自动化制造系统第四章第六节

自动化制造系统第六节自动化制造系统的控制与生产管理自动化制造系统的类型很多，不同类型的控制系统的构成、功能和控制方式差别很大。有些类型的控制系统很简单，如单一产品生产的刚性自动线，只要各设备按一定的节拍生产即可。而有些系统的控制则复杂得多，如多品种、中小批量生产的柔性制造系统。本节主要针对后一种情况，围绕柔性制造系统的控制与生产管理进行分析。一、自动化制造系统控制系统的任务任务自动化制造系统的控制系统通过对信息流的出来来控制系统的物流，使整个系统处于有序的工作状态，并以最优的方式运行柔性制造系统的自动化程度较高，在工作时需要的人员较少，对各种设备的运行一般不需要人的干涉而由控制系统自动管理。通常在柔性制造系统内有多重不同零件同时加工，且在不同时段零件的组合不尽相同，在市场情况发生突然变化时，加工任务还会随时调整。柔性制造系统之类复杂自动化制造系统的生产管理与系统加工资源协调运行是一项非常复杂的任务计算机的系统控制与与生产管理系统是决定这类自动化制造能否取得预期经济效益的关键技术之一，自动化制造系统控制系统的任务主要包括：1，各种设备的自动控制；2，生产计划调度管理；3，制造质量控制；4，信息与通信管理；5，系统状态监控等。二、自动化制造系统的递阶控制结构自动化制造系统是工厂的组成部分之一，其控制与管理须置于工厂的总体控制体系内。计算机集成制造系统是制造工厂，特别是多品种、中小批量生产类型制造工厂实现自动化的主要形式。CIMS的控制体系是以五层递阶控制模式为基础建立起来的。如图在CIMS的五层递阶控制模型中，工厂层是决策与计划层，复杂整个工厂的战略决策和生产的中长计划；车间层是管理层，实现工厂的业务管理，如生产的短期计划、资源分配等；单元层是任务分配与生产控制层，执行作业调度管理与任务分配；单元层是设备控制层，实施对多台设备的集中运行控制；设备层是执行层，执行设备的自动运行和数据采集等功能。这种五层控制结构对一般制造工厂而言是普遍适用的，但各工厂针对各自的具体情况可能会有一定的变化，如在工厂层之上再加上集团公司层等。自动化制造系统的控制系统在CIMS五层控制结构中覆盖了包括单元层、工作站层和设备层的底三层。在工厂经营管理、工程设计和加工制造这三大功能中，自动化制造系统完成加工制造功能，所有产品的物理转换都是在制作单元实现的。工厂经营管理所制定的经营目标对整个工厂具有举足轻重的作用，而制造单元的运行效果在很大程度上取决于控制系统的运行结果。典型柔性制造系统的递阶结构如图示。规模较大或较为复杂的系统可能会有多个加工工作站，也可以有检测工作站等其他工作站。一些较为简单的自动化制造系统也可能简化，如不设置刀具管理工作站，甚至在单元层下不设置工作站层，而由单元控制器直接控制设备。三、柔性制造系统的单元控制器

单元控制器是整个自动化制造系统的总体控制机构，其主要任务是：（1）零件加工的排序与生产调度管理零件装卸站在什么时候装载什么零件、零件在系统内加工的先后次序及何时由何设备完成相应工序的加工进行控制。（2）设备运行的调度方案对系统内所有制造资源的管理，如调度物料运输装置在需要时将物料从指定地点运送到指定目的地，安排特定设备完成某个零件某道工序的加工、检测和清晰等任务。（3）实时监控系统的运作状态提供与保存系统各设备和在线零件、托盘、刀具等的最新状态信息，对故障作出报警或者自动处理（4）系统信息管理保管系统所需的各种信息资料，如系统设备的基本数据、零件特征、制造工艺、切削参数、数控程序、质量要求、生产任务等。还要收集整理生产过程中的各种统计报表，以供各级管理人员查阅、参考。（5）信息通信这是系统集成的重要基础，通过通信系统可以接受生产管理部门下达的生产任务及修改命令，接受技术部门的零件加工工艺、质量要求、数控程序等信息。系统产生的各种统计数据也要通过通信功能向上传输。出来上述对外通信外，通信功能还要负责系统内各级控制器之间的信息传递。（6）其他如系统运行仿真、单元控制器的运行管理等。四单元控制器的生产计划与调度控制（一）AMS单元控制器进行生产计划与调度过程单元控制器最主要的任务的系统的生产管理，也就是合理安排零件的加工次序和调度管理制造系统全部加工资源，已尽可能优化的方式完成指定的加工任务。自动化制造系统的中长期生产计划是有决策层与计划层坐出的，一般是年度、季度或月度的生产计划；短期生产计划通常有管理层（车间级）所做，其计划期为周到日或班次的作业计划。单元控制器一般是对当日或当班的作业计划进行调度管理。但在工厂并未实施CIMS或未建立管理信息系统MIS的情况下，单元控制器也可能收到的并不是日或班次计划。而是数日或周甚至月的生产计划，这时单元控制器就需要承担短期计划管理的任务。（二）AMS的作业计划

AMS生产作业计划的输入是上级部门下达的生产任务订单，其输出的是AMS日或班次生产任务，其目标是在保证全部生产任务按订单要求按时完成的条件下，尽可能的为AMS生产创造最优的运行任务环境。从本质上看，本作业计划是对零件的一次分组，每组即为一天或一个班次所要完成的加工零件。分组的对象是全部生产订单中尚未完成的加工任务；分组的限制是按订单规定的交货期提交全部零件，每一组加工零件的工作量必须满足系统能够提供的资源和生产能力的限制；优化的目标是为系统在生产过程中能够提高设备利用率、降低制造成本、减少系统调整等提供良好的条件，例如每组零件在不同加工设备上的负荷应尽量平衡，使用的刀具、夹具等尽量相同。AMS生产作业计划的过程大致可分为如下三个阶段1，订单分析订单分析的任务是根据零件的工艺相似性按成组技术将零件分类，并按毛培供应情况及零件交货要求大致排定单元加工任务的先后顺序。2，日或班次作业计划日或班次作业计划的指定是在订单分析排定零件分类优先级的基础上，进行生产任务的一次初始作业分配，讲车间订单任务落实到日或者班次。3系统能力平衡与调整能力平衡所考虑的主要因素的系统中关键设备的能力，并核定这些能力能否满足任务需求。由于这种能力平衡是离线方式，故在能力估计时应考虑一定富裕以应付诸如设备故障及调整等突发情况图是AMS单元控制器AMCC-1指定生产作业计划的一种应用实例当系统管理员或从上级管理系统输入生产任务订单，并经过合法性验证之后，就对这些任务进行初始作业分配，然后将初始分配的结果进行仿真得到一系列评价指数，如机床利用率、刀具更换次数、每天投入生产的零件数和输出从而结束作业计划指定工作，否则就须进行必要的调整。AMMCC-1提供了三种不同的调整方式：（1）参数调整是由系统管理员根据初始作业分配的结果对任务订单、系统设置或工作日程等因素中的某些参数做局部的调整，然后重新执行初始作业分配，以期待得到令人买一的结果（2）自动分配是在不考虑生产任务有关人物交货期的限制，并认为毛坯总是准备就绪的情况下，由模块根据系统资源的生产能力和所有收到的任务订货进行优化分配。（3）表格调整是有系统管理人员在原始作业分配的基础上，利用电子表格进行人工调整。在调整的过程中计算机还要负责验证调整操作的合理性，自动进行生产能力的核算，并对交货期和毛坯供应的条件进行校验。这种调整方式完全有管理人员凭自己的校验进行。当自动化制造系统所在的企业已经实施CIMS或以建立了计算机辅助生产计划系统如企业资源计划ERP系统时，管理控制层已经将短期生产计划做到了日或班次上，则单元控制器就不需要再作本级别的作业计划，而只需作静态调度和实时动态调度管理（三）AMS的静态调度静态调度是在每天或每班来上加工前完成的，他主要是把当天或当班将要完成的所有零件做一次生产计划安排，保证系统能以最优的方式完成所接收的任务。由于AMS生产作业计划已经把生产任务分配到每天或班次，切进行了系统生能力的校核，所以静态调度所需要考虑的加工对象只是当天火当班所需完成的零件组，同时也不用顾忌零件交货期和毛坯的供应情况，这些都由生产作业计划所保证。一般来说，静态调度问题包括零件的最优分组、系统负荷的最优分配、零件加工的最优排序和辅助制造资源的需求计划等内容1.零件的最优分组由于在AMS生产作业计划中已经考虑了零件交货期和毛坯供应的约束，同时该计划也保证了每天所分到的零件都能够在当天完成，所以零件分组最重要的原因就是制造单元自身加工资源的限制，如有限数量的托盘和夹具、各加工中心刀具库容量的限制等等。由于在目前的制造单元内刀具库的存储量奥那个是有限的，大多数情况下各加工中心的局部刀库与中央刀库之间的刀具交换都要影响到系统的生产率甚至导致出现故障。同时，在更换某些零件类型时还要对系统进行调整、更换，这就使得系统内的刀具必须重新进行一次调整。因此，由于刀具容量限制，系统设备进行一次调整之后，所能连续不断的进行加工的零件种类数量都是有限的。所以在进行零件分析分组时必须保证系统在不做刀具更换和大规模调整的情况下能够连续完成一组零件的价格，这就是零件分组的基本要求零件分组除了满足上述基本要求之外，还要考虑分组的优化问题，即通过分组提高系统的生产率，下面两个优化目标是应该考虑的；零件分组的组数应尽可能少尽可能为每组零件实现系统负荷最优分配创造条件。减少零件分组的组数的为了减少系统调整次数，从而减少调整所花费的时间。由于系统负荷分配与零件组内零件的种类和数量有关，因此零件的优化分组不仅要考虑零件分组的组数，还要考虑哪些零件分在同一组更有利于系统在加工改组零件时加工资源的负荷分配最为合理，从而提高系统加工的设备利用率名字是一个多目标优化的问题。2，系统负荷的最优分配所谓负荷，就是指各加工设备所承担的加工工作量。由于在很多情况下，零件的价格工艺可以是多路径的，即某一道工序可以有系统中的一台或多台设备中的任一台来完成。因此，每一零件在系统中可以安排一条以上的不同加工路径。当一组零件中每一个零件的价格路径确定之后，系统中各加工设备的负荷也就确定了。所以系统的负荷分配就是要确定一组零件中每一零件的价格路径，以确定系统内各设备的工作负荷。挺一组零件的负荷分配方案不一样，则在加工者一组零件时，设备利用率不一样，系统的生产率也不一样。负荷分配所要解决的问题就是遂于任一给定的零件组，找到一种能使系统获得最大生产效益的负荷分配方案。在对零件进行负荷分配的时候有两个问题必须解决。首先必须决定的是，对于给定的一组零件和制造系统，系统中各加工设备的负荷应该按什么比例分配才能使系统获得最大的整体效益。其次，在系统中各加工设备的最负荷比确定后，就必须解决如何将零件的工序分配到不同的设备，使得系统中各设备的负荷比最接近上述最佳负荷比。前者是确定系统最优负荷分配的优化目标，后者是解决系统最优分配的手段对于系统最优负荷比例，比较普遍也容易理解的一种方案使系统各加工设备具有相同的负荷，即各设备的负荷只比是1。这是因为，如果一部分设备的负荷小于另一部分，则必然会导致这些设备在加工时出现部分时间的空闲，从而降低设备的利用率。这种力求使各设备负荷相等的负荷分配方案又可称负荷平衡问题。3，零件加工的最优排序所谓零件加工的排序就是确定零件加工的先后顺序。当零件分组和负荷分配完成之后，哪些零件是否应组合在一起加工？由于各零件的加工工艺路径是确定的，但是各组零件的加工先后次序和一组零件中各个零件的加工先后次序都还是任意的。很显然，这些加工顺序对系统的生产率是有很大影响的。零件的优化排序将影响到系统的预置、调整、设备空闲时间和完成这批零件加工的总是句。因此，在绝大多数情况下，零件加工排序的优化目标也是尽量减少系统的预置、调整、设备空闲时候之和，使系统生产率最高，完成加工任务的时间最短4。辅助制造资源的需求计划辅助制造资源需求计划是将当天或当班全部零件加工所需的刀具、夹具、托盘和量具等辅助资源进行统计、核对，若系统不完全具有这些资源则提出需求与安装计划，立即着手进行准备以免耽误生产。当某些资源欠缺时，可能要调整零件组成排序的结果，让那些暂时不需要这些资源的零件组先行加工（四）AMS的实时动态调整前面所作的AMS生产作业分配和静态调度都是在零件开始加工前离线做出来的，实时动态调度则是在线调度过程，他在系统加工中根据系统当前的实际状态，对系统的生产活动进行动态的优化控制要实现实时动态调控，首先必须随时掌握系统资源和在线零件的真实状态，这是实现实时动态调控的基础。为此单元控制器内必须保留一个系统状态表，该表中的元素与系统的资源和呗加工零件相对应，一旦某一项资源或某一零件的状态发生了变化，状态表中相应的元素就要准确、足够快的做出相应改变。系统状态表的维护是由系统监控子系统完成的，在此不作详细介绍。实时动态调度主要包括两方面内容，即被加工零件的动态排序和对系统资源生产活动是实时动态调度。实时动态调控是在系统加工过程中实时动态完成的，因此要求其优化算法要简单，对系统状态变化的反应要足够快，才能满足实时控制的要求。1，被加工零件的动态排序被加工零件的动态排序是指根据系统的当前状态，实时的调度安排零件在系统内的流动过程。制造系统在生产过程中随时都可能会产生一些不可见的扰动，如某台设备发生故障、刀具破损、被加工零件报废等。这些扰动都可能打乱原先静态调度所作出的零件排序和负荷平衡的安排。这时，就需要根据系统的实际状态，作出适当的调整，改变零件的加工顺序和工艺路径。同时，在一台加工设备钱有多个零件排队等待加工的情况下，调度系统也要根据系统的状态和预定的优化目标确定这些零件的加工顺序，而这在静态调度阶段是无法预先确定的。静态调度的零件优化排序与实时动态排序是不一样的，静态调度的排序是在系统尚未开始加工之前，根据系统的资源配置与零件工艺特性，对分组后当天需加工的全部零件进行组间优化排序和组内零件加工先后的优化排序。静态调度中组内零件加工优化排序的优化目标一般是使加工该组零件的总加工时间最少，而实时动态排序则是在系统加工过程中，根据系统当前状态和零件工艺特点，对系统中在线的和在工件装卸站前排队等待进入系统加工的当前组内的零件进行加工过程的优化排序。它的优化目标主要是减少系统内的在制品数量、提高设备资源的利用率，特别是关键机床的利用率。2AMS系统资源生产活动的实时动态调度前面所述的AMS生产作业计划、静态调度所作的零件分组、负荷分配、静态优化排序和零件动态排序等都是针对工件在系统中的流动而作的，其目的在于合理调度安排被加工工件在系统中的流动。但这些工件流动计划的实现必须借助于系统设备资源的活动来完成，实时动态调度的一个重要内容就是对系统资源活动的实时动态调度和控制。对系统资源的控制包括物流系统、刀具管理系统、辅助资源的使用、加工设备以及操作人员等进行控制和管理。这些制造资源的活动都是要服从控制系统的调度安排，才能和谐、高效率的完成加工任务，因此需要在加工过程中对系统资源进行实时动态调度系统资源生产活动的实时动态调度涉及的范围很广，它包括对刀具的调度管理、夹具的调度管理、机器人的调度管理、缓冲托盘站调度管理、输送小车调度管理等，本文将仅对小车调度管理的基本内容进行简单描述自动导向小车AGV系统可以是由多台小车组成的，运行路径也可以是呈网状的复杂系统。因此，对AGV的调度控制主要包括如下四项内容；1）当有多项任务申请小车服务时，优先为谁服务2）当一项任务有多台小车可供选择时，选用哪一台为之服务。3）小车的交通管制问题，他包括如何安排小车的运行路线使之避免碰撞，当有多台小车发生抢道时，如何避让等4）小车在两点之间运行时，如何选择最优路径，以使运行时间最短如果系统内只有一台小车承担无聊输送任务，又假定小车在系统内任意两点间的最优运行路径是已知的，且不随时间的变化而改变，则在这种简单的AGV系统中，小车的实时动态调度问题就只剩下上述四条中的第一条，即选择优先服务对象的问题，这一问题非常容易解决。五、自动化制造系统的网络方案自动化制造系统的信息传递是通过计算机网络将有关的计算机设备连接起来形成相应的硬件体系结构（包括通信网络），并在相应的软件体系结构支撑下完成的。自动化制造系统信息系统的物理配置内容包括：1）自动化制造系统控制体系结构的选择与设计2）自动化制造系统计算机硬件系统与通信网络的体系结构设计3）自动化制造系统计算机软件的设计上面是功能完善的自动化制造系统物理配置内容。在实际中并不是任何一个自动化制造系统都涉及到上述各个方面的问题，对于简单的系统，如DNC，一般就没有自动物料传输系统自动化制造系统的递阶控制结构前面已详细讨论过。一下重点介绍如何根据信息需求确定自动化制造系统的通信网络结构和总体方案。（一）网络选择的基本步骤单元控制器底层网络方案的一般步骤如图所示，主要包括信息传输需求分析、网络功能模型设计、网络体系结构选择、网络物理配置设计等内容。（二）信息传输需求分析单元运行过程中所涉及的信息可分为三类，即基本信息、控制信息和系统状态信息1基本信息是在制造单元开始运行时建立的，并在运行中逐渐补充，它包括：1制造单元系统配置信息，如加工清洗或检测设备编号、类型、数量等；2物料流等系统资源基本信息，如刀具几何尺寸、类型、寿命数据，托盘的基本规格，相匹配的夹具类型、尺寸等。2控制信息控制系统运行状态，特别是有关零件加工的数据，包括：1工程控制数据，如零件的工艺路线、NC加工程序代码等；2计划控制数据，如零件的班次计划、加工批量、交货期等。3系统状态信息反映系统资源的利用情况，包括：：1设备的状态书籍，如机床、装卸系统、物料传输系统等装置的运行时间、停机时间、故障原因等。物料的状况数据，如刀具剩余寿命，破损断裂情况及地址识别，零件实际加工进度等。上述信息将由各级控制器分别进行处理，并通过计算机网络在各层之间进行传输。据分析，各层之间数据传输频率如下。1单元控制器与工作站控制器之间的信息传输1）下达零件加工任务，传输频率为1~2次每天2）工作站反馈的状态信息，传输频率为：数次每天2、工作站控制器与设备控制器之间的信息传输1）下达的NC程序，传输频率：数次每天2）向设备层发出的控制命令，传输频率为数次每天3）设备层状态信息反馈，传输频率为：数次每天（三）网络功能设计根据上述信息传输的要求，可设计网络功能。以AMS为例，为了满足单元控制器系统中信息递阶控制的分层结构，单元控制系统中的通信网络可以划分为两个层次，意思单元控制器与工作站之间的网络，二是工作站控制器与设备控制器之间的网络，两者在功能及性能上的要求不完全相同。1.单元控制器与工作站之间的网络功能和性能要求1）网络体系结构应具有下列功能：1支持异种机及异种操作系统等上网；2网络协议符合国际标准或工业标准；3能与异构网连接。2）网络功能包括：文件传递；报文传送；虚拟终端；进程间通信；分布式数据处理与查询。3）网络性能：传输速率：1~100Mbit/s；误码率：十的负七次方一下；响应时间：秒级；传输距离：100~1000m4）网络管理保障功能：网络管理服务；计算机及网络安全；网络平均无故障时间至少一年以上2，工作站控制器与设备层网络的功能和性能要求1）传送NC程序，控制命令，应答状态反馈信息2）进程间通信3）误码率：十的负七次方一下；4）响应时间：毫秒级；5）传输距离：50m以内四网络的物理结构1自动化制造系统单元的网络结构：对于中大型自动化制造系统单元，其网络物理结构如图所示对物理结构说明如下：1）单元控制器与工作站控制器之间一般用LAN连接，选择的LAN应符合ISO/OSI参考模型，网络协议最好选用MAP3.0。如条件不具备，也可以选用TCP/IP与其他软件相结合的方式，如Ethernet标准。2）工作站控制器与设备层之间的连接可采用几种方式，一是直接采用RS-232C或RS-422异步通信接口；二是采用现场总线；三是使用集中器将几台设备连接在一起，再连接到工作站控制器上。2。DNC型单元网络结构DNC型单元是组成制造单元的另一种形式，在这种结构的制造单元中，由于系统内没有物料自动传输系统，因此设备间的信息交往要少得多。DNC型制造单元的通信结构主要指数控系统的接口通信能力和数控系统与计算机之间的物理连接、通信协议、数据结构、系统作业时序及联网能力等。从现在的情况看，计算机与机床控制器之间互连的拓扑结构主要有三种形式，即：点—点型，现场总线型和局域网型（1）点—点型此型拓扑结构连接形式的一个例子如图所示，其中DNC中央计算机和数控机床被分别称为连接中的节点，连接接口常采用RS-232C和20mA电流环，也可用RS-422或RS-485，通信速率一般100~9600bit/s之间。2）现场总线型现场总线只发送相当于底层工业数据总线，常用于分布式控制系统和实时数据采集系统中。它有以下特点：1该连接方式造价低，可用于组合成中小型DNC系统；2与LAN连接方式相比，现场总线只发送或接收规模较小的数据报文，并且以这种数据报文作为与较高一级的控