(2)部分工艺环节的半自动化生产 部分工艺主要包括工艺参数设置、生产过程监控、产品生产过程记录和设备运行 情况监测等。由于生产设备的技术条件，目前只能实现部分自动化，部分工作仍需人工参与。 (3)基于现场的信息集成 利用先进的计算机控制系统和络，在单工艺环节生产自动化和部分工艺环节半自动化的基础上 通信技术将企业生产活动所需的信息与各种分散的自动化或半自动化生产系统连接起来，实现 有机集成系统数据和信息。 (4)生产过程全线自动化 通过建立不同层次的工作站，实现各工艺环节生产数据的统一管理和综合利用，实现生产过程 全线检测和智能控制。 1.3.2 MAS主要研究设计和关键技术 1.方案的确立 由于 MAS开发过程的复杂性和大量投资带来的巨大风险要求开发设计师在每个开发阶段 要尽可能全面地考虑，为后一阶段或后几阶段的工作打好基础。因此，在 MAS设l 分配到每个模块。通过协调确定每个模块的目标任务和模块之间的交互关系，以适应渐进协调控制 决策和控制内部操作过程和生产自动化，使系统控制功能和触发。 3.关键设备和主要生产线的自动化 关键设备和主要生产线的自动化是实现生产过程全线自动化的前提 MAS建设的主要目标之一 1、关键设备的质量和控制效果直接决定了最终产品的结果，同时仍需通过络和数 数据库系统连接关键设备和主要生产线的分散部分，实时传输调度命令、操作条件和控制 实现上层对下层的闭环控制，包括信号和设备状态。 4.基于现场的信息集成 信息集成是 CIMS核心和优势也是 CIMS关键技术之一。MAS虽然分系统很重要，但它已经结束了 竟只是 CIMS未集成信息的子系统，MAS和 CIMS其它子系统只是一些自动化的孤岛， 效率再高，但相对于 CIMS就整体效益而言，只是局部优化的结果。更何况完成主要生产线和 实现关键设备的自动化和信息集成 CIMS实时信息转换系统和生产线，使企业的整体效益最大化 优才是 MAS的建设目标。 因此在 MAS结合实施过程 CIMS各子系统的规划设计 CIMS在整体最优的基础上，力求力求 MAS 并考虑局部优化 CIMS实时信息交换系统和生产线。用户访问采用代理技术解决系统信息共享问题 异步问题和实时问题。 MAS软件系统是基于现场数据库信息集成和部分功能集成的 访问 MIS、MAS、CAQ和 3C数据库，将 MIS生产计划，3C工艺文件和工艺参数信息，CAQ的自检 质量标准及时传递到异地分布 MAS现场工作站，并将 MAS完成生产任务、设备状况、控制 集成过程参数信息、质量自检信息和物流信息。实时反馈 MIS，有效控制产品质量 安排生产任务，及时调整工作状态，提高控制效果起着至关重要的作用。这些过程的完成 无需人参与，有效克服了网络故障、拥塞、响应速度造成的数据丢失。整体处理错误， 控制滞后和错误控制的发生。自动化和信息集成完成了主要生产线和关键任务。 2 制造自动化分系统结构 2.1 MAS的性能需求 开发 MAS目的是实现生产过程的自动化，提高产量，降低成本，提高经济效益。 从性能上见 MAS在设计过程中一般需要考虑： 1.可靠性 由于 MAS一般是现代公司的生产基础，系统的可靠性是生产自动化的关键。因此，在 MAS的设计 系统控制结构、控制策略、网络通信、信息集成和软件设计的可靠性应放在首位，使系统 具有较强的冗余和容错能力。 2.实用性(性能/价格比) 控制结构、控制策略和信息集成方案的选择应在一定的工程成本范围内使系统强大 尽可能达到国内领先水平，缩短与国际先进水平的差距。 3.可扩展性 MAS用于直接控制的基本单元应能够独立工作，形成自己的系统，独立控制目标对象； 必要时，可以通过通信络轻松连接，进行集中分散的控制；仍然可以根据生产发送 展览的变化很容易协调一些设备，或者把一些设备和 MAS连接或断开。同时，分系统的连接 信络本身也需要具有可扩展性，为未来系统的改造升级创造良好的条件。 4.实时性 实时性是自动化生产线的重要指标，不仅需要基本控制单元的实时性，还需要各设备的实时控制 时性要求通信络的实时性。这就要求使用多台控制计算机来实现 MAS输入和输入系统的所有过程 分散处理时，每台计算机只处理实时数据的一部分。这样，单台计算机的故障只会影响自我 处理的部分实时数据不会导致整个系统故障。 5.正确性 要完成生产线的自动化，MAS检测大量信息，完成相应的控制功能。正检测和控制 准确性对生产效率和产品质量极为重要。此外，对上级部门出具的生产计划和生产工艺标准 在保证正确及时发布各种数据的同时，如质量要求 CIMS系统需要 MAS还需要提供各种现场数据 确保正确、完整的向上传输。 6.技术可实现性 MAS负责协调自动化技术、网络技术、数据库技术等关键技术 MAS各台工业控制计算机 控制模块的运行和信息传输和集成，确保系统信息处理的实时性、完整性和一致性。技术的发展， 使得 MAS可以选择的方案有很多，每个方案都有很多成功的典型例子，所以对吧 MAS有足够的实施 技术保证。 7.友好的人机界面 提供友好的人机界面，使生产操作人员易于掌握操作，并能直观地获得生产过程中的工艺和设备参考 有助于提高数量 MAS智能化程度。 2.2 MAS常用的控制结构 随着制造自动化技术的发展，特别是 CIMS应用于制造业的好处充分证明了制造业的实现 动化子系统的技术可行性。然而，企业实现生产利润目标的许多因素不是生产技术问题，而是组织 结构密切相关，受社会、经济等因素的影响和制约，制造系统必须对内部运行过程和生产进行处理 严格规划和控制活动。MAS与传统的制造自动化相比，内部采用先进的信息技术和自动化技术 的运营过程和生产活动连续性进行计划决策和调度控制，其特点就是实现制造系统运营过程和生产活 动态过程需要各种数据和信息的集成，强调整个生产过程控制的效率、系统性和集成性。MAS 在设计中必须充分考虑成本和性能，本着分解协调的设计理念 在要求下，采用良好的结构框架来容纳和规范分系统中模块和模块之间的信息流，对分系统的控制功能进行分 通过协调确定每个模块的目标、任务和模块之间的交互关系，并将其分配到每个模块中，加入人为理性 性判断使系统控制功能能够自动触发。 一般来说，MAS整体控制有几种基本控制，如集中式、递阶式和分布式。传统的集中控制将是全面的 部分数据由主控计算机管理，信息处理速度低，不能满足大型复杂制造系统的运行管理和生产计划 以及现场实时控制的性能要求，一旦出现故障，将导致工作受阻、生产线瘫痪甚至整个生产线瘫痪 MAS崩溃， 此外，集中控制结构容错性差，可扩展性差，发周期长等缺点使其逐渐在 CIMS应用中被淘汰。 当前，递阶式和分布式控制在制造自动化系统中成为主流控制方式。 2.2.1分层递阶控制 图 2－1 分层递阶控制结构 常见的 CIMS分层递阶控制结构模型如图 2-1所示，共分为五层: 1.工厂层 该层是整个 CIMS应用系统的核心，是有关全局性的厂级运营管理和生产技术准备等应用功能的 集合。该系统的主要功能包括:生产管理、信息管理、制造工程。生产管理用于市场预测，制定中长 期生产计划，明确生产资源需求，确定资源规划，计算剩余生产能力，汇总质量性能数据，输出生产 指令到下一级。信息管理实现必要的行政和运营管理功能。制造工程包括以 CAD/ CAPP/CAM等工作。 工厂层和外界的联系有市场信息、质量反馈信息、用户信息，且向车间下达生产工艺和生产技术资料 等信息，接收车间的生产状态、零部件质量检测、加工费用、设备状态等信息。 2.车间层 该层是企业总厂和分厂的车间管理集合，其主要功能是任务管理、车间生产作业计划及调度、资 源分配、原材料供应和市场销售情况修正、生产监控、生产统计等。该层接受工厂层的控制也控制下 级的单元层。 3.单元层 单元层负责分解上级任务，完成本单元的作业调度和资源需求分析，决定零件加工路线且给工作 站分配任务、监控任务进展情况。单元是自动化车间按照生产加工特点组织生产的实体。单元层是这 类实体的集合，它主要负责安排相似工件分批进入单元，通过工作站的排队顺序管理诸如单元内物料 储运、检验及其它辅助性工作，且向车间级报告作业进展和系统状态。单元层受车间层的控制，它直 接控制工作站层，而工厂层只能通过车间层间接地控制单元层。 4.工作站层 工作站层是单元的基本生产组织实体，工作站层是这些实体的集合。其功能是负责指挥和协调车 间里各个小设备组的活动，如对设备运行进行排序、故障诊断、设备监控、加工质量检测等。这一层 的生产活动受单元层控制。其下属层是设备层。 5.设备层 设备层是各车间生产加工过程的基本设备集合，如上料架、机床、传输装置、存储/检索系统等。 该层控制系统向上和工作站层用接口连接，向下和各设备控制器接口相通直接控制各种设备。设备层 的功能是将工作站层控制命令转换成可操作的、有顺序的简单任务来运行各种设备，且通过各种传感 器监控这些任务的执行。 MAS所涉及的范围就是图中虚线所包含的部分:车间层、单元层、工作站层和设备层。这种递阶 控制结构依据“控制层”的思想进行构造，将复杂任务分解成一系列简单的子任务，形成若干控制层 完成特定的子任务，上层向下层下达控制指令，下层执行上层指令且向上层反馈状态信息。由于递阶 控制结构由若干个控制模块组成，信息流形式清晰，控制信息自顶向下，反馈信息自下向上，分散了 平行各单元的负担，容易在上层单元的协调下达成一致，完成集中决策和分散控制的功能，使 MAS的 功能在时间和效率上得到保证。因此具有可靠性高，可分阶段实施、易扩展的特点，同层的控制模块 能够同时进行且行信息处理，可处理大量信息且满足实时控制需求。加之基于递阶控制结构下的系统 可且行开发，实施周期短，因而我国从开始实施 CIMS应用示范工程至今，绝大多数企业都采用了分 层递阶控制结构，使其在目前的复杂制造系统中占据主导地位。 虽然如此，但由于分层递阶控制系统各应用层之间以及同一层的单元之间通过通讯络进行通讯， 使得制造系统的有效性和柔性常取决于联接各加工单元的通讯络的有效性，不能摆脱上下层间紧密 的控制逻辑和上层是下层的控制中心的关系，无法避免由于控制结构而造成的控制“瓶颈”，而且“瓶 颈”一旦发生故障将导致整个系统的瘫痪;加之，复杂的递阶层次使系统开放性的成本增加，可扩展 性、可维护性降低。和此同时，虽然图 2-1所示的控制结构模型能够很方便地从理论上描述工厂自动 化系统结构，但在现实设计过程中，这种控制结构仍存在问题: 1.递阶控制结构存在很强的主从关系。系统决策层制定各类计划，指令信息自顶向下逐层下达， 生产状态信息只能逐层向上反馈，部门条块分割缺乏透明性，底层控制模块缺乏足够的决策能力;信 息在系统中逐层传递，上层控制模块无法及时得到系统的运行状态信息，系统对新变化反应缓慢。为 缓解这个问题，必须松弛递阶控制结构中的主从关系，提高底层模块的决策控制能力，使决策模块尽 量接近信息源。 2.递阶控制结构虽然可进行局部修正和扩展，但却不能进行全面的扩展，无法适应剧烈的环境变 化。 3.递阶控制结构为提高容错性，需增加辅助设备，付出较高代价。 4.递阶控制结构中控制层过多，信息处理量大，增加了计算机和络设备的投资。 l 临的问题带来了较好的解决办法，这种控制结构采用分散操作、分级控制和集中管理的设计原则，利 用系统在地理位置上的分散性，及所要完成任务的多样性，使整个系统能够分散为若干个联系不甚紧 密的子系统，各子系统完成自己的任务，实现自己的目标。 应用于制造自动化系统的分布控制把制造系统中的计划、管理、加工等模块见成一个具有一定权 限、以一定协议相互协调访问的相互独立的平等实体，每个实体有统一的结构模式，它们在自己的局 部数据驱动下完成各自不同的工作。从功能上能够分为过程控制层、操作监控层、生产管理层等，每 层有多台计算机，通过通信络连接起来构成一个分布式计算机控制系统。其中过程控制层承担过程 参数信号的输入输出以及常规控制运算和通信的任务，其相应的设计称为控制站，控制站分散安装于 生产现场，通过通信络连接。控制站由输入输出单元、控制运算单元和通信单元组成。操作监控层 承担操作监视、系统设计组态、先进控制和通信的任务。而生产管理层则负责生产计划制订、调度和 工模具管理。三层共同组成检测、控制、决策系统，具有安全可靠、功能完善、通用灵活、操作简便 和实时性强等特点。 可是由于我国企业的现实运行特点，使得完全分布式的控制结构很难实现，而分布式控制的异构 环境又会造成模块之间的协调困难。特别是当系统的规模达到一定的程度后，实现模块之间的协调和 系统集成将使络通信量呈指数增长，造成信息激增，系统协调困难，性能下降。为此必须寻找一种 包含递阶控制和分布式控制优点的控制系统结构，以实现制造系统真正的整体优化。 2.3 适度递阶协同控制理论 从上节的分析可知，递阶控制采用自上而下、逐步细化的控制方式，旨在降低控制难度，却带来 了制约制造系统效率和柔性进一步提高的“瓶颈” 信息的多层传递和转化;分布式控制本着集中 管理、分散控制的思想，把制造系统的各种功能模块见成是一个个独立自治的实体，实体间以一定的 协议相互协商解决问题，具有很高的智能性，可是当系统的规模达到一定程度时，要获得全局最优的 系统集成，实现各实体间同步，将和分布式控制的局部自治相矛盾，使系统协调通信量呈指数上升， 系统协调发生困难，性能下降。综合递阶式控制和分布式控制的优点，提出了适度递阶协同控制理论， 适于作为 MAS分系统乃至 CIMS系统中采用的控制模式。 适度递阶协同控制是一种在自然界和目前先进制造中普遍存在的控制模式。从总体上见，它仍采 用分层结构，依然是传统的递阶式结构。但在递阶的每一层中采用分布式结构，组成这一层的实体通 过相互协同来完成一系列活动。各层系统之间的协调由上层来控制，上层和下层之间是一种松藕合的 连接，即上层对下层控制作用较弱，只起着协调监督的作用。控制结构中的信息流一方面能够按传统 的从下到上传送请求，再从上到下发送命令:也能够在同一层中进行交互协商，共同控制。在这种适 度递阶协同控制中强调“适度”的概念，根据企业络中各节点的数目及络节点间的通信量和络 的吞吐率来确定“度”。对于不同的企业情况，递阶层次不尽相同，在保证全局优化的基础上，力求 降低递阶层次，提高局部的灵活性，使系统全局最优的同时提高局部应用的智能化。 . . . . 协同器 协同器 协同器 协同器 协同器 协同器 协同器 单元控制器 单元控制器 单元控制器 层 N 层 N-1 层 1 图 2－2 适度递阶协同控制系统结构 该结构采用多层组织结构形式，底层由单元控制器组成，其它层都是由协同器构成。单元控制器 和协同器中定义了制造系统的各种活动，它们之间由上一层的协同器来进行协同工作。通常单元控制 器执行制造活动中的所有必要的决策，当单元控制器无法给出足够决策时，即需要协同工作来完成任 务，此时协同的要求就被送到高层的协同器，协同器产生协同方案，使得其它单元控制器一起工作来 完成任务。某一单元控制器出现故障后，它能够被挂起或接管。而当外界发生变化时，采用协同方案 能够使制造系统单元模块响应其变化。在图 2-2所示的结构中，控制层数为 n (n)，每层 j (1jn)由 协同器组成，每个协同器 X (j)同 j-1层的 m个协同器联接，至少和 j+1层的一个协同控制器相连。 当 j=1时，协同器即为单元控制器。有关系统的要求如下: 1.最高层的协同器的数目不得少于一个，即 S (n) 1； 2.协同器的数量随层数的增加而减少，即 S (j) S (j+1)； 3.每个协同器 X (j)能够同本层中的其它协同器进行通信； l 阶模式。系统的可靠性体当下若协同器 X(j)发生故障，任何直接连到 X (j)上的协同器 X (j-1)仍能 够把请求送到其它的协同器 Z (j)，采用直接或间接的方式同 X (j)进行相互通信。如果俩层断开时， 如 j层的协同器 X (j)不能发送请求给 j+1层，这种情况下，它们转向分布式模式来解决请求，系统 仍可在较高的速度下执行。在层和层之间以请求、控制和传输三种方式进行通信。请求用于把消息送 到高层:控制用于把消息送到低层;而传输则用于在同一层内进行信息传递。 当不考虑协同器所在的层次时，由于功能和算法上的相似性，所有的协同器在物理结构上都将是 相同的，在设计时，能够在某一协同器基类的基础上进行派生和继承。 2.4 适度递阶协同控制的实现 采用适度递阶协同控制，将使 MAS系统更加智能化，更具有柔性。也对组成系统的计算机体系结 构和软件设计提出了更高的要求:应有较强的协同工作环境、较大的编程灵活性和较高的络传输速 度对其进行支持。 2.4.1协同控制器的功能分解和通信 适度递阶协同控制强调“适度递阶”和“分解一协调”，因此必须按照企业需求和系统功能需求 对系统进行分解，将系统分解为一系列的直接控制单元和协同器。对此，可将以下四种方法结合起来。 1.“分解一协调” 在制定协同规划方案时，采用“分解一协调”多级优化方法对具体系统进行分析规划。 2.“适度递阶” 在实现系统控制调度时，借鉴“递阶控制”，实现各模块本身的操作管理分别由下级的管理系统 且行作业，上级协同器进行总体控制和调度。 3.“人一机交互” 充分利用多媒体人一机界面，通过声、图、文等多媒体信息实现人一机交互通信和对话，为用户 提供咨询服务和操作辅助，使系统接受用户动态指导的启发信息，实现人一机功能协调。 4.“消息驱动” 对于复杂问题的系统通信和控制引用消息机制，将协同器见作是系统各组成部分通信和控制的节 点，以消息驱动系统各组成部分协同工作。 这时，复杂的系统即可被分解为一个个结构独立、机理相似、功能各异的协同器进行通信和工作， 如图 2-3所示。在这种结构方式中，采用动态数据交换(DDE)技术建立客户/服务器模式来实现多个协 同器之间的通信和控制，协同器以消息动态地驱动直接控制单元或其他协同器，一旦一个协同器或直 接控制单元被接通，就根据消息类型自动进行语言模式翻译和数据处理，对处理过的信息加以提取后 经推理机推理，得到关于问题的求解答案，通知相应的协同器(或直接控制单元)或者该协同器自身开 始一系列的相关运算或操作，如数值计算、数据请求、指令传送、控制动作等。 协同器 图 2－3 协同器的结构分解和通信 在 DDE环境下，所建立的协同器通信关系可分为三种模式: 1.俩个协同器建立起通信后，必须等到客户协同器要求后，服务协同器才会将数据传送给客户协 同器。 2.俩个协同器建立通信连接后，如果服务协同器数据内容发生变动，就会自动送给客户协同器。 3.建立链接后，服务协同器在数据项目发生变动后，不必马上把新的数据送过来，只须通知客户 协同器即可，需要时客户协同器能够请求服务协同器将新的数据传递过来。 在这三种通信模式下协同通信量和可靠性完全不同，表面上见第三种通信方式增加了通信量，但 却因此避免了无效数据在络上的传输，能够起到平衡和调节络负载的功能，适合于现场复杂实时 环境的使用，故而常被应用于 MAS模块之间的通信中。 2.4.2 面向对象程序设计对协同器编程的支持 1.对象 在现实世界中，任何问题都是由一个个实体及实体间的关系构成，面向对象程序设计(Object Oriented Programming, OOP)就是按照人们通常的思维模式，将现实世界中实体称为问题空间的对象 (Object)。 这样，世界上各个事物即可由各种“对象”组成描述，相对比较复杂的对象能够由比较简单的对 象以各种方法复合而成，甚至一个复杂的系统也能够从一些最原始的对象开始，经过层层组合而成。 因此，适度递阶协同控制中的协同器和直接控制单元都能够描述为对象，由它们组成的各个功能模块、 甚至 MAS分系统乃至整个 CIMS系统都能够抽象为对象进行编程实现。 2.消息 在面向对象程序设计中，消息是对象之间的唯一联系，能够根据需要定义为所需要的形式，例如， 在实现适度递阶协同控制时能够根据消息的形式将其分别定义为请求、控制和传输等三类不同的消息。 此时，当协同器或直接控制单元等对象完成一个具体的处理工作时，消息用来请求对象执行某一处理 或回答某些信息的请求;当某一对象在执行相应的处理时，如果有必要，它可通过消息请求或控制别 的对象完成某些处理工作或回答某些消息:其它对象在执行所要求的处理活动时，同样能够通过消息 的传递和别的对象进行信息传输。在对象间消息传递过程中，把发送消息的对象称为消息的发送者， 而把接收消息的对象称为消息的接收者。消息中包含有发送者的请求，它仅仅告诉接收者需要完成那 些处理，而完全由接收者解释消息内容，决定采用什么方式完成所需的处理。一个对象能够接收不同 外界任务 形式、不同内容的消息;相同形式的消息能够送给不同的对象;不同的对象对于形式相同的消息或同一 对象对形式相同但内容有别的消息能够有不同的解释，做出不同的反应。 3.方法 所有允许在对象上进行的各种操作，例如消息请求、消息响应、对象的初始化等均可称为方法。 在适度递阶协同控制中，协同器或单元控制器的各种功能就是以方法来实现的，例如，基本控制单元 的数据采集功能就需要以下基本方法:控制单元的初始化、采集板卡的检测、采集板卡的初始化、数 据采集l 2.4.3 C/S计算模式对 MAS控制方式的支持 目前流行的客户/服务器(Client/Server, C/S)计算机体系结构就是基于进程间“请求”和“服 务”的合作关系和协同思想提出的分布式计算环境，适合作为 MAS分系统适度递阶协同控制结构的支 持体系。 1.首先，C/S是一种合作关系，采用协同式的分布计算，即客户和服务器分别承担计算任务的一 部分，缺一不可。客户/服务器之间的合作关系不是固定的，多个客户能够共享一个服务器，一个客 户也能够向多个服务器提出服务申请。同时，这种合作关系也能够是临时的，一旦它们之间的交互作 用停止，合作关系也就暂时终止。 2.其次，C/S的作用对象是进程，确切的说是俩个进程，它们协同工作构成一个应用。因此，客 户和服务器进程所处的具体物理位置且不重要，重要的是它们之间的协作关系。 3.最后，C/S的实质是请求和服务。客户向服务器发出服务请求，服务器根据客户的请求完成相 应的任务且将处理结果回送给客户。客户只需了解服务界面而不必知道服务的具体处理过程。 在这种 C/S分布计算模式中把一个计算机应用分为三部分:接口表示部分、处理逻辑部分和数据 管理部分。接口表示部分通过终端设备实现和用户交互的应用代码，完成屏幕格式化、屏幕信息的读 写、窗口管理、键盘及鼠标管理等任务。处理逻辑部分是使用从屏幕或数据库获得的输入数据完成应 用任务的应用代码。数据管理部分则是应用程序中负责数据操作的代码和由数据库管理系统(Data Base Management System, DBMS)完成实际数据存取的处理程序。MAS中既有将之上三部分合在一起 在单机上实现的应用，又有根据需要分开在不同的平台上进行实现的实例如同一个个处于协同控制系 统的底层基本控制单元和上层协同器，将一个具体的应用分解成一系列任务在同一个或不同的计算机 上分步执行。 2.4.4 MAS的络结构 根据前一部分的分析能够见出，C/S体系结构通过进程间通信实现客户和服务器、客户和客户以 及服务器和服务器之间的交互，既减轻了络的传输负担，又平衡了各个应用节点的计算负载，是非 常类似于适度递阶协同控制思想的分布式计算环境，也是非常适合实现适度递阶协同控制策略的成熟 体系结构。 因此，在对 MAS的络体系结构进行规划和设计时，经过对分系统控制策略、控制结构、络拓 扑结构、传输速率等多方面的考虑，设计了如图 2-4所示的 MAS络结构。 在这个络结构中，采用的是目前使用广泛、技术发展最快的星型络拓扑结构，在提供对在 MAS 分系统中定义任务的支持。 图 2－4 MAS分系统络结构 3 制造自动化分系统的主要设备及其简要控制 3.1 自动线生产控制 3.1.1自动线生产的基本特性 自动线生产是指工件按照一定的工艺路线，顺序地通过各个工作地，且按照一定的生产速度完成 工艺作业的连续重复自动生产的一种生产组织形式。自动线生产的基本特征如下： 1.工作的专业化程度高，在自动线上固定的生产一种或几种工件，而在每个工作地上固定完成一 道或几道工序。 2.生产具有明显的节奏性，即按照节拍进行生产。所谓节拍，是指自动线上出产相邻俩件制品的 时间间隔。 3.各个工序的工作地设备数量和该工序单件工时的比值一致。即，如设自动线上各道工序的设备 数分别为, ,;各工序的工时定额为；自动线生产节拍为 r,则： （3-1） 上述公式所表明的关系，是保证生产过程的比例性和平行性的要求所决定的。 4.工艺过程是封闭的，且且工作的设备按工艺循序排列成链索形式，工作在工序间作单移动。 5.工作如同流水般从一个工序转到下一个工序，消除或最大程度地减少了工件的因等待加工而耽 搁的时间和机床设备加工的间断时间，生产过程具有高度的连续性。 6.工件从进入加工工位到所有工位操作完成，均在主控制器的控制之下自动完成。这种自动过程 不仅包括工件的流动自动化控制，仍包括机床的加工全过程的自动化控制。 设备 设备设备 设备 设备 PLC 现场服务器 3.1.2 自动线组织的设计及控制 1.确定自动线的节拍 节拍是自动线最重要的工作参数，它表明自动线生产的速度的快慢或生产率的高低。自动线节拍 的计算公式为： （3-2） 式中 自动线节拍（分/件）； 计划期有效工作时间（分）； 计划期内生产的产量（件）； 计划期内制度工作时间（分）； 时间有效利用参数。 系数主要考虑设备检修时间、设备调整时间和更换工具时间，以及工人班内休息时间等因素，一般取 0.9～0.96。 如果计算出来的节拍数值很小，同时工件的体积、重量也很小，不适于按件传送时，则需实行成 批传送。这时，循序加工俩批同样零件之间的时间间隔称为节奏或运输批节拍，它等于节拍和运输批 量的乘积，用公式表示为： （3-3） 式中 节奏（分/批）； 运输批量。 自动线采取成批传送零件方式时，正确设计运输批量，对于合理使用物流系统，减少运输时间， 充分利用生产面积和减少在制品数量，都有很重要得意义。 2.确定各工序所需的加工设备数和设备负荷系数 为了使在制品在自动线各工序间平行移动，每道工序的加工设备数目应当是工序时间和自动线节 拍之比，即; （3-4） 式中 自动线第 i道工序所需加工设备数（台）； 自动线第 i道工序的单件时间定额（分/件）。 工序单件时间定额内包括把加工零件从传送带上取走和放上的时间。 计算出来的设备数若为整数，就能够确定它是该工序的设备数。若不是整数，则采用的设备数应取接 近于计算数的整数，一般。在这种情况下，该工序在加工每个工件之后发生间断，其数值为： （3-5） 式中 第 i道工序加工每件工件之后的间断时间。 由于计算出的设备数往往不是整数，而采用的设备数只能是整数，所以设备负荷必然出现不足的 情况。反映此情况的指标称为设备负荷系数（），其计算公式如下： （3-6） 工序数为 m的自动线的总设备负荷系数()，其计算公式如下： （3-7） 式中 m 自动线上的工序数. 设备负荷系数决定了自动线作业的连续程度。一般根据它来决定自动线是连续的仍是间断的。当 值小于 0.75时，宜设计间断自动线。假如大多数工序的工时定额超过自动线的生产节拍，可考虑采 用俩条或三条加工同一零件的自动线，这样比只采用一条自动线而言，每道工序的加工设备数很多， 便于组织管理。在这种情况下，对每条自动线来讲，生产节拍相应地增大。 3.工序同期化 工序同期化时组织连续自动线的必要条件，也是提高设备负荷，提高劳动生产率和缩短产品生产 周期的重要方法。所谓工序同期化。就是通过技术组织措施来调整自动线各工序的工时定额，是它们 等于自动线节拍或者和节拍成整数倍关系。工序同期化一般分为俩步进行。首先是初步同期化。在初 步同期化过程中，主要是找出影响同期化的关键因素，解决这些关键问题，使各个工序的单件工时定 额和自动线节拍之比基本上达到 0.85～1.05的范围内。同期化的第二步是在自动线的调整过程中进 行，这时主要是发现初步同期化的遗留问题且加解决，以一步提高工序同期化的水平。 4.计算所需作业人数 在以手工劳动和使用手工工具为主的自动线上下料工位上，工人人数按下式计算： （3-8） 式中 第工序所需工人人数（人）； 第工序每一工位同时工作人数（人/工位班）； 每日工作班次（班）； 自动线上实际采用的上下料工位数。 整个自动线的上下料的工人人数，就是所有上下料工位的工人人数之和。在计算工人数量时，要 考虑后备工人。 5.确定自动线节拍性质，选择运输方式和物流系统 自动线节拍的性质主要取决于自动线的 连续程度。如果所设计的自动线是连续自动线，那么就 应当在工序同期化的基础上确定选用强制节拍仍是自由节拍。其主要选择依据是工序同期化程度和加 工零件的重量、体积、精度以及工艺性等特征。当工序同期化程度较高、工艺性良好、加工对象的重 量、精度以及其他技术条件容许严格地按节拍加工零件时，应当采用强制节拍。当实现强制节拍有困 难，不能很好地实现同期化、工艺尚不够稳定时，可采用自由节拍。在间断自动线上，通常采用自由 节拍或粗略节拍。 运输方式和物流系统在自动化生产中占有重要的地位。不同类型的自动线需选用不同类型的运 输方式和物流系统，反过来，运输方式和物流系统又起着保证自动线生产节拍实现的重要作用。 6.自动线的平面布局设计 进行自动线的平面布局设计时应遵循这样一些原则：有利于工人操作方便；在制品运动路线最短； 有利于自动线之间的自然衔接；有利于生产面积的充分利用。这些原则同自动线的形状、自动线内工 作地的排列方法、自动线的位置以及它们之间的连接形式有密切关系。 7.编制自动线标准计划图表 由于自动线的每个加工设备都是按一定的节拍重复完成规定的工序，所以有可能为自动线制订标 准计划指示图表。自动线标准计划指示图表将反映自动线各项工时定额标准、工作制度和工作程序。 它是编制月度作业计划的重要依据。 连续自动线各道工序的生产率比较协调，所以其标准计划图表的编制工作比较简单，只需规定整 个自动线统一的工作时间和间断时间。间断自动线标准计划图表的编制则比较复杂，需要分工序规定 每一加工设备的工作时间和工作程序。 3.2 计算机数字控制系统（CNC）及其控制 3.2.1 CNC系统的组成 数控机床在数控系统的控制之下，自动的按给定的程序进行机械零件的加工。数控系统是由程序、 输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程控制器（PC）、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成一 个系统，称为 CNC系统。如图 3－1所示。 图 3－1 CNC系统框图 3.2.2 CNC系统的功能 CNC装置的工作是在硬件的支持下，执行软件的全过程。下面简要说明 CNC装置的工作情况。 （1）输入 输入 CNC装置的信息有零件程序、控制参数和补偿数据。输入的形式有光电阅读机纸带输入、键 盘输入、磁盘输入和连接上级计算机的 DNC(直接数控)接口输入。从 CNC装置工作方式见，有存储工 作方式输入和 NC工作方式输入。 （2）译码 译码处理，不论系统工作在 NC方式仍是存储方式，都是将零件程序一个程序段为单位进行处理， 把其中的各种零件轮廓信息、加工速度信息、和其它辅助信息按照一定的语法规则解释成计算机能够 识别的数据形式，且以一定的数据格式存放在指定的内存专用区。在译码过程中，仍要完成对程序段 的语法检查，若发现语法错误便立即报警。 （3）刀具补偿 刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常 CNC装置的零件程序是以零件轮廓轨迹来编程 的。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。 （4）进给速度处理 编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合 成速度来计算各运动坐标方向的分速度。另外对于机床允许的最低速度处理和最高速度处理的限制也 是在这里处理。在有些 CNC装置中，软件的自动加减也是在这里处理。 （5）插补 插补的任务是在一条已知起点和终点的曲线上进行“数据点的密化”。插补是在每个插补周期运 行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常经过若干次插补 周期后，插补完一个程序段的加工，即完成从程序段起点到终点的“数据点密化”工作。 （6）位置控制 位置控制是在处在伺服回路位置环上，这部分工作能够由软件来做，也能够由硬件来做。它的主 要任务是在每个采样周期内，将插补计算出来的理论位置和实际反馈位置相比较，用其差值控制进给 电机。在位置控制中，通常仍要完成位置回路的增益调整，各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补 偿，以提高机床的定位精度。 （7）I/O处理 I/O处理主要是处理 CNC装置和机床执行机构之间各种信号的输入、输出。 （8）显示 CNC装置的显示主要是为了操提供方便，通常应有：零件程序的显示，参数显示，刀具位置 显示，机床状态显示，报警显示等。有些 CNC装置中仍有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。 （9）诊断 现代 CNC装置都具有联机和脱机诊断的能力。所谓联机诊断，是指 CNC装置中自诊断程序，这种 自诊断程序融合在各个部分，随时检查不正常的情况。所谓脱机诊断，是指系统运行在诊断条件（且 非真正的加工条件），一般 CNC装置配有各种脱机诊断程序纸带，以检查存储器、外围设备、I/O接 口等。 数控程序 3.3 设备的选择 制造设备的选择是一个综合决策问题。其制造设备选择的基本思想是质量、时间、柔性和成本作 为优化目标统筹兼顾，综合考虑，而将环境性作为约束条件，进行多目标优化。具体考虑如下： 1.质量 在选择设备时所涉及的质量是一种广义的质量。它包括制造的产品满足用户期望值的程度以及设 备使用者对设备功能的基本要求。 2.生产率（时间） 根据制造自动化系统的设计产量、利润、市场等因素能够规定其生产率，在满足质量约束的方案 集内，找出满足生产率约束的方案集。 3.柔性 在制造自动化系统决策过程中，必须以适当的量化形式来描述柔性。描述系统柔性的数量特征有 多种方法。这里介绍一种用惩罚值来度量系统柔性的方法。 当环境条件变化时，如产品品种改变、技术条件改变、零件制造工艺改变等，如果系统不需要多 大的调整，不需要花费长时间就能够适应这种变化，仍然低成本高效率地生产出新的成品，我们就说 这种系统柔性好，反之则差。 柔性差的系统，在产品或制造工艺稍有变化时，需要投入大量的资金、时间用来调整或改造系统， 为此付出的代价太大，甚至投入和产出不平衡。在某种意义上，能够说系统因此受到了惩罚。能够用 变化惩罚值（Penalty of Chang,缩写 POC）来度量系统的柔性。POC值小表明系统柔性好；反之则差。 如果我们在规划设设计制造自动化系统时，赋予该系统适应一系列环境的高柔性，然而这一系列 环境的变化却根本不会发生，那么，系统的柔性发挥不了作用，实际上是一种极大的浪费。所以，在 做出制造自动化系统的柔性决策时，不但要考虑变化惩罚，而且仍应改同时考虑变化发生的概率，这 样计算出来的量值，才可能真实的反映系统的柔性特性。在此思想的指导下，我们能够采用下式来广 义的定义“变化惩罚值”POC： POC＝变化惩罚值变化发生概率 变化，是一种状态向另一种状态的转换。状态的具体内涵取决于所研究的目标。研究产品的柔性 时，状态指的是产品的品种；研究运行柔性时，状态指的是系统运行状态，例如，全部运行状态、部 分运行状态、连续运行状态、间断运行状态等，研究生产能力的柔性时，状态指的是生产率的高低。 用 X代表可能的变化，第 i次变化记为，假若有三种状态 A,B,C，变化的可能值就是（A至 B）,（A 至 C）,（B至 A）,（B至 C）, (C至 A), (C至 B).如果将变化的惩罚和变化的发生概率都见作离散 变量 X的函数，则有： = （3-9） （变化次数）；（第 i次变化）; (第 i次变化的变化惩罚值)； (第 i次变化可能发生的概率。下面 举例说明如何利用 POC估计产品柔性。 产品柔性指的是产品转向后，系统利用原有设备，或只变动少量设备就能比较经济和迅速地生产 新产品的能力。现假设俩个系统 A和 B转向生产产品甲的概率是 70％，生产产品乙的概率是 30％； 系统 A转产甲需投资 200万元，转产乙需投资 500万元；而系统 B许彻底改造才能适应生产产品甲和 乙，投资均需 800万元。用离散的 POC值计算公式可得： =20070%+50030%=290(万元) =80070%+80030%=800(万元) ，这说明系统 A的柔性远比系统 B的好。 4 制造自动化分系统集成 CIMS技术的核心在于集成。从应用角度见，现代化公司生存的关键不仅在于产品的新奇，而在 于产品质量的稳定性。MAS的建设目标就是如何有效地监测和控制生产过程，使生产处于最佳运行状 态，节省原材料，降低资源消耗，提高产品的合格率和优等品率，延长设备的使用寿命，维护环境和 生态平衡等，使企业处于可持续发展的良性循环过程中。由于整个企业生产设备启动和参数整定过程 复杂，因此，除大、中型修理外，很少中断生产过程。对于原材料等外部环境条件以及内部因素的随 机变化，系统应有良好的抗干扰能力和一定的性能鲁棒性。而从使用情况见，经过单机自动化或半自 动化的改造，一些关键设备和生产线实现了行之有效的计算机控制以后，在各个局部得到了良好的应 用，但要使它们协调工作，必须通过信息共享和集成技术，使企业信息资源、硬件设备资源和人力资 源得到合理配置，实现系统集成和整体优化。 虽然上述问题几乎是所有实施 CIMS工程企业的共性问题，然而，由于历史原因、行业特点、工 艺流程、信息特性、功能需求、集成目标等各方面的因素，使得各个企业在具体实施 CIMS时会有很 大的不同。本章对 MAS信息特性、功能需求、集成方式进行分析，且有针对性的介绍了 MAS这一具体 制造自动化分系统中的多数据库集成、信息集成和功能集成。 4.1 MAS的信息需求和特点 尽管 CIMS技术自产生以来一直处于发展深化之中，但现阶段的 CIMS仍是指在自动化技术、信息 技术和制造技术的基础上，通过计算机硬件、软件和络通信系统将制造工厂的产品设计、生产制造 和运营管理等各种分散的自动化系统有机地集成起来，以建成适应多品种、中小批量生产的高效益、 高柔性、集成化、智能化的制造系统。其中，所谓集成化是指信息的集成，且在此集成基础上实现的 系统集成和功能集成。 MIS负责处理收集到的市场信息、用户需求和定单情况，结合企业发展规划、当前生产状况、设 备状况，进行动态优化排产、制订工模具设计生产计划、主生产计划和质量检验计划:且进行财务、 销售和人力资源管理，提供面向全局的综合查询。 MAS将整个生l 进度以及产品质量有一个全面、及时的了解，便于及时发现和解决问题。 CAQ根据企业对产品质量的特殊要求，为 MAS提供工序质量自检的参数标准，对原料、半成品和 成品质量进行严格检测且将统计分析结果上传 MIS以供决策。 3C主要实现轧机工模具的计算机辅助分析、设计和制造功能，以及计算机辅助工艺规程的设计 和生产工艺参数的确定。 最后，MIS再对反馈的信息进行分析、处理，将新产生的决策信息返回给各个部门以指导完善工 作。 在 CIMS的信息交换过程中，各应用分系统功能和信息结构的不同决定了要求提供的数据服务功 能的侧重点有所区别:MIS, CAQ以管理和信息控制为主，使用关系型数据库有助于功能的实现:3C数 据库需要实现工程数据的存储和管理，支持系统的高效运行和信息集成;而 MAS既要兼顾到数据管理， 又必须保证对生产过程的实时控制和信息采集，故而 MAS需要关系型数据库、实时数据库、数据文件 等多种数据存取方式对其功能予以支持。由此可见 MAS承担着内部信息集成和和其它功能分系统集成 的双重任务上是 CIMS集成的关键和“瓶颈”。 因此 MAS分系统集成的目标就是以络数据库为支撑，在计算机的控制和调度下，读取 MIS的主 生产计划，向现场工作站下发各道工序的派工单和“3C”制订的当前最新版本作业指导书，且对生产 过程进行监测和控制，且将现场重要数据向上反馈，把整个生产过程纳入 CIMS的监控、调度和管理 之下。据此，设计了如图 4-1所示的 MAS分系统功能树。 4.2 MAS集成数据环境的建立 4.2.1分布数据环境的建立 随着计算机系统结构的发展，共享数据的机制随着发展，采用分布式数据库系统，能够按数据的 和需求，分别建立几个数据库，合理的分布在系统中，以代替一个集中式数据库。这样，大部分 数据应用能够就地或就近存取数据，同时又能够共享那些偶尔需要的其它数据库数据。此时，数据在 物理上分布，但由于系统的分散管理和统一协调等特点使得用户感到数据仍然是集中的，且能够减少 通信开销，避免集中式数据库的“瓶颈”，具有一定的容错能力，特别适用于由于设备或工作场地造 成的物理分布的 MAS数据库。 以此为基础，通过各种配置软件，构成适合应用需要的平台，利用各种数据存储机制支持数据共 享成为常见的解决思路。可是，到目前为止，能够支持 MAS信息共享的已有存储机制，如文件、数据 库、工程数据库、实时数据库，仍没有一个统一的平台，使得能在 MAS或者 CIMS范围内方便地操作 各种类型的数据，由系统软件自动维护数据的一致性和完整性。从当前情况来说，仍没有一个通用的 适合 MAS和 CIMS信息集成的数据环境，要用当前各种存储机制支持信息集成需要，必须在系统开发 过程中来构造一个分布的多数据库互连环境满足集成需要。 这就需要用户自行开发接口转换程序，以人工抽取、自动快照、复制、分割、数据分布分析等方 式实现不同系统之间共享数据的转换，而由于整个系统不可能完全采用统一的机制实现数据存储管理， 其数据的完整性、一致性必须通过应用程序的设计、编码得到保证。基于上述需求，分布式数据库的 设计是实现信息集成的重要环节。 4.2.2多数据库集成的支持技术 在 MAS异构数据源的集成技术中，开放体系结构下的数据集成技术比较适合从实用的角度来解决 大量的数据集成问题。从当前的技术发展趋势来见，MAS中采用的 C/S结构是一种典型的开放结构， 在这种结构下采用一些技术，如协作式通讯技术、中间件技术、分布事务协调技术等能够提供对多数 据库集成的友好支持。 制品跟踪及加工辅料的管理 1.通讯技术 在一个复杂的多层次、多供应商、多操作系统、多数据库的异构数据环境中，要实现所有应用成 分的协作，做到异构数据源的互访透明性，必须采用一些通讯技术。理论上，C/S结构采用三种基本 的协作式通讯技术:管道 (Cpipes)、远程过程调用(RPC), SQL中间件。管道是进程间数据传送的一 种机制，负责标识各种分离信息的边界，识别信息发送者身份，以及对接收消息进行校验。 RPC是远程数据库访问(RDA)的重要手段。RPC是一种基于消息的服务器对服务器、客户对服务器 的通讯接口，也是实现互操作的基础。对于 RPC应用程序，所有的过程似乎都是在本地执行的，RPC 将自动完成程序代码在络中的传输和络协议的处理。RPC以每个程序员都熟悉的常规过程调用将 络产生的各种复杂情况隐藏起来，即使用户进程在远程服务器上，过程参数也是通过常规过程传送 的。当需要进行同步时，发出调用命令的进程(或者线程)将一直等待着，直到得到结果;而服务器进 程接到请求后，l 设备操作人员的监测 工艺数据的管理 数据分析结果的管理 人机界面 MAS 数据管理 2.接口技术 由于在异构分布的多源数据库之间仍没有一种广泛的数据定义模型和数据查询语言，实现数据的 透明访问常常采用多对一转换、双向的接口技术。这种技术通过一种位于操作系统和应用程序之间具 有标准程序接口和协议的通用服务来解决异构分布问题，能满足很多应用需要，支持分布计算，提供 跨络、硬件和操作系统的透明性应用和交互服务，具有广泛的应用。 中间件技术(如 SQL中间件)和 Windows环境下的 DDE, OLE技术是支持数据集成的重要接口技术。 其中 OLE比是 Windows系统引进的一种不同应用程序之间数据共享的新技术。而动态数据交换(DDE) 是一种进程之间的通信形式，它用共享内存实现应用程序之间交换信息，应用程序用 DDE能够进行一 次性的数据传输，也能够进行现场实时数据的交换。在这种情况下，新数据准备好之后，一个应用程 序向另一个应用程序发更新数据，DDE在没有用户进一步参和的情况下，进行数据传输。 3.开放的分布事务处理 事务处理是现代企业日常业务的主流。在越来越多的企业分布式计算机系统中，一个事务往往会 涉及多个场地上的数据更新，分布的事务能够见成是由不同场地上的若干子事务组成。为了保证分布 事务的原子性:组成事务的所有子事务要么一致的全部