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1、1 绪论1.1 制造自动化概述1.1.1 制造自动化的发展和计算机集成制造自动化技术是当代发展迅速、应用广泛、最引人瞩目的技术之一，是推动新技术革命和产业革命的核心技术，而制造技术标志着一个国家创造财富和为科学技术发展提供先进手段的能力。在制造业中广泛应用自动化技术，可以提高产品质量、减少原料和能源消耗、降低生产成本、缩短生产周期、改善劳动条件，从而提高企业的生产能力和经济效益。20世纪30年代至50年代，由机械式或液压式自动车床、组合车床以及专用机床组成的单品种生产自动线，使许多机械繁重的体力劳动为机器所替代。这种称为刚性自动生产线的自动化生产技术有固定的生产节拍，利于复杂产品以合理的成本进
2、行大批量生产，却不能有效的应用于中、小批量产品生产中。60年代，国外制造业广泛采用自动生产线进行大批量生产后，人们逐渐意识到:大批量生产只占整个制造业的1525，而中、小批量生产所占的比例高达7585。基于上述需求，人们开始寻求新的制造原理和生产方式，数控加工、柔性制造等新技术应运而生，并被应用到制造业中以解决所面临的一系列难题，使得只需改变少量软件程序即可加工新的零件，大大提高了加工的灵活性。然而，这些技术离散的分散在制造业中，只能使局部生产达到自动控制和最优化，不能使整个生产过程长期处于最优状态下运行，加之随着社会和科学技术的发展，世界市场向动态、多变型发展，竞争越来越激烈，制造企业为在竞
3、争中求得生存和发展空间，需要进一步缩短产品研制周期和交货时间，提高质量，降低成本，单机自动化和局部自动化技术逐渐显得满足不了制造业飞速发展的需要。80年代，工程技术人员开始重视Joseph Hawing ton博士在其Computer Integrated Manufacturing一书中首先提出的CIM (Computer Integrated Manufacturing，计算机集成制造或计算机综合制造)理念：1.企业生产的各个环节，即从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动是一个不可分割的整体，要紧密连接、统一考虑:2.整个制造过程实质上是一个数据采集、传递和加工处
4、理的过程，最终形成的产品可看作是数据的物质表现。在此基础上建立了全新的CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems,计算机集成制造系统)制造模式,并使CIM, CIMS在实践中被广泛接受，不断丰富、发展和完善，以至于现在还没有一个公认的CIM和CIMS定义。1986年，我国863/CIMS主题也以促进我国企业的信息化、现代化为宗旨提出了CIMS计划，并从1989年开始实施应用示范工程。纵观CIMS应用示范工程十几年的实施情况可以看出，实施CIMS的企业如成都飞机工业公司、沈阳鼓风机厂、北京第一机床厂、咸阳偏转线圈厂、兰化化纤厂等，无论是几百人的中
5、小企业还是几万人的大型企业，无论是离散型制造企业还是连续型、混合型或者其它类型的制造企业，无论是少品种大批量还是多品种小批量企业，无论是国有企业还是民营企业、合资企业、乡镇企业，大多数都获得了明显的经济效益和社会效益。几十家制造企业的实践不但增强了实施企业的竞争能力，促进了我国CIMS技术的理论研究及产业发展，为我国企业实现向市场经济和集约化生产的根本转变提供了一条有效途径，也使CIM和CIMS理念及其支撑技术有了更大的发展。根据国内外多年的推广实践，可将CIMS概括为:CIMS是现代制造企业的一种生产、经营和管理模式，它以计算机网络和数据库技术为基础，将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术
6、、自动化技术、系统工程技术等有机结合，利用计算机软硬件将制造企业的经营、管理、计划、研究开发、产品设计、加工制造、销售及服务等全部生产活动集成起来，将各种局部自动化系统集成起来，将各种资源包括企业信息资源、硬件设备资源和人力资源集成起来，实现整个企业的信息集成和功能集成，达到企业全局优化和提高企业综合效益的目的。1.1.2 CIMS及MAS的系统构成市场信息 一个制造企业从功能上看，包括设计、制造和经营管理三个方面;同时，由于产品质量是企业的生命，因此，常常也把质量保证作为企业功能主要方面之一。为了实现上述企业功能的集成，还需要管理信息分系统（MIS）制造自动化分系统 MAS网络分系统原材料工
7、程设计自动化分系统3C技术信息数据库分系统产品质量保证分系统CAQ质量文件 图11 CIMS系统的构成有一定支撑环境网络技术、数据库技术和指导集成的系统技术。据此，CIMS通常由管理信息分系统(MIS)、产品设计与工程设计自动化分系统(CAD/CAM/CAPP，简称3C )、制造自动化分系统(MAS)、质量保证分系统(CAQ)以及计算机网络(Net)和数据库分系统(DB)等6个部分有机的集成起来。图1-1表示了CIMS中6个分系统的功能。图中，制造自动化分系统(Manufacturing Automation System, MAS). 是CIMS系统的应用子系统之一，主要指制造企业中工件产品
8、加工或装配的自动化部分，它是制造系统中物料流和信息流的交汇点，实现设计及管理的指定任务，将制造现场的设备、装置、工具、人员及相应信息、数据以及相应的系统体系结构和组织管理模式等不同信息(包括实时的或经过初步分析处理的)反馈到相应的部门，完成将毛胚加工成合格零件并装配成部件以至产品的全过程，并以整个生产线上的全部生产设备的过程控制信息为主，实现生产计划、生产过程管理以及产品质量管理全过程的信息集成。虽然MAS分系统所涉及的领域范围可以从体系结构、系统构成、信息流、物料流等不同角度进行描述，但从这些不同的角度对MAS的功能描述却是完全一致的，因而一般说来，一个完整的MAS分系统总是主要由以下几个子
9、系统组成:1.制造设备子系统:这部分是制造自动化系统的硬件主体，主要包括:专用自动化机床、组合机床自动线、加工中心(MC)、计算机直接数控系统(DNC)、柔性制造单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)等加工设备，以及测量设备、辅助设备、夹具装置等。2.物料运输与存储子系统:包括传送带、有轨小车、自动导向小车、立体仓库、搬运机器人、托盘站等。3.制造信息子系统:这部分实现制造信息的获取、分析、处理以及各种信息交换、物料流的管理、制造过程的监测与控制，是MAS的核心，也是整个MAS能否正常工作和优化运行的关键，包括计算机控制系统、数据库管理系统、网络和通信系统。4.制造过程调度与控制:这部分的目标
10、是通过对制造过程中物料流的合理计划、调度与控制，缩短产品的制造周期，降低在制品库存，提高生产资源的利用率，最终达到提高CIMS生产效率和产品质量的目的。1.2 本文所研究的问题及其意义1.2.1 CIMS所研究的问题CIMS是一个大型的复杂系统，包括人与机构、经营 、技术三要素。其中人与机构包括组织机构及其成员，经营包括目标和经营过程，技术包括信息技术和基础结构（设备、通信系统、运输系统等使用的各种技术）。三要素之间如图12所示，在三要素的相交部分需解决四类集成问题：1.使有技术以支持经营2.使用技术以支持人员工作3.设置机构人员协调工作支持经营4.统一管理并实现经营、人员、技术的集成优化运行
11、目前，CIMS并不过分强调物流自动化，而是侧重于以人为中心的适度自动化，即强调人、经营、技术三者的有机集成，充分发挥人的作用。经营 3 14 技术人员机构2图12 CIMS的三要素1.2.2 本文所研究问题的意义作为CIMS的重要组成部分，MAS是衡量工业企业现代化生产技术水平的一个很重要的指标，也是企业进行质量控制、技术管理以及提高生产效率和经济效益的有效手段。然而，在全新的CIMS模式下要实现生产线的自动化和智能化还存在许多问题。主要有：国内购置和开发的设备尚未进行生产，需要进一步的开发或改造，从国外引进的八十年代的设备，虽然具有一定的自动化水平和独立工作的能力，但由于当时相关技术和控制策
12、略的制约，自动化程度比较低加之各设备的工作互相独立，缺乏合适的通信协议和高速传输速率，使得各工艺过程的数据交换与综合处理难以实现，拆运过程中又有部分零件遗缺或损坏，许多设备资料不全等，给整个开发过程的设备恢复、自动化改造及设备与控制模块之间的通信带来了许多困难。为了适应当今企业生产的要求，必须对系统进行全面的自动化改造。而且在技术先进的同时尽可能达到绿色或无污染。此外，有些新开发的设备和生产线虽然已具备局部数据共享及综合管理水平，但缺乏系统整体规划彼此独立，为过程质量管理与跟踪及生产调度带来困难。为了确保生产状态的长期一致性与稳定性。需要建立一种基于现场的全局信息集成方式。在实现信息集成的同时
13、实现部分功能的集成。因此，针对企业技术现状和特点，妥善对待和解决分系统建设中存在的问题，完成生产过程的信息控制、检测、管理与有效集成，实现关键设备及主要生产线的自动化和生产过程控制的智能化与自动化。建立一个能适应生产环境不确定性和市场需求多变性总体最优的高质量、高效益、高柔性的生产企业，保证企业生产状态长期一致性与稳定是MAS的研究所在，也是企业生产和未来发展的“瓶颈”所在。1.3 MAS的功能及关键技术1.3.1 MAS的主要功能在CIM哲理和CIMS框架下本着系统集成目标而设计的制造自动化分系统是CIMS中信息流和物料流的结合点，是CIMS最终产生经济效益的聚集地。制造自动化分系统在计算机
14、的控制与调度下根据产品的工程技术信息、车间层的加工指令完成对原料加工的调度及制造。实现设计及管理中的指定任务，并将制造现场不同信息实现或进行初步处理后反馈到相应的部门，使产品制造活动优化、周期缩短、成本降低、柔性提高。其功能可以涵盖以下：(1)编制生产作业计划，优化调度控制(2)协调控制工作流、原料流、产品流(3)管理分配作业数据、NC程序、原料数据、产品数据(4)控制与管理产品质量(5)系统的操作管理及系统状态监控和故障诊断处理(6)完成生产数据采集及评估(7)与上级计算机通信对于不同企业来说，加工的制造产品的设备及其控制策略可能大不一样，但对实现CIMS的目标而言，建立具有标准联网接口的单
15、机自动化生产监控、协调及诊断系统却是MAS分系统的共同功能。因此， 根据企业生产加工的工艺过程，结合CIMS的建设基础条件和建设目标，在MAS系统中主要实现以下主要功能：(1)单工艺环节生产自动化单工艺环节的生产自动化主要是指重点工艺环节以及某些工艺环节的参数与设备状态量的自动检测和自动记录。(2)部分工艺环节的半自动化生产部分工艺过程主要工作包括工艺参数设置、生产过程监控、在制品生产过程记录以及设备运行情况的监控等。由于受生产设备技术条件约束，目前只能实现部分自动化，一部分工作还需要人工参与。(3)基于现场的信息集成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利用先进的计算机控制系统
16、和网络通信技术将企业各部分生产活动所需的信息和各种分散的自动化或半自动化生产系统连接起来，实现系统数据与信息的有机集成。(4)生产过程全线自动化通过建立不同级别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，并对生产过程进行全线检测和智能控制。1.3.2 MAS设计中的主要研究工作和关键技术1.方案的确立由于MAS开发过程的复杂性以及大量投资所带来的巨大风险要求开发设计人员在每个发展阶段都应尽可能考虑的全面一些，尽可能的为后一或后几个阶段的工作打好基础。因此，在MAS设计中应深入生产线场了解产品加工过程的关键工艺、控制要求和系统集成目标。经过用户需求调研、可行性研究、初步设计、详细设计等程
17、序，确定MAS分系统的功能目标、控制结构、体系结构、关键设备的控制策略以及信息集成方案。2.MAS分系统的控制模型MAS设计时要充分考虑到成本和性能。本着“分解协调”的设计思想，在降低成本、提高性能的基本要求下采用良好的结构框架和规范分系统中模块间的信息流。将系统控制功能进行“分解”并分配到各个模块。通过“协调”确定各模块的目标任务及模块间的交互关系，以适应递阶协调控制对内部的经营过程和生产自动化进行决策和控制，使系统控制功能并行触发。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，也是MAS建设的主要目标之一，关键设备的优劣、控制效果的好坏都直接决
18、定着最终产品的结果，与此同时还需要通过网络和数据库系统将关键设备和主要生产线各个分散的部分连接起来，实时的传递调度命令、作业工况、控制信号和设备状态等信息，实现上层对下层的闭环控制。4.基于现场的信息集成信息集成是CIMS的核心和优势所在，也是CIMS的关键技术之一。MAS分系统固然重要，但它毕竟只是CIMS的一个子系统，信息没有集成，MAS与CIMS的其它子系统就只是一些自动化的“孤岛”，效益再高，但相对于CIMS的整体效益而言，也只是一个局部优化的结果。何况“完成主要生产线与关键设备的自动化和信息集成，达到CIMS系统与生产线的实时信息变换，使企业的全局整体效益最优才是MAS的建设目标。因
19、此在MAS的实施过程中，结合CIMS各个子系统的规划和设计在CIMS整体最优的基础上力求MAS局部优化，并考虑到CIMS系统与生产线的实时信息交换。采用代理技术解决系统信息共享中用户访问的异步性和实时性问题。实现了MAS基于现场的数据库信息集成和部分功能集成，使软件系统自动访问MIS、MAS、CAQ和3C数据库，将MIS的生产计划，3C的工艺文件和工艺参数信息，CAQ的自检质量标准及时的传递给异地分布的MAS现场工作站，并将MAS的生产任务完成情况、设备状况、控制过程参数信息、质量自检信息、物料流信息进行集成。实时反馈给MIS，对于有效控制产品质量、合理安排生产任务、及时调整工作状态、改善控制
20、效果都起到了至关重要的作用。而这些过程的完成基本上无需人的参与，有效克服了由于网络故障、拥塞、响应速度而造成的数据丢失。全局处理错误、控制滞后和错误控制现象的发生。完成了主要生产线与关键任务的自动化和信息集成。2 制造自动化分系统结构2.1 MAS的性能需求 开发MAS的目的是实现生产过程自动化、提高产量、降低成本，以获得经济效益的提高。因此，从性能上看MAS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的设计中，应将系统控制结构、控制策略、网络通讯、信息集成和软件设计等方面的可靠性放在首位，使系统具有较强的冗余和容错能
21、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，应在一定工程造价的范围限度内使系统具有较强的功能和完善的自动化程度，尽可能达到当前国内领先水平，和国际先进水平缩短差距。 3.可扩展性 MAS中用于直接控制的基本单元应该既可单独工作，自成系统，独立完成对某个目标对象的控制;又可以在需要时，方便地通过通讯网络互连起来，进行既有集中又有分散的控制;还可以按照生产发展的变化，方便的协调其中的某些设备，或者把某些设备与MAS连接或断开。与此同时，分系统的通讯网络本身也需要具备可扩展延伸性，为将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一项重要指标，不仅
22、要求基本控制单元的实时性，即每台设备控制的实时性，而且要求通讯网络的实时性。这就要求使用多台控制计算机实现MAS分系统所有过程量输入输出的分散处理时，每台计算机只处理特定的一部分实时数据。这样，单台计算机的失效只会影响到自己所处理的那一部分实时数据，不至于造成整个系统故障。 5.正确性 要完成生产线的自动化，MAS必须对大量信息进行检测，完成相应的控制功能。检测和控制的正确性，对生产效率和产品质量都是极其重要的。此外，在对上级部门下达的生产计划、生产工艺标准及质量要求等各种数据保证正确及时下达的同时，对于CIMS系统需要MAS提供的各种现场数据也要保证正确、完整向上传输。 6.技术可实现性MA
23、S的关键技术如自动化技术、网络技术和数据库技术，负责协调MAS中各台工业控制计算机及控制模块的运行和信息传输与集成，保证系统信息处理的实时性、完整性和一致性。目前技术的发展，使得MAS有多种方案可以选择，并且每种方案都有很多成功的典型范例，所以对MAS的实施有足够的技术保证。 7.友好的人机界面提供友好的人机界面，使生产操作人员容易掌握操作，并可直观获得生产过程中的工艺和设备参数，有助于提高MAS的智能化程度。2.2 MAS中的常用控制结构随着制造自动化技术的发展，特别是CIMS应用在制造业中所产生的效益充分证明了实现制造自动化分系统的技术可行性。然而，企业完成生产利润目标的许多因素并非生产技
24、术问题，而是与组织结构密切相关的，受到社会、经济等因素的影响和制约，所以制造系统必须对内部的经营过程和生产活动进行严密的规划控制。MAS相比于传统的制造自动化，采用先进的信息技术和自动化技术对内部的经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经营过程与生产活动过程所需要各种数据和信息的集成，强调生产全过程控制的高效性、系统性和集成性。因此，MAS必须在设计时充分考虑成本和性能，本着“分解一协调”的设计思想，在降低成本、提高性能的基本要求下，采用良好的结构框架容纳和规范分系统中模块及模块间的信息流，将分系统控制功能进行“分解”并分配到各个模块，通过“协调”确定各模块的目
25、标、任务及模块间的交互关系，加入人为的理性判断使得系统控制功能能够并行自动触发。一般来说，MAS的总体控制有集中式、递阶式和分布式等几种基本控制。传统的集中式控制将全部数据由一台主控计算机管理，信息处理速度低，无法满足大型复杂制造系统中经营管理、生产计划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、生产线瘫痪乃至整个MAS崩溃的局面，加之集中式控制结构容错性差、缺乏可扩展性、开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分层递阶控制工厂加工车间装配车间单元单元工作站工作站工作站设备设备设备设备设备设备设备设备图21
26、 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经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经营管理功能。制造工程包括以CAD/ CAPP/CAM等工作。工厂层与外界的联系有市场信息、质量反馈信息、用户信息，并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
27、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、原材料供应与市场销售情况修正、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，决定零件加工路线并给工作站分配任务、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，并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
28、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。该层控制系统向上与工作站层用接口连接，向下与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，并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、
29、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，下层执行上层指令并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，完成集中决策与分散控制的功能，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并行信息处理，可处理大量信息并满足实时控制需求。加之基于递阶控制结构下的系统可并行开发，实施周期短，因而我国从开
30、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网络进行通讯，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网络的有效性，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。与此同时，虽然图2-1所示的控制结构模型可以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
31、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，增加了计算机和网络设备的投资。5
32、.在递阶控制结构设计过程中，完全明确的控制层次确定和控制功能分解十分困难。 所以，分层递阶控制在制造自动化系统应用中面临着严重的挑战。2.2.2 分布式控制随着被控对象规模的扩大和生产工艺过程的复杂化，常规递阶控制器组成的递阶控制系统必须利用全部子系统的信息，本质上仍属于一种集中控制方式，难以真正实现分解、协调和优化，同时也存在着系统可靠性降低的问题。随着计算机技术飞速发展而产生的分布式控制系统，为解决递阶控制面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，使整个系统可以分散为若干个联系不甚紧密的子系
33、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、加工等模块看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。从功能上可以分为过程控制层、操作监控层、生产管理层等，每层有多台计算机，通过通信网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，通过通信网络连接。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
34、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。但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网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
35、，却带来了制约制造系统效率和柔性进一步提高的“瓶颈” 信息的多层传递与转化;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看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，但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，将与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。从总体上看，它仍采用分层结构，依
36、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，上层与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可以按传统的从下到上传送请求，再从上到下发送命令:也可以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，根据企业网络中各节点的数目及网络节点间的通信量和网络的吞吐率来确定“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
37、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22 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，它可以被挂起或接管。而当外界发生变化时，采用协同方案可以使制造系统单元模块响应其变化。在图2-2所示
38、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)可以同本层中的其它协同器进行通信； 4.每个协同器可以直接或间接同上层或下层的相关协同器进行通信；此时，系统在每层中以两种不同的模式运行:递阶式和分布式。在递阶模式中，当外界请求到达协同器X (j)时，若X (j)可以独立解决问题，它就执行命令进
39、行求解，否则它就发送请求给第j+1层来解决。而在分布模式中，任何从下一层传来的请求可以在本层内进行协同集体解决。如果在层j和层j+1之间没有断开(层断开定义为缺少两层之间任何路径，或是功能上的断开)，层j就运行于递阶模式。系统的可靠性体现在若协同器X(j)发生故障，任何直接连到X (j)上的协同器X (j-1)仍可以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。如果两层断开时，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。在层与层之间以请求、控制和传输三种方式进行通信。请求用于把消息送到高
40、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，可以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网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
41、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并行作业，上级协同器进行总体控制与调度。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与对话，为用户提供咨询服务与操作辅助，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与控制引用消息机制，将协同器看作是系统各组成部分通信与控制的节点，以消息驱动系统各组成部分协同工作。这时，复
42、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与控制，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。外界任务协同器协同器协同器消息消息消息消息信息接受信息发送问题求解逻辑推理语言处理信息接受
43、信息发送问题求解逻辑推理语言处理信息接受信息发送问题求解逻辑推理语言处理直接控制单 元直接控制单 元图23 协同器的结构分解与通信在DDE环境下，所建立的协同器通信关系可分为三种模式:1.两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。2.两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，需要时客户协同器可以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，表面上看第三种通信方式增加了通信量，但却
44、因此避免了无效数据在网络上的传输，能够起到平衡和调节网络负载的功能，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可以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可以从一些最原始的对象开始，经过层层组合而成。因此，适度递
45、阶协同控制中的协同器和直接控制单元都可以描述为对象，由它们组成的各个功能模块、甚至MAS分系统乃至整个CIMS系统都可以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，可以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可以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，同样可以通过消息的传递与
46、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。一个对象可以接收不同形式、不同内容的消息;相同形式的消息可以送给不同的对象;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可以有不同的解释，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
47、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、数据采集等。 对象、消息和方法是面向对象程序设计的核心，通过以上分析可以看出，适度递阶协同控制中的协同器和基本控制单元实际上可以按照面向对象技术描述为一种具体的对象结构，使其功能得到很好的实现，对于处于同一层次上具有相似特性的协同器和基本控制单元还可以归并到一个基类(Base Class)，只需定义这个基类，就可根据这个类得到若干个类实例，利用其它更深层次的面向对象编程技术，对基类进行派生、继承，即可实现不同协同器的编程。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”与“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