系统集成指南
系统集成指南 企业生产特点分析与CIMS分类问题 东北大学控制仿真中心　徐心和教授 一、引言 CIMS——计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System),10年前还是一个鲜为人知的英语词组缩写。10年来,在国家863计划的推动 下,CIMS已经唤起越来越多的专家学者和工程技术人员的参与,引起越来越多的企业 的关注,一批试点企业已经取得可喜的成果和显著的经济效益,一个CIMS推广开发的 热潮正在各行各业悄然兴起。准确地讲,1974年约瑟夫·哈林顿博士提出的CIM(计算 机集成制造)是企业组织生产的先进"哲理"(philosophy)。他的基本观点是: (1) 企业的多个生产环节是不可分割的,需要统一考虑。 (2) 整个制造过程实质上是信息采集、传递和加工处理的过程。 按照CIM哲理构成的企业生产与管理的自动化系统可称之谓CIMS。显然,由于生产企 业的不同,CIMS不会具有统一的模式。 值得注意的是,目前出版的有关CIMS的图书资料几乎都属于同一种模式,即CIMS由以 下五大分系统组成: (1) 以MRP-Ⅱ为核心的管理信息系统; (2) 产品设计与制造工程设计自动化系统(CAD/CAPP/CAM); (3) 制造自动化或柔性制造系统(FMS); (4) 质量保证系统; (5) 计算机网络与数据库系统。 显然,这种CIMS模式比较适合于离散型的机械制造型企业。 CIMS模式的这种局限性有其历史原因和现实原因,从其被提出到实现这10多年时间 里,CIMS主要集中在机械制造行业,而我国863计划的示范工厂也是集中在机制行业 。这种局限性还有其行业上的原因,那就是机械制造行业比其它行业在信息集成方 面要面临更多的困难,即除了有面向管理的数据流外,还有面向几何的数据流。几何 图形的表示、存储、转换、控制和检测等过程在设计、制造和管理之间造成了巨大 的信息鸿沟,成为信息集成的难点。CIMS的中心议题是"集成",其道理也在于此。 如今,CIMS已经走向各个行业,有人将企业粗略分为离散型、流程型和混合型。显然 ,其相应的CIMS也将是不同的模式与类别。 二、CIMS分类的本质要素 面对各种各样的企业和形形色色的CIMS方案,目前还缺少一种科学简明的分类方法 。有人采用离散型、连续型(流程型)、混合型CIMS的分类方法,但除了使人认识到 企业生产的区别外,很难感觉到CIMS的内涵差别。 CIMS分类的本质要素应是实现系统功能集成的技术难点所在,是影响CIMS发挥整体 效益的技术关键所在。 前面谈到,CIM是一种哲理。CIMS是在这一哲理指导下,通过物理集成、信息集成和 功能集成,将企业的各种生产与经营活动集成起来的一个高度自动化的整体。目的 是将质量好、成本低的产品适时地推向市场,从而获得显著的经济效益。 所谓物理集成,是要求各种自动化设备的合理配置与到位。信息集成则要求通过计 算机网络与数据库实现信息传递与共享,让各种信息在各种控制、信息管理与决策 中发挥其应有的作用。功能集成则是要将企业主要的生产经营活动通过计算机协调 实现。显然功能集成是目的,而物理与信息集成是实现功能集成的基础。 一般说来,如果企业具有一定的财力,实现物理集成与信息集成是不困难的,因为世 界上各大计算机公司都在开发新产品和抢占各种市场。即使对于某些自动化孤岛难 以实现数据交换,那么,这种技术上的障碍也决非是企业本身可以逾越的。 企业面临的最大困难是功能集成的实现,也就是如何设计与开发适合本企业特点的 应用系统。即使是世界著名的计算机公司也无法提供普遍适用的应用系统(而不是 应用平台),如果可以购得这样的应用系统(主要是软件系统),厂商的开价也将是难 以接受的。 三、企业特点与CIMS分类 笔者从实现企业功能集成的难点与关键技术的角度,以很粗的线条勾划出三类企业 的特点,并提出三种类型的CIMS。 1.离散型企业与CAD/CAM型CIMS 所谓离散型生产企业主要是指一大类机械加工企业。它们的基本生产特征是机器( 机床)对工件外形的加工,再将不同的工件组装成具有某种功能的产品。由于机器和 工件都是分立的,故称之为离散型生产方式。如汽车制造、飞机制造、电子企业和 服装企业等。为了提高企业产品在市场上的竞争能力,人们早就注意到实现企业生 产经营中各个环节的自动化与计算机化。如加工过程采用数控机床(NC)和柔性加工 中心(FMC),工件的运送采用自动导引小车(AGV),还有产品设计与编程(CAD/CAPP/C AM)、材料资源规划(MRPⅡ)、企业的生产管理与经营决策(MIS/DSS)也都可用计算机 实现。为了提高整个系统的运行效率,取得显著的经济效益,通过计算机网络与数据 库将以上这些功能集成起来,便形成了典型的计算机集成制造系统(CIMS),这也是多 年来人们取得统一认识的CIMS模式。 由于机械加工企业是以产品的功能、外型与成本为主要竞争内容,面对多品种小批 量的买方市场和越来越挑剔的顾客,产品的设计与制造成为生产的关键与核心。是 否具有强大的适于本企业生产、研究与改型的CAD/CAM软、硬件,便成为企业能否适 时推出新颖实用商品的关键。许多企业在产品结构调整中陷于困境,很大程度上也 是受制于拿不出适销对路、开拓市场的产品。 鉴于此,可以将这类传统的CIMS称之为CAD/CAM型CIMS,以便与其它类型的CIMS相区 别。 2.流程型企业与过程数模型CIMS 所谓流程型生产企业是指被加工对象不间断地通过生产设备,如化工厂、炼油厂、 水泥厂、发电厂等,这里基本的生产特征是通过一系列的加工装置使原材料进行规 定的化学反应或物理变化,最终得到满意的产品。由于生产过程是24小时连续不断 的,人们也称此类生产为过程型或连续型。 不难看出,许多流程型企业都是重要的能源和原材料工业,产品品种稳定,生产量大 。它们的产品常常不是以新取胜,而是以质和价取胜。因此,企业的自动化目标是如 何有效地监测和控制生产过程,使生产过程处于最佳状态,节省原材料,降低能耗与 其它消耗,提高产品的收得率与优质品率,提高设备的寿命等。由于全线设备的启动 过程复杂,因此,除大中修外,很少中断生产过程。对于原材料等外部条件的随机变 化,系统应有良好的抗干扰能力和性能鲁棒性。 流程型系统的控制管理已经有了大量成功的典型,普遍采用的是集散控制系统(DCS ),由3～4级(测量执行级、回路控制级、单元控制级及过程控制级)实现全过程的自 动控制。显然,此系统正常而高质量的运行要借助于完好的过程模型,其中多数为数 学模型,有时也可以是图模型、网络模型或非结构化模型。一般说来,只要有了良好 的过程数模型,便可以实现系统的优化控制。 鉴于此,可以将此类CIMS称之为过程数模型CIMS。显然,产品的设计(CAD)在这里并 不主要。企业为了获取更好的经济效益,根据市场价格的变化及时调整产品结构是 完全必要的。为此,建立企业的最优产品结构模型也应是功能集成的重要内容。有 人也将这类CIMS称之为CIPS(Computer Integrated Processing System)。 3.混合型企业与计划调度型CIMS 所谓混合型企业是指其生产活动中既有流程型特征,又有离散型特征,如钢铁企业等 。在这里,高炉炼铁或转(电)炉炼钢、连续铸造、热带连轧或冷带连轧等每道工序 本身都可以看作是一个连续生产过程,但在各个工序间的衔接是靠分离的铁(钢)水 罐、铸坯、铸锭、钢卷等实现的。作为企业的宏观运行不仅存在物流平衡和资源( 设备等)平衡问题,而且由于是高温作业,还存在温度平衡和时间平衡(列车时刻表) 问题。因此,这类企业实现CIMS时,不仅要解决好每道工序的自动化问题,而且要解 决好各工序间的所有平衡问题。 钢铁生产的产品一般是规范化的。根据用户的订货规格,只需从已有的工艺档案中 找出其加工工艺方案即可,一般不需要CAD系统。如果各工序自动化系统稳定可靠, 产品质量可以保证,那在系统功能集成中遇到的最大难题便是如何面向多品种小批 量的大量订货合同而组织生产。这里包括按钢种、规格和交货期的聚类组批;轧制 计划、连铸计划与炼钢计划的各种平衡;如何将几个不同的工序视为一个整体,实现 一体化管理,做到前后工序计划同步化,物流运行准时化;充分运用高温坯的潜热,取 消或减少再加热过程,降低能耗,减少烧损,缩短生产周期,增加企业效益和市场竞争 力。 由此可见,工序的过程控制是系统功能集成的基础与前提。而系统功能集成的技术 难点与关键是如何取代或基本取代人的计划与调度功能,这一点已经引起世界各国 钢铁行业的关注。鉴于此,可以称此类CIMS为计划调度型CIMS。 应该承认混合型企业也是各种各样的,集成的难点与关键也会不尽相同。因此,也不 好一概而论混合型企业的CIMS都应归属为计划调度型CIMS。 四、大型企业的CIMS分类问题 大型企业常常是综合性企业。总厂下面设有若干分厂,分厂中又有许多车间。随着 功能的分工,一般都有不同类型的生产工艺,也必然遇到不同的技术难点与关键。这 时,如果把一个总的CIMS分解成几个局部的CIMS,那就可能在上层的计划调度型CIM S中含有下层的过程数模型或CAD/CAM型CIMS。随着企业的千变万化,CIMS的属性也 会错综复杂。 总之,多种多样的CIMS虽然有着相同的哲理,却在内容与核心上存在着相当大的差异 。承认和深刻认识这些差异,给出科学的分类方法,对于我国的CIMS推广工作将具有 十分重要的意义。 SDAI——CIMS工程数据交换的关键技术 华北计算技术研究所　娄勤俭　马应章 一、SDAI的技术背景 SDAI(Standard Data Access Interface)是基于STEP(Standard for the Exchange ofProduct Model Data)的产品数据交换规范(Product Data Exchange Using STEP,PDES)标准(ISO 10303 Product Data Representation and Exchange)系列的一个重要的技术组成部分。PDES规定了产品从设计到制造完成的 全过程中,能够表示并提供通信交换的数据形式, 这种形式完整地表示产品数据,并适合中性的文件交换,且能达到产品数据共享及持 久存档保存的目的。这样,产品数据一方面能在企业间或企业生产的各部分活动之 间交换,以提高产品数据资源的应用效率;同时,另一方面,由于其描述的独立性和完 整性,使该数据独立于应用它的软件系统,并能广泛支持涉及产品数据应用的各个方 面。 这里,产品数据是适合于人或自动化作业进行识别、通信和处理的关于一个或一组 产品的事实、概念及要求的形式化描述。在CIMS领域中,通常把基于计算机辅助的 产品生命周期的某些工程过程,如CAD、CAPP、CAE、CAQ、CAM等(可统称为CAX),所 产生和应用的数据称工程数据。工程数据实际上是产品数据的一个子集。工程数据 的交换是CAX数据应用中要解决的中心环节,这种数据交换不仅发生在不同的CAX之 间,而且也发生在同一CAX的不同设计版本或不同产品型号之间,甚至在产品的装配 与零部件之间等。因此,工程数据交换在CIMS中占有特别重要的地位,是CIMS数据集 成、实现数据交换共享的一个关键性的技术组成部分。 STEP支持CIMS工程数据的描述,提供了Express数据描述语言,并为实现数据交换操 作提供了SDAI实施方法,使得所描述和管理的工程数据能在不同的工程环境中通过 数据交换达到共享和应用数据资源的目的。目前,Express语言已较普遍地被装配在 一些计算机系统上,SDAI在国内CIMS领域中的研究和开发工作已展开,它的应用对实 现工程数据库将很有意义。 二、数据描述语言Express PDES提供了在产品设计、制造和使用的整个生命周期内,用于完全描述产品数据,并 能保证其一致性而无二义性的统一的方法和工具,即Express语言。这是一种具有面 向对象特征,可对产品数据描述的语言,它能容易地被人和计算机系统理解和识别, 是一种便于定义系统数据资源和支持开发应用的语言。Express语言有很强的表达 能力,适用于CAX系统中所需要的各种工程数据的描述,含有丰富的数据类型及语言 元素。Express语言是实施产品数据交换的基础。 Express是基于模式的语言。模式是Express语言为一致性的实现方法所提供的一种 作用域,它是相关实体类型与用户定义类型的集合。模式不仅能定义其中的实体及 实体之间的?叵?而且还能定义对实体及其属性所施加的约束和操作。同时,模式还 可以包括函数、过程、全局规则或常数说明等其它一些语言成分。模式可以通过接 口实现一个模式对另一模式的一些成份的使用或引用。使用是对模式中说明的实体 所定义的数据类型而言,引用则是对?
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