功能现在可以在p c 上完成 而且p c 机的价格便 宜 技术进步和性能提高快 可靠性高 所以车间集成单元技术主要是以个人计算机和工业微机作为 硬件基础 向标准p c 软件平台方向发展 以其作为数控系统的软 硬件平台可以大幅度提高数控系 统的性价比 美国首先出现了在p c 机平台上的数控系统 即p c 数控系统 p c n c 但是 c n c 公 司出于自身条件的限制和技术保护的需要 必须选用他们的上位机卡和通信软件包 世界上一些著名的数控系统公司也都相继推出了具有网络集成能力和一定智能化水平的控制系 统 如 三菱电器公司开发出一种能插入各种p c 机 型号为m e l d a sm a g i c 6 4 的6 4 位c n c 系统 2 第l 章绪论 a l l e n b r a d l e y 公司为用户提供了柔性 安全 可靠性更好的开放式p c n c 系统 可连接i n t e m e t 的 a l l e n b r a d l e y 9 p c 开放式p cn c 数控系统 日本电素提供的n c i p o w e r d n c 系统 c s e t e c h n o l o g yp t y l i m i t 提供c n cm a n a g e r 单元技术产品 日本大限 o k u m a 机床公司的c n co k u m a 日本山崎 m a z a k 公司的智能生产控制中心 c y b e rp r o d u c t i o nc e n t e r c p c g ef a n u c 公司的开放工厂c n c o p e nf a c t o r yc n c 以及s i e m e n s 公司倡导的开放制造环境 o p e nm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t 等 此外通过其通向因特网的门户网站与外界联接 可为每一个客户设立一个窗口 快速反应客户的要求 1 1 5 l7 1 1 3 2 国内研究现状 我国的数控单元和控制系统仍然处于发展阶段 与国际水平相比有很大差距 国家也很重视这一 块的投资 在国家科技攻关 8 6 3 计划以及一些省的科技计划的推动下 我国在d n c 系统 生产管理 系统 数控系统的联网通信功能以及d n c 系统与c a d c a p p c a m 和m r p 等系统的接口等方面均 取得了长足的进步 如 华中科技大学高爱民的关于 异构数控机床车间网络化集群管理系统的研究 1 8 实现了车间信息化的集成管理 开发了一套基于局域网的异构机床网络化集群控制与管理系统 武汉华中数控股份有限公司研究了 多制式数控机床集群控制与管理系统 建立了一个包含数控机床 d n c c a d c a m 编程 刀具管理和生产管理等功能的准柔性制造系统 合肥工业大学c i m s 研究所 建成的一条齿轮准柔性生产线 配备其自行研制的基于i p c 的开放式数控系统 实现中央服务器及各 个管理计算机工作站与数控机床间的联网 实现圆柱齿轮从齿坯到齿轮的加工i l 引 重庆大学博士熊峰 的 基于d n c 技术的二层车间控制模式的研究和应用 应用现场总线技术和a g e n t 技术 提出一种 基于代理体的d n c 系统模型 建立了设备集成通用模型 华中科技大学博士黄荣杰 基于d n c 网络 的制造技术的研究与应用 中航一飞院的张永辉关于 c a x a 数控车间解决方案 为用户从设计 工艺 加工到机床联网通信等提供一整套解决方案 2 0 1 此外 集成d n c 概念更能反映现代d n c 集成 管理的特点而受到关注 张旭梅博士认为随着c i m s 技术的发展 集成的思想越来越重要 d n c 应该 作为制造自动化的一种方法 集成到c i m s 中 由此提出了集成d n c 的概念1 2 所谓的集成d n c 是 指以数控技术 控制技术 通讯技术和网络技术等为基础 把与制造过程有关的设备 数控机床等 与 上层控制计算机集成起来 从而实现制造设备的集中控制管理以及制造设备间 制造设备与上层控制 计算机间的信息交换 中央集成计算机对多台制造设备集中控制管理 除传送制造数据外 它还是设 备过程监控的数据采集节点和与车间计算机网络进行信息通讯的节点 1 4 存在问题的分析 通过上述的分析 可以清楚的看出 尽管数控系统经历了由硬件数控 封闭式计算机到现在的开 放式数控等阶段 但是在数控设备体系结构和软件规范方面还是以西方国家为主导 而且协议较多 在一定程度上限制了开发式数控体系结构的研究 造成了不同设备联网困难 信息共享受阻 另一方 面 虽然采用了一定的手段实现了设备的联网 但是目前的网络通信功能还很弱 联网往往只限定在 某些特殊的设备 未能形成从底层设备到管理系统的有效信息集成 在国内外的研究现状中 所开发 的一些系统能从不同角度对基于网络的实现技术以及实现远程监控功能做了研究 但这些网络系统的 网络功能还比较局限 很大部分是在于零件程序的下载和网上资源的有限共享 远远没有发挥网络技 术的巨大潜力 如进行网络实时监控 远程诊断 远程调度和网络车间生产管理等 而且数据的传输 速度较低 不利于实时的加工 为适应网络化制造需求 虽然有些数控系统具备了一定的联网能力 但一般只局限在某些特定的网络之中 如b i t b u s 以太网和m a p 网 而且大部分采用比较单一的基 于客户机朋臣务器架构的局域网实现方法和硬件方法 只能完成有限的n c 程序传递和机床状态信息采 集的功能 信息不能得到有效的利用 随着网络化的发展 这样的架构不利于网络化集成车间的要求 当前我国拥有数量可观的数控设备 但是数控设备品种繁多 接口不一 信息不能共享或共享存 3 东南大学硕士学位论文 在困难 另一方面 我国的数控设备利用率不高 数控系统之间缺乏必要的联系 设备经常出现限制 或超负荷的状态等 由于数控系统一般作为专用计算机系统 无法实现直接与企业p d m c a d c a m 网络系统联网 势必造成网络系统的不完善以及p d m c a d c a m 系统与生产环节脱节 影响了整个 系统的有效性与数据信息的准确性 现代制造技术的发展不仅要实现车间制造设备的集中控制管理以 及制造设备与上层计算机问的信息交换 而且要拥有基于p d m e r p 的数据信息的智能管理系统 既 可实现数控加工的实时监控与管理 又能为企业管理者 决策者提供及时有效的数据统计分析平台 在信息技术与网络技术快速发展的今天 传统的组织结构相对稳定 设备相对集中 以面向产品 为特征的数控加工管理模式已经不能完全满足当前制造自动化发展的需要 必须扩展其在系统集成和 网络化方面的功能 建立一种按市场驱动的 具有快速响应机制的网络化制造模式 也即是建立基于 网络的车间生产管理系统 基于这种认识产生的 建立在信息技术之上 利用现代企业先进管理思想 为企业提供决策 计划 控制与整个经营业绩评估的全方位 柔性化的管理平台车间管理系统是实现 车间信息化的重要手段 也是企业信息化建设所追求的目标 1 5 课题的来源及研究意义 本课题来源自江苏省重大科技成果转化专项基金项目 b a 2 0 0 6 0 6 2 精密高效金属板材加工 技术及成套系统分布式控制系统开发及产业化 课题的实施是针对江苏亚威机床有限公司 以下简称 亚威 而进行研究与开发 亚威是一家具有5 0 多年锻压机床制造历史的老企业 在国家振兴装备制造 业政策的激励下 专业制造数控冲床 数控折弯机等数控设备以及成套设备 随着当前信息技术的推 进 原有的单机操作模式和缺乏信息化软件配置的机床及成套设备无论是在产品的柔性 模块化还是 在适应企业的信息化建设方面都显得不足 在这一背景下 亚威与东南大学合作 联合开发适应于企 业发展需要的新的数控设备集成控制与生产管理信息化平台 基于网络的车间生产管理的开发与实现作为整个系统的一个重要功能模块 结合整个系统的高效 性 集成型 先进性和全方位企业管理的特点 研究开发出基于网络的车间生产管理系统来解决系统 维护和设备变动的方便性 可能性以及满足企业信息化发展的需要 具体说来 1 探索一种符合机械制造车间特点的经济实用的管理平台模式 建立基于网络的数控通信和资 源共享系统 利用成熟的硬件技术将数控设备连接 实现数控设备的在线控制和管理 机床接收来自 上层工作站的包括数控程序 刀具以及夹具等的制造数据 并反馈当前的生产状况 制造车间具有加 工种类多 加工信息量大 实时性和可靠性要求高等特点 利用d n c 系统实现数控设备的网络化管 理是一条快捷有效的途径 2 实现从设计 管理到信息集成的闭环信息流 与之匹配的建立相应的网络生产管理系统平台 实现包括生产计划 任务管理 作业管理 数控加 丁程序管理等的生产管理网络化 此外 d n c 系统 还可以进一步和m r p i i 结合 实现系统内的任务分配和动态平衡功能 基于网络的车间生产管理系统 就是为适应制造业的这种需求而提出的一种解决方案 3 目前我国机床中r s 2 3 2 接口的机床占很火部分 考虑到前期投入成本 可利用现有便件将 r s 2 3 2 串行通信接口转化为网络接口实现联网 这也是目前实现联网方式的一个重要手段 随着技术 的发展与产品的变化 一种开放式的信息集成和应用集成的平台的研究是当前的研究重点 在此平台 下 可实现透明的信息交换 同时为不同的操作系统 网络 数控设备提供支持 基于上述的分析 应用现代先进的信息技术和管理技术 根据制造业车间的生产管理需求 特别 是结合网络化制造环境下车间管理的特点 开发敏捷 开放的 快速响应机制的网络车间生产管理系 统具有重要的实用价值和实践意义 亚威公司在这种背景下 提出对精密 高效金属板材加工技术及 成套系统进行研发 符合国家的产业发展方向 产业政策和生产力布局要求 这对于促进和提升该行 业的技术水平 装备水平 对加速产业发展和经济竞争力提升具有重要意义 4 第l 章绪论 1 6 论文研究内容和组织结构 论文的主要研究内容是在数控网络化和系统集成技术的背景下 围绕课题的研究目标 研究目前 数控设备集成技术和车间生产管理理论 结合亚威数控产品的硬件接口特点 对数控车间的运行模式 进行研究 提出了基于以太网的d n c 系统在车间中的运行模式和体系结构 研究多任务管理下的数 据通讯和管理 针对数控加工的作业安排和调度的复杂性 结合车间生产管理理论知识 采用了初始 排序和优化排序的算法建立了包括车间任务的自动分配 能力负荷平衡 作业调度等在内的车间生产 管理系统 最后 对系统的实现过程和实现技术等进行了详细的研究 全文共分为六章 各章节的主 要研究内容体安排如下 第一章 绪论 概括地分析了基于网络的车间生产管理的重要性 必要性和研究意义 结合国内 外的研究现状 并对研究现状进行分析 指出了目前研究成果中存在的不足之处 得出了单机模式的 数控车间不能满足企业信息集成管理的发展要求 强调了车间网络化制造的重要性以及本课题的研究 意义 第二章 结合企业数控设备的实际情况 对当前的网络化车间生产中存在的问题进行分析 提出 了基于网络的车间生产管理系统的总体设计方案 综述了对系统的需求分析 设计原则 系统的目标 和设计思想 并对系统的体系结构 功能结构 通讯结构等做出分析研究 并论述了系统实现的关键 技术 第三章 通过对企业数控设备车间运行模式的研究 提出车间网络d n c 系统在车间中的运行模 式及其体系结构 建立了以以太网为基础实现不同接口的数控设备与以太网连接的网络通信方案 为 实现d n c 系统与车间的生产管理系统达到信息集成奠定了技术基础 第四章 在下层d n c 通信模块的支撑下 针对车间信息化与网络化的需求 在综合考虑现有企 业数控设备生产特点基础上 采用一定的算法 对作业计划进行优化排产 建立基于网络的车间生产 管理系统的功能模型 第五章 在第三章和第四章的理论知识和技术的指导下 构建并设计了基于网络的车间生产管理 系统 介绍了系统的开发环境 并展示系统的运行界面 第六章 总结作者在研究期间的收获 并提出了系统进一步完善和发展的目标 论文的组织结构如图1 1 所示 第一章绪论 j 第二章基于网络的车间生产 管理系统体系结构研究 l 弟 草基于网篓吾明牛l f i j 生严宫埋 第四章基于网络的车间生产管理 系统d n c 通信模块的实现 系统生产管理模块的实现 第五章暴j 网络的车间生 产管理系统的开发与实现 第六章全文的总结与展望 图卜1 论文的组织结构图 5 东南大学硕士学位论文 1 7 本章小结 本章主要论述了当前制造业发展的环境下 分析了国内外关于网络化车间生产管理系统的研究现 状和水平 对存在的问题进行分析 并做出了基于网络的车间生产管理系统发展趋势的预测 结合本 课题 指出数控车间网络化的必然性 必要性和重要意义 提出了论文的主要研究内容及论文的组织 结构 6 第2 章基于网络的车间生产管理系统体系结构研究 第2 章基于网络的车间生产管理系统体系结构研究 随着计算机网络技术的发展 数控系统 c a d c a m c a p p 生产管理系统等将逐渐发展成为一个 以网络为依托的集成系统 解决信息流的统一与在具体应用上的分散性之间的矛盾 使得 信息孤岛 的微观集成发展成为符合企业需要的宏观集成 在设备的联网基础上 将企业的各个子系统有机的结 合起来 建立完善的企业生产管理信息网络 2 1 系统需求分析 2 1 1 现状分析 经过调研 目前的死威数控产品的客户主要是一些加工制造型企业 他们在复杂多变的外部环境 下 面临着生产任务的来源复杂 动态多变的特点 且其生产方式大多为按定单配置 多品种 小批 量 变化频繁的生产 虽然有些使用单位拥有基础设备自动化程度比较高的c n c n c 数控加工设备 但很多设备都处于单机运行状态 缺乏多机联网能力 这就给信息集成与今后的扩展带来了一定的障 碍 而且这些设备中的很多设备的通信接口不一致 有的只有简单的串口通信接口 有的配备了d n c 接口或者网络接口 在生产任务的制定时 采用最多的形式是手工的派工单 数据繁多 处理量大 在这种生产管理模式下就给车间管理系统提出了更高的功能要求 同时 当企业规模不断增大 设备 数量不断增加时 如何从企业的实际情况出发 保护企业的原有投资 并在企业现有基础上进行扩展 成为一个必须考虑的问题 2 1 2 存在的主要问题 亚威的高效金属板材加工技术及成套系统分为三大类钣金设备 高速数控冲压单元 高精密数控 折弯单元 精密板材剪切单元 各个单元技术在不同领域的用户都有单独配置应用的案例 子单元可 以作为单独技术 用开放的接口技术与用户的其他设备进行工艺组合或集成控制组合 接收发布的任 务 并响应任务的处理 但是在进行柔性组合 集成控制 使之成为一个高效的 高智能化的 可扩 展的 灵活组合的有机整体的时候却显得不足 加上现有的一些使用单位还使用不同厂家不同接口标 准的数控设备 设备的联网存在困难 不能形成一个有效的群集管理 通过分析 存在以下的问题 1 设备单机模式运行 信息集成性差 共享程度低 目前国内制造业除了极少部分普及型或高级型数控设备 其它的普遍只做到机器本身的自动化 对数控设备的管理仍然以离散化管理为主 单个机床与其他设备或外界计算机缺少必要的信息交换 只是简单的程序通信 数据不能共享 形成了加工孤岛 在工厂向信息化 网络化管理方面逐渐显得 不适应 与工厂的生产管理 财务管理 技术管理等数据交换时 大多处在人工操作模式 严重影响 了工厂效率和管理质量 控制系统只具备初步的柔性集成和控制功能 需要运用现代分布式控制 组 态软件技术 数据库技术的最新成果 进一步提高成套系统的柔性可根据用户个性化需求进行精密剪 切 冲压和折弯等不同工艺的柔性组合 使数控设备形成一个有机的整体 2 工艺组合性差 计划与调度方法落后 信息获取不及时 不准确 目前企业成套系统中单元的控制技术大多立足于满足机器自身工艺目的 系统集成存在通讯和程 序管理统一性问题 难以做到工艺的快速组合 由于生产计划涉及的范同广 产品数据在生产开始时 不齐全 计划的编制主要是以经验为主 而且计划的对象停留在产品的较高层次 编制比较粗放 不 够准确 在实际生产过程中 大多是靠局部的生产调度来控制和协调生产 生产状况不清 上层的计 划部门由于信息化程度低造成了加工信息反馈的不及时与不准确 使得计划人员只能依靠经验进行负 荷测算和平衡 同时 现场调度人员从自身的作业安排出发 很少从全局出发 难免引起作业冲突 7 东南火学硕上学位论文 因此 准确的获取工作量和设备信息 科学的制定计划调度与生产管理 对提高整个设备运行效率是 十分重要的 此外 企业中计算机和网络普及率较低 对网络化和信息化在车间中的应用认识性不高 处于一 种较为怀疑的态度或者是不愿投入一定资金进行建设 很多单位只是停留在设计阶段的信息化管理 这些也是阻碍企业信息化发展的一个重要障碍 2 2 功能需求分析 本系统将车间生产管理定位在计划执行与控制层之间 其目标是按物料需求计划 制造工艺路线 与各工作中心的能力编排工序加工计划 下达车间生产任务单和加工控制信息 并控制计划进度 实 现按时 按质 按量与低成本的完成加工制造任务 为此 结合企业的实际情况 运用网络化 生产 计划与控制 p p c 领域最新的研究成果 旨在建立一个优化资源配置 缩短产品加工周期 提高产 品质量 提高资源利用率以及市场竞争力 并以i n t e m e t i n t r a n e t 以及现代生产管理技术为核心的车间 生产管理系统 使设计的系统能够达到先进性 实用性的恰当结合 具体有以下几个方面 1 在建立的企业以太网络的基础上实现数控数据传输的网络化 使主控机能与多台设备之间进 行双向通信 提高设备利用率 减少外围设备 并可与企业管理网络进行连接 建立车间生产管理系 统 系统内部各功能模块既相互联系又相对独立 能根据生产的发展而不断调整优化 具有较强的可 扩展性 各个企业可根据自身情况 对系统进一步的扩展 使其能与c a d c a m e r p m r p 等系统更 好的结合 从而进一步为实现从设计到生产整个过程的信息共享奠定基础 企业的车间要实现敏捷生 产 拥有快速的市场响应能力 单靠车间自身的能力往往不能满足需要 因此以网络为基础 可以很 方便的扩展到车间之间和企业之间的协作 2 将主要目标的需求定位在企业层与生产控制层之间的连接 借助于计算机网络 建立起简单 易用 上传下达 敏捷 柔性 开放和并行化的车间管理环境 改进传统的串行式车间管理流程 注 重车间管理信息与企业上层管理系统乃至整个企业联盟的集成 使得计划 技术