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1、CIMS中的自动化技术,第一节 CIMS体系结构,一、CIM-OSA,CIM-OSA就是欧洲ESPRIT计划中一个由来自多个国家的22个公司、研究所和大学组成的集团AMICE所开发的，它由一个三个座标的立方体表示，如图1所示。第一个座标叫做“逐步具体化”（stepwise instantiation,后改称stepwise particularization），它描述了从形成基本建造块到建立用于各种类型工业的部分通用模型，再到最后建立特定企业的专用模型的建模过程。第二个座标叫作“逐步推导”，（stepwise derivation），提供了CIM开发的生命周期中不同阶段的模型描述。第三个座标叫
2、作“逐步生成”（stepwise generation），它或许是最重要的一个座标，这里用四个视图，即功能、信息、资源、和组织，来建立了总系统各个方面的模型。这四个视图必须互相联系在一起，来给出整个系统的描述。因为它们是同一系统的不同侧面，就必然存在着一定程度的重叠，而不会是完全独立正交的，正象从不同角度对一个人照相，一定会有些部分是重复的。另外，CIM-OSA还有一个突出的优点，就是开发了一套集成基础结构（integrating infrastructure），使得不同的单元技术、异构的应用软件、人机接口等等之间的互连和通讯，变得很方便。在具体建模方法方面，CIM-OSA提供了很详细的功能模
3、型和信息模型的建模方法，但在资源和组织方面，始终只看到过简单的叙述。,二、SLA(Stair-Like CIM System Architecture,其中在CIM系统体系结构中要加入经济视图的观点，是作者在国际上首次提出的。近年来，SLA已逐渐为国内外的CIM专家所接受。,国际上已经提出了很多种CIM系统体系结构，它们各有长短，但是实用性都不够理想。清华大学陈禹六教授领导的课题组根据我国实施CIMS的经验并吸取了国外各种CIM系统体系结构的优点，于1994年提出了如下图所示的六视图阶梯形CIM系统体系结构（Stair-Like CIM System Architecture，简称SLA）。,
4、第二节 CIPS体系结构,1CIPS的定义及流程工业生产特点 CIPS的定义：通过计算机软件硬件，综合运用现代化管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术，实现企业生产环节集成，人、技术、经营管理三要素的统一管理和集成，物流和信息流有机集成并优化运行的连续过程生产的复杂大系统.流程工业中被加工对象连续不断通过生产设备，在加工装置中发生化学反应或物理变化，生产过程常常数年不间断，如石油、化工和能源工业等.流程工业生产中一般为大批量生产，工艺流程基本不变，产品较稳定，不须进行产品设计，且自动化程度较高，分布式控制系统比较普遍.2CIPS的体系结构 体系结构能从系统的角度全面地研究一个企
5、业如何从过去的经营方式转化为未来的方式，清楚地表达CIP从概念构思到系统实际完成的发展过程，是设计与实现CIPS的基础.CIPS是个复杂的大系统，因此，本文从功能和控制两个角度讨论CIPS面向功能和控制的体系结构.,2.1面向系统功能构成的结构 连续工业生产长年不间断，其停产常常会带来巨大的经济损失.安全生产，节能降耗是连续工业的优化目标，如何在稳态运行条件下改善质量，降低成本是赢得市场，获得高利润的关键.因此，经济运行分系统是流程工业中的核心.CIPS与CIMS中的经营管理分系统功能相同，只是管理的复杂程度有所差异，流程工业由于产品结构、工艺、工序及设备复杂，种类繁多，因而管理工作也较复杂.
6、综上所述，得到CIPS面向系统功能的结构，它由经营管理分系统、过程自动化分系统、安全经济运行分系统、计算机网络和数据库支撑分系统4个分系统构成，如图所示.,(1)经营管理分系统.经营管理是对生产过程的综合管理.由于流程工业产品结构简单等原因，其管理的复杂程度相对低一些.(2)安全经济运行分系统.安全经济运行是连续工业中重要的组成部分，它主要建立经济模型，进行经济调度，制订设备维修计划，进行备品备件管理，故障预测及报警处理等.(3)过程自动化分系统.过程自动化分系统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，减少在制品，降低库存，提高生产资料的利用率.(4)计算机网络和数据
7、库支撑分系统.CIM哲理的核心是集成，计算机网络和数据库技术是实现集成的基础和技术保证.,2.2面向控制的体系结构 CIPS是个复杂的大系统，可以通过追踪生产信息流来完成对CIPS的控制.生产信息流起源于整个系统的最顶端，通过市场需求制定出相应的生产目标和计划，然后形成综合的生产和管理计划，根据这些计划制订最优的生产调度安排，最后通过启动生产设备完成全部的生产过程.因此，可以根据信息流所流过的各个节点得到CIPS体系结构面向控制的分层结构.从上至下为经营管理层、管理信息层、生产调度层、过程控制层和设备控制层.这种递阶控制适应信息技术和企业的控制方式，在流程工业中被普遍采用.(1)经营决策层根据
8、市场信息和订单要求，决定企业发展方向，制定战略计划，进行投资管理和风险管理，并制定财务决策，市场销售决策和研究开发决策.(2)信息管理层实现对生产信息和经营信息的集成管理，为上层决策支持系统提供决策信息，同时为下层提供生产调度信息.(3)生产调度层落实生产计划，组织均衡生产，协调资源，对生产进行协调管理.,(4)过程控制层实现生产过程中主要生产环节的监督和控制，以保证过程优化及生产装置的优化运行，并完成故障报警和诊断.(5)设备控制层利用各种控制模型和控制算法通过执行机构对设备进行直接控制.如果企业规模较大，由若干个场地分散，功能齐全的子企业组成，则可对本控制结构的经营决策层进行扩展，厂级经营
9、决策层的决策能力要受到上级集团公司决策的制约，如图2所示.,2.3CIPS的二维体系结构由以上分析可知，CIPS的体系结构可分别以控制结构和功能结构为横向和纵向进行分解，得到CIPS的二维体系结构.功能结构是由经营决策分系统、过程自动化分系统、经济运行分系统、计算机网络和数据库支撑分系统组成.控制结构由经营决策层、管理信息层、生产调度层、过程监控层和设备控制层组成，如图3所示.,CIPS的总体技术及实施中的重点无论CIPS还是CIMS，关键问题并不是采用何种结构，而是如何实现集成.CIPS是一个复杂大系统，它是人、技术和经营管理的集成，涉及到综合自动化理论，复杂工业集成控制与优化理论，体系结构
10、的研究，标准化问题，计算机网络和数据库的开发和研究，软件技术，仿真技术，人工智能应用等众多的理论和技术问题.由于CIMS和CIPS都是基于同一思想，因此，在某些方面它们具有共性，CIMS经过长期实践，已经积累了一定的经验，可为CIPS提供指导，CIPS在实施中可以借鉴CIMS的经验，从而缩短开发周期，节约成本.但由于行业不同，CIPS应着重注意以下几点.(1)连续工业过程变量多，常常无法以整个过程为对象建立控制器，因此工业界普遍采用集散控制系统进行控制，如何合理地给定控制回路的控制量设定值，使控制量作用于过程后，整个过程的最终控制结果达到预定指标是过程控制的重点和难点.(2)过程工业的生产特点
11、是长时间不间断运行，因此不宜频繁启停，这就对实时监控、故障预测和诊断及紧急情况处理等提出较高的要求.(3)过程工业中大部分问题和知识是难以结构化和公式化的，且经常包括一些不确定和模糊信息，数学模型或纯运算方法很难使用，因此，如何从数据中提取知识一直是个难点.(4)过程工业中存在高度不确定性和复杂非线形，并且运行环境较恶劣，大多数参数和变量不能直接测量，因此软测量方法和技术的研究就成为测量的一种新方向.(5)过程工业要求实时在线采集生产数据、工艺质量数据、设备状态数据等信息，并且要处理大量的动态数据，以图形图表的形式予以显示.因此，对计算机网络和数据库的实时性提出了较高的要求.,CIMS中的制造
12、自动化技术,1.引 言 在传统的生产环境中，生产效率及精度不太高，自动化程度低，人们可以比较容易地判别制造过程的工况状态，有故障也容易排除。所以在传统的生产环境中，是以人为主体，对生产过程或生产设备进行监控，没有适用的制造过程状态检测方法和检测仪表。从本世纪80年代初开始，随着FMS、CIMS的发展，在CIMS生产环境中，主要靠计算机技术、自动化控制技术对制造过程进行监控，大大减少了人对制造过程的直接干预，制造过程状态的自动识别、故障自动排除是制造系统稳定性的基础。所以在CIMS生产环境中，制造过程监控技术越来越受到人们关注，并成为CIMS的重要技术保障。,一、制造过程监控技术概述,任何一种制
13、造系统，它的最终目标是在保证产品质量前提下，降低制造成本，提高生产效率。因此，制造过程监控的目的，就是为了保证达到上述目标，在线识别过程状态，分析过程中的问题，通过参数调节，提供稳定的生产条件。从监控对象的侧重点不同来分，制造过程监控分为设备监控、流程监控和质量监控。设备监控是流程监控的基础，设备监控和流程监控是质量监控的重要保证。设备监控、流程监控和质量监控互为支撑，互相渗透。制造过程监控是十多年来发展最迅猛的综合性应用技术之一，该技术是利用传感检测技术、信号处理、模式识别、信息理论、人工智能、预报决策、控制工程、电子技术、计算机技术及有关专业领域的研究成果，以制造过程的设备、流程及产品质量
14、为研究对象，根据制造过程中的二次效应(如热力参数、电磁参数、机械力学参数、各种性能参数等)及其动态变化，在不影响制造过程正常工作的前提下，1）对制造过程的设备状态进行监测，作出是否有故障、故障种类、故障部位、故障严重程度、故障发展变化趋势等诊断结果，判断设备性能劣化趋势，并制定出相应对策和处理结果，对设备进行自动控制。2）对制造过程的流程进行监控。3）对制造过程的产品质量进行监控。,2.设 备 监 控 所谓设备，通常是对人们从事生产或生活所需的各种器械和设施的总称。机器设备是现代化的生产工具，生产工具越先进，人们对客观自然的认识和支配能力就越强。产品的产量、质量、成本、生产计划等等，在很大程度
15、上都取决于设备；影响安全，环境、能源、资源等问题的根源，也还是设备。设备监控的主要内容包括设备状态监测、故障诊断和设备自动控制。2.1 设备状态监测 设备状态是指设备运行的工况，由设备运行过程中的各种性能参数以及设备运行过程中产生的二次效应参数和产品质量指标参数来描述。设备状态的类型包括：正常、异常和故障三种。设备状态监测是通过测定以上参数，并进行分析处理，根据分析处理结果判定设备状态。对设备进行定期或连续监测，包括采用各种测试、分析判别方法，结合设备的历史状况和运行条件，弄清设备的客观状态，获取设备性能发展的趋势规律，为设备的性能评价、合理使用、安全运行、故障诊断及设备自动控制打下基础。,2
16、.2 设备故障诊断 设备故障的定义为：一台设备（或装置）的性能指标已低于正常时的最低极限值的设备状态。设备产生故障的原因，大致可分为三大类：1）、实体耗损或变异，设备在使用或停置过程中，在环境、介质等各种因素和载荷的作用下，其零部件会发生摩擦、振动、应力或腐蚀等。导致设备产生磨损、疲劳、变形、断裂、结垢、泄漏或堵塞等实体耗损或变异。设备的实体耗损的发展变化情况，一般可分三个阶段：初期耗损、正常耗损和严重耗损。耗损是随着时间推移而逐步增加的。在设备使用初期和后期，实体耗损增加得很快，而在中间阶段变化是缓慢的。2）、设计制造和装配上的缺陷，这些缺陷是设备过早发生故障的重要原因。设计方面的缺陷主要有
17、：动态特性不好，坏的几何几寸，断面突然变化，尖锐的拐角，材料选择不当，不同金属接触形成不同膨胀系数，应力估计过低，配合或润滑方式选择不当，对使用条件和工作环境考虑不周等。制造方面的缺陷主要有：切削加工缺陷，铸造缺陷，轧制缺陷，热处理缺陷，表面处理缺陷等。装配方面的缺陷主要有：铆接缺陷，焊接缺陷，装配损坏，螺纹过紧、过松、乱扣，压力容器中采用的非金属材料、油脂滑油等溶化成渣等。3）、操作失误。操作失误往往招致严重的设备突发事故，其表现主要有：判断错误，技术低劣，违抗命令，粗心大意，玩忽职守等。所以除了物质因素外，人为因素事实上也是造成设备故障的一种原因。,设备故障往往是由于某种缺陷不断扩大，经由
18、异常，然后再进一步发展而形成的。通常说设备或另件正常，是指它没有任何缺陷，或者虽有缺陷但也在允许的限度之内。异常是缺陷已有一定程度的扩展，使设备状态信号发生变化，设备性能开始劣化但仍能维持正常工作。故障则是由于设备性能指标严重降低，已无法维持正常工作。设备故障的三个时期初期故障期、偶发故障期和损耗故障期。在状态监测判别出有异常时，通过故障诊断进一步确定故障的性质、严重程度、故障类别、故障部位、故障原因，乃至说明故障发展趋势和对未来的影响。为预报、控制、剩余寿命预估、调整、维修、治理及事故分析提供依据。2.3 设备自动控制利用有关控制技术，对设备的起停运行，设备某部分的运动速度、方向、范围、作用
19、力大小及设备各部分之间的相互配合等进行自动控制，是现代制造技术与传统制造技术的根本区别之一。设备自动控制技术包含的范围非常广泛，如数控技术、变频调速、开停控制等等。,3 流 程 监 控 制造是将可用资源通过相应过程，转化为可供人们使用和利用的工业品或生活消费品的整个过程，制造过程中的流程监控是对整个制造过程的各种信息流、物料流、资金流等进行监察和控制。在CIMS生产环境中，各个制造单元、设备都有自身的计算机监控单元，整个企业构成多级分布式计算机监控网络。在网络各层次中，由于各子系统职能不同，制造过程监控内容也就有区别。所以，从不同的监控范围大小来分，制造过程监控又可以分为设备级监控、制造单元级
20、（车间级）监控和厂级监控。设备级监控是设备监控、质量监控的执行者，也是高层次监控系统所需信息的提供者。设备级监控必须具备独立监控和完成规定任务的功能，并有与高层次系统通信和执行高层次系统决策的功能。,制造单元级监控是流程监控的主要内容，主要内容包括：实现CAD、CAM、CAPP数据到自动检测的数据转换，确定监控有关的限定指标。编制检测程序，确定状态识别策略。制造单元级监控系统运行状态及故障分析。制造单元级监控系统全面质量控制及生产率分析2.与设备级监控系统及厂级监控系统的通信与协调。制造单元级监控系统在对本制造单元全部设备及产品生产状态进行检测和分析之后，结合厂级监控系统的有关信息，根据产品质
21、量和生产率要求，进行生产条件优化计算，作出监控决策，通知设备级监控系统执行，并将有关信息通知厂级监控系统，接受厂级监控系统的调度和指挥。,厂级监控是流程监控的最高层次，主要内容包括：实现全厂各个制造单元（车间）的协调。对在线制造的各类部件或产品的经济性与生产率综合分析。根据制造过程全面质量管理和最大经济效益准则，确定产品设备 监控、过程监控和质量监控的规范。4.通过网络，与厂内各子系统进行信息交换，向用户提供有关产品 质量信息，从外界获取有关技术和商业信息。完成涉及产品生命周 期所有过程的监控任务。,4 质 量 监 控 质量监控系统的有关硬件、软件分布在设备监控、流程监控之中，产品质量监控需要
22、一些特殊的硬件或分析方法，不同行业或产品的质量监控方法千差万别。机械加工过程质量监控的主要内容包括：1）切削过程刀具磨损与破损监控。2）切削颤振在线监控。3）切屑状态在线监控。4）磨削过程表面烧伤及波纹监控。5）工件尺寸精度在线监控。6）工件形状精度在线监控。7）加工点位精度在线监控等。,2.3DCS的基本组成部分,三点一线,一线：DCS骨架计算机网络,三点：面向过程现场的I/O站（PS），面向操作人员的操作站（OS），面向DCS监督管理人员的工程师站（ES）,操作级,控制级,现场级,Ethernet,TCP/IP Backbone,I/Os,PROFIBUS-PA,PROFIBUS-DP,H
23、SI,控制器AC 800F,工程师站（ES）,操作员站（OS）,可靠的操作标准及可以使用位图的自由组态图形清晰的结构层次适于标签的快速选择多级菜单选择灵活选择过程站资源支持高分辨率及真彩色显示系统报警信息同步概念 8 个优先级和 15 厂域操作权限控制16 用户组 和 1,000 用户离线浏览趋势及记录Windows NT 4.0 平台,操作员站简介一,操作员站简介二,总貌显示组显示面板SFC 显示时间调度显示,趋势与记录 信息列表 操作提示 系统诊测显示,操作员站简介三,全图形化表示动态数据数据的动画表示“所见即所得”操作风格无数量限制,最小工程量一个系统全局的数据库全系统范围功能检查全系统
24、范围交叉参考，从I/O点到图形符号IEC-61131 标准编程语言 一个集成的编程软件包：-系统过程组态与调试-操作级与HMI 级编程再线与离线编程经过现场成熟应用的控制功能模件库工厂统一的项目文件,组态:基本概念,系统一体化硬件编辑、软件组态,覆盖整个系统全局的数据库和编程调试集成现场总线设备的管理,可选则的IEC 61131-3 标准编程语言,自动生成系统全局在线交叉参考数据表,IEC 61131-3功能块图（FBD）梯形图（LD）指令表（IL）顺控表（SFC）190多个 标准功能块大量符号库包括 220 多个符号 用户自定义功能 3D-图形符号 功能块 面板 全系统范围功能检查,过程站编程,硬件组态,数据库建立,控制回路组态,逻辑控制组态,标准与用户定义预定义显示 OverviewGroupFaceplatesTrendSFCDiagnosticsAlarming预编程 用户记录用户工艺流程图大量3D-图形符号库MS Windows 接口系统全局功能检查,操作员站画面编辑,报表生成,信号时序记录事件与过程状态 改变应急操作提示系统工厂/操作员记录手动或事件触发记录特殊过程值干扰源记录,组态数据的编译及下装,系统监控,三级层次系统过程站模件自动生成完整系统监控指示温度报警输出强置硬件信息运行时间CPU 负载,
