系統集成指南
系統集成指南 企業(yè)生產特點分析與CIMS分類問題 東北大學控制仿真中心　徐心和教授 一、引言 CIMS——計算機集成制造系統(Computer Integrated Manufacturing System),10年前還是一個鮮為人知的英語詞組縮寫。10年來,在國家863計劃的推動 下,CIMS已經喚起越來越多的專家學者和工程技術人員的參與,引起越來越多的企業(yè) 的關注,一批試點企業(yè)已經取得可喜的成果和顯著的經濟效益,一個CIMS推廣開發(fā)的 熱潮正在各行各業(yè)悄然興起。準確地講,1974年約瑟夫·哈林頓博士提出的CIM(計算 機集成制造)是企業(yè)組織生產的先進"哲理"(philosophy)。他的基本觀點是: (1) 企業(yè)的多個生產環(huán)節(jié)是不可分割的,需要統一考慮。 (2) 整個制造過程實質上是信息采集、傳遞和加工處理的過程。 按照CIM哲理構成的企業(yè)生產與管理的自動化系統可稱之謂CIMS。顯然,由于生產企 業(yè)的不同,CIMS不會具有統一的模式。 值得注意的是,目前出版的有關CIMS的圖書資料幾乎都屬于同一種模式,即CIMS由以 下五大分系統組成: (1) 以MRP-Ⅱ為核心的管理信息系統; (2) 產品設計與制造工程設計自動化系統(CAD/CAPP/CAM); (3) 制造自動化或柔性制造系統(FMS); (4) 質量保證系統; (5) 計算機網絡與數據庫系統。 顯然,這種CIMS模式比較適合于離散型的機械制造型企業(yè)。 CIMS模式的這種局限性有其歷史原因和現實原因,從其被提出到實現這10多年時間 里,CIMS主要集中在機械制造行業(yè),而我國863計劃的示范工廠也是集中在機制行業(yè) 。這種局限性還有其行業(yè)上的原因,那就是機械制造行業(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據流外,還有面向幾何的數據流。幾何 圖形的表示、存儲、轉換、控制和檢測等過程在設計、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。CIMS的中心議題是"集成",其道理也在于此。 如今,CIMS已經走向各個行業(yè),有人將企業(yè)粗略分為離散型、流程型和混合型。顯然 ,其相應的CIMS也將是不同的模式與類別。 二、CIMS分類的本質要素 面對各種各樣的企業(yè)和形形色色的CIMS方案,目前還缺少一種科學簡明的分類方法 。有人采用離散型、連續(xù)型(流程型)、混合型CIMS的分類方法,但除了使人認識到 企業(yè)生產的區(qū)別外,很難感覺到CIMS的內涵差別。 CIMS分類的本質要素應是實現系統功能集成的技術難點所在,是影響CIMS發(fā)揮整體 效益的技術關鍵所在。 前面談到,CIM是一種哲理。CIMS是在這一哲理指導下,通過物理集成、信息集成和 功能集成,將企業(yè)的各種生產與經營活動集成起來的一個高度自動化的整體。目的 是將質量好、成本低的產品適時地推向市場,從而獲得顯著的經濟效益。 所謂物理集成,是要求各種自動化設備的合理配置與到位。信息集成則要求通過計 算機網絡與數據庫實現信息傳遞與共享,讓各種信息在各種控制、信息管理與決策 中發(fā)揮其應有的作用。功能集成則是要將企業(yè)主要的生產經營活動通過計算機協調 實現。顯然功能集成是目的,而物理與信息集成是實現功能集成的基礎。 一般說來,如果企業(yè)具有一定的財力,實現物理集成與信息集成是不困難的,因為世 界上各大計算機公司都在開發(fā)新產品和搶占各種市場。即使對于某些自動化孤島難 以實現數據交換,那么,這種技術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現,也就是如何設計與開發(fā)適合本企業(yè)特點的 應用系統。即使是世界著名的計算機公司也無法提供普遍適用的應用系統(而不是 應用平臺),如果可以購得這樣的應用系統(主要是軟件系統),廠商的開價也將是難 以接受的。 三、企業(yè)特點與CIMS分類 筆者從實現企業(yè)功能集成的難點與關鍵技術的角度,以很粗的線條勾劃出三類企業(yè) 的特點,并提出三種類型的CIMS。 1.離散型企業(yè)與CAD/CAM型CIMS 所謂離散型生產企業(yè)主要是指一大類機械加工企業(yè)。它們的基本生產特征是機器( 機床)對工件外形的加工,再將不同的工件組裝成具有某種功能的產品。由于機器和 工件都是分立的,故稱之為離散型生產方式。如汽車制造、飛機制造、電子企業(yè)和 服裝企業(yè)等。為了提高企業(yè)產品在市場上的競爭能力,人們早就注意到實現企業(yè)生 產經營中各個環(huán)節(jié)的自動化與計算機化。如加工過程采用數控機床(NC)和柔性加工 中心(FMC),工件的運送采用自動導引小車(AGV),還有產品設計與編程(CAD/CAPP/C AM)、材料資源規(guī)劃(MRPⅡ)、企業(yè)的生產管理與經營決策(MIS/DSS)也都可用計算機 實現。為了提高整個系統的運行效率,取得顯著的經濟效益,通過計算機網絡與數據 庫將以上這些功能集成起來,便形成了典型的計算機集成制造系統(CIMS),這也是多 年來人們取得統一認識的CIMS模式。 由于機械加工企業(yè)是以產品的功能、外型與成本為主要競爭內容,面對多品種小批 量的買方市場和越來越挑剔的顧客,產品的設計與制造成為生產的關鍵與核心。是 否具有強大的適于本企業(yè)生產、研究與改型的CAD/CAM軟、硬件,便成為企業(yè)能否適 時推出新穎實用商品的關鍵。許多企業(yè)在產品結構調整中陷于困境,很大程度上也 是受制于拿不出適銷對路、開拓市場的產品。 鑒于此,可以將這類傳統的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)與過程數模型CIMS 所謂流程型生產企業(yè)是指被加工對象不間斷地通過生產設備,如化工廠、煉油廠、 水泥廠、發(fā)電廠等,這里基本的生產特征是通過一系列的加工裝置使原材料進行規(guī) 定的化學反應或物理變化,最終得到滿意的產品。由于生產過程是24小時連續(xù)不斷 的,人們也稱此類生產為過程型或連續(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),產品品種穩(wěn)定,生產量大 。它們的產品常常不是以新取勝,而是以質和價取勝。因此,企業(yè)的自動化目標是如 何有效地監(jiān)測和控制生產過程,使生產過程處于最佳狀態(tài),節(jié)省原材料,降低能耗與 其它消耗,提高產品的收得率與優(yōu)質品率,提高設備的壽命等。由于全線設備的啟動 過程復雜,因此,除大中修外,很少中斷生產過程。對于原材料等外部條件的隨機變 化,系統應有良好的抗干擾能力和性能魯棒性。 流程型系統的控制管理已經有了大量成功的典型,普遍采用的是集散控制系統(DCS ),由3～4級(測量執(zhí)行級、回路控制級、單元控制級及過程控制級)實現全過程的自 動控制。顯然,此系統正常而高質量的運行要借助于完好的過程模型,其中多數為數 學模型,有時也可以是圖模型、網絡模型或非結構化模型。一般說來,只要有了良好 的過程數模型,便可以實現系統的優(yōu)化控制。 鑒于此,可以將此類CIMS稱之為過程數模型CIMS。顯然,產品的設計(CAD)在這里并 不主要。企業(yè)為了獲取更好的經濟效益,根據市場價格的變化及時調整產品結構是 完全必要的。為此,建立企業(yè)的最優(yōu)產品結構模型也應是功能集成的重要內容。有 人也將這類CIMS稱之為CIPS(Computer Integrated Processing System)。 3.混合型企業(yè)與計劃調度型CIMS 所謂混合型企業(yè)是指其生產活動中既有流程型特征,又有離散型特征,如鋼鐵企業(yè)等 。在這里,高爐煉鐵或轉(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連續(xù)生產過程,但在各個工序間的銜接是靠分離的鐵(鋼)水 罐、鑄坯、鑄錠、鋼卷等實現的。作為企業(yè)的宏觀運行不僅存在物流平衡和資源( 設備等)平衡問題,而且由于是高溫作業(yè),還存在溫度平衡和時間平衡(列車時刻表) 問題。因此,這類企業(yè)實現CIMS時,不僅要解決好每道工序的自動化問題,而且要解 決好各工序間的所有平衡問題。 鋼鐵生產的產品一般是規(guī)范化的。根據用戶的訂貨規(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。如果各工序自動化系統穩(wěn)定可靠, 產品質量可以保證,那在系統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。這里包括按鋼種、規(guī)格和交貨期的聚類組批;軋制 計劃、連鑄計劃與煉鋼計劃的各種平衡;如何將幾個不同的工序視為一個整體,實現 一體化管理,做到前后工序計劃同步化,物流運行準時化;充分運用高溫坯的潛熱,取 消或減少再加熱過程,降低能耗,減少燒損,縮短生產周期,增加企業(yè)效益和市場競爭 力。 由此可見,工序的過程控制是系統功能集成的基礎與前提。而系統功能集成的技術 難點與關鍵是如何取代或基本取代人的計劃與調度功能,這一點已經引起世界各國 鋼鐵行業(yè)的關注。鑒于此,可以稱此類CIMS為計劃調度型CIMS。 應該承認混合型企業(yè)也是各種各樣的,集成的難點與關鍵也會不盡相同。因此,也不 好一概而論混合型企業(yè)的CIMS都應歸屬為計劃調度型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工藝,也必然遇到不同的技術難點與關鍵。這 時,如果把一個總的CIMS分解成幾個局部的CIMS,那就可能在上層的計劃調度型CIM S中含有下層的過程數模型或CAD/CAM型CIMS。隨著企業(yè)的千變萬化,CIMS的屬性也 會錯綜復雜。 總之,多種多樣的CIMS雖然有著相同的哲理,卻在內容與核心上存在著相當大的差異 。承認和深刻認識這些差異,給出科學的分類方法,對于我國的CIMS推廣工作將具有 十分重要的意義。 SDAI——CIMS工程數據交換的關鍵技術 華北計算技術研究所　婁勤儉　馬應章 一、SDAI的技術背景 SDAI(Standard Data Access Interface)是基于STEP(Standard for the Exchange ofProduct Model Data)的產品數據交換規(guī)范(Product Data Exchange Using STEP,PDES)標準(ISO 10303 Product Data Representation and Exchange)系列的一個重要的技術組成部分。PDES規(guī)定了產品從設計到制造完成的 全過程中,能夠表示并提供通信交換的數據形式, 這種形式完整地表示產品數據,并適合中性的文件交換,且能達到產品數據共享及持 久存檔保存的目的。這樣,產品數據一方面能在企業(yè)間或企業(yè)生產的各部分活動之 間交換,以提高產品數據資源的應用效率;同時,另一方面,由于其描述的獨立性和完 整性,使該數據獨立于應用它的軟件系統,并能廣泛支持涉及產品數據應用的各個方 面。 這里,產品數據是適合于人或自動化作業(yè)進行識別、通信和處理的關于一個或一組 產品的事實、概念及要求的形式化描述。在CIMS領域中,通常把基于計算機輔助的 產品生命周期的某些工程過程,如CAD、CAPP、CAE、CAQ、CAM等(可統稱為CAX),所 產生和應用的數據稱工程數據。工程數據實際上是產品數據的一個子集。工程數據 的交換是CAX數據應用中要解決的中心環(huán)節(jié),這種數據交換不僅發(fā)生在不同的CAX之 間,而且也發(fā)生在同一CAX的不同設計版本或不同產品型號之間,甚至在產品的裝配 與零部件之間等。因此,工程數據交換在CIMS中占有特別重要的地位,是CIMS數據集 成、實現數據交換共享的一個關鍵性的技術組成部分。 STEP支持CIMS工程數據的描述,提供了Express數據描述語言,并為實現數據交換操 作提供了SDAI實施方法,使得所描述和管理的工程數據能在不同的工程環(huán)境中通過 數據交換達到共享和應用數據資源的目的。目前,Express語言已較普遍地被裝配在 一些計算機系統上,SDAI在國內CIMS領域中的研究和開發(fā)工作已展開,它的應用對實 現工程數據庫將很有意義。 二、數據描述語言Express PDES提供了在產品設計、制造和使用的整個生命周期內,用于完全描述產品數據,并 能保證其一致性而無二義性的統一的方法和工具,即Express語言。這是一種具有面 向對象特征,可對產品數據描述的語言,它能容易地被人和計算機系統理解和識別, 是一種便于定義系統數據資源和支持開發(fā)應用的語言。Express語言有很強的表達 能力,適用于CAX系統中所需要的各種工程數據的描述,含有豐富的數據類型及語言 元素。Express語言是實施產品數據交換的基礎。 Express是基于模式的語言。模式是Express語言為一致性的實現方法所提供的一種 作用域,它是相關實體類型與用戶定義類型的集合。模式不僅能定義其中的實體及 實體之間的?叵?而且還能定義對實體及其屬性所施加的約束和操作。同時,模式還 可以包括函數、過程、全局規(guī)則或常數說明等其它一些語言成分。模式可以通過接 口實現一個模式對另一模式的一些成份的使用或引用。使用是對模式中說明的實體 所定義的數據類型而言,引用則是對?
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