柔性制造自动化的原理与实践.docx

1、现 代 工 业 企 业 自 动 化 丛 书柔 性 制 造 自 动 化 的 原 理 与 实 践吴 启 迪 严 隽 薇 张 浩 编 著清 华 大 学 出 版 社( 京 ) 新 登 字 158 号内 容 提 要本书 是 现 代 工业 企 业 自 动 化 丛 书 之 一 。 全 书 围 绕柔 性 制 造 系 统 中 的 自 动 化 技 术 这 一 主 题 展 开 论 述 。 首 先 介 绍 柔 性 制 造 系 统 的 基 本 组 成 , 然后 就 柔 性 制 造 自 动 化 的 基 本 技 术 、 基 础 理 论 和 相 关 的 支 持 技 术 等 一 系 列 问 题 作 了 详 细 的 论 述 ,

2、同 时 给 出 两 个 F M S 实 际 例 子 , 并 着 重 介 绍 它 们 的 应 用 系 统 结 构 及 软件 。本 书 读 者 对 象 为 机 电 类 专 业 教 师 和 高 年 级 学 生 以 及 从 事 自 动 化 特 别 是 制 造 业 自 动 化 的 工 程 技 术 人 员 。高 中 以 上 文 化 程 度 、 对 自 动 化 、 计 算 机 应 用 技 术 有 兴趣 的 人 员 均 可 阅 读 参 考 。图 书 在 版 编 目 ( CIP ) 数 据柔 性 制 造 自 动 化 的 原 理 与 实 践 / 吴 启 迪 等 编 著 . 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社

3、, 1997I SBN 7-302-02657-2 . 柔 . 吴 . 柔 性 制 造 系 统 -自 动 化 -概 论 . T H165中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 ( 97) 第 19116 号出 版 者 : 清 华 大 学 出 版 社 ( 北 京 清 华 大 学 校 内 , 邮 编 100084)印 刷 者 : 北 京 通 县 人 民 文 学 印 刷 厂 发 行 者 : 新 华 书 店 总 店 北 京 科 技 发 行 所开 本 : 787 1092 1/ 16 印 张 : 13. 75 字 数 : 321 千 字版 次 : 1997 年 9 月 第 1 版 1997

4、年 9 月 第 1 次 印 刷书 号 : ISBN 7-302-02657-2/ T P1372印 数 : 0001 4000定 价 : 18. 00 元 现 代 工 业 企 业 自 动 化 丛 书 编 委 会名 誉 主 任 : 张 钟 俊 顾 问 : 吴 钦 炜 主 任 : 白 英 彩副 主 任 : 邵 世 煌 王 行 愚 吴 启 迪 孙 廷 才编 委 : ( 按 姓 氏 笔 划 )于 海 川 王 行 愚 白 英 彩 孙 振 飞 孙 廷 才 江 志 道 刘 元 元 邵 世 煌 吴 启 迪 张 兆 琪 杨 德 礼 周 德 泽 柴 天 佑 虞 孟 起 魏 庆 福 序当 今 世 界 先 进 工 业

5、 国 家 正 处 于 由 “工 业 经 济 ”模 式 向 “信 息 经 济 ”模 式 转 变 的 时 期 , 其 中 技 术 进 步 因 素 起 着 极 为 重 要 的 作 用 , 它 在 经 济 增 长 中 占 70% 80% 。 “以 高 新 技 术 为 核 心 , 以 信 息 电 子 化 为 手 段 , 提 高 工 业 产 品 附 加 值 ”已 经 成 为 现 代 工 业 企 业 自 动 化 重 要 的 发 展 目 标 。 从 我 国 经 济 发 展 史 来 看 , 其 工 业 经 济 增 长 主 要 是 依 靠 投 入 大 量 资 金 和 劳 动 力 来 实 现 的 , 尚 未 充 分

6、 发 挥 技 术 进 步 在 工 业 经 济 增 长 中 的 “二 次 效 益 倍 增 器 ”的 作 用 。 “如 何 加 快 发 展 电 子 信 息 技 术 、 调 整 产 业 结 构 , 适 应 世 界 经 济 发 展 需 求 ”是 当 前 我 国 工 业 企 业 自 动 化 界 研 究 的 重 要 课 题 之 一 。工 业 自 动 化 是 一 门 应 用 学 科 , 它 主 要 包 括 单 机 系 统 自 动 化 、 工 业 生 产 过 程 自 动 化 和 工 业 系 统 管 理 自 动 化 等 三 个 方 面 。 企 业 自 动 化 包 括 企 业 生 产 管 理 信 息 电 子 化

7、、 信 息 处 理 的 自 动 化 以 及 网 络 化 。 现 代 工 业 企 业 自 动 化 涉 及 到 自 动 化 技 术 、 计 算 机 技 术 、 通 信 技 术 、 先 进 制 造 技 术 和 管 理 学 等 诸 多 学 科 , 它 需 要 各 学 科 的 专 家 和 工 程 技 术 人 员 通 力 合 作 , 从 而 形 成“多 专 业 知 识 与 技 术 集 成 ”的 现 代 工 业 自 动 化 发 展 思 路 。 目 前 工 业 企 业 自 动 化 系 统 主 要 呈现 开 放 性 、 集 散 性 、 智 能 性 和 信 息 电 子 化 与 网 络 化 的 特 点 。 在 现

8、代 工 业 企 业 自 动 化 中 , 计 算 机 控 制 技 术 充 当 了 极 为 重 要 的 角 色 , 它 是 计 算 机 技 术 和 控 制 理 论 有 机 的 结 合 。 自 动 控 制 理 论 的 发 展 是 伴 随 着 被 控 制 对 象 的 复 杂 性 、 不 确 定 性 等 因 素 的 研 究 成 果 而 发 展 的 , 它 由 经 典 控 制 理 论 ( 频 域 方 法 ) 和 现 代 控 制 理 论 ( 时 域 方 法 ) 发 展 到 第 三 代 控 制 理 论 智 能 控 制 理 论 。 计 算 机 控 制 系 统 分 为 数 据 采 集 与 处 理 系 统 、 计

9、算 机 在 线 操 作 指 导 控 制 系 统 、 直 接 数 字 控 制 系 统 、 监 督 控 制 系 统 、 分 级 控 制 系 统 和 集 散 控 制 系 统 以 及 分 布 式 智 能 控 制 系 统 。 从 当 前 计 算 机 技 术 和 自 动 控 制 技 术 发 展 状 况 来 看 , 高 性 能 工 业 控 制 机 系 统 、 智 能 控 制 系 统 和 基 于 网 络 系 统 的 虚 拟 企 业 自 动 化 系 统 将 是 未 来 工 业 企 业 自 动 化 的 重 要 发 展 方 向 。从 系 统 工 程 的 角 度 来 看 , 工 业 自 动 化 技 术 研 究 与 应

10、 用 过 程 分 为 三 个 阶 段 : 自 动 化 技 术 研 究 阶 段 、 科 研 成 果 向 实 用 转 化 阶 段 和 产 品 应 用 阶 段 。 经 过 我 国 科 技 工 作 者 半 个 世 纪 卓 有 成 效 的 研 究 , 在 自 动 化 技 术 研 究 与 应 用 方 面 取 得 可 喜 的 成 绩 , 并 给 我 国 的 工 业 自 动 化 事 业 带 来 了 深 刻 影 响 和 变 革 , 产 生 了 巨 大 的 社 会 和 经 济 效 益 , 其 中 有 的 技 术 已 经 接 近 或 达 到 世 界 先 进 水 平 , 但 从 应 用 以 及 成 果 向 产 品 的

11、 转 化 的 总 体 发 展 角 度 来 看 , 仍 存 在 着 一 些 问 题 , 仍 需 花 大 力 气 进 一 步 探 索 和 研 究 。 例 如 , 我 国 在 工 控 机 及 其 配 套 设 备 的 生 产 方 面 尚 需 进 一 步 构 成 规 模 经 济 ; 建 立 并 发 展 企 业 网 络 及 其 协 议 和 数 据 库 集 成 技 术 , 为 全 面 实 现 我 国 “金 企 工 程 ”提 供 技 术 和 手 段 ; 开 发 系 列 的 工 控 机 软 件 包 、 实 时 操 作 系 统 , 以 提 高 工 控 机 系 统 的 总 体 水 平 ; 充 分 运 用 以 工 控

12、 机 为 核 心 的 电 子 信 息 技 术 来 改 造 我 国 各 类 传 统 工 业 的 工 装 设备 及 产 品 ; 在 我 国 的 部 分 现 代 企 业 中 大 力 倡 导 推 行 M I S, M R P- 和 CIM S/ CIPS 以 及 信 息 网 络 系 统 , 以 提 高 企 业 管 理 水 平 和 竞 争 能 力 等 。 在 20 世 纪 40 年 代 , 计 算 机 刚 问 世 不 久 , 它 的 应 用 除 在 军 事 、 政 要 部 门 之 外 , 主 要 是 在 各 传 统 工 业 领 域 的 应 用 。 在 60 年 代 70 年 代 , 各 国 的 工 业

13、计 算 机 应 用 极 为 普 遍 促 进 了 其 工 业 企 业 自 动 化 高 速 发 展 , 而 我 国 的 工 业 企 业 自 动 化 非 但 没 有 大 踏 步 前 进 , 反 而 停 滞 不 前 。 到 了 90 年 代 这 个 问 题 就 显 得 十 分 严 重 了 , 因 此 我 们 必 须 “补 上 这 一 课 ”。 我 们 编 写 了 现 代 工 业 企 业 自 动 化 丛 书 ( 目 前 暂 定 42 册 , 并 根 据 实 际 需 要 不 断 增 加 新 的 书 目 ) , 该 丛 书 内 容 既 包 括 工 业 生 产 过 程 自 动 化 , 又 包 括 现 代 企

14、业 管 理 自 动 化 技 术 , 如 基 于 总 线 工 控 机 系 统 、 工 程 数 据 库 、 CI MS/ CIP S 以 及 企 业 网 络 技 术 等 。 其 编 写 原 则 为 : 理 论 与 实 践 密 切 结 合 , 为 实 现 工 业 企 业 自 动 化 提 供 典 型 示 范 系 统 。 编 委 会 特 邀 请 了 国 内 在 该 领 域 有 扎 实 理 论 基 础 和 富 有 实 践 经 验 的 专 家 分 别 承 担 各 分 册 的 编 审 任 务 , 以 期 在 向 读 者 展 示 国 内 外 相 关 技 术 的 最 新 成 果 和 发 展 动 态 的 同 时 ,

15、 提 供 解 决 现 代 企 业 自 动 化 的 思 路 、 方 法 、 技 术 和 设 备 等 。该 丛 书 以 工 程 技 术 人 员 为 主 要 读 者 对 象 。 我 们 相 信 该 丛 书 的 出 版 必 将 在 推 动 我 国 工 业 企 业 自 动 化 应 用 的 普 及 和 发 展 进 程 中 起 到 积 极 的 作 用 , 为 进 一 步 提 高 我 国 工 业 企业 自 动 化 水 平 做 出 贡 献 。清 华 大 学 出 版 社 颇 具 魄 力 和 眼 光 、 高 瞻 远 瞩 , 及 时 提 出 组 稿 这 套 丛 书 的 任 务 , 他 们为 编 好 丛 书 做 了 认

16、 真 、 细 致 的 准 备 工 作 , 并 为 该 丛 书 的 出 版 提 供 了 许 多 有 利 的 条 件 , 在 此 深 表 谢 意 。 同 时 对 于 参 加 各 分 册 编 审 任 务 的 专 家 、 学 者 所 付 出 的 艰 辛 劳 动 表 示 衷 心 感 谢 。 编 审 丛 书 的 任 务 十 分 繁 杂 而 艰 巨 , 加 之 时 间 仓 促 , 书 中 出 现 疏 漏 、 欠 妥 之 处 也 是 难 免 的 , 希 望 广 大 读 者 不 吝 赐 教 , 以 使 我 们 逐 步 完 善 这 个 丛 书 系 列 。中 国 科 学 院 院 士 、 上 海 交 通 大 学 教

17、授 前 言柔 性 制 造 自 动 化 的 原 理 与 实 践 一 书 是 现 代 工 业 企 业 自 动 化 丛 书 中 的 一 本 。 本 书 的 宗 旨 是 以 制 造 行 业 为 背 景 讲 述 柔 性 生 产 自 动 化 所 涉 及 的 基 本 概 念 、 基 本 原 理 , 并 介 绍 典 型 柔 性 制 造 系 统 ( FM S) 的 控 制 系 统 实 例 。由 于 市 场 需 求 情 况 的 变 化 , 消 费 者 希 望 得 到 符 合 各 自 要 求 的 “柔 性 ”产 品 , 而 不 是 大 批 量 生 产 的 “刚 性 ”产 品 。 因 此 , 传 统 的 生 产 方

18、式 受 到 了 挑 战 , 柔 性 生 产 与 制 造 应 运 而 生 。 60 年 代 提 出 、 90 年 代 迅 速 发 展 并 被 广 泛 应 用 的 柔 性 制 造 系 统 ( F lexible M anufact ur ing Sys tem, 简 写 FM S) 即 是 这 种 变 化 的 制 造 业 的 革 新 成 果 。F M S 的 一 般 定 义 为 : 是 一 个 计 算 机 控 制 的 生 产 系 统 ; 采 用 半 独 立 的 数 控 ( NC) 机 床 ; 这 些 机 床 通 过 物 料 输 送 系 统 连 接 。N C 机 床 提 供 灵 活 的 加 工 操

19、作 ; 物 料 输 送 系 统 将 N C 机 床 互 相 连 接 起 来 , 形 成 一 个 整体 系 统 ; 计 算 机 则 连 续 地 监 控 设 备 的 操 作 , 并 提 供 控 制 功 能 和 输 出 的 工 程 记 录 。 可 以 采 用 仿 真 技 术 来 预 示 系 统 部 件 的 行 为 , 并 给 出 所 需 要 的 准 确 的 量 测 值 。关 于 FM S 的 论 文 、 专 著 已 有 很 多 , 大 多 是 从 制 造 系 统 出 发 , 描 述 制 造 业 的 变 革 。 本 书 作 为 现 代 工 业 企 业 自 动 化 丛 书 中 的 一 本 , 更 多 地

20、 从 自 动 化 技 术 出 发 , 重 点 在 FM S 自 动 化 的 原 理 与 实 践 , 即 着 重 介 绍 F MS 的 总 控 技 术 。 本 书 第 1、 第 2 章 对 FM S 的 产 生 、 发 展 和 基 本 组 成 进 行 了 描 述 。 第 3、 第 4 章 是 具 有 上 述 特 色 的 核 心 部 分 。 第 5 章 所 介 绍 的 实 践 例子 是 本 书 作 者 所 在 课 题 组 业 已 完 成 的 科 研 项 目 的 成 果 。 第 6 章 的 内 容 则 反 映 了 我 们 的 研 究 生 所 做 的 论 文 工 作 。本 书 编 著 由 同 济 大

21、学 CIM S 研 究 中 心 组 织 , 采 取 先 按 章 节 分 工 编 写 , 然 后 总 编 会 审 的 方 式 编 著 。 吴 启 迪 编 写 1. 1 至 1. 3 和 1. 5 节 ; 严 隽 薇 主 编 第 3 章 、 第 4 章 和 1. 4、 5. 1 两 节 ; 张 浩 编 写 第 2 章 和 3. 2、 3. 3、 5. 2、 6. 3 等 四 节 ; 张 克 技 编 写 4. 5、 6. 1 和 6. 4 等 三 节 ; 程 振 宏 和 乔 非 分 别 编 写 4. 6 和 6. 2 节 。全 书 由 吴 启 迪 教 授 指 导 编 著 、 负 责 书 稿 主 审

22、; 严 隽 薇 教 授 负 责 内 容 编 排 与 初 审 ; 张 浩 研 究 员 与 贺 飞 鸣 等 研 究 生 负 责 文 字 与 插 图 排 版 和 录 入 工 作 。 在 此 对 为 本 书 的 素 材 作 出 贡 献 的 有 关 教 师 和 研 究 生 们 表 示 衷 心 的 感 谢 。本 书 出 版 之 时 适 逢 同 济 大 学 建 校 90 周 年 , 这 是 我 们 献 给 校 庆 的 礼 物 。 编 者1996 年 于 同 济 大 学目 录第 1 章 概 述 11. 1 过 程 自 动 化 和 制 造 技 术 过 程 11. 1. 1 从 过 程 和 过 程 自 动 化 谈

23、 起 11. 1. 2 工 业 生 产 技 术 过 程 的 分 类 和 制 造 技 术 过 程 的 特 点 31. 2 柔 性 制 造 技 术 的 形 成 与 发 展 51. 2. 1 柔 性 制 造 技 术 产 生 的 背 景 51. 2. 2 柔 性 制 造 系 统 的 发 展 历 史 61. 2. 3 信 息 技 术 的 发 展 为 柔 性 制 造 技 术 奠 定 基 础 71. 3 柔 性 制 造 系 统 基 本 框 架 71. 3. 1 FM S 的 控 制 功 能 和 控 制 结 构 71. 3. 2 简 单 示 例 81. 4 柔 性 制 造 自 动 化 的 基 本 概 念 12

24、1. 5 本 书 内 容 安 排 16第 2 章 柔 性 制 造 系 统 的 基 本 组 成 172. 1 组 成 柔 性 制 造 系 统 的 基 本 功 能 模 块 172. 2 加 工 设 备 172. 2. 1 柔 性 制 造 系 统 对 加 工 设 备 的 要 求 172. 2. 2 各 类 自 动 化 加 工 设 备 192. 2. 3 加 工 设 备 在 柔 性 制 造 系 统 中 的 控 制 与 集 成 212. 3 工 件 流 支 持 系 统 252. 3. 1 托 板 交 换 装 置 252. 3. 2 工 件 流 的 运 输 装 置 262. 3. 3 工 件 装 卸 站

25、及 托 板 缓 冲 库 282. 4 刀 具 流 支 持 系 统 282. 4. 1 FM S 中 的 刀 具 282. 4. 2 刀 具 的 供 应 方 式 302. 4. 3 刀 具 的 管 理 312. 5 信 息 流 支 持 系 统 382. 5. 1 FM S 的 信 息 流 模 型 382. 5. 2 FM S 的 信 息 流 要 素 、 联 系 和 特 征 39 第 3 章 柔 性 制 造 自 动 化 的 基 本 技 术 433. 1 柔 性 制 造 的 自 动 化 级 别 433. 2 规 划 设 计 自 动 化 453. 2. 1 规 划 设 计 的 任 务 与 目 标 45

26、3. 2. 2 系 统 设 计 规 划 的 计 算 机 辅 助 技 术 543. 3 生 产 计 划 与 管 理 自 动 化 613. 3. 1 生 产 计 划 与 管 理 的 任 务 与 目 标 613. 3. 2 生 产 计 划 与 管 理 软 件 的 系 统 结 构 703. 4 调 度 自 动 化 713. 4. 1 动 态 调 度 的 任 务 与 目 标 713. 4. 2 调 度 方 法 713. 4. 3 自 动 调 度 实 例 753. 5 加 工 过 程 自 动 化 803. 5. 1 FM S 中 加 工 过 程 自 动 化 的 任 务 与 目 标 803. 5. 2 与

27、FM S 加 工 过 程 自 动 化 相 关 的 技 术 813. 6 系 统 监 控 自 动 化 883. 6. 1 FM S 监 控 器 概 述 883. 6. 2 刀 具 的 监 控 943. 6. 3 工 件 的 监 视 953. 6. 4 故 障 诊 断 95第 4 章 柔 性 制 造 自 动 化 的 基 础 理 论 与 支 持 技 术 964. 1 引 言 964. 2 离 散 事 件 动 态 系 统 ( DE DS) 的 理 论 与 方 法 964. 2. 1 DEDS 的 建 模 方 法 学 964. 2. 2 DEDS 的 监 控 理 论 984. 2. 3 DEDS 控 制

28、 理 论 的 主 要 成 果 994. 3 FM S 体 系 结 构 理 论 与 方 法 1004. 3. 1 CIM 系 统 的 体 系 结 构 1004. 3. 2 FM S 面 向 功 能 构 成 的 递 阶 分 层 体 系 结 构 1014. 3. 3 实 现 分 布 式 计 算 与 处 理 的 CL I EN T / SER V E R 结 构 1074. 3. 4 多 视 图 的 FM S 体 系 结 构 1124. 4 FM S 系 统 管 理 软 件 设 计 技 术 1144. 4. 1 实 时 系 统 的 技 术 设 计 策 略 1144. 4. 2 软 件 开 发 技 术

29、中 的 结 构 化 分 析 与 设 计 方 法 1184. 5 FM S 中 的 计 算 机 通 信 1274. 5. 1 局 部 网 络 通 信 及 协 议 127 4. 5. 2 FM S 中 的 计 算 机 网 络 技 术 1304. 6 FM S 中 的 数 据 库 1384. 6. 1 工 程 数 据 库 的 特 点 1384. 6. 2 数 据 库 的 几 种 类 型 1404. 6. 3 FM S 数 据 库 的 设 计 方 法 141第 5 章 FM S 的 实 例 1435. 1 一 个 箱 体 零 件 柔 性 制 造 系 统 SJ -FM S 1435. 1. 1 总 体

30、方 案 1435. 1. 2 SJ -F MS 的 作 业 计 划 管 理 软 件 1505. 1. 3 SJ -F MS 的 协 调 控 制 级 软 件 1535. 1. 4 SJ -F MS 数 据 库 系 统 设 计 1575. 1. 5 SJ -F MS 的 规 划 设 计 与 系 统 仿 真 软 件 1635. 2 FM S 的 适 应 性 总 控 系 统 A LSYS 1695. 2. 1 引 言 1695. 2. 2 计 划 控 制 系 统 的 功 能 1705. 2. 3 AL SYS 的 独 立 性 1725. 2. 4 AL SYS 构 成 的 示 教 FM S 178第

31、6 章 柔 性 制 造 自 动 化 的 新 技 术 1866. 1 面 向 对 象 开 发 方 法 在 FM S 中 的 应 用 1866. 2 Petr i 网 及 其 在 FM S 中 的 应 用 1896. 2. 1 Petr i 网 在 FM S 建 模 中 的 应 用 1896. 2. 2 Petr i 网 在 FM S 分 析 中 的 应 用 1906. 2. 3 Petr i 网 在 FM S 调 度 和 控 制 中 的 应 用 1916. 2. 4 Petr i 网 与 面 向 对 象 技 术 的 结 合 趋 势 1916. 3 基 于 人 工 智 能 的 FM S 作 业 计

32、 划 调 度 仿 真 及 生 产 过 程 监 视 和 故 障 诊 断 1926. 3. 1 智 能 化 作 业 计 划 调 度 仿 真 1926. 3. 2 智 能 化 的 生 产 过 程 监 视 和 故 障 诊 断 1966. 4 用 集 成 化 的 计 算 机 平 台 技 术 缩 短 FM S 软 件 的 开 发 周 期 197参 考 文 献 201 1第 1 章 概 述1. 1 过 程 自 动 化 和 制 造 技 术 过 程1. 1. 1 从 过 程 和 过 程 自 动 化 谈 起在 自 动 化 领 域 中 “过 程 ”和 “过 程 自 动 化 ”是 经 常 用 到 的 术 语 , 我

33、们 把 几 乎 所 有 的 控 制 对 象 都 称 之 为 “过 程 ”。 在 本 书 中 涉 及 的 柔 性 制 造 系 统 , 当 然 也 不 外 乎 是 一 种 “过 程 ”, 只不 过 是 一 个 特 定 的 、 具 体 的 、 复 杂 的 过 程 而 已 。 那 么 , 究 竟 什 么 是 “过 程 ”呢 ?笼 统 地 提 到 “过 程 ”, 首 先 是 指 一 个 事 件 的 历 程 、 进 程 和 经 过 。 如 果 提 到 的 是 “技 术 过 程 ”, 则 可 以 更 具 体 地 说 , 在 这 过 程 中 发 生 了 物 质 的 变 化 ; 更 确 切 地 说 , 是 能

34、量 或 者 信 息 状 态 发 生 了 变 化 。因 此 , 我 们 可 以 给 过 程 下 一 个 定 义 , 即 : 技 术 过 程 是 一 个 历 程 , 在 此 历 程 中 物 质 、 能 量 或 信 息 的 状 态 发 生 了 变 化 , 它 从 其 初 始 状 态 过 渡 到 了 终 止 状 态 。 图 1. 1 给 出 了 这 一 定 义 的 示 意 。图 1. 1 技 术 过 程 示 意 图 ( 一 )如 果 把 注 意 力 集 中 到 状 态 随 时 间 变 化 的 过 程 , 并 掌 握 过 程 的 各 种 结 果 ( 例 如 监 测 ) , 同 时 考 虑 对 过 程 运

35、 行 所 施 加 的 影 响 ( 例 如 控 制 与 调 节 ) , 还 可 作 如 下 定 义 : 一 个 过 程 是 指 某 一 系 统 中 各 个 物 质 、 能 量 或 信 息 改 变 其 形 态 、 被 传 送 或 存 储 、 互 相 影 响 的 分 过 程 之 总 和 。 技 术 过 程 则 是 指 这 样 一 个 过 程 , 其 物 理 量 可 通 过 技 术 手 段 来 加 以 量 测 和 可 对 其 施 加 影 响 。图 1. 2 技 术 过 程 示 意 图 ( 二 )接 着 , 我 们 再 来 讨 论 , 什 么 是 “过 程 自 动 化 ”? 图 1. 3 给 出 了 自

36、 动 化 系 统 最 一 般 的 形 式 。 图 中 所 示 “人 ”的 作 用 是 借 助 显 示 媒 介 ( 如 显 示 屏 幕 ) 跟 踪 过 程 的 进 程 , 同 时 给 以 控 制2和 影 响 。 如 果 过 程 可 以 通 过 信 息 系 统 自 动 地 运 行 , 则 “人 ”的 任 务 是 在 出 现 异 常 情 况 时 加 以 干 预 。图 1. 3 过 程 自 动 化 系 统“信 息 和 通 信 系 统 ”( 包 括 计 算 机 系 统 和 可 编 程 微 电 子 器 件 ) 进 行 信 息 的 测 量 、 处 理 、 显 示 和 输 出 , 包 括 必 要 的 通 信

37、。“技 术 过 程 ”中 还 应 设 置 传 感 器 测 量 过 程 变 量 , 设 置 执 行 机 构 用 以 控 制 过 程 。 过 程 自 动 化 系 统 有 两 个 几 乎 同 义 的 名 称 , 即 “过 程 控 制 系 统 ”和 “过 程 数 据 处 理 ”。 这 三个 名 称 并 无 本 质 差 别 , 之 所 以 会 形 成 不 同 说 法 , 主 要 因 为 着 眼 点 不 同 。如 果 从 利 用 信 息 处 理 装 置 使 技 术 过 程 实 现 自 动 化 角 度 看 , 我 们 只 要 按 需 对 运 行 结 果提 出 技 术 要 求 ( 如 对 空 调 器 设 定

38、室 温 ) 。 此 时 , 往 往 把 系 统 称 为 “过 程 自 动 化 系 统 ”。如 果 着 眼 点 在 于 对 技 术 过 程 进 程 的 控 制 和 对 单 一 分 过 程 自 动 化 运 行 的 支 持 , 则 往 往称 系 统 为 “过 程 控 制 系 统 ”, 这 里 “控 制 ”一 词 包 含 引 导 、 控 制 和 调 节 。可 以 看 出 , 在 这 三 个 同 义 词 中 , 最 具 普 遍 性 的 表 达 是 过 程 自 动 化 系 统 。 在 过 程 自 动 化 系 统 中 , 需 要 进 行 技 术 开 发 的 往 往 是 信 息 和 通 信 系 统 部 分 。

39、 这 一 般 用 一个 过 程 计 算 机 系 统 来 实 现 。 该 计 算 机 系 统 除 了 具 有 一 般 的 运 算 、 比 较 、 传 输 与 存 储 功 能 之 外 , 特 别 还 应 具 有 优 先 中 断 和 实 时 数 据 处 理 与 交 换 的 可 能 性 。 图 1. 4 给 出 了 过 程 计 算 机 系 统 的 示 意 图 。过 程 计 算 机 系 统 又 可 分 为 硬 件 与 软 件 两 部 分 。 硬 件 功 能 模 块 如 图 1. 5 所 示 , 而 软 件 系统 程 序 分 级 结 构 如 图 1. 6 所 示 。作 为 过 程 自 动 化 系 统 特

40、例 , 柔 性 制 造 系 统 的 基 本 情 况 与 上 述 情 况 一 致 。 只 是 本 节 所 描 述 的 情 况 更 一 般 、 更 原 则 , 它 不 仅 适 用 于 离 散 型 的 柔 性 制 造 系 统 , 也 适 用 于 连 续 的 过 程 控 制 系 统 。3图 1. 4 过 程 计 算 机 系 统图 1. 5 过 程 计 算 机 系 统 硬 件 功 能 模 块1. 1. 2 工 业 生 产 技 术 过 程 的 分 类 和 制 造 技 术 过 程 的 特 点上 一 节 中 叙 述 了 一 般 的 技 术 过 程 及 其 自 动 化 。 现 在 让 我 们 来 讨 论 技 术

41、 过 程 中 的 一 类 ,即 所 谓 “工 业 生 产 技 术 过 程 ”。 工 业 生 产 即 是 指 商 品 生 产 , 其 分 类 可 见 下 图 ( 图 1. 7) 。从 图 1. 7 可 见 , 工 业 生 产 技 术 包 括 主 要 技 术 ( 即 图 中 所 示 的 能 量 技 术 、 过 程 技 术 和 制造 技 术 ) 和 辅 助 技 术 ( 即 图 中 所 示 的 开 采 运 输 技 术 和 信 息 技 术 ) 。 信 息 技 术 是 自 动 化 的 先导 , 在 过 程 技 术 中 一 般 通 过 过 程 计 算 机 来 实 现 , 是 本 书 要 讨 论 的 核 心

42、问 题 。 制 造 技 术 的 任4图 1. 6 过 程 计 算 机 系 统 软 件 功 能 模 块图 1. 7 工 业 生 产 技 术 的 分 类务 , 一 般 地 讲 , 是 对 商 品 的 几 何 形 状 进 行 加 工 。 制 造 技 术 是 本 书 要 讨 论 的 核 心 问 题 的 主 要 应 用 背 景 , 因 为 柔 性 制 造 技 术 是 一 种 先 进 制 造 技 术 。 狭 义 地 讲 , 制 造 技 术 仅 是 对 物 体 进 行 几 何 造 型 的 工 艺 过 程 。 欲 对 工 件 进 行 加 工 , 工 艺 过 程 本 身 可 以 是 互 不 相 同 的 。 反

43、过 来 说 , 对 一 个 物 体 进 行 几 何 造 型 的 生 产 技 术 不 能 仅 局 限 于 制 造 技 术 , 它 还 必 须 有 其 他 辅 助 技 术的 配 合 , 即 要 包 括 开 采 运 输 技 术 ( 运 输 、 搬 运 、 仓 储 、 缓 冲 库 存 等 等 ) 和 信 息 技 术 。 而 信 息 技 术 , 如 前 所 述 , 对 于 制 造 过 程 自 动 化 是 十 分 重 要 的 。 因 此 , 广 义 地 看 , 制 造 技 术 过 程 应 当 是 一 种 工 业 生 产 技 术 过 程 , 它 包 括 运 输 技 术 、 信 息 技 术 、 质 量 保 证

44、 技 术 等 过 程 。除 了 图 1. 7 根 据 参 与 过 程 的 物 质 来 进 行 的 分 类 之 外 , 还 可 以 根 据 主 要 过 程 变 量 及 其处 理 过 程 对 技 术 过 程 进 行 分 类 。 比 如 可 分 为 : 连 续 流 动 过 程 : 全 部 或 分 段 连 续 过 程 , 如 化 工 过 程 ; 序 列 过 程 : 用 二 进 制 信 息 表 示 , 用 布 尔 代 数 方 程 来 描 述 ; 事 件 过 程 : 用 二 进 制 数 字 表 示 单 独 排 列 的 物 体 的 离 散 位 置 与 状 态 变 化 。5一 般 地 , 各 种 过 程 变

45、量 可 能 同 时 出 现 。 生 产 技 术 过 程 通 常 是 事 件 和 序 列 过 程 的 结 合 , 因 此 被 称 为 离 散 事 件 系 统 。 事 件 和 序 列 这 两 种 过 程 往 往 难 以 区 分 , 只 是 事 件 过 程 对 于 单 列 可 辨 识 物 体 中 出 现 事 件 的 反 应 表 现 在 前 台 , 而 在 序 列 过 程 中 , 则 往 往 表 现 为 以 一 种 固 定 序 列 给 出 的 输 入 控 制 指 令 , 并 且 是 以 当 前 过 程 数 据 来 描 述 过 程 特 点 的 。从 以 上 叙 述 的 技 术 过 程 的 分 类 , 制

46、 造 技 术 过 程 的 特 点 也 已 可 见 一 斑 。 为 归 纳 本 节 的 内 容 , 再 见 下 列 分 类 表 。 在 这 个 表 中 读 者 可 自 己 总 结 制 造 技 术 过 程 所 处 的 位 置 和 特 点 。表 1. 1 技 术 过 程 分 类类 别分 类 原 则 技 术 过 程过 程 形 式 确 定 性 随 机 性时 间 特 性 连 续 过 程 离 散 过 程形 变 和 / 或 传 输 量 材 料 过 程 能 量 过 程 信 息 过 程所 属 领 域 过 程 控 制 制 造 过 程 分 配 过 程 测 量 和 检 测 过 程涉 及 的 变 量 : 取 值 范 围

47、内 连 续 的 物 理 量 有 关 事 件 的 二 进 制 信 息 表 示 与 对 象 有 关 的 信 息 表 达 ( 二 进 制 符 号 字 )连 续 流 量 过 程 序 列 过 程 事 件 过 程1. 2 柔 性 制 造 技 术 的 形 成 与 发 展1. 2. 1 柔 性 制 造 技 术 产 生 的 背 景首 先 , 让 我 们 讨 论 一 下 制 造 业 中 较 传 统 的 生 产 技 术 。对 于 大 批 量 、 少 品 种 的 情 况 , 一 般 采 用 自 动 流 水 线 , 包 括 物 流 设 备 和 相 对 固 定 的 加 工工 艺 , 这 可 称 为 固 定 自 动 化 (

48、 fixed automation) 方 式 。 自 动 流 水 线 通 常 相 当 昂 贵 , 设 备 基 本 固 定 , 不 灵 活 , 只 能 加 工 一 个 零 件 , 或 者 几 个 相 互 类 似 的 零 件 。 如 果 要 改 变 产 品 的 品 种 , 自 动 流 水 线 要 作 较 大 的 改 动 , 在 投 资 和 时 间 方 面 的 耗 费 很 大 。 自 动 流 水 线 的 优 点 是 生 产 率 很 高 , 由 于 设 备 是 固 定 的 , 所 以 设 备 利 用 率 也 很 高 , 最 终 的 结 果 是 , 每 一 产 品 的 成 本 很 低 。 追 求 高 生

49、 产 率 , 是 选 择 自 动 流 水 线 最 主 要 的 依 据 。 这 种 生 产 方 式 至 今 仍 然 用 得 很 多 。 比 如 空 调 器 的 生 产 , 由 于 批 量 大 , 所 以 可 根 据 几 种 不 同 品 种 的 要 求 , 建 立 几 条 自 动 流 水 线 , 在 一 段 时 间 内 可 以 以 高 生 产 率 进 行 生 产 , 生 产 线 的 投 资 与 产 品 销 售 产 生 的 效 益 相 比 , 是 完 全 可 以 盈 利 的 。 因 此 , 昂 贵 的 生 产 线 的 投 资 成 本 有 可 能 在 一 段 时 间 内 收 回 , 并 且 取 得 较 高 的 利 润 。对 于 小 批 量 、 多 品 种 的 情 况 ,