1、機械制造自動化技術及工程運用 第 二 講制造自動化系統的體系構造與建模方法.制造系統的新開展制造系統的新內涵：“大制造概念制造系統的新方式：“FMSCIMS 矯捷制造智能制造制造系統的新構造：“Internet-Intranet-Infranet三網集成構造現代制造系統的典型特征：分散化、集成化、智能化圖圖.圖制造系統的方式開展趨勢設備、技術管理、市場組織、人員.圖制造系統三網集成構造.制造系統對控制系統的新要求 現代制造系統呼喚新一代控制系統 矯捷制造對制造過程控制系統提出了新的挑戰 目前缺乏從系統的高度，特別是對網絡化制造環境下的控制系統實際和方法的系統化研討. 分散性自治性網絡化 可塑性

2、規范化 可移植性 可伸縮性 可互操作性矯捷制造對控制系統的要求.現有控制系統存在的問題FMS采用遞階控制構造，導致系統構造復雜靈敏性、開放性、集成性差單項技術及系統性能有待提高 DCS開放性、互操作性差一對一構造抗干擾性差 失控形狀.現有控制系統的技術瓶頸1系統控制構造2信息的綜合管理3信息的實時處置4消費過程及現場設備的遠程訪問與控制.新一代控制系統的內涵 新一代控制系統NCS (New Control System)不僅應包括數據采集和處置、根本過程控制，而且應包括先進的消費管理、調度、優化、診斷及高級控制等。根本內涵： 柔性化、扁平化的體系構造； 全分散式動態構造； 系統的實時控制才干；

3、 現場自治才干； 現場設備的互操作性； 系統智能化。.新一代控制系統的研討前沿*總體技術與集成支撐技術的研討*通用智能檢測控制前端的研討*先進控制戰略的研討*面向消費目的的建模與優化集成控制技術的研討*智能監控與缺點診斷技術的研討*綜合管理技術的研討.NCS的體系構造與建模研討*制造自動化系統的體系構造研討*NCS體系構造研討*NCS集成機制*NCS消費過程建模研討.CIMS的幾種建模方法CIMS建模方法是研討CIMS的特征和特性并對它們進展籠統描畫的技術。CIMS是一個復雜大系統，包含多個視圖，有多種不同的建模方法用來建立不同視圖的模型。.功能建模方法 用于描畫系統的功能組成及其各組成部分間

4、的關系。IDEE0方法運用最廣泛。 IDEF0的根本思想是構造化分析方法。它是由SADT構造化分析和設計技術開展而來。IDEF0能同時表達系統的活動和數據流以及它們之間的關系。對新的系統來說，IDEF0能描畫新系統的功能及需求，進而表達一個能符合需求及能完勝利能的實現。 .功能建模方法 IDEF0采用遞階建模，用嚴厲的自頂向下逐層分解的方式來構造模型。模型由一系列IDEF0圖組成。 掌握IDEF0建模方法最困難的就是如何在模型的不同層次間堅持一致。IDEF0在功能活動間并不強調時序的限制，也不包含時間邏輯上的信息，使分析更帶有普遍性。 IDEF0的缺陷是無法表達一個過程的詳細信息。.信息建模方

5、法信息建模是構造一個能滿足系統信息需求的信息模型。它描畫系統信息的構造及信息間的相互關系。最早的信息建模方法是用于數據庫設計的E-R技術。在IDEF系列方法中，相應的為IDEF1及其擴展的IDEF1x方法。 .信息建模方法IDEF1x是一種數據建模方法，而IDEF1是一種定義系統信息需求的分析和交流工具。IDEF1主要與建立系統應管理哪些信息的需求有關，因此它更偏向于作為一種分析方法被運用。一旦確定了系統信息需求，IDEF1x就可以作為一種好的設計方法用來設計邏輯數據庫。.信息建模方法 IDEF1x模型定義了系統中的數據類和數據類之間的聯絡。它的根本構造是：包含數據的有關事物，用盒子表示；事物

6、之間的聯絡用結合箱子的連線表示；事物的特征用盒子的屬性名表示。對應地，IDEF1x模型成分包括：實體、聯絡、屬性/關鍵字。.動態建模方法動態建模是從系統隨時間變化的動態特性的角度來建立模型的。通常動態建模總是和仿真聯絡在一同。動態模型的建立方法很大程度上依賴于所建模型的系統的復雜程度。雖然，用數學方式表達系統的動態行為可以簡明而真實地描畫系統的動態特性。但是并非一切系統都能得到它的數學方程。 .動態建模方法在復雜系統領域，尤其在CIM企業建模領域，幾乎是無法建立其數學表達方式的。這時，通常的做法是建立它的Petri網模型或基于離散事件仿真的動態模型。. Petri網建模方法 Petri網是德國

7、的Carl Adan Petri博士在1960年提出的、研討信息系統及其相互關系的數學模型。Petri網實際經過40多年來的開展，曾經成為具有嚴密的數學根底多種通用層次的通用網論，并且在自動控制及計算機領域得到廣泛的運用。.Petri網建模方法Petri網按網的籠統方式可分為普通Petri網Ordinery Petri Net，簡稱PN、高級Petri網High Level Petri Net，簡稱HLPN以及擴展Petri網Extended Petri Net，簡稱EPN。根本Petri網通常是指庫所/變化網Place/Transition Net，簡稱P/TN。 .Petri網建模方法HL

8、PN和EPN都是在PN的根底上建立起來的。HLPN普通又分為謂詞變化網Predicate/Transition Net，簡稱Pr/TN和有色網Colored Petri Net，簡稱CPN。與PN描畫的系統相比，HLPN具有更簡約的描畫方式，在實踐運用中往往用來作為建模工具，但對它的數學分析比起PN來就要困難得多。EPN是指建模者根據特定的目的在PN的根底上定義的，為方便建模而對PN擴展了一些建模功能的特殊網。.Petri網建模方法 Petri網按時間要素可劃分為時間Petri網Timed Petri Net，簡稱TPN和非時間Petri網。當TPN中的時間為隨機值時，就稱為隨機Petri網S

9、tochastic Petri Net，簡稱SPN .Petri網建模方法Petri網的分析方法主要有可達樹分析法、不變量分析法、馬爾可夫鏈分析法以及仿真分析法?？蛇_樹和不變量分析的是系統的構造性能。例如有界性、平安性、活性和可逆性等。馬爾可夫鏈和仿真分析的是系統的動態性能。例如統計庫所中某種顏色的令牌數、某個庫所中的令牌的平均停留時間，在一段時間內某個變化的平均點燃次數等。.仿真建模方法仿真是一種動態的系統建模和實驗技術。仿真分為延續系統仿真和離散事件系統仿真，對CIMS的仿真主要屬于后者。就離散事件系統仿真而言，典型的仿真建模方法有事件調度法、活動掃描法和進程交互法。在對實踐系統進展仿真時

10、，這三種方法的運用又互有交叉。 .仿真建模方法早先，進展仿真實驗時，需求建模者用高級程序設計言語等實現仿真算法。后來，為了方便用戶運用，誕生了許多公用的仿真言語，如GPSS、SLAMIT、SIMAN等，可以用它們來較為快捷地建立系統的仿真模型。近年來，在制造系統領域，人們還開發了很多集成建模擬真環境，如FAST、FACTORY等，它們提供了一種簡便的、圖形化的非言語建模手段，使建模者可以迅速建立制造系統仿真模型而免去了學習仿真言語編程之苦。 .決策建模方法GRAI建模方法是由法國波爾多大學GRAI實驗室提出的用于建立系統決策模型的方法。在CIMS決策模型的建立過程中得到較為廣泛的運用。 GRA

11、I方法由概念模型、圖形描畫工具和構造化實施方法三部分組成。概念模型有宏觀模型和微觀模型兩部分組成。.決策建模方法宏觀模型用GRAI表描畫，在GRAI 表中，列代表職能，行代表有效期和決策調整周期；決策信息用“決策幀“包裝起來，其中包括決策對象、內容、時間區間、決策變量等。GRAI 表用來描畫決策幀及某些單個信息在GRAI表網格中的流動情況。 .決策建模方法GRAI表中的每個網格稱為一個決策中心，微觀模型就是用來描畫決策中心及其相互關系的。每個決策中心用GRAI網，描畫其微觀決策過程。另外，GRAI方法在實施過程中，對各類參與人員的組織以及分階段實施的詳細過程也有明確的“構造化的規定。.面向對象

12、的建模方法 面向對象建模的技術OMT(Object-Oriented Modeling Technology)以往大多被運用于軟件系統的開發之中，由于它能更直接、自然地描畫自然界的事物，在軟件界得到廣泛的運用。近年來，人們曾經開場將其運用到更為復雜的企業系統建模當中。OMT方法學采用三種模型，即對象模型、動態模型和功能模型來描畫系統。 .面向對象的建模方法對象模型用對象圖的方法描畫了系統中的對象及其相互之間的關系；功能模型描畫了系統中的活動/處置，反映了數據/信息的變化；動態模型經過形狀圖或表描畫了系統中對象之間交互的動態行為。上述三種模型相輔相成地構成了一個完好系統的正交視圖。.面向對象的建

13、模方法O-O方法的根本特點，包括分類(Classification)、封裝性(Encapsulation)、基于音訊的通訊機制、承繼性(Inheritance)和多態性(polymorphism)等，為制造系統的建模提供了強有力的處理方案。.面向對象的建模方法根據O-O方法，現實世界中的任何事物/景象活動、過程、組織和資源等，無論籠統的還是詳細的，都可以看成是一個完好的實體對象。在籠統層，類似的事物/景象可以分類/聚合，根據共享的特性和行為聚合成為對象類。O-O的封裝性將對象的一切方面封裝在對象/對象類之中，包括屬性信息和操作行為，將對象的封裝性擴展，使之可以將活動、組織和資源封裝到過程之中。

14、.面向對象的建模方法對象之間的基于音訊傳送的通訊機制使得對象的協作變得非常靈敏，在保證跨組織對象的協作性的同時，還提供了組織內部信息等資源的平安性的保證。對象的多態性，使同一個對象可以對不同的音訊，產生不同的輸出結果，這就使得制造系統中的過程、組織、活動和資源等對象變得更為靈敏。承繼性使得面向對象的制造系統可以很容易地更改和重配置。.矯捷制造對制造過程的管理與控制的需求1.制造企業的根本流程 制造企業的根本流程由5個部分組成：調查、決策、投入、轉換、產出，如以下圖所示.制造企業的根本流程.制造企業的根本流程 其中轉換，即消費制造過程是制造業運營的根底。它要按期消費出高質量低本錢的產品，消費過程

15、中要進展嚴厲控制，即經過消費控制，組織多種類有節拍的平衡消費，保質保量按期消費出產品，為及時交貨提供保證；經過儲存控制，為經濟合理地組織穩定的平衡消費提供物質根底；經過質量控制，保證穩定的消費優質產品；經過本錢控制，努力把活勞動和物化勞動的耗費降低到最低限制，為在競爭中降低價錢，添加盈利提供物質根底。.矯捷制造對制造過程的管理與控制的要求 矯捷制造要求現代的制造過程管理和控制系統可以將方案流、控制流、質量流、工藝信息流全面集成，還必需具有開放性、自組織、自順應和可重構的才干，可以在企業的集成中起到承上啟下的橋梁作用。 .矯捷制造企業要求其制造過程的管理與控制系統應具備如下特征1 分散網絡化的消

16、費指揮系統、協調調度系統；2 采用基于數據處置根底上的消費調度、制造資源的優化配置；3 模塊化制造單元，可根據新產品動態重組；4 管理與控制集成于一體；5 開放式的構造，與外界信息在線跟蹤；.矯捷制造企業要求其制造過程的管理與控制系統應具備如下特征6 具備一定的通用性，適宜多種消費方式；7 全面質量管理體系，實現產質量量由設計決議；8 工序本錢核算、業績分析，使車間成為利潤中心；9 綜合信息管理與制造資源形狀報告；10以人為中心。 .矯捷制造企業要求其制造過程的管理與控制系統應具備如下特征 這些特征歸結起來，矯捷制造要求制造過程的管理與控制系統必需支持適用于動態聯盟的分散網絡化管理和利于制造過

17、程內部重組的單元化制造方式。.企業信息網絡及控制系統構造演化企業信息網絡控制網絡.制造自動化系統的體系構造1制造自動化系統的層次模型.制造自動化系統的體系構造2制造自動化系統的分布式控制網絡.3制造自動化系統的3I集成構造 .制造自動化系統的體系構造(4)基于Agent的分布式網絡化制造自動化系統.制造自動化系統的體系構造.控制網絡與信息網絡的集成 .制造自動化系統的體系構造 從上面的分析可以看出： 現代制造系統的組織和管理方式正在向“扁平化方向開展，系統的構造正向簡單、適用、開放的網絡化開展。 現代制造自動化系統的目的是實現制造系統的信息化。.NCS體系構造1NCS體系構造的根本需求*開放性

18、*分布性*動態性*并行性*集成性 *人機調和性.NCS體系構造2NCS的多層C/S網絡計算構造 A 廣域網控制效力器處于最高層 B 控制客戶 C 局域網控制效力器位于中間層 D 現場控制節點.NCS體系構造3NCS的功能構造.NCS體系構造4NCS的軟件構造.NCS體系構造.NCS體系構造5NCS的體系構造的特點 *基于拓展C/S構造的兩層管理與控制系統 *管控一體化 *全分散式控制 *基于閱讀器/Web效力器構造的集成機制.NCS的集成機制1基于OPC技術的NCS內部集成.NCS的集成機制2NCS與管理系統的集成.NCS的消費過程建模1 NCS的對象類劃分 按照對象的動態行為和特點，NCS中的對象可分成被動對象和自動對象； 從功能和實現的角度出發，NCS的對象分為功能對象和運轉對象；.NCS的消費過程建模1 N