系統(tǒng)集成指南
系統(tǒng)集成指南 企業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)分析與CIMS分類問題 東北大學(xué)控制仿真中心　徐心和教授 一、引言 CIMS——計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing System),10年前還是一個(gè)鮮為人知的英語(yǔ)詞組縮寫。10年來,在國(guó)家863計(jì)劃的推動(dòng) 下,CIMS已經(jīng)喚起越來越多的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員的參與,引起越來越多的企業(yè) 的關(guān)注,一批試點(diǎn)企業(yè)已經(jīng)取得可喜的成果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益,一個(gè)CIMS推廣開發(fā)的 熱潮正在各行各業(yè)悄然興起。準(zhǔn)確地講,1974年約瑟夫·哈林頓博士提出的CIM(計(jì)算 機(jī)集成制造)是企業(yè)組織生產(chǎn)的先進(jìn)"哲理"(philosophy)。他的基本觀點(diǎn)是: (1) 企業(yè)的多個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)是不可分割的,需要統(tǒng)一考慮。 (2) 整個(gè)制造過程實(shí)質(zhì)上是信息采集、傳遞和加工處理的過程。 按照CIM哲理構(gòu)成的企業(yè)生產(chǎn)與管理的自動(dòng)化系統(tǒng)可稱之謂CIMS。顯然,由于生產(chǎn)企 業(yè)的不同,CIMS不會(huì)具有統(tǒng)一的模式。 值得注意的是,目前出版的有關(guān)CIMS的圖書資料幾乎都屬于同一種模式,即CIMS由以 下五大分系統(tǒng)組成: (1) 以MRP-Ⅱ?yàn)楹诵牡墓芾硇畔⑾到y(tǒng); (2) 產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造工程設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)(CAD/CAPP/CAM); (3) 制造自動(dòng)化或柔性制造系統(tǒng)(FMS); (4) 質(zhì)量保證系統(tǒng); (5) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。 顯然,這種CIMS模式比較適合于離散型的機(jī)械制造型企業(yè)。 CIMS模式的這種局限性有其歷史原因和現(xiàn)實(shí)原因,從其被提出到實(shí)現(xiàn)這10多年時(shí)間 里,CIMS主要集中在機(jī)械制造行業(yè),而我國(guó)863計(jì)劃的示范工廠也是集中在機(jī)制行業(yè) 。這種局限性還有其行業(yè)上的原因,那就是機(jī)械制造行業(yè)比其它行業(yè)在信息集成方 面要面臨更多的困難,即除了有面向管理的數(shù)據(jù)流外,還有面向幾何的數(shù)據(jù)流。幾何 圖形的表示、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、控制和檢測(cè)等過程在設(shè)計(jì)、制造和管理之間造成了巨大 的信息鴻溝,成為信息集成的難點(diǎn)。CIMS的中心議題是"集成",其道理也在于此。 如今,CIMS已經(jīng)走向各個(gè)行業(yè),有人將企業(yè)粗略分為離散型、流程型和混合型。顯然 ,其相應(yīng)的CIMS也將是不同的模式與類別。 二、CIMS分類的本質(zhì)要素 面對(duì)各種各樣的企業(yè)和形形色色的CIMS方案,目前還缺少一種科學(xué)簡(jiǎn)明的分類方法 。有人采用離散型、連續(xù)型(流程型)、混合型CIMS的分類方法,但除了使人認(rèn)識(shí)到 企業(yè)生產(chǎn)的區(qū)別外,很難感覺到CIMS的內(nèi)涵差別。 CIMS分類的本質(zhì)要素應(yīng)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能集成的技術(shù)難點(diǎn)所在,是影響CIMS發(fā)揮整體 效益的技術(shù)關(guān)鍵所在。 前面談到,CIM是一種哲理。CIMS是在這一哲理指導(dǎo)下,通過物理集成、信息集成和 功能集成,將企業(yè)的各種生產(chǎn)與經(jīng)營(yíng)活動(dòng)集成起來的一個(gè)高度自動(dòng)化的整體。目的 是將質(zhì)量好、成本低的產(chǎn)品適時(shí)地推向市場(chǎng),從而獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 所謂物理集成,是要求各種自動(dòng)化設(shè)備的合理配置與到位。信息集成則要求通過計(jì) 算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)信息傳遞與共享,讓各種信息在各種控制、信息管理與決策 中發(fā)揮其應(yīng)有的作用。功能集成則是要將企業(yè)主要的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)通過計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào) 實(shí)現(xiàn)。顯然功能集成是目的,而物理與信息集成是實(shí)現(xiàn)功能集成的基礎(chǔ)。 一般說來,如果企業(yè)具有一定的財(cái)力,實(shí)現(xiàn)物理集成與信息集成是不困難的,因?yàn)槭?界上各大計(jì)算機(jī)公司都在開發(fā)新產(chǎn)品和搶占各種市場(chǎng)。即使對(duì)于某些自動(dòng)化孤島難 以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,那么,這種技術(shù)上的障礙也決非是企業(yè)本身可以逾越的。 企業(yè)面臨的最大困難是功能集成的實(shí)現(xiàn),也就是如何設(shè)計(jì)與開發(fā)適合本企業(yè)特點(diǎn)的 應(yīng)用系統(tǒng)。即使是世界著名的計(jì)算機(jī)公司也無法提供普遍適用的應(yīng)用系統(tǒng)(而不是 應(yīng)用平臺(tái)),如果可以購(gòu)得這樣的應(yīng)用系統(tǒng)(主要是軟件系統(tǒng)),廠商的開價(jià)也將是難 以接受的。 三、企業(yè)特點(diǎn)與CIMS分類 筆者從實(shí)現(xiàn)企業(yè)功能集成的難點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)的角度,以很粗的線條勾劃出三類企業(yè) 的特點(diǎn),并提出三種類型的CIMS。 1.離散型企業(yè)與CAD/CAM型CIMS 所謂離散型生產(chǎn)企業(yè)主要是指一大類機(jī)械加工企業(yè)。它們的基本生產(chǎn)特征是機(jī)器( 機(jī)床)對(duì)工件外形的加工,再將不同的工件組裝成具有某種功能的產(chǎn)品。由于機(jī)器和 工件都是分立的,故稱之為離散型生產(chǎn)方式。如汽車制造、飛機(jī)制造、電子企業(yè)和 服裝企業(yè)等。為了提高企業(yè)產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力,人們?cè)缇妥⒁獾綄?shí)現(xiàn)企業(yè)生 產(chǎn)經(jīng)營(yíng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)化。如加工過程采用數(shù)控機(jī)床(NC)和柔性加工 中心(FMC),工件的運(yùn)送采用自動(dòng)導(dǎo)引小車(AGV),還有產(chǎn)品設(shè)計(jì)與編程(CAD/CAPP/C AM)、材料資源規(guī)劃(MRPⅡ)、企業(yè)的生產(chǎn)管理與經(jīng)營(yíng)決策(MIS/DSS)也都可用計(jì)算機(jī) 實(shí)現(xiàn)。為了提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率,取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益,通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù) 庫(kù)將以上這些功能集成起來,便形成了典型的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS),這也是多 年來人們?nèi)〉媒y(tǒng)一認(rèn)識(shí)的CIMS模式。 由于機(jī)械加工企業(yè)是以產(chǎn)品的功能、外型與成本為主要競(jìng)爭(zhēng)內(nèi)容,面對(duì)多品種小批 量的買方市場(chǎng)和越來越挑剔的顧客,產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造成為生產(chǎn)的關(guān)鍵與核心。是 否具有強(qiáng)大的適于本企業(yè)生產(chǎn)、研究與改型的CAD/CAM軟、硬件,便成為企業(yè)能否適 時(shí)推出新穎實(shí)用商品的關(guān)鍵。許多企業(yè)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整中陷于困境,很大程度上也 是受制于拿不出適銷對(duì)路、開拓市場(chǎng)的產(chǎn)品。 鑒于此,可以將這類傳統(tǒng)的CIMS稱之為CAD/CAM型CIMS,以便與其它類型的CIMS相區(qū) 別。 2.流程型企業(yè)與過程數(shù)模型CIMS 所謂流程型生產(chǎn)企業(yè)是指被加工對(duì)象不間斷地通過生產(chǎn)設(shè)備,如化工廠、煉油廠、 水泥廠、發(fā)電廠等,這里基本的生產(chǎn)特征是通過一系列的加工裝置使原材料進(jìn)行規(guī) 定的化學(xué)反應(yīng)或物理變化,最終得到滿意的產(chǎn)品。由于生產(chǎn)過程是24小時(shí)連續(xù)不斷 的,人們也稱此類生產(chǎn)為過程型或連續(xù)型。 不難看出,許多流程型企業(yè)都是重要的能源和原材料工業(yè),產(chǎn)品品種穩(wěn)定,生產(chǎn)量大 。它們的產(chǎn)品常常不是以新取勝,而是以質(zhì)和價(jià)取勝。因此,企業(yè)的自動(dòng)化目標(biāo)是如 何有效地監(jiān)測(cè)和控制生產(chǎn)過程,使生產(chǎn)過程處于最佳狀態(tài),節(jié)省原材料,降低能耗與 其它消耗,提高產(chǎn)品的收得率與優(yōu)質(zhì)品率,提高設(shè)備的壽命等。由于全線設(shè)備的啟動(dòng) 過程復(fù)雜,因此,除大中修外,很少中斷生產(chǎn)過程。對(duì)于原材料等外部條件的隨機(jī)變 化,系統(tǒng)應(yīng)有良好的抗干擾能力和性能魯棒性。 流程型系統(tǒng)的控制管理已經(jīng)有了大量成功的典型,普遍采用的是集散控制系統(tǒng)(DCS ),由3～4級(jí)(測(cè)量執(zhí)行級(jí)、回路控制級(jí)、單元控制級(jí)及過程控制級(jí))實(shí)現(xiàn)全過程的自 動(dòng)控制。顯然,此系統(tǒng)正常而高質(zhì)量的運(yùn)行要借助于完好的過程模型,其中多數(shù)為數(shù) 學(xué)模型,有時(shí)也可以是圖模型、網(wǎng)絡(luò)模型或非結(jié)構(gòu)化模型。一般說來,只要有了良好 的過程數(shù)模型,便可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。 鑒于此,可以將此類CIMS稱之為過程數(shù)模型CIMS。顯然,產(chǎn)品的設(shè)計(jì)(CAD)在這里并 不主要。企業(yè)為了獲取更好的經(jīng)濟(jì)效益,根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格的變化及時(shí)調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是 完全必要的。為此,建立企業(yè)的最優(yōu)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型也應(yīng)是功能集成的重要內(nèi)容。有 人也將這類CIMS稱之為CIPS(Computer Integrated Processing System)。 3.混合型企業(yè)與計(jì)劃調(diào)度型CIMS 所謂混合型企業(yè)是指其生產(chǎn)活動(dòng)中既有流程型特征,又有離散型特征,如鋼鐵企業(yè)等 。在這里,高爐煉鐵或轉(zhuǎn)(電)爐煉鋼、連續(xù)鑄造、熱帶連軋或冷帶連軋等每道工序 本身都可以看作是一個(gè)連續(xù)生產(chǎn)過程,但在各個(gè)工序間的銜接是靠分離的鐵(鋼)水 罐、鑄坯、鑄錠、鋼卷等實(shí)現(xiàn)的。作為企業(yè)的宏觀運(yùn)行不僅存在物流平衡和資源( 設(shè)備等)平衡問題,而且由于是高溫作業(yè),還存在溫度平衡和時(shí)間平衡(列車時(shí)刻表) 問題。因此,這類企業(yè)實(shí)現(xiàn)CIMS時(shí),不僅要解決好每道工序的自動(dòng)化問題,而且要解 決好各工序間的所有平衡問題。 鋼鐵生產(chǎn)的產(chǎn)品一般是規(guī)范化的。根據(jù)用戶的訂貨規(guī)格,只需從已有的工藝檔案中 找出其加工工藝方案即可,一般不需要CAD系統(tǒng)。如果各工序自動(dòng)化系統(tǒng)穩(wěn)定可靠, 產(chǎn)品質(zhì)量可以保證,那在系統(tǒng)功能集成中遇到的最大難題便是如何面向多品種小批 量的大量訂貨合同而組織生產(chǎn)。這里包括按鋼種、規(guī)格和交貨期的聚類組批;軋制 計(jì)劃、連鑄計(jì)劃與煉鋼計(jì)劃的各種平衡;如何將幾個(gè)不同的工序視為一個(gè)整體,實(shí)現(xiàn) 一體化管理,做到前后工序計(jì)劃同步化,物流運(yùn)行準(zhǔn)時(shí)化;充分運(yùn)用高溫坯的潛熱,取 消或減少再加熱過程,降低能耗,減少燒損,縮短生產(chǎn)周期,增加企業(yè)效益和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng) 力。 由此可見,工序的過程控制是系統(tǒng)功能集成的基礎(chǔ)與前提。而系統(tǒng)功能集成的技術(shù) 難點(diǎn)與關(guān)鍵是如何取代或基本取代人的計(jì)劃與調(diào)度功能,這一點(diǎn)已經(jīng)引起世界各國(guó) 鋼鐵行業(yè)的關(guān)注。鑒于此,可以稱此類CIMS為計(jì)劃調(diào)度型CIMS。 應(yīng)該承認(rèn)混合型企業(yè)也是各種各樣的,集成的難點(diǎn)與關(guān)鍵也會(huì)不盡相同。因此,也不 好一概而論混合型企業(yè)的CIMS都應(yīng)歸屬為計(jì)劃調(diào)度型CIMS。 四、大型企業(yè)的CIMS分類問題 大型企業(yè)常常是綜合性企業(yè)?？倧S下面設(shè)有若干分廠,分廠中又有許多車間。隨著 功能的分工,一般都有不同類型的生產(chǎn)工藝,也必然遇到不同的技術(shù)難點(diǎn)與關(guān)鍵。這 時(shí),如果把一個(gè)總的CIMS分解成幾個(gè)局部的CIMS,那就可能在上層的計(jì)劃調(diào)度型CIM S中含有下層的過程數(shù)模型或CAD/CAM型CIMS。隨著企業(yè)的千變?nèi)f化,CIMS的屬性也 會(huì)錯(cuò)綜復(fù)雜。 總之,多種多樣的CIMS雖然有著相同的哲理,卻在內(nèi)容與核心上存在著相當(dāng)大的差異 。承認(rèn)和深刻認(rèn)識(shí)這些差異,給出科學(xué)的分類方法,對(duì)于我國(guó)的CIMS推廣工作將具有 十分重要的意義。 SDAI——CIMS工程數(shù)據(jù)交換的關(guān)鍵技術(shù) 華北計(jì)算技術(shù)研究所　婁勤儉　馬應(yīng)章 一、SDAI的技術(shù)背景 SDAI(Standard Data Access Interface)是基于STEP(Standard for the Exchange ofProduct Model Data)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換規(guī)范(Product Data Exchange Using STEP,PDES)標(biāo)準(zhǔn)(ISO 10303 Product Data Representation and Exchange)系列的一個(gè)重要的技術(shù)組成部分。PDES規(guī)定了產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到制造完成的 全過程中,能夠表示并提供通信交換的數(shù)據(jù)形式, 這種形式完整地表示產(chǎn)品數(shù)據(jù),并適合中性的文件交換,且能達(dá)到產(chǎn)品數(shù)據(jù)共享及持 久存檔保存的目的。這樣,產(chǎn)品數(shù)據(jù)一方面能在企業(yè)間或企業(yè)生產(chǎn)的各部分活動(dòng)之 間交換,以提高產(chǎn)品數(shù)據(jù)資源的應(yīng)用效率;同時(shí),另一方面,由于其描述的獨(dú)立性和完 整性,使該數(shù)據(jù)獨(dú)立于應(yīng)用它的軟件系統(tǒng),并能廣泛支持涉及產(chǎn)品數(shù)據(jù)應(yīng)用的各個(gè)方 面。 這里,產(chǎn)品數(shù)據(jù)是適合于人或自動(dòng)化作業(yè)進(jìn)行識(shí)別、通信和處理的關(guān)于一個(gè)或一組 產(chǎn)品的事實(shí)、概念及要求的形式化描述。在CIMS領(lǐng)域中,通常把基于計(jì)算機(jī)輔助的 產(chǎn)品生命周期的某些工程過程,如CAD、CAPP、CAE、CAQ、CAM等(可統(tǒng)稱為CAX),所 產(chǎn)生和應(yīng)用的數(shù)據(jù)稱工程數(shù)據(jù)。工程數(shù)據(jù)實(shí)際上是產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一個(gè)子集。工程數(shù)據(jù) 的交換是CAX數(shù)據(jù)應(yīng)用中要解決的中心環(huán)節(jié),這種數(shù)據(jù)交換不僅發(fā)生在不同的CAX之 間,而且也發(fā)生在同一CAX的不同設(shè)計(jì)版本或不同產(chǎn)品型號(hào)之間,甚至在產(chǎn)品的裝配 與零部件之間等。因此,工程數(shù)據(jù)交換在CIMS中占有特別重要的地位,是CIMS數(shù)據(jù)集 成、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換共享的一個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)組成部分。 STEP支持CIMS工程數(shù)據(jù)的描述,提供了Express數(shù)據(jù)描述語(yǔ)言,并為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換操 作提供了SDAI實(shí)施方法,使得所描述和管理的工程數(shù)據(jù)能在不同的工程環(huán)境中通過 數(shù)據(jù)交換達(dá)到共享和應(yīng)用數(shù)據(jù)資源的目的。目前,Express語(yǔ)言已較普遍地被裝配在 一些計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上,SDAI在國(guó)內(nèi)CIMS領(lǐng)域中的研究和開發(fā)工作已展開,它的應(yīng)用對(duì)實(shí) 現(xiàn)工程數(shù)據(jù)庫(kù)將很有意義。 二、數(shù)據(jù)描述語(yǔ)言Express PDES提供了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和使用的整個(gè)生命周期內(nèi),用于完全描述產(chǎn)品數(shù)據(jù),并 能保證其一致性而無二義性的統(tǒng)一的方法和工具,即Express語(yǔ)言。這是一種具有面 向?qū)ο筇卣?可對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)描述的語(yǔ)言,它能容易地被人和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)理解和識(shí)別, 是一種便于定義系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源和支持開發(fā)應(yīng)用的語(yǔ)言。Express語(yǔ)言有很強(qiáng)的表達(dá) 能力,適用于CAX系統(tǒng)中所需要的各種工程數(shù)據(jù)的描述,含有豐富的數(shù)據(jù)類型及語(yǔ)言 元素。Express語(yǔ)言是實(shí)施產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)。 Express是基于模式的語(yǔ)言。模式是Express語(yǔ)言為一致性的實(shí)現(xiàn)方法所提供的一種 作用域,它是相關(guān)實(shí)體類型與用戶定義類型的集合。模式不僅能定義其中的實(shí)體及 實(shí)體之間的?叵?而且還能定義對(duì)實(shí)體及其屬性所施加的約束和操作。同時(shí),模式還 可以包括函數(shù)、過程、全局規(guī)則或常數(shù)說明等其它一些語(yǔ)言成分。模式可以通過接 口實(shí)現(xiàn)一個(gè)模式對(duì)另一模式的一些成份的使用或引用。使用是對(duì)模式中說明的實(shí)體 所定義的數(shù)據(jù)類型而言,引用則是對(duì)?
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